TWM572412U - Multi-stage energy-saving vacuum unit based on Roots type main vacuum pump - Google Patents

Abstract

一種基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，主要適用於電廠凝汽器或其它一些使用大型液環真空泵、蒸汽式真空泵、離心式真空泵、水沖式真空泵等低效率的真空泵的場合下，而可達到節能減排的效果。該多級節能真空機組主要是由一個多級羅茨真空泵或羅茨真空泵加上其它形式的前級真空泵所構成的多級真空泵系統，包括一第一級羅茨機械真空泵、以及至少一第二級真空泵，各該第二級真空泵可為羅茨機械真空泵或其它形式的前級真空泵。該第一級羅茨機械真空泵可以長期連續承受電廠凝汽器所需入口壓力；其中該至少一第二級真空泵可包含一個第二級真空泵以使用於三級或三級以上結構的真空系統；或者該至少一第二級真空泵可包含二個第二級真空泵以使用於四級或四級以上結構的真空系統。

Description

基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組

本創作係有關於真空泵系統，尤其是一種針對火電廠凝汽器或其它行業中類似真空工藝裝置中效率低下的大型液環真空泵、蒸汽式真空泵、離心式真空泵、水沖式真空泵或其它低效率抽真空系統所設計的一種基於羅茨真空主泵的多級節能真空機組，其可以比原有系統大幅度節能減排50%至80%。

在火力發電廠中，凝汽器真空對發電煤耗影響較大。以300~330MW機組為例，真空度每提高1Kpa，對應的發電煤耗下降2.6g/kWh。目前電廠常用的抽真空設備是射水式真空泵、水環/液環式泵和蒸汽式真空泵。這些以水為工作介質的真空泵的性能與水的溫度或壓力等關係很大，效率很低，且不易控制。

比如由於工作液溫度對水環泵的性能影響較大，而電廠的冷卻通常採用天然水源，因此水源的溫度會受到季節影響，當在高水溫工況下，會破壞水環式真空泵的內部真空，使得其抽氣性能快速下降80%~90%，嚴重影響整體的工作效率，甚至在某入口壓力下抽氣量為0，產生具有設備破壞力的氣蝕現象，嚴重影響設備的安全運行。而為了維持整體系統的真空效率，往往需啟用兩台真空泵來維持凝汽器真空，大幅提升能耗。 為了降低凝汽器真空泵耗能，目前主要採用下列方式：

1、增裝製冷裝置以降低工作液的溫度。惟由於電廠使用的是迴圈水冷卻塔，因此在夏天時，迴圈水溫度會升高而無法有效降低工作液的溫度。若採用製冷設備得到低於常溫的冷凍水則需要耗用更多的耗能，也不利於節能。

2、以效率更高的雙級水環泵替代原有的單級水環泵。惟此種方式其節能比例僅在20%至30%左右，其節能效率有限。

3、加裝大氣噴射器以消除真空泵之「極限抽吸壓力」對凝汽器壓力改善的限制。惟此種方式會使得抽氣量降低，且增加電能消耗。

4、使用氣冷式羅茨泵配備液環泵的節能真空裝置，惟此種方式需要將部分氣體返回到氣冷羅茨泵中以冷卻泵體，使得整體效率降低。再者氣冷羅茨泵的體積大、重量大、功耗大，也不利於整個系統的配置及運作效率。

故本案希望提出一種嶄新的基於羅茨真空主泵的多級節能真空機組，以解決上述先前技術上的缺陷。

所以本案的目的係為解決上述習知技術上的問題，本案中提出一種基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，其目的是提供用於火電廠凝汽器抽真空節能系統的一種以羅茨泵為主泵的多級真空泵系統，通過有最高運行效率的羅茨泵對所抽氣體在進入功耗較大的直排大氣的前級泵之前，進行一級至多級的壓縮，使需要排出的氣體體積大幅減小，再以一個功率遠小於原有大水環泵或蒸汽泵或離心泵的前級泵(包括但不限於上述真空泵或可直排大氣的羅茨真空泵)將已被縮小體積的氣體排出至大氣或客戶指 定的管道，從而達到總體上大幅降低系統功耗的目的。

