TWI838433B - 用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組 - Google Patents

Abstract

一種用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組，係安裝於一凝汽器後端，該凝汽器包含一真空母管用於接收外部輸入的水蒸氣；該節能真空機組包含至少一閥門設置在該真空母管上；一前級泵，該前級泵的入口連接一進氣管路；至少一羅茨真空泵，包含一主羅茨真空泵，該主羅茨真空泵的入口連接到該真空母管的後端；當該至少一羅茨真空泵僅包含該主羅茨真空泵時，該主羅茨真空泵的排氣口經由該進氣管路連接到該前級泵；當該至少一羅茨真空泵為多個羅茨真空泵時，尚包含至少一中間級羅茨真空泵，該主羅茨真空泵的排氣口串接到一對應的中間級羅茨真空泵，各級的中間級羅茨真空泵也互相串接；位在最後一級的中間級羅茨真空泵經由該進氣管路連接到該前級泵；該進氣管路上配置一單向閥，用以避免大氣倒灌入該羅茨真空泵及該凝汽器中。

Description

用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組

本發明係有關於真空泵系統，尤其是一種用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組。

在熱力發電廠中，汽輪發電機組凝汽器是在真空條件下運行的。汽輪機凝汽器的主要功能之一就是保證發電機組的真空條件。凝汽器真空度會直接影響汽輪機組的燃煤或燃氣效率。根據目前國內的50MW小機組到1000MW大發電機組，真空每提高1kPa，則可節約發每度電所需的煤耗2-4克。而影響熱電廠凝汽器真空度的因素有很多。如不同生產商的凝汽器的設計值會在出廠時有所差異，冷卻方式(空冷，水冷等)導致的真空度差異，冷卻水工況(主要是水溫及水量)的變化，冷卻效率(冷卻水管結垢等)差異、凝汽器真空嚴密性維護水準以及真空獲得設備的能力大小等。但是通過較小投資對凝汽器真空維持系統進行創新改造，以便在一定程度上提高凝汽器的真空度方面尚未有成功案例。

目前熱電廠常見的凝汽器抽真空系統大多為大水環泵或其它形式的系統，少數還保留蒸汽抽氣器系統，水射泵抽氣系統。在以上抽真空系統將凝汽器的真空建立後(時間較短，一般不超過2小時)，便僅用於維持凝汽器的真空度，就是在繼續運行中不斷抽走凝汽器中的不凝性氣體，否則真 空度將會因為凝汽器內洩露入不可壓縮的不凝性氣體而降低凝汽器效率，使得其真空度變差。

然而大多數電廠所使用的真空泵均存在以下問題：

(1)凝汽器現用水環真空泵影響發電機組經濟性，增加煤耗：

雖然大水環泵在凝汽器啟動階段的粗真空階段之抽氣量較大，但是當凝汽器真空度逐漸提高時，水環泵的抽氣能力便開始衰減。且接近極限真空時抽氣能力衰減更快，並產生“氣蝕”現象。同時，與凝汽器的屬性相似，水環泵抽氣能力及極限真空值均與工作水溫有關。在夏季水溫較高時，水環泵更易氣蝕，抽氣能力衰減為理論抽氣能力的三分之一甚至更低。當水環泵抽氣能力不能滿足凝汽器維持高真空的需要時，便會導致凝汽器真空變差。汽輪機效益變差，發電煤耗增加，所累積的直接經濟損失或潛在的節能效益為數以億計。

(2)目前市面上大部分凝汽器真空節能機組能力有限：

雖然目前已經有很多凝汽器真空節能機組在各電廠運行，但凝汽器節能機組的設計目的是為了跟原有系統保持真空不下降，所以各種類型的凝汽器真空節能機組的抽氣能力都有限，僅僅能做到的就是在保持真空度不降的情況下盡可能節能，但依然存在當凝汽器漏率變大，或者其他異常狀況時不能維持凝汽器真空的現象，更不可能提高凝汽器真空度。

