汽轮机真空严密性试验相关知识学习
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概述
汽轮机真空系统的严密性,对汽轮机运行经济性和安全性均产生重大的影响, 凝汽器真空是评价汽轮机经济、安全运行的重要指标。随着汽轮机单机功率的增大,汽轮机排汽口数量增加,凝汽器体积逐渐增大,汽轮机真空系统的严密性更难以保证。真空系统的泄漏,首先影响机组热经济性,一般真空值每降低1 % ,汽耗约降低1 %。其次影响二次除氧效果,加剧低压设备管道腐蚀;三是影响蒸汽凝结及热交换性能,增大过冷度和换热端差,增加真空泵的负担。
因此,科学、准确地评价汽轮机真空系统的严密性状态,对于实现对真空系统严密性失常故障的早期发现并及时处理,以及对于设计阶段选择抽气器的容量,确定抽气器的运行台数,运行阶段定量评价汽轮机真空系统的严密性,均具有重要的意义。
真空泄漏的原因
真空系统范围较大,所有处于低于大气压力运行的设备、管道和阀门等不严密处都可能漏入空气,如果漏入的空气量较大,而抽气设备又无法及时地将其排出,则凝汽器汽侧的空气和其他非凝结气体会在凝汽器管束周围表面形成气膜,使热阻增加,传热系数降低,会严重影响凝汽器的传热性能,导致凝汽器传热端差增大,真空降低,从而降低了循环效率。根据调试经验,真空系统易泄漏空气的薄弱环节有:
１． 凝汽器热井、低压加热器玻璃管水位计经常出现漏点、缺陷,漏入空气,造成严密性下降。
２． 轴封加热器水位自动调节失灵导致水位偏低,水封无法建立,导致空气漏入。
３． 采用迷宫式水封的给水泵,其密封水排至凝汽器,水封无法有效建立,导致空气漏入。（85张图片带你了解600MW机组凝汽器结构）
４．低压缸防爆门、小汽机排汽管防爆门、凝汽器人孔门等也经常由于密封不严,或防爆门出现裂缝,导致空气漏入。
５． 大机、小机低压轴封由于轴封压力不能满足需要,造成轴封泄漏,另外,汽封间隙的大小、汽封的完好程度也是造成轴封泄漏的重要因素。（汽机轴封系统学习）
６． 凝结水泵进口法兰、凝泵水封泄漏也经常导致凝结水溶氧不合格。
７． 管道安装。目前的新建机组,安装质量较好,压力管道均进行水压试验,真空管道均进行了灌水试验,因法兰,阀门盘根等原因导致泄漏的情况较小。
８． 部分低压管道上的疏水阀、排汽阀,关闭不严,导致真空泄漏。
真空检漏、查漏
目前常用的检漏方法有灌水查漏、火烛法、卤素查漏法、超声法、氦查谱查漏仪等。真空灌水查漏试验时汽轮机需停运,将水灌满凝汽器蒸汽空间直至低压缸汽封洼窝处,并使处于真空状态下的所有设备和管道充水,从而检查有水渗漏的地点,来确定其不严密处。
相比较而言，氦质谱检漏仪查漏是最理想的也是目前普遍使用的方法。试验时汽轮机不需停运,首先将氦质谱检漏仪的传感器即吸枪置于真空泵气水分离器的排气口,将仪器调整到所需要的检漏模式,在怀疑的泄漏部位用喷枪喷吹极少量的氦气。由于凝汽器的内、外压差,氦气将通过漏孔被真空泵抽出并排至大气。通过氦质谱检漏仪的吸枪及前级泵的抽吸作用,氦气将进入到检漏仪的质谱室,在室内气体分子被电离,由于不同的荷质比而分离开来。质量数为4 的氦离子被收集下来,离子收集板的电流正比于收集到的氦离子数,经放大后,以漏率值显示在仪器上。漏率值的大小直接反映了泄漏点的泄漏情况。虽然氦质谱检漏仪可靠、灵敏度高,反应时间快，但是也有其局限性。因为,在目前安装的机组中,所有的管道、阀门均有保温层和阀门套,且阀门、管道的数量众多,系统庞大,在不明真空泄漏处的情况下进行查漏,需将阀门套及法兰保温拆除,工作量很大,有时也难于取得预期的效果。
真空系统严密性试验
真空严密性试验是对真空系统严密性进行定性分析的方法。真空严密性试验的目的是检查和鉴定真空系统的严密性。试验应定期进行，并在带相同负荷下测定，以便比较试验结果。
试验方法是：调整负荷到一定值（一般为额定负荷的80%~100%）后投入全部加热器，并保持运行工况稳定。然后迅速关闭凝汽器至抽汽器的空气门或停止抽气设备，观察真空表指示值下降速度。从真空开始下降的第二分钟起，记录真空下降的数值，连续记录３~５分钟，试验结束立即开启空气门，迅速恢复正常运行。