本新型的原理在於利用高效率的單級或多級羅茨真空泵把原本直接吸入效率比羅茨泵低很多的大型液環真空泵、蒸汽式真空泵、離心式真空泵或水沖式真空泵的氣體先行壓縮，使其體積縮小，再用比原來功耗小得多的液環真空泵、蒸汽式真空泵、離心式真空泵或水沖式真空泵抽吸已被縮小了體積的氣體，再直排大氣或客戶指定的排氣管道，也可以繼續採用羅茨泵作為前級泵直排大氣或客戶指定的排氣管道，使得總體真空系統的總功率消耗率大幅降低，同時也大幅減少了採用液體、蒸汽或水的前機泵時所產生的大量排放。這個系統可以是兩級、三級、四級甚至是五級的。

為達到上述目的本案中提出一種基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，包含：一真空入口氣動關斷閥(13)，來自火電廠凝汽器所抽吸的不凝性氣體係經由該真空入口氣動關斷閥(13)輸入到下一級的裝置；一第一級羅茨機械真空泵(1)連接該真空入口氣動關斷閥(13)，該第一級羅茨機械真空泵(1)用於接收來自該真空入口氣動關斷閥(13)的氣體並進行壓縮；以及至少一第二級真空泵(50)，係將來自該第一級羅茨機械真空泵(1)的氣體進行更進一步的壓縮；各該第二級真空泵(50)係互相串接，且該至少一第二級真空泵(50)中的最前級之第二級真空泵(50)係連接該第一級羅茨機械真空泵(1)。一末級真空泵(60)連接該至少一第二級真空泵(50)中的最後級之第二級真空泵(50)，係將來自該至少一第二級真空泵(50)的氣體進行更進一步的壓縮；以及一氣水分離器(10)連接該末級真空泵(60)，係用於將該末級真空泵(60)的氣體抽出後進行氣水分離，一方面排出氣體，一方面將液體回送到該末級真空泵(60)。

其中該至少一第二級真空泵(50)為一單級的真空泵。其中該單級的真空泵為羅茨機械真空泵。

其中該至少一第二級真空泵(50)為二個串連的真空泵。其中各該串連的真空泵為羅茨機械真空泵。其中該二個串連的真空泵中的其中一個真空泵為羅茨機械真空泵。

其中各級真空泵的氣閥門進行智慧變頻控制，或自我調整的自動調節控制，達到系統運行的最優化管理。

其中該第一級羅茨機械真空泵(1)安裝一入口真空壓力傳感器(11)及一第一含變頻器的變頻電機(181)，而該第二級真空泵(50)安裝一出口壓力傳感器(12)及一第二含變頻器的變頻電機(191)，將該入口真空壓力傳感器(11)及該出口壓力傳感器(12)進行分析處理，再配合該第一級羅茨機械真空泵(1)出口端所安裝的排氣腔温度傳感器(15)和該第二級真空泵(50)出口端所安裝的排氣腔温度傳感器(16)所傳送的溫度回饋值，而傳送控制信號到該第一含變頻器的變頻電機(181)及該第二含變頻器的變頻電機(191)，以調整該第一含變頻器的變頻電機(181)及該第二含變頻器的變頻電機(191)的轉速。

其中該第二級真空泵(50)包含一真空管路(200)，系統係根據不同的運行情况判斷打開或關閉該第二級真空泵(50)之一旁路壓差調整管道(17)的氣動閥門(171)以調整該真空管路(200)內的壓差。