(3)試驗驗證：

本案發明人在多個電廠凝汽器真空系統中的試驗表明，部分凝汽器的真空度在加大真空泵抽氣量的情況下，可以比原設計大水環泵常規保持的真空度更高，因此，本案發明人希望透過改造現行的大水環泵和節能真空 機組，以提高真空度，進而提高發電機燃煤效率，最後實現進一步的節能減排的目的。

所以本發明的目的係為解決上述習知技術上的問題，本發明中提出一種用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組，係為用於熱電廠凝汽器抽真空系統中的一種提高凝汽器真空度的節能真空泵系統。本案應用高效率的羅茨真空泵連接到相對應的前級泵(如水環真空泵)，藉由該羅茨真空泵可以提高前級泵的抽氣能力及極限真空度，因此可以有效提高凝汽器抽真空系統的抽氣性能，達到改善凝汽器真空度的目的。因此透過本案的結構，不但可以使得電廠凝汽器真空維持系統達到高比例的用電節省(可達80%)，而且由於特別設計的更大抽氣能力、更高真空度，可以使得凝汽器中被原有的大水環泵因抽氣能力及極限真空度的局限而遺漏的不凝性氣體予以去除(凝汽器中漏入的不凝性氣體會佔據可凝蒸汽的空間，從而影響凝汽器形成真空的效果)，因此可以提高整個凝汽器的運行真空度，節煤收益顯著。相較於電廠現用的大水環泵以及市場上現有的改造技術所組成的真空系統，本案的優點在於應用一或多個高效率的羅茨真空泵大幅增加前級水環真空泵的抽真空性能。一般而言影響熱電廠凝汽器真空度的因素主要是凝汽器設計值，冷卻方式及冷卻水工況，凝汽器維護水準等等。而本案針對凝汽器的抽真空系統進行改造，其投資成本低廉，且功效收益顯著。本案通過改善凝汽器真空值，提高發電效率，有望達到每年節約數千噸燃煤及工廠用電的功效。當然，這種技術並不能任意提高真空度，因為當凝汽器中的實際真空度無需接近於完全沒有不凝性氣體的時候，再加上一定 的“過真空差”之後，凝汽器中的水分將加速蒸發，從而在新的平衡點上使真空度溫度。這個真空度不可能與理論的水蒸氣飽和壓力相去很多。不過，本發明的意圖僅在於將凝汽器的真空度提高0.1~1kPa。這已經被實際所證實。

為達到上述目的本發明中提出一種用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組，其中該節能真空機組係安裝於一凝汽器後端，該凝汽器包含一真空母管用於接收外部輸入的水蒸氣；該節能真空機組包含至少一閥門設置在該真空母管上，用於封閉管路，防止大氣倒入該凝汽器；一前級泵，該前級泵包含一入口及一排氣口；該前級泵的入口連接一進氣管路；至少一羅茨真空泵，包含一主羅茨真空泵，該主羅茨真空泵包含一入口及一排氣口，該主羅茨真空泵的入口係連接到該真空母管的後端；其中當該至少一羅茨真空泵僅包含該主羅茨真空泵時，該主羅茨真空泵的排氣口經由該進氣管路連接到該前級泵的入口；其中當該至少一羅茨真空泵為多個羅茨真空泵時，該多個羅茨真空泵係互相串聯，且該多個羅茨真空泵係包含該主羅茨真空泵及至少一中間級羅茨真空泵，各該中間級羅茨真空泵包含一入口及一排氣口，該主羅茨真空泵的排氣口係經由一輸送管路連接到一對應的中間級羅茨真空泵的入口，而每一級的中間級羅茨真空泵的排氣口經由一輸送管路連接到下一級的中間級羅茨真空泵的入口；而位在最後一級的中間級羅茨真空泵的排氣口經由該進氣管路連接到該前級泵的入口；其中該進氣管路上配置一單向閥，用以避免在設備突然停機或其他突發情況導致大氣由抽真空系統倒灌入該羅茨真空泵及該凝汽器中。

