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超高压电缆挤出的致胜法宝: 效率、可靠、品质和可持续性

来源:国际塑料商情 发布时间:2022-08-30 860
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 应用及案例
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生产效率通常是研发生产线的主要目标,其中一个关键的效率因素是设备利用率。

电线电缆是输送电(磁)能、传递信息和实现电磁转换的线材产品,广泛应用于电力、能源、交通、通信、汽车以及石油化工等各个领域,被喻为国民经济的“血管”与“神经”。


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按电压等级,电缆产品可分为中、低压电缆(35kV及以下)、高压电缆 (110kV以上)、超高压电缆(275-800kV)以及特高压电缆(1000kV及以上)。在电线电缆行业中,电力电缆是非常重要的产品。随着近年来我国电网建设的发展和城镇化进程的加快,特别是电网改造、特高压等大型工程相继投入升级、建设,以及新能源产业的兴起,更是给高电压等级电力电缆行业提供了巨大的市场空间,110kV、220kV等高电压等级电力电缆需求迅速增长,带来了难得的机遇。


图1 电缆结构.jpg

图1:电缆结构


超高压电缆挤出的特点


从内到外,高压电缆的组成部分包括:导体、绝缘、内护层、填充料(铠装)、外绝缘。
众人皆知,电缆的性能很重要,对高压线缆的性能要求则更高,这就需要高端的加工工艺来制造,而高达500KV的超高压电缆的加工工艺又是怎样的呢,如何缩短产品生产周期,在提高线缆产品生产效率的同时如何保证生产质量……这些已经成为线缆企业优先思考的问题。


超高压电缆制造加工工艺大致分为导体制造、成缆绕包、VCR生产线(交联)、去气处理、金属护套加工、外护套及导电层加工,本文重点关注有关的塑料绝缘与护套的挤出加工过程。


图2 中国宁波东方电缆公司就配备了SIKORA的X射线设备对电缆生产线进行质量控制.jpg

图2 : 中国宁波东方电缆公司就配备了SIKORA的X射线设备对电缆生产线进行质量控制


超高压电缆的塑料绝缘和护套是采用连续挤压方式进行的,挤出系统主要包括单螺杆挤出机、螺杆、过滤板、连接管、机头、模具及温度控制系统等。在挤出前,要事先检查塑料是否潮湿或有无其它杂物,然后在螺杆预热后将塑料加入料斗内。在挤出过程中,装入料斗中的塑料借助重力或加料螺旋进入机筒中,在旋转螺杆的推力作用下,不断向前推进,从预热段开始逐渐向均化段运动;同时,塑料受到螺杆的搅拌和挤压作用,并且在机筒的外热及塑料与设备之间的剪切摩擦的作用下转变为粘流态,在螺槽中形成连续均匀的料流。在工艺规定的温度作用下,塑料从固体状态转变为熔融状态,再经由螺杆的推动或搅拌,完全塑化好的塑料被推入机头;到达机头的料流,经模芯和模套间的环形间隙,从模套口挤出,挤包于导体或线芯周围,形成连续密实的绝缘层或护套层,然后经冷却和固化制成电线电缆产品。整个挤出生产过程被业界普遍强调的成功因素是效率、可靠、品质和可持续性。