1‧‧‧第一級羅茨機械真空泵

2‧‧‧第二級羅茨機械真空泵

3‧‧‧前級牽引雙級液環泵

4‧‧‧排氣口冷卻器

5‧‧‧螺旋盤管冷卻器

7‧‧‧螺旋盤管冷卻器

8‧‧‧排氣口冷卻器

9‧‧‧循環液換熱器

10‧‧‧氣水分離器

11‧‧‧入口真空壓力傳感器

12‧‧‧出口壓力傳感器

13‧‧‧真空入口氣動關斷閥

14‧‧‧吸入口温度傳感器

15‧‧‧排氣腔溫度傳感器

16‧‧‧排氣腔溫度傳感器

17‧‧‧旁路壓差調整管道

18‧‧‧第一氣體驅動裝置

19‧‧‧第二氣體驅動裝置

20‧‧‧迴圈液溫度傳感器

21‧‧‧循環液吸入口氣動閥門

31‧‧‧循環液吸入口

50‧‧‧第二級真空泵

60‧‧‧末級真空泵

100‧‧‧真空管路

101‧‧‧輸入端

102‧‧‧輸出端

171‧‧‧氣動閥門

181‧‧‧第一含變頻器的變頻電機

182‧‧‧驅動結構

191‧‧‧第二含變頻器的變頻電機

192‧‧‧驅動結構

200‧‧‧真空管路

301‧‧‧入口端

401‧‧‧輸出端

圖1顯示本案的元件組合圖，其中顯示本案之三級結構。

圖2顯示圖1的側視圖。

圖3顯示圖1的後視圖。

圖4顯示本案之三級結構之元件架構方塊圖。

圖5顯示本案的四級結構之元件架構方塊圖。

本新型涉及的是火電廠凝汽器抽真空節能系統的一種多級羅茨或羅茨加其它形式的次級或前級真空泵組成的多級節能真空泵系統。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5所示，顯示本案之基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，如圖1至圖4所示，本實施例中係以三級結構作為說明，係使用一第一級羅茨機械真空泵1、一第二級真空泵50及一末級真空泵60，其中該第二級真空泵50為一第二級羅茨機械真空泵2，且該末級真空泵60為一前級牽引雙級液環泵3。該多級節能真空機組包含下列元件：一真空入口氣動關斷閥13，來自火電廠凝汽器所抽吸的不凝性氣體係經由該真空入口氣動關斷閥13輸入到下一級的裝置。

一第一級羅茨機械真空泵1連接該真空入口氣動關斷閥13，該第一級羅茨機械真空泵1用於接收來自該真空入口氣動關斷閥13的氣體並進行壓縮。該第一級羅茨機械真空泵1包含：一真空管路100，連接該真空入口氣動關斷閥13，氣體從該真空入口氣動關斷閥13輸入後進入該真空管路100以進行壓縮。

一入口真空壓力傳感器11位於該真空管路100的入口端，用於量測該真空管路100的入口端的氣體壓力並向外傳送。

一第一氣體驅動裝置18，用於驅動該真空管路100內的氣 體。該第一氣體驅動裝置18包含一第一含變頻器的變頻電機181位在該真空管路100的外側，該第一含變頻器的變頻電機181係為一可變頻的馬達，可依據需要調整輸入電力的頻率，因此調整馬達的轉速；且該第一氣體驅動裝置18尚包含一驅動結構182(如葉片等)。該驅動結構182深入該真空管路100中以驅動該真空管路100的氣體(其為習知技術，圖中未顯示其細部結構)。

一螺旋盤管冷卻器7位在該真空管路100中，輸入的氣體在壓縮過程中通過該螺旋盤管冷卻器7冷卻後輸出。

一排氣腔溫度傳感器15位在該真空管路100的出口端，用於量測該真空管路100的出口端的溫度並向外傳送。

一排氣口冷卻器8其輸入端連接該螺旋盤管冷卻器7，用於將從該螺旋盤管冷卻器7冷卻後輸出的氣體做進一步的冷卻。

來自火電廠凝汽器所抽吸的不凝性氣體係經由該真空入口氣動關斷閥13輸入到該第一級羅茨機械真空泵1的該真空管路100，並經由該第一氣體驅動裝置18驅動該真空管路100中的氣體，而在該第一級羅茨機械真空泵1中進行壓縮，並且由該螺旋盤管冷卻器7對壓縮過程中的氣體進行冷卻後輸出到該排氣口冷卻器8做進一步的冷卻。