由下文的說明可更進一步瞭解本發明的特徵及其優點，閱讀時並請參 考附圖。

1‧‧‧真空母管

2‧‧‧閥門

3‧‧‧主羅茨真空泵

4‧‧‧中間級羅茨真空泵

6‧‧‧單向閥

7‧‧‧前級泵

11‧‧‧小口徑回水管

12‧‧‧回水目的地

30‧‧‧羅茨真空泵

31‧‧‧入口

32‧‧‧排氣口

35‧‧‧輸送管路

41‧‧‧入口

42‧‧‧排氣口

45‧‧‧輸送管路

71‧‧‧入口

72‧‧‧排氣口

75‧‧‧進氣管路

80‧‧‧換熱器

91‧‧‧冷卻機構

92‧‧‧驅動電機

93‧‧‧壓力變送器

94‧‧‧溫度變送器

95‧‧‧控制機構

100‧‧‧凝汽器

300‧‧‧節能真空機組

301‧‧‧泵殼

911‧‧‧冷卻水盤或冷卻水盤管

912‧‧‧級間換熱冷卻器

圖1顯示本案的元件組合示意圖。

圖2顯示本案的另一元件組合示意圖。

圖3顯示本案之羅茨真空泵與相關電氣元件以及偵測控制電路的方塊示意圖。

茲謹就本案的結構組成，及所能產生的功效與優點，配合圖式，舉本案之一較佳實施例詳細說明如下。

請參考圖1至圖3所示，顯示本發明之用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組300，其中該節能真空機組300係安裝於一凝汽器100後端，該凝汽器100包含一真空母管1用於接收外部輸入的水蒸氣。該節能真空機組300包含下列元件：

至少一閥門2設置在該真空母管1上，該至少一閥門2可包含自動閥門(例如氣動閥門或電動閥門)，以在意外停機時迅速封閉管路，防止大氣倒入該凝汽器100。該至少一閥門2尚可包含手動閥門，作為自動閥門的備用閥門。其中該閥門2的前方設有一小口徑回水管11連接在該真空母管1上及回水目的地12之間，以防止該真空母管1的凝結水進入真空泵。

一前級泵7，該前級泵7包含一入口71及一排氣口72。該前級泵7的入口71連接一進氣管路75。該前級泵7可為水環真空泵(例如電廠現用的大水環真空泵，或是其他節能真空機組內的小水環真空泵)，或非水環的其它形式可直排大氣的前級真空泵。

至少一羅茨真空泵30，包含一主羅茨真空泵3，該主羅茨真空泵3包含一入口31及一排氣口32，該主羅茨真空泵3的入口31係連接到該真空母管1的後端。

如圖1所示，其中當該至少一羅茨真空泵30僅包含該主羅茨真空泵3時，該主羅茨真空泵3的排氣口32經由該進氣管路75連接到該前級泵7的入口71。

如圖2所示，其中當該至少一羅茨真空泵30為多個羅茨真空泵30時，該多個羅茨真空泵3係互相串聯，且該多個羅茨真空泵30係包含該主羅茨真空泵3及至少一中間級羅茨真空泵4，各該中間級羅茨真空泵4包含一入口41及一排氣口42，該主羅茨真空泵3的排氣口32係經由一輸送管路35連接到一對應的中間級羅茨真空泵4的入口41，而每一級的中間級羅茨真空泵4的排氣口42經由一輸送管路45連接到下一級的中間級羅茨真空泵4的入口41。而位在最後一級的中間級羅茨真空泵4的排氣口42經由該進氣管路75連接到該前級泵7的入口71。應用串聯的該多個羅茨真空泵30可以分擔每一級羅茨真空泵30所需要承受的壓差，從而分擔在壓縮空氣過程中所產生的熱量，因此使得各個羅茨真空泵30不會因為過熱而卡死，而可以穩定運行。