图3 Maillefer新型挤出机提供了显著节省原材料的可能性.jpg

图3:Maillefer新型挤出机提供了显著节省原材料的可能性


生产效率通常是研发生产线的主要目标,其中一个关键的效率因素是设备利用率。一条维护良好、高质量的生产线保证了高品质的设备利用率。生产效率可以通过提高生产线速度来提高,更高的速度要求更精确的工艺控制。工艺控制包含生产线操作人员在生产期间控制的很多工艺参数,通过工艺参数的调整,可以对工艺状态进行预估和控制。由先进工艺和高质量的控制确保了设备生产高效率以及品质的一致性和稳定性。一旦生产效率最大化以后,其每公里电缆成品的能源消耗就会达到最小化,从而减少碳排放量。超百年历史的麦拉菲尔(Maillefer)集团是全球线缆挤出设备及技术的领导者,其出品的挤出生产线广泛用于中高压和超高压电缆、数据通讯电缆、光伏电缆等。到目前为止其设备在中国的装机基数极大,在线缆专用挤出设备方面约占全国电线电缆进口专用挤出设备份额的50%以上。Maillefer提供了一个先进的人工智能控制解决方案,其围绕着智能数据收集和分析系统 Bluebox 形成。通过它帮助生产线操作和优化工艺参数,给用户带来额外价值,这样既提高了生产效率,也改善了成品质量,同时这个人工智能方案也给节约材料消耗带来显著的效果。


图4:高压输电线


从成本考虑,挤出稳定性是电缆最重要的因素,长时间的稳定输出和整个速度范围内的挤出线性度决定了一个真正稳定的工艺过程。为了中压、高压、超高压及海底电缆在生产过程中进行持续可靠的质量控制,致力于电线电缆生产工业测量技术发展的德国SIKORA(西科拉)公司的X-RAY 8000产品系列成为了行业标杆,在全球销售超过1500台。这些设备通过精确可靠地测量同心度、壁厚、直径和椭圆度,并且能够控制多达三层的电缆而令人满意。中国宁波东方电缆公司就配备了SIKORA的X射线设备对电缆生产线进行质量控制,X-RAY 8000 ADVANCED / NXT 提供了帮助挤出机头快速对中的信息,实现自动控制。X-RAY 8700 NXT 在生产线末端测量最终产品尺寸(直径、壁厚、偏心度)。如此组合提供了对电缆外屏蔽层、绝缘层、内屏蔽层三个收缩率的精确测定,确保了电缆生产过程控制的最佳优化。


线缆行业在变革,并以可持续的方式实现变革。可持续性是由如下几个关键因素驱动:


◆ 变革材料种类
首先材料的全球使用量正在加速,据统计,自1970年以来增长了两倍以上,在每年进入全球市场的928亿吨材料中,其中只有9%被重复使用是可循环的。现代制造技术使生产可持续的电线电缆产品成为可能。那如何将普通产品转化为绿色产品呢?最直接的就是变革电缆材料,用于制造的可持续材料通常是环境友好型材料,这些材料是可降解的现代材料,例如低烟无卤护套,它们的组成排除了会被官方贴上对环境有害标签的成分。例如陶氏(Dow)公司生产的ENDURANCE™化合物符合最高的全球性能标准 - 根据最严格的质量控制、处理、包装和运输准则。采用该优质材料制成的输电电缆系统具有许多优点,包括增强对外部因素(如天气、故意破坏等)的保护,从而提高可靠性,优质的高压和超高压电缆对电力公用事业及其客户所需的可靠性和使用寿命至关重要。


图5:越来越多质量更高的电缆出现在汽车制造商的采购清单上


◆ 提高材料利用率
不断上涨的塑料价格使线缆行业面临着巨大的挑战,因此必须找到新的节约解决方案。在启车和停机过程中保持高品质一直是挤出生产线控制的基础。基于合适的制造工艺,可以节省几个百分点的原材料消耗,特别是在挤出生产线准备启车后便可立即制造高质量的产品。控制塑料过度消耗为原材料的利用率创造了巨大的机会。Maillefer的新型挤出机提供了这种显著节省原材料的可能性,它可以在最大限度内减小产品标称尺寸和实际尺寸之间的差异,在严格控制公差范围时制造的高质量产品仅需消耗相对较少的材料。该公司已经投运的挤出生产线数量巨大,共有几千条。每年有5百万-7百万吨的塑料材料用于这些生产线。结合最新的技术对生产线进行升级,可减少近10%的材料过度使用并减少废品,每年节省的塑料材料量相当于整个欧洲用于生产塑料袋的材料量即约55万吨左右。