一第二級羅茨機械真空泵2連接該排氣口冷卻器8的輸出端，該第二級羅茨機械真空泵2用於接收來自該第一級羅茨機械真空泵1經由該排氣口冷卻器8所輸出的氣體並進行壓縮。該第二級羅茨機械真空泵2包含：一真空管路200，連通該排氣口冷卻器8，氣體從該排氣口冷卻器8輸入後進入該真空管路100以進行壓縮。

一出口壓力傳感器12位於該真空管路200的出口端，用於量測該真空管路200的出口端的氣體壓力並向外傳送。

一第二氣體驅動裝置19，用於驅動該真空管路200內的氣體。該第二氣體驅動裝置19包含一第二含變頻器的變頻電機191位在該真空管路200的外側，該第二含變頻器的變頻電機191係為一可變頻的馬達，可依據需要調整輸入電力的頻率，因此調整馬達的轉速；且該第二氣體驅動裝置19尚包含一驅動結構192(如葉片等)。該驅動結構192深入該真空管路200中以驅動該真空管路200的氣體(其為習知技術，圖中未顯示其細部結構)。

一螺旋盤管冷卻器5位在該真空管路200中，輸入的氣體在壓縮過程中通過該螺旋盤管冷卻器5冷卻後輸出。

一排氣腔溫度傳感器16位在該真空管路200的出口端，用於量測該真空管路200的出口端的溫度並向外傳送。

一旁路壓差調整管道17係並連於該真空管路200，用於調整該真空管路200內的壓差。系統根據不同的運行情况判斷打開或關閉該旁路壓差調整管道17的氣動閥門171以調整該真空管路200內的壓差。

一排氣口冷卻器4其輸入端連接該螺旋盤管冷卻器5，用於將從該螺旋盤管冷卻器5冷卻後輸出的氣體做進一步的冷卻。

來自該第一級羅茨機械真空泵1壓縮的氣體經由該排氣口冷卻器8輸出後，係輸入到該第二級羅茨機械真空泵2的該真空管路200，並經由該第二氣體驅動裝置19驅動該真空管路200中的氣體，而在該第二級羅茨機械真空 泵2中進行壓縮，並且由該螺旋盤管冷卻器5對壓縮過程中的氣體進行冷卻後輸出到該排氣口冷卻器4做進一步的冷卻。

一前級牽引雙級液環泵3其入口端301連接該排氣口冷卻器4的輸出端401，用於接收來自上一級的第二級羅茨機械真空泵2所輸出的氣體並進行壓縮混合而形成氣水混合物。該前級牽引雙級液環泵3包含一吸入口温度傳感器14位在該前級牽引雙級液環泵3的入口端301，用於量測該前級牽引雙級液環泵3的入口端301的溫度並向外傳送。

一氣水分離器10其輸入端101連接該前級牽引雙級液環泵3，該前級牽引雙級液環泵3的氣水混合物係輸入該氣水分離器10以進行氣水分離。該氣水分離器10包含一迴圈液溫度傳感器20位在該氣水分離器10的輸出端，用於量測該氣水分離器10的輸出端的水溫並向外傳送。

一循環液換熱器9其輸入端連接該氣水分離器10的輸出端102，該循環液換熱器9的輸出端連接該前級牽引雙級液環泵3，在該氣水分離器10中的該氣水混合物經氣水分離後所產生的水係輸入該循環液換熱器9進行冷卻後輸出回到該前級牽引雙級液環泵3。

