光纖拉絲能源綜合利用系統的開發

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隨著互聯網的快速發展，人們對網絡數據傳輸的速度和數據量有了更高的要求。光纖作為光信號傳播的主要通道，由于自身傳輸量大、不容易失真等特性而被廣泛使用。

根據國家統計局數據顯示，2013年以來，我國光纖光纜行業銷售收入增長率呈現出明顯的上升趨勢，2011～2016年，我國光纖光纜行業銷售收入從643.1億元上升至1 692億元，年均復合增長率高達21.35%，2016年，全球光纖需求量達4.25億芯千米，我國占57%市場份額。在耗能方面，生產1 km光纖將消耗大約2.5 kWh電能。

1 光纖生產能耗狀況

光纖生產中主要能耗源于以下方面：①原材料預制棒熔化；②紫外線固化系統；③恒溫車間空調系統。圖1所示為光纖生產系統能耗。

1.1 原材料預制棒熔化

作為光纖成形的主要設備，加熱爐將光纖的高純度二氧化硅母材預制棒加熱到2 100℃左右，形成熔融態，在拉絲張力和精密控制的光纖直徑測量儀的雙重作用下，形成一定直徑范圍內的裸光纖，設備功率在110 kW左右。

▲圖1 光纖生產系統能耗

1.2 紫外線固化系統

成品光纖由芯層、包層和涂覆層三部分組成，裸光纖由芯層和包層組成，如圖2所示。以G652光纖為例，芯層直徑為80 μm，包層直徑為125 μm，涂覆后直徑為245 μm。涂覆層主要采用對紫外線敏感的樹脂，通過涂覆模具將樹脂涂覆在光纖包層外上，然后通過紫外線燈實現固化[1]。隨著光纖拉絲速度的提高，紫外線燈的數量也在不斷增加[2]。以1 800 m/min拉絲速度為例，需要使用六盞紫外線燈，以每盞功率20 kW計算，總功率為120 kW。

▲圖2 裸光纖組成

1.3 恒溫車間空調系統

光纖生產過程中對環境要求比較高，尤其是溫度和濕度，見表1。因此，每個光纖廠都要配套一組甚至多組冷、熱鍋爐和加濕系統，用于實現車間溫度和濕度的控制。筆者所在企業年產光纖4 000萬芯千米，車間空間大約為80 000 m3。根據計算，在江蘇范圍內要維持上述面積光纖生產環境要求，空調系統總功率為200 kW。

表1 光纖生產環境要求

2 能源相互利用

光纖拉絲系統主要能源由供氣系統、光纖生產系統、車間溫度控制系統等組成。光纖生產系統消耗的電能一部分被抽風系統帶至室外，其余都以熱量的形式散發在車間內，所以需要具有吸收熱量功能的設備，這個設備就是氣體供應系統。能源相互利用示意圖如圖3所示。

▲圖3 能源相互利用示意圖

供應企業的氣體以液態形式存儲在儲氣罐內，在使用時進行氣化。氣化時需要吸收大量熱量，大量熱量通過散熱片吸收。氣體降壓后供應到生產系統中使用。圖4所示為光纖生產車間氣體供應系統。

▲圖4 光纖生產車間氣體供應系統

3 散熱量和吸熱量計算

3.1 氣體轉換中釋放的能量

氣體膨脹過程中，如果不考慮氣體流動和摩擦損失，那么體積與壓力的變化規律為[3]：

式中：P1、P2為氣體兩種不同狀態下對應的壓力；V1、V2為氣體兩種不同狀態下對應的體積；K為絕熱指數，也稱熱容比，是一定溫度下氣體恒壓熱容與恒容熱容的比值。

氣態所吸收的熱量W為：

式中：n為物質質量；T為熱力學溫度；R為普適氣體常數，取 8.3 J/（mol·K）。

對于筆者研究的氣體，K取1.40。

對于年產光纖4 000萬芯千米而言，1 km光纖消耗氬氣0.2 m3，氣體由液態轉換為常壓需要吸收熱量，若 n=1.428×109g，P2=13.5 MPa，P1=0.1 MPa， 由式（1）、式 （2）可以得出，每年生產過程中氣體所做的功為2.07×108kWh。

3.2 光纖生產過程中釋放的熱量

由光纖生產過程得知，原材料以常溫運進，通過光纖生產設備生產出常溫光纖運出，并沒有產生溫度降。因此，作為光纖生產的主要耗能設備，如拉絲爐、紫外線燈、收線機等，設備消耗的電能最終都轉換成了熱量散發至生產區域內，這些熱量都是要通過冷凍系統進行調節而消耗的能量。根據上述光纖生產中的耗能量，對于一家年產光纖L為4 000萬芯千米的光纖制造廠，一年的電能消耗WT為[4]：

式中：W1為1 km光纖的電能消耗。

W1以1.5 kWh計，根據計算，一家年產4 000萬芯千米的光纖制造廠，1年的電能消耗為：

4 能源綜合利用的必要性

由表2可知，如果年產4 000萬芯千米的熱能回收率達到10%，那么可以節能6×106kWh。回收率越高，節能效果越明顯。

由表3可以看出，如果年產4 000萬芯千米光纖時氣體吸熱回收率為10%，那么可以節能2.07×107kWh。回收率越高，節能效果越明顯。

5 光纖拉絲能源綜合利用系統方案

▲圖5 光纖拉絲廠能源綜合利用系統

6 微機控制系統

建立光纖拉絲能源綜合利用系統后，筆者通過傳感器將現場數據傳輸到管理員操作平臺[5]，通過事先設置好的比例積分微分程序實現最高效的能源交換，如圖6所示。管理員操作平臺設置現場環境參數，設置的參數與現場傳感器采集到的數據進行比較，通過比

表2 年產4 000萬芯千米光纖熱能回收率與節能

表3 年產4 000萬芯千米氣體吸熱回收率與效益

由表2和表3可見，對于一家年產4 000萬芯千米的光纖制造廠而言，如果能實現在氣體降壓過程中吸收的熱量與光纖生產過程中散發的熱量中和，哪怕是中和10%的回收率，那么效益也是非常可觀的。筆者為此開發了光纖拉絲能源綜合利用系統，系統工作原理為：液態氣體罐中的液態氣體通過由浸泡在媒介內的散熱片冷卻后的媒介，與通過由浸泡在媒介內的熱量回收裝置加熱后的媒介，在熱交換器的作用下混合，達到能量交換的目的。整個過程由設在車間內的溫濕度傳感器及熱交換器通過執行器在微機比例積分微分程序控制下執行。光纖拉絲能源綜合利用系統如圖5所示。例積分微分程序控制器將調節命令傳給執行器。執行器調節冷、熱媒介在熱交換器中的量，如此反復不斷調節，就可以達到調節現場環境溫度和濕度的目的。

▲圖6 微機控制系統

7 總結

隨著互聯網技術的不斷發展，對光纖的需求量不斷提升，同時國家對節能要求也逐步提高[6]，資源的統籌利用已經開始變得急迫。筆者設計的光纖拉絲能源綜合利用系統將氣體減壓的吸熱特性與光纖生產過程中大量的放熱過程結合起來，形成能源的相互利用。雖然只是利用了光纖生產中的一部分能源，但是從節能角度而言，已經是一個較大的進步。