我国“固定式汽轮机技术条件”中对汽轮机真空系统严密性的标准规定,功率大于100MW 的汽轮机,真空下降速度不大于0.4kPa/ min ;小于100MW 的汽轮机,真空下降速度不大于0.67kPa/min ;对于300MW以上的汽轮机, 要求真空下降速度不大于0.2kPa/ min。
试验结束后，应分析所测数据以确定真空系统的严密程度：若真空下降速度值每分钟不超过２毫米汞柱，则真空严密性为良好；每分钟不超过５~７ 毫米汞柱时，则为合格。试验时，如果真空下降很快，到６５０毫米汞柱时应立即停上试验，迅速开启空气门恢复真空，并分析查找真空系统不严密漏气的原因，设法解决，保证机组安全经济运行。
这种真空系统严密性试验方法具有一定的缺陷，除对试验时汽轮机的负荷有要求外,对凝汽器的运行条件如冷却水流量、冷却水入口温度、凝汽器管材以及凝汽器水侧清洁程度均没有任何要求。研究表明,在真空系统严密性试验过程中,即使在单位时间内漏入真空系统空气量一定的条件下,对应不同的汽轮机负荷和凝汽器运行参数,真空下降速度往往有不同值。亦即真空下降速度并不是单位时间漏入空气量的单值函数,故真空下降速度并不能准确反映汽轮机真空系统的严密性情况。同时,真空严密性试验中测得的真空下降速度还与抽气器抽气门的关闭速度有关。只有当汽轮机负荷、凝汽器运行参数、凝汽器冷却面积、水侧脏污程度以及抽气门关闭速度均相同的条件下,真空严密性实验的结果才具有可比性。
漏入真空系统的空气量的测定
通过测定漏入真空系统的空气量来评价真空系统的严密性状态更科学、更实在。传统的真空系统严密性试验中测量漏入空气量的方法，其基本原理是:停止抽气器或关闭抽气器抽空气门,在凝汽器负荷稳定的条件下,向凝汽器内补充输入ΔG1和ΔG2等的空气流量的条件下,分别进行真空严密性试验, 测量对应各个输入空气量的真空下降速度 、等,得到输入空气量与真空下降速度之间的关系曲线,如图所示。
这种测量方法对于准确测定漏入汽轮机真空系统的空气量具有重要意义。但缺点是至少要向真空系统内补充两次不同的空气量,并相应要做两次真空系统严密性试验,才能得到漏入真空系统的空气量,测量方法比较复杂。另外,当汽轮机真空系统严密性较差时,再向凝汽器内补充空气量,必然导致汽轮机排汽温度过高,严重时甚至使低压缸变形,引起机组振动。
这种测量方法虽然操作简单,便于现场应用,但其存在如下问题。首先, (1) 式是由汽轮机设计阶段选择抽气器容量大小所采用的经验公式演化而来的。将其用于确定空气漏入率是否合适,还有待于进一步的试验验证。其次,汽轮机真空严密性试验过程中得到的真空下降速度并不只是漏入空气量的单值函数,其数值还受到汽轮机排汽量、冷却水温度及冷却水流量的影响,亦即即使真空下降速度相同,对应不同的汽轮机负荷及凝汽器运行参数,漏入真空系统的空气量也是不同的。因此以上测量方法并不能准确地确定漏入汽轮机真空系统的空气量。
这种确定漏入真空系统空气量的方法虽然计算简单,但其中的真空系统的容积是很难计算准确的。另外,这种确定方法实质上是认为真空下降速度只是漏入真空系统的空气量Ga和真空系统容积V 的函数。但由前面的分析可以发现,真空系统严密性试验过程中,真空下降速度还受到冷却水温tw1 、冷却水流量Dw 以及汽轮机排汽量Dc的影响。因此,这种方法实际上也很难准确测量真空系统的漏汽量。
汽轮机真空系统严密性试验的负面影响
实际上真空系统严密性试验对汽轮机的安全性和经济性均产生较大的影响。在真空系统严密性试验过程中,凝汽器的真空降低,使汽轮机的电功率减小,热耗率增大,降低了汽轮机的热经济性。同时,在真空系统严密性试验过程中,不仅由于汽轮机排汽温度升高容易导致汽轮机低压缸变形,引起机组振动,而且由于凝汽器真空的变化,导致冷却管管壁温度的变化。由于凝汽器冷却管两端是固定在管板上的,因此,真空系统严密性试验过程中冷却管要产生一定的热应力。在正常运行—真空系统严密性试验—正常运行这个过程中,冷却管将承受一次应力交变循环,该交变应力对冷却管与管板之间连接的密封性可能会产生较大的影响。尤其在冷却水温度较高时,真空严密性试验过程本身冷却管内就可能产生交变应力。而在冷却水温度较低时,真空严密性试验过程中冷却管内产生热应力的数值也比较大。这种热应力是造成凝汽器冷却管与管板之间密封连接破坏的重要原因。可见,无论冷却水温度高低,真空系统严密性试验均对凝汽器的正常运行产生不利的影响。
