TW455648B - Pressure control system to improve power plant efficiency - Google Patents

Description

4 5 5 6 4 8 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 本發明涉及到發電廠’利用一個壓力控制系統來提高電 廠性能，這是利用減少電廠冷凝器空氣含量和提高它的總 傳熱，從而降低到低壓透平（turbine)中的背壓來達到的。 這個壓力控制系統和有一台雙級液體環路真空泵（tw〇 stage liquid ring vacuum pump)的冷凝器空氣去除系統組合在一 起，因而控制真空泵入口壓力達到最佳冷凝器性能。 在發電廠中冷凝器是主要的，而受忽視的設備。在1977 年美國電力研究所（EPRI)報告中Anson估計：（1)大型化石 電廠直接由於冷凝器問題而引起負荷因子損失為3.8%，（2) 冷凝器性能有很大程度上影響電廠熱出率和發電能力。在 1988年五？111報告中？丨51^(^8]<^等估計背壓增加3377帕斯卡（一 英寸水銀柱）能使發電能力降低2 %。同時在化石電廠冷凝 器中過量空氣或冷卻水泄漏引起鋼爐管破裂以及與冷凝水 和給水相接觸的設備，如給水加熱器和透平遭受損壞D眾 所周知’這樣的泄漏也引起壓水堆蒸汽發生器由於表面缺 陷’應力腐蝕裂缝和腐蝕疲勞的損壞。維修或者更換損壞 設備的費用以及由於停機不能發電的經濟上損失是很大 的’如1997美國阿崗國家實驗室報告中J_C. Van Kuiken等估 計1000兆瓦（100萬千瓦）核電廠短時間裏停堆的發電損失是 每天約幾十萬美元。 冷凝器的設計一直根據經驗或者黑盒子方法（blaek box -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) AWm ( 2!0X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 4 5 5 6 4 8 A7 B7 五'發明説明（2 ) method)進行，設計不要求知道冷凝器内速度、壓力、溫 度、空氣含量、冷凝速率的分佈。冷凝器製造商解決方法 也一直是過量增大傳熱面積。大家知道冷凝器中過量空氣 會惡化熱傳和增加背壓，因此一個有效的空氣去除系統對 冷凝器性能來講是關鍵的。過去，改善冷凝器設計理論研 究進行的很少，優化冷凝器性能更少。但是改進冷凝器會 帶來巨大經濟效益，因此最近電力公司已經對改善冷凝器 性能，設計和可靠性引起注意。為了改善冷凝器性能，設 計和可靠性，必須暸解整個冷凝器内詳細的速度、壓力、 溫度、空氣含量和冷凝速率的分佈以及對於一個優良的設 計還要瞭解空氣去除系統。由於計算機技術較快發展，詳 細的速度、壓力、溫度、空氣含量和冷凝速率分佈，現在 已能通過程序進行計算，如由美國阿崗國家實驗室， Chien等在1997年發展的COMMIX-PPC程序，也能用科學的 方法或步驟來優化冷凝器的設計，包括冷凝器的空氣去除 系統，它作為冷凝器的邊界條件之一。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -i - i f·—^— 冊 ^〆 f^ja 一 Jn (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 大多數現代化發電廠典型空氣去除系統包括一個空氣出 口管（air offtake pipe)或出口管束，一台雙級液體環路真空 泵（TSLRVP)，一個真空泵封閉水熱交換器和一個通風管。 不可冷凝氣體（空氣）和蒸汽混合通過空氣出口管到 TSLRVP。一些發電廠空氣去除系統採用喷射器（ejector)， 但是對不可冷凝氣體在過負荷工況下採用喷射器的空氣去 本紙張尺度適用中國國家標车（CNS ) A4規格（210X297公釐） 5 5 6 4 8 A7 B7 五、發明説明（3 ) 除系統的性能是在具有TSLRVP空氣去除系統工況之下。 隨著電廠運行時間增加，由於廠基移動，振動，熱循環和 蠕變提供了泄漏增加的機構，會發生更多的空氣泄漏到冷 凝器。目前電力工業的傾向是在新電廠中選擇一個具有 TSLRVP的空氣去除系統，在現有電咸中用具有TSLRVP空 氣去除系統代替採用噴射器的空氣去除系統。