迎接新能源的挑战


世界正向可再生能源或绿色能源等新能源转移,可再生能源是全球电线电缆行业的首要趋势,可再生能源提供的电力预计到2024年将达到总能源的30%左右。未来10年,全球可再生能源产能将增加一倍以上,未来30年将增长4倍。这一变化将推动对电缆需求量的不断增长。


中国工信部和国家电网已经制定了相应的2035年目标,中国在技术上投入了大量资金和成本,以达到全球行业的高标准,国网等也相应提高了其采购的电缆品质要求,推动电缆行业向高端服务方向发展。在新能源方面,中国的目标是在2030年其绿色能源的占比超过总能源的25%比重,政府加强绿色能源电缆的采购活动,电缆制造商将持续满负荷运转。


可再生能源革命带来了新的发电、传输和互联方式,使得世界面临许多技术挑战。能源模式正从以前只有几个大型发电厂的集中能源发电模式转向更加分散的模式。后者由许多较小的发电源组成,如采用气象动力发电正在替代人类控制的化石燃料发电厂的模式。可再生能源结构的两大核心是风能和太阳能,两者都要求专用电缆和特定的制造需求。在谈到可再生能源时,高压输电是不可忽视的。在远离用户的地方发电,就需要将所发的能源进行高效的长距离传输。当太阳等气候是一种发电资源时,就必须有一个备用计划,以应对天气不适宜的情况,所以需采用与之相配的替代电源,该能源可能位于与相邻电网共享的另一个远程位置,有必要利用分散模式对电网进行更智能的控制。在这种模式下高压直流电缆将是最好的解决方案,这样电缆制造行业不得不面对的不是一次转型,而是两次转型同时发生:一次转型基于可再生能源发电量的增加,另一次转型是需要从纸绝缘到塑料绝缘的转型。


能源部门对于可再生能源解决方案的转变既增加了电缆需求,也相应地提高了对更高质量成品的期望,并对减少材料浪费提出了新的要求,特别是与制造工艺有关的要求。非常重要的是,制造高效率、产能高可靠和利用率最大化被列为日益增长的竞争力优势。而创新的挤出生产线也为电缆制造商提供了应对行业快速发展而相适应的增长能力。

特高压电缆受益于特高压建设


在节能环保的经济发展理念下,以“高能效、低损耗”为主要特征的高压、超高压输电方式已成为电力行业发展的必然方向,而由于其“大容量、高可靠、免维护”等方面的众多优势,高压、超高压电力电缆逐渐替代中低压电力电缆,已被越来越多地应用于长距离、大跨度输电线路,这是行业发展的必然趋势。


特高压电缆是随着电缆技术的不断发展而出现的一种电力电缆,一般作为大型输电系统中的中枢纽带,属于技术含量较高的一种高压电缆,主要用于远距离的电力传输。在碳达峰、碳中和背景下,加强网架建设,尤其是特高压建设,可有效解决我国高比例可再生能源并网、跨省跨区大范围调配的难题。交直流特高压输电工程作为构建新型电力系统的重要措施,将成为“十四五”电网重点投资方向。特高压投资规模大、产业链长,建设特高压项目能够有效拉动上下游相关产业发展,产业链中的线缆行业将从中受益。

电动汽车带来商机


电动汽车无疑使供应商趋向电气化,新注册电动车的高增长率已经推动电线电缆行业投资于更现代的技术。
《AlixPartners 2021年全球汽车展望》指出,14个欧盟国家和中国计划最迟到2035年禁止销售内燃机汽车。随着电动汽车的发展,越来越多质量更高的电缆出现在汽车制造商的采购清单上。内部布线为其他高压组件供电,例如空调压缩机或电加热/冷却,需要强大的电线和电缆来防止车辆噼啪作响。然而,随着高压电缆生产的持续增长,如果没有进一步的自动化和专用机械,它就不可能盈利。


与从燃油技术转向电动汽车技术相关的变化是根本性的,并会影响产品和流程。因此,为了继续走上成功之路,电线电缆行业必须灵活地转向正确的方向,然后全速奔向美好“钱”途。


作者:冯大勇


来源:荣格-《国际塑料商情》

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