其中在各該輸送管路35、45及該進氣管路75上可以配置排氣口冷卻器或換熱器80，以防止前一級的真空泵壓縮氣體產生過高的溫度而影響到下一級的真空泵的安全運作。

其中該進氣管路75上配置一單向閥6，用以避免在設備突然停機或其他突發情況導致大氣由抽真空系統倒灌入該羅茨真空泵30及該凝汽器100中。

在實際的應用中，該前級泵7可為電廠現有的凝汽器真空維持系統中的水環真空泵，或是凝汽器真空維持節能真空機組中的液環泵，或是整個凝 汽器真空維持節能真空機組。

其中各該羅茨真空泵30為任意形式的羅茨真空泵(包含氣冷羅茨真空泵)，例如兩葉式或三葉式的羅茨真空泵或氣冷羅茨真空泵。

其中當該至少一羅茨真空泵30為多個羅茨真空泵30時，該真空母管1上配置有三通閥，增加一抽真空管道到該主羅茨真空泵3的入口。當該至少一羅茨真空泵30為單一個羅茨真空泵30時，則需改造至熱電廠現用大水環泵(即該前級泵7)之入口的原有之真空管道，使得該主羅茨真空泵3擁有足夠的安裝空間。

圖3顯示各該羅茨真空泵30的機電元件的方塊圖，主要是用於顯示相關的電氣元件以及偵測控制電路。其中該羅茨真空泵30連接一驅動電機92，該驅動電機92用於驅動該羅茨真空泵30。該羅茨真空泵30尚連接一冷卻機構91，該冷卻機構91用於將冷卻水輸入到該羅茨真空泵30以進行冷卻。該冷卻機構91尚包含冷卻水盤或冷卻水盤管911或級間換熱冷卻器912，用於降低排氣溫度及該泵殼301的溫度。該羅茨真空泵30尚配置有壓力變送器93及溫度變送器94，該壓力變送器93可位在該羅茨真空泵30的入口處。該壓力變送器93用於偵測該羅茨真空泵30的管路壓力，該溫度變送器94用於偵測該羅茨真空泵30的溫度。該壓力變送器93及該溫度變送器94連接到一控制機構95，該控制機構95連接該驅動電機92及該冷卻機構91。該控制機構95接收來自該壓力變送器93及該溫度變送器94所偵測的壓力值及溫度值，控制該驅動電機92及該冷卻機構91，以保護設備穩定運行。該壓力變送器93及該溫度變送器94將其偵測值傳送到儀表以令檢修人員可以監控。上述該壓力變送器93及該溫度變送器94及該控制機構95的相關數值也可以傳送到電廠的控制中心(圖 中未顯示)，以進行統一監控。

其中該控制機構95可以控制該驅動電機92，而以變頻方式控制該羅茨真空泵30，根據變頻特性調控其發揮的性能。變頻啟動可以保證電氣方面安全穩定，即時調節可以適應凝汽器100工況的波動。該羅茨真空泵30在凝汽器100工況較好時，以低頻運行，以達到節能效果。在工況較差或希望真空系統發揮更大出力時則高頻運行，以充分發揮羅茨真空泵抽氣性能。

本案的優點在於應用高效率的一或多級的羅茨真空泵連接到相對應的前級泵(如水環真空泵)，藉由該一或多級的羅茨真空泵可以提高前級泵的抽氣能力及極限真空度，因此可以有效提高凝汽器抽真空系統的抽氣性能，達到改善凝汽器真空度的目的。因此透過本案的結構，不但可以使得電廠達到高比例的用電節省(可達80%)，而且由於抽氣能力更大、真空度更高，可以使得凝汽器中被原有的大水環泵所遺漏的不凝性氣體被更徹底的予以去除(凝汽器中漏入的不凝性氣體會佔據可凝蒸汽的空間，從而影響凝汽器形成真空的效果)，並且可以疊加利用冷凝水再次揮發以平衡凝汽器真空度之前的動能壓力差，而實現提高整個凝汽器的運行真空度，達到顯著的節煤收益。相較於電廠現用的大水環泵以及市場上現有的改造技術所組成的真空系統，本案的優點在於應用一或多個高效率的羅茨真空泵大幅增加前級水環真空泵的抽真空性能。一般而言影響熱電廠凝汽器真空度的因素主要是凝汽器設計值，冷卻方式及冷卻水工況，凝汽器維護水準等等。而本案針對凝汽器的抽真空系統進行改造，其投資成本低廉，且功效收益顯著。本案通過改善凝汽器真空值，提高發電效率，有望達到一個大型電廠每年節約數千噸燃煤及工廠用電的功效。