為了方便從 冷凝器中去除空氣應該將空氣出口管安裝在冷凝器殼邊内 (shell side)每組管束中最低壓力區。如果空氣出口管不安 裝在冷凝器殼邊内每組管束中最低壓力區，空氣阱將會在 冷凝器管束内形成使空氣含量增加，總傳熱數降低，因而 背壓增加。這可從冷凝器壓力增加中觀察到，通常這個值 要高於冷凝器運行性能中規定的設計壓力。減少或消除冷 凝器中空氣阱，會減少空氣含量改善冷凝器性能和增加發 電廠效率，減少空氣含量運輯上的方案是通過空氣去除系 統去除空氣，降低在出口管中空氣壓力。 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 —1 - - ..... ^^^1 -if— · 士^_ I im ^—^1 I - 、-'° (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 過去技術認為把冷水噴霧到TSLRVP入口部分，冷凝來 自冷凝器的蒸汽和空氣混合物中的蒸汽，減少真空泵處置 的混合物體積。如在1998年NASH工程公司No795-B報告中 描述，這個方法是用來增加真空泵能力，而不能用來減少 TSRLVP入口的壓力。美國專利1372926中，Audouin採用一 個輔助冷凝器去除大量冷凝器的蒸汽，以減少其運行壓 力，但是輔助冷凝器是比較大，並要求附加泵。在此描述 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準i CNS ) A4規格（210X297公釐） ^55648 A7 Γ~-------- Β7 五、發明説明（4 ) ^ 的發明是通過去除冷凝器中空氣而不是通過去除冷凝器中 大量蒸汽減少了冷凝器壓力。 發明概述 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 ¾------il f靖先閱讀背面之¾意事¾再填寫本頁j 這個在此描逑的發明是壓力控制系統以降低現用空氣去 除系統採用雙級液體環路真空泵的運行壓力和加強它的空 氣去除能力。現用空氣去除系統穩定工況下的運行壓力$ 由其本生達到平衡而不能改變的。壓力控制系統包含一台 壓力控制器，一台變速泵，一台深冷器（chiUer)引成冷卻 水回路和一些安裝在不同地點的壓力傳感器和溫度傳感 器這些傳感器發出訊號給控制器（controller)以控制離開 深冷器到壓力控制器的水的流量或溫度，或者同時控制水 的流量與溫度。這壓力控制器本質上是一個微型冷凝器， 其可能是殼管式或噴霧冷水式，深冷器可能是常用型式， 如製冷4發型機械殼管式冷卻器。壓力控制系統是冷凝器 空氣去除系統的一部份’放在TSLRVP上游冷凝器外面空 氣出口管處。從冷凝器到壓力控制器的蒸汽和空氣混合物 流量值希望是熱交換器協會（HEI)推薦的通風設備能力的 設計值。當混合物通過壓力控制器時一部分蒸汽被冷凝， 然後進入TSLRVP »壓力控制器的運行壓力是由其冷凝速 率控制，應該保持在優化的最低值，即在該壓力下冷凝器 性能最佳’因而其功率輸出也最佳。優化的最低餐力通過 手動或自動調整來自深冷器到壓力控制器的水的流量或溫 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4現格（2丨0X297公釐） 4 5 5 6 4 8 A 7 -----B7__ 五、發明説明（5 ) 度’或者同時調整二者而達到。壓力控制系統唯一的功能 只是維持壓力控制器中優化的最低壓力。這樣做時安裝在 管束中的空氣出口管壓力可成為冷凝器殼邊最低壓力或者 接近於最低壓力D從冷凝器詳細速度、壓力、溫度、空氣 含量和冷凝速率分佈的計算結果看，大多數空氣阱發生在 空氣出口管附近。在現用空氣去除系統中加上這一發明的 壓力控制系統可以容易地把空氣從冷凝器中去除，減少了 冷凝器中空氣含量因而提高了總傳熱能力，降低了背壓和 才疋rfj電廠效率。 簡單圖式說明 圖1是具有空氣去除系統的冷凝器的簡圖 圖2是圖1中1-1行中冷凝器管束的剖面圖 圖3是壓力控制系統草圖 發明詳細說明 經濟部中央橾準局員工消费合作社印製 n ! t - I ί . I ~! I 、π (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖1表示了有關電廠部份，低壓透平蒸汽通過冷凝器頂 部蒸汽入口 1進入殼管式冷凝器並分佈在殼邊。