本案尚包含一循環液吸入口氣動閥門21位在該前級牽引雙級液環泵3的循環液吸入口31端，用於控制來自該氣水分離器10的分離後的水，以管制水進入該前級牽引雙級液環泵3。

在該前級牽引雙級液環泵3中經壓縮混合後所形成的氣水混合物係輸入該氣水分離器10進行氣水分離。該氣水混合物經氣水分離後所產生的氣體係從該氣水分離器10的頂部直接排出。

經由該排氣口冷卻器4冷卻後的氣體進入該前級牽引雙級液環泵3，通 過壓縮混合後形成氣水混合物並進入該氣水分離器10中進行氣水分離，經氣水分離後產生的氣體直接從氣水分離器10的頂部直接排出，而氣水分離後產生的水(即液環泵的循環液)通過該循環液換熱器9進行冷卻後再次回到該前級牽引雙級液環泵3。當系統需要啟動/停止以及故障時，該前級牽引雙級液環泵3的循環液吸入口氣動閥門21會打開或者關閉，以防止該氣水分離器10中的循環液過量進入該前級牽引雙級液環泵3造成停機返水或者漫灌的現象。

圖1至圖4係顯示本案的三級結構，圖5則顯示本案之四級結構的示意圖，本實施例中係以三級結構作為說明。

在本案中可視需要重複配置多個第二級羅茨機械真空泵2。圖5顯示本案之四級結構的示意圖，其中係配置兩個第二級羅茨機械真空泵2。各該第二級羅茨機械真空泵2之間分別經由一對應之排氣口冷卻器4串接。其中在該多個第二級羅茨機械真空泵2中位於上一級的第二級羅茨機械真空泵2的螺旋盤管冷卻器5係經由一對應之排氣口冷卻器4連接到下一級的第二級羅茨機械真空泵2的真空管路200。而在該多個第二級羅茨機械真空泵2中位於最後一級的第二級羅茨機械真空泵2的螺旋盤管冷卻器5則經由一對應之排氣口冷卻器4連接該前級牽引雙級液環泵3的入口端301。

本案尚包含量測出口端及入口端的壓力及溫度以進行回饋運算，使得系統效率可以達到更高，其方式為：將該第一級羅茨機械真空泵1的入口真空壓力傳感器11所傳送的壓力值和該第二級羅茨機械真空泵2的出口壓力傳感器12所傳送的該前級牽引雙級液環泵3的入口端之壓力值進行分析處理，再配合該第一級羅茨機械真空泵1的排氣腔温度傳感器15和該第二級羅 茨機械真空泵2的排氣腔温度傳感器16所傳送的溫度回饋值，而傳送控制信號到該第一含變頻器的變頻電機181及該第二含變頻器的變頻電機191，以調整該第一含變頻器的變頻電機181及該第二含變頻器的變頻電機191的轉速，使得整個系統達到最佳效率且安全的運作狀態。同時系統可根據不同的運行情况判斷打開或關閉該第二級羅茨機械真空泵2的該旁路壓差調整管道17的氣動閥門171以調整對應之真空管路200內的壓差。

應用上述的結構，當電廠凝汽器的真空維持需求需要三級節能真空系統維持時，應用本案的以羅茨真空泵為主泵的三級真空系統結構及工作關係適合於相當多的主流大型發電機組的凝汽器真空維持系統。與此類似地，在一些小型電廠，當採用蒸汽式真空泵、離心式真空泵所維持的真空度較低、總抽氣量需求較低的情況，可同樣應用本案的結構，採用以羅茨式真空泵為主泵的二級節能真空泵系統，其前機泵可以是羅茨真空泵、水環真空泵或其它類型的真空泵。而對於有些大型發電廠的大型凝汽器，當其真空度較高或抽氣量特別大的情況，則可採用本案中以羅茨真空泵為主泵的四級節能真空泵機組。