綜上所述，本案人性化之體貼設計，相當符合實際需求。其具體改進現有缺失，相較於習知技術明顯具有突破性之進步優點，確實具有功效之增進，且非易於達成。本案未曾公開或揭露於國內與國外之文獻與市場上，已符合專利法規定。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧真空母管

2‧‧‧閥門

3‧‧‧主羅茨真空泵

6‧‧‧單向閥

31‧‧‧入口

32‧‧‧排氣口

71‧‧‧入口

72‧‧‧排氣口

7‧‧‧前級泵

11‧‧‧小口徑回水管

12‧‧‧回水目的地

30‧‧‧羅茨真空泵

75‧‧‧進氣管路

80‧‧‧換熱器

100‧‧‧凝汽器

300‧‧‧節能真空機組

Claims (4)

1. 一種用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組，其中該節能真空機組係安裝於一凝汽器後端，該凝汽器包含一真空母管用於接收外部輸入的水蒸氣；該節能真空機組包含：至少一閥門設置在該真空母管上，用於封閉管路，防止大氣倒入該凝汽器；一前級泵，該前級泵包含一入口及一排氣口；該前級泵的入口連接一進氣管路；至少一羅茨真空泵，包含一主羅茨真空泵，該主羅茨真空泵包含一入口及一排氣口，該主羅茨真空泵的入口係連接到該真空母管的後端；其中當該至少一羅茨真空泵僅包含該主羅茨真空泵時，該主羅茨真空泵的排氣口經由該進氣管路連接到該前級泵的入口；其中當該至少一羅茨真空泵為多個羅茨真空泵時，該多個羅茨真空泵係互相串聯，且該多個羅茨真空泵係包含該主羅茨真空泵及至少一中間級羅茨真空泵，各該中間級羅茨真空泵包含一入口及一排氣口，該主羅茨真空泵的排氣口係經由一輸送管路連接到一對應的中間級羅茨真空泵的入口，而每一級的中間級羅茨真空泵的排氣口經由一輸送管路連接到下一級的中間級羅茨真空泵的入口；而位在最後一級的中間級羅茨真空泵的排氣口經由該進氣管路連接到該前級泵的入口；其中該進氣管路上配置一單向閥，用以避免在設備突然停機或其他突發情況導致大氣由抽真空系統倒灌入該羅茨真空泵及該凝汽器中； 其中該前級泵為電廠現有的凝汽器真空維持系統中的水環真空泵；其中各該羅茨真空泵連接一驅動電機及一冷卻機構，該冷卻機構用於將冷卻水輸入到該羅茨真空泵以進行冷卻；該冷卻機構尚包含冷卻水盤或冷卻水盤管或級間換熱冷卻器，用於降低排氣溫度；其中該羅茨真空泵尚配置有壓力變送器及溫度變送器，該壓力變送器位在該羅茨真空泵的入口處；該壓力變送器用於偵測該羅茨真空泵的管路壓力，該溫度變送器用於偵測該羅茨真空泵的溫度；該壓力變送器及該溫度變送器連接到一控制機構，該控制機構連接該驅動電機及該冷卻機構；該控制機構接收來自該壓力變送器及該溫度變送器所偵測的壓力值及溫度值，控制該驅動電機及該冷卻機構，以保護設備穩定運行；該壓力變送器及該溫度變送器將其偵測值傳送到儀表；其中該控制機構用於控制該驅動電機，而以變頻方式控制該羅茨真空泵，根據變頻特性調控其發揮的性能；其中該閥門的前方設有一小口徑回水管連接在該真空母管上及回水目的地之間，以防止該真空母管的凝結水進入真空泵；其中各該輸送管路及該進氣管路上配置有排氣口冷卻器或換熱器，以防止前一級的真空泵壓縮氣體產生過高的溫度而影響到下一級的真空泵的安全運作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組，其中該至少一閥門包含自動閥門或手動閥門其中至少一項。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組，其中各該羅茨真空泵為兩葉式或三葉式的羅茨真空泵、或氣冷羅茨真空泵。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於提高熱力發電廠凝汽器真空度的節能真空機組，其中該前級泵為可直排大氣的真空泵。

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