冷卻水從 給水入口 2泵入通過水箱3，並分佈在管束的管子中。往 下流動的大部分蒸汽（〜99.9%)與包含冷卻水的管予接觸時 被冷凝，留下進入冷凝器的蒸汽（〜0.1%)通過下面描述的 空氣去除系統離開。冷凝水通過冷凝水出口離開冷凝器到 一個熱壁4 (hot well)，因此冷凝器運行在接近真空,壓力， 空氣不可避免地通過不同貫穿點和冷凝器殼的裂缝進入冷 -8 - 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4规格（210X297公^ 4 5 5 64 8 A7 B7 五、發明説明（6 ) 凝器，過量不可冷凝的空氣存在使冷凝器性能惡化，因此 放在管束末端之間的部分空氣出口管10(見圖2)被打成孔 使得冷凝器中更氣能通過空氣去除系統被去除。圖1表示 了空氣出口管10的其餘部分。為了澄清起見圖1中冷凝器 部分是隔開以表不空氣出口管結構，該部分也是整個空氣 去除系統的一部份。 經濟部中央標準局員工消費合作社印繁 ^—^1 —1— 1^1 ^^^1 i . κ^— ^^1 n^i "V J. 0¾ ，va (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在現用空氣去除系統中外面聯接到冷凝器的空氣出口管 是直接連到TSLRVP20的入口。該系統包括一台真空泵封閉 水熱交換器21 ’其封閉水在管内和冷卻水22在殼邊，以及 一個排空氣的通風管23，在TSLRVP入口處的穩定運行壓力 是由其本身達到平衡而不能調整的，在現用空氣去除系統 中附加一個壓力控制系統（如圖1所示）允許TSLRVP的入口 運行壓力可控制使其達到最佳值。如圖3所示壓力控制系 統包括一台壓力控制器30，一台變速泵31和一台深冷器 32’並共同連成一個冷水回路33。冷水回路中冷水是從深 冷器流到壓力控制器。排水管路34有一個止回閥35 ,把壓 力控制器中的冷凝水帶到TSLRVP的低壓管路排出，止回 閥是為了防止冷凝水回到壓力控制器中。壓力控制器也有 幾個壓力傳感器57和54以及溫度傳感器58、59、55 ' 56和 60，壓力控制器基本上是一個微型冷凝器，它可能是殼管 式或者喷霧冷水式。壓力控制器的設計能夠很容易用目前 在工業界實際應用的方法來完成。只要考慮（1)從冷凝器 -9- 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（21〇Χ 297公嫠） (5 5 6 4 8 A7 B7 —一- ~~---- ---------------— —— 五、發明説明（7 ) 經濟部中央標準局員工消費合作祍印製 ϋ » ^^1 J I - I ^^1 t, - 11 —— V-J ，-1· l請先閱讀背勒之注意事項鼻填寫本 到壓力控制器的混合物流量（2)離開深冷器到壓力控制器 的流量和溫度（3)壓力控制器的大小和形狀以方便於安装 和運輸。對一個現代化電廠壓力控制器體積估計是小於1 立方米，冷凝器中蒸汽和空氣混合物通過空氣出口管進入 壓力控制器，它的部分蒸汽含量在其進入TSLRVP以前被 冷凝。壓力控制器中冷凝速率影響TSLRVP入口壓力，冷 凝速率越大、壓力越低。通過改變來自深冷器進入壓力控 制器的水的流量或溫度’或者改變其兩者用手動或自動控 制冷凝速率。泵速度是直接正比於在冷水回路中的流量。 泵的設計應當能處理較寬的冷凝器蒸汽和空氣混合物範 圍。深冷器可能是一種能自動控制冷水進口溫度的通用塑 設備，圖3表示了一種類型深冷器，其有一個製冷循環， 包括一個製冷冷凝器（refrigeration condenser) 36，冷卻水入 口 37 ’ 一 台固定检節流閥（constant enthalpy throttle valve) 38 和一臺步進控制的壓縮機（compressor with step control) 39。 製冷循環從A點開始’該處液化冷凍劑在高於製冷冷凝器 冷卻水溫度和高壓下離開製冷冷凝器進入到固定焓節流 閥，通過節流閥後其壓力降低，閥下流的液體壓力和溫度 本質上是低於高壓邊。