本案的優點在於在火電廠凝汽器抽真空系統中使用以羅茨真空泵(非氣冷羅茨泵)為主泵，再依次在下面級配備羅茨泵或其它類型的真空泵，此種結構可在同樣客戶工況條件下，比傳統大型水環泵、蒸汽泵、離心泵的能耗降低達到80%以上，相比使用羅茨氣冷泵配備液環泵真空裝置還可以提高20%-30%的節能，且占地面積只有大型水環泵組的四分之一或氣冷式羅茨泵機組的70%，為各種競爭技術中功耗最小、占地最小的結構。同時因為多級羅茨節能機組的真空度主要由羅茨泵決定，因此受溫度影響很小， 在原真空系統漏率較大的情况下，有潛力提高凝汽器的真空度。因此本新型的節能真空系統可以更加的適合原有火電廠凝汽器抽真空系統的應用的技術改造。

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創作之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本創作之專利範圍，凡未脫離本創作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。

Claims (10)

1. 一種基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，包含：一真空入口氣動關斷閥(13)，來自火電廠凝汽器所抽吸的不凝性氣體係經由該真空入口氣動關斷閥(13)輸入到下一級的裝置；一第一級羅茨機械真空泵(1)連接該真空入口氣動關斷閥(13)，該第一級羅茨機械真空泵(1)用於接收來自該真空入口氣動關斷閥(13)的氣體並進行壓縮；以及至少一第二級真空泵(50)，係將來自該第一級羅茨機械真空泵(1)的氣體進行更進一步的壓縮；各該第二級真空泵(50)係互相串接，且該至少一第二級真空泵(50)中的最前級之第二級真空泵(50)係連接該第一級羅茨機械真空泵(1)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，尚包含：一末級真空泵(60)連接該至少一第二級真空泵(50)中的最後級之第二級真空泵(50)，係將來自該至少一第二級真空泵(50)的氣體進行更進一步的壓縮；以及一氣水分離器(10)連接該末級真空泵(60)，係用於將該末級真空泵(60)的氣體抽出後進行氣水分離，一方面排出氣體，一方面將液體回送到該末級真空泵(60)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，其中該至少一第二級真空泵(50)為一單級的真空泵。
4. 如申請專利範圍第3項所述之基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機 組，其中該單級的真空泵為羅茨機械真空泵。
5. 如申請專利範圍第1項所述之基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，其中該至少一第二級真空泵(50)為二個串連的真空泵。
6. 如申請專利範圍第5項所述之基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，其中各該串連的真空泵為羅茨機械真空泵。
7. 如申請專利範圍第5項所述之基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，其中該二個串連的真空泵中的其中一個真空泵為羅茨機械真空泵。
8. 如申請專利範圍第1項所述之基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，其中各級真空泵的氣閥門進行智慧變頻控制，或自我調整的自動調節控制，達到系統運行的最優化管理。
9. 如申請專利範圍第1項所述之基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，其中該第一級羅茨機械真空泵(1)安裝一入口真空壓力傳感器(11)及一第一含變頻器的變頻電機(181)，而該第二級真空泵(50)安裝一出口壓力傳感器(12)及一第二含變頻器的變頻電機(191)，將該入口真空壓力傳感器(11)及該出口壓力傳感器(12)進行分析處理，再配合該第一級羅茨機械真空泵(1)出口端所安裝的排氣腔温度傳感器(15)和該第二級真空泵(50)出口端所安裝的排氣腔温度傳感器(16)所傳送的溫度回饋值，而傳送控制信號到該第一含變頻器的變頻電機(181)及該第二含變頻器的變頻電機(191)，以調整該第一含變頻器的變頻電機(181)及該第二含變頻器的變頻電機(191)的轉速。
10. 如申請專利範圍第7項所述之基於羅茨式主真空泵的多級節能真空機組，其中該第二級真空泵(50)包含一真空管路(200)，系統係根據不同的運行情况判斷打開或關閉該第二級真空泵(50)之一旁路壓差調整管道(17)的氣 動閥門(171)以調整該真空管路(200)內的壓差。