其膨脹是絕熱的，一些液體閃蒸成 恶汽冷卻於餘剩下的冷凍劑在B點的低壓部分，部分蒸汽 化的冷康劑進入深冷器殼邊，留下部分是通過冷凝水流過 ε中時在低溫下等溫蒸發，然後蒸汽通過C點和〇點之間 -10- 本紙浪尺度兩國國家樣準（CNST^格（2I0-^7^t-:- 455648 A7 _______B7 五、發明説明（3 ) 的壓縮機，在那裏再壓縮到高壓和高溫，使得它能被冷卻 水再冷凝，在製冷循環中壓縮機步進控制是為了達到合適 的從深冷器到壓力控制器出口水溫。 為了保持封閉水（seal water)溫度足夠低，以防止封閉水 在TSLRVP中運行時發生閃蒸’ β_γ(1 (美國專利號 43593U)建議採麟冷器冷卻真空μ閉水，在此描述的 發明壓力控制系統也需用深冷器，設計時可考慮一台深冷 器兩用。 壓力控制系統運行模式依賴於它是裝在在役服務的電廠 冷凝器上，還是裝在一個新的冷凝器上，對在役服務的冷 凝器，壓力控制器最佳最低壓力是在最高壓力Mm [ρι， Psat (ΤΙ+4·2°〇]和最低壓力 MAX [3377 pa，ptur，ρ2]之間其 經濟部中夬標準局員工消費合作社印製 ^^1 ml In— . ml —^ϋ ^^^1 tuf— 1 J ,-=-° (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 中MIN [，]和MAX [,，]表示了選擇在括弧中變數最小和最大 值函數，P1和T1是在壓力控制器入口測量的蒸汽和空氣混 合物壓力和溫度。psat是對應於（T1+4.2<>C )溫度的飽和壓 力，P2是壓力控制器出口處的蒸汽和空氣混合物壓力， Ptur是低壓透平出口設計壓力。熱交換器協會所推薦4 2乞 是考慮到眾所周知的過冷度。因為冷凝器管束完整設計本 質上不同於製造商，所以不可能將所有在役服務的冷凝器 推薦一個單一的最佳最低壓力。但是壓力控制器最佳最低 壓力可以通過從最高壓力開始到最低壓力系統性的逐步減 V壓力而在就地確定。在這一過程中壓力控制器每一個目 -11 - 本紙張尺度適财“家料（CNS) A4規格（21GX 297公董) 經濟部中央標準局員工消费合作社印策 4 5 5 64 8 A7 ------- B7_____ 五、發明説明（9 ) 標運行壓力p〇能夠通過調整壓力控制器中冷凝速率而達 到’並記綠每一個目標運行壓力下的空氣泄漏總量及功率 輸出。交氣拖漏總量可提供蒸氣與空氣混合物的過冷度同 2氣去除系統效率的關係。壓力控制系統的最佳最低壓力 是對應於最大功率輸出的壓力。對新設計的冷凝器，最佳 最低壓力是要儘量接近最低壓力MAX [3377Pa，Ptur]。此外 在設計階段應採用科學方法作計算（如詳細的計算速度、 壓力、溫度、空氣含量和冷凝速率的分佈），從最低壓力 開始逐步增加到稍低於冷凝器設計壓力，這些壓力在計算 中作為邊界條件之一，它代表空氣去除系統。從這些計算 結果壓力控制器的最佳最低運行壓力應根據（丨）空氣出口 管應位於冷凝器殼邊内每组管束的最低壓力區；應有足 夠的過冷度，保證有效的去除空氣来選擇。對採用舊設計 的新冷凝器’則和在役服務的冷凝器一樣對待。 如前所述’壓力控制器的運行壓力與冷凝速率有關，冷 凝速率由來自深冷器進入壓力控制系統的壓力控制器的水 的流量或溫度或者二者同時控制。下面描述來自深冷器的 水進入壓力控制器的流量或溫度或二者同時自動控制方 法。 (1)從深冷器進入壓力控制器深冷水溫度給定時，冷水 回路流量的控制： 如圖3所示冷水回路的流量是直接正比於泵的轉速，泵 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0Χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 *ΤΓ α B 5 6 4 8 Α7 _____Β7_ 五、發明説明（1〇) 運行轉速是自動的由壓力控制器目標運行壓力p〇，和離開 壓力控制器到TSLRVP的蒸汽和空氣混合物的壓力傳感器 5 4測量的壓力P2控制。P0是目標運行壓力，是事先知道 的。控制器1A 50設計能調整泵轉速或者冷水回路流量來 達到目標運行壓力，使得當P2>PO，泵轉速增加，當 P2<PO，則泵轉速減小= (2) 從深冷器進入壓力控制器的深冷水流量給定時，深 冷水溫度的控制： 溫度傳感器55 ’深冷器出口水溫T3是自動由壓力控制器 的目標運行壓力PO ’和離開壓力控制器到TSLRVP的蒸汽 與空氣混合物的壓力傳感器5 4的測量壓力P2控制。p〇是 目標運行壓力，是事先知道的·。控制器1B 5丨是設計能調 整離開深冷器到壓力控制器的溫度傳感器5 5溫度T3來達到 目標運行壓力’使得當Ρ2>ρ〇時降低Τ3，當ρ2<ρ〇時則提 向Τ3 ’隨著Τ3的降低和提高，控制器2 52是設計信號動作 和不動作壓縮機39步進控制器的微型開關，而步進控制器 經濟部中央樣準局員工消費合作杜印裝 m ·ί ί 1-i ^^^1 r -I -:- ^^J (褚先聞讀背必之泫意事項存填寫本萸〕 的微型開關的動作與不動作的程度是根據溫度傳感器55和 56測量的溫度Τ3和Τ4來控制。 (3) 同時控制離開深冷器到壓力控制器的水的流量和溫 度： 為了設計控制方案3，必須知道冷水回路流量範圍。這 個控制方案可由-個#代過程來完成，每一次昼代，首先 -13- 本纸張尺度適财關家縣-:---- 4^ 5 64 8 A7 B7 五、發明説明（11 ) 由控制器1A 50改變流量，然後由控制器1B 51和控制器2 52同時改變深冷器出口的溫度T3。控制器1B 51和控制器2 52同時工作來調整壓縮機步進控制器，同時控制離開深冷 器到壓力控制器的水的流量和溫度的好處是允許優化性 能，如響應時間，以及壓力控制系統成本等。 ^—^1 - - - Λ. ^ -- - .- - . I \ T (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中夬標準局員工消費合作社印製 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐}

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局負工消費合作社印1t 4 5 5 64 8 A8 B8 C8 六、申請專利ϋϊ ~~ 1 . 一種在電廠殼管式冷凝器空氣去除系統中的壓力控制 系統’其用於保持空氣去除系統中雙級液體環路真空 泵入口的最佳最低壓力，包括： 一壓力控制器’以便通過空氣出口管冷凝一部分來自 冷凝器的蒸汽與空氣混合物中的蒸汽，壓力控制器出 口的療·汽與空氣混合物以進入到壓力控制器出口管下 游，然後到雙級液體環路真空泵； 一深冷器用於降低水溫，來冷凝在壓力控制器内的蒸 汽和S氣混合物中的部分蒸汽； 一冷水流動循環流過深冷器，壓力控制器和調節冷水 回路中流里的變速栗的回路； 一有止回閥用來排除壓力控制器中水的排放管路； 冷水回路中的溫度傳感器，空氣出口管中的壓力控制 器’在其上游和下游的溫度和壓力傳感器； 利用壓力和溫度傳感器的壓力和溫度數來調節壓力控 制器中冷凝速率。 2 .如申請專利範圍第1項中所述的壓力控制系統，作為調 整在壓力控制器中冷凝速率，是一台能調節變速泵的 速度的控制器。 3 ·如申請專利範圍第1項中所述的壓力控制系統，作為調 整在壓力控制器中冷凝速率，是一台能調節冷水回路 中離開深冷器水溫的控制器。 -15- 本紙張尺^1^用中88家揉準（（：叫Α4規^ ( 210X297公# ) 袈—, (諳先聞讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂 5 6 4 8 AS Β8 C8 I____ _____ DS 六、申請專利範圍 4 .如申請專利範圍第2項中所述的壓力控制系統，進—步 包括一台能調節在冷水回路中離開深冷器水溫的控制 器。 5 ·如申請專利範圍第3項中所述的壓力控制系統，在那裏 深冷器利用一個製冷循環，這個循環有一臺步造控制 壓縮機用來調節通過深冷器的水溫，一台製冷冷凝器 和一台固定焓節流閥。 6 ‘如申請專利範圍第5項中所述的壓力控制系統，作為調 節壓力控制器冷凝速率是附加的控制器用來調節在深 冷器壓縮機中的步進控制器》 7 .如申請專利範圍第6項中所述的壓力控制系統進步 包括一台調節變速泵的轉速.的控制器》 n - n n -1 l·— I. - I— : *—^1 --1 -1 !1 (請先閎讀背面之注意i項再填寫本頁)

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