汽轮机真空系统严密性的在线定量评价
为了避开真空系统严密性试验的负面影响,利用汽轮机正常运行中测得的有关运行参数,来判断真空系统的严密性状态。这种在线的监测方法也许是汽轮机真空系统严密性失常故障的早期发现、及时处理以及汽轮机真空系统严密性评价方法的发展方向。
目前,运行人员有时借助于凝汽器端差来评价真空系统严密性。端差增大,认为有可能是真空系统严密性变坏。但实际上,在凝汽器热井水位正常的条件下,当凝汽器水侧脏污和真空系统严密性失常时,其外在表现均为凝汽器端差增大。目前,运行中还很难通过凝汽器的现有测点将上述二者分离开来。为此,也有人利用真空系统严密性失常时凝结水过冷度将增大的原理,提出利用凝结水过冷度的大小将真空系统的不严密性与凝汽器水侧脏污二者进行分离,但这种方法仅适用于非回热式凝汽器。另外,在汽轮机的实际运行中,运行人员往往采用增加一台抽气器并观察端差是否降低的方法来判断端差增大是否是由于真空系统不严密引起的。但是,这种采用试探来评价汽轮机真空系统严密性的方法远远满足不了现代大型汽轮机对运行自动化的要求。
对于射汽抽气器,可以在抽气器排汽管上安装流量表,测量出蒸汽- 空气混合物的质量流量,并同时测量该点的汽气混合温度,经过计算可以得到抽出的空气量,此亦即为稳定工况下漏入真空系统的空气量,从而实现在线对汽轮机真空系统严密性进行定量评价的目的。
发电厂真空系统漏点分布及消漏对策
以某发电厂的真空系统为例。试验中采用了德国莱宝公司的 ＵＬ２００型氦质谱检漏仪，大气氦本底＜ 1 . 0 mhar ·Ｌ／ｓ ，检漏方式采用快速吸枪法。使用氦质谱检漏仪查漏时，漏点较容易发现，但是消除漏点却变得困难，下面仅对某发电厂一些漏点消除方法进行分析。
凝汽器汽侧人孔门漏
300MW 机组凝汽器汽侧有 3 个人孔门，原设计的是翻板式人孔门，只有一个紧固螺栓，紧力小，由于采用的是橡胶垫，其耐高温性能差，特别是本体疏水扩容器人孔门，当热态启动时，大量的疏水排人本体疏水扩容器，造成疏水扩容器的温度高，橡胶垫老化密封不严漏空气，如 2 号机一次热启动后，机组满负荷时真空比其它机组低２kPa ，经查找是本体疏水扩容器垫子漏，用防火泥密封后，真空正常。另外 6m 层人孔门也较易出现漏空气，其漏空气的原因是因凝汽器的壳体作密封面易变形。
对于负压系统存在的人孔门漏，消除方法是对人孔门进行改造，将翻板式人孔门改为法兰孔， 16 个螺栓均布确保紧力，同时将橡胶垫改为高压石棉垫，对于凝汽器上的人孔门，由于原来的密封面是用凝汽器的壳体做密封面，易出现变形，因此在凝汽器壳板上要焊接、内径 厚钢的平法兰，并让法兰面高出壳板 IOmm ，并在法兰上增加密封线才能保证密封严密。
轴封漏空气
从查漏的结果来看，低压缸轴封漏是十分常见的，如 3 号机在大修前严密性试验时，严密性试验不合格，对外围进行全面普查，未发现漏点，而当低压轴封压力由 30kPa 升至 70kPa 时，真空严密性由 0 . 9 kPa / min ，下降至 0 , 39kPa / min 。在 3 号机大修中揭开低压缸检查汽封间隙，发现汽侧间隙达到 1. 0 mm ，而电侧汽封间隙也达到了 0 . 9 mm ，大修后将汽封间隙都调至 0 . ５０mm ，机组启动后试验，真空严密性达到了 0 . 113kP ／ min 的优秀水平。
小机轴封也是经常出现的漏点，其主要原因是轴封压力低，因轴封压力太高时易出现小机油中带水的现象，而有时小机高压轴封也存在漏空气的现象，主要原因是高压轴封外二挡漏汽接至小机低压轴封，因此当轴封压力低时，则外一挡漏汽通过外二挡进人低压轴封带人了凝汽器内，适当提高轴封压力就可以消除。
负压系统的法兰结合面
负压系统法兰结合面较多，较易出现泄漏，有部位由于位置较高，难于发现，如小机排汽法兰是在高空中，需要搭脚手架才能查漏， 4 号机组大修后真空严密性不合格，为 0 . 55 kP ／ min ，用氦质谱进行反复查漏没有查到漏点，最后了解到大修中为起吊小机排汽缸方便增加了一对法兰，搭脚手架后检漏，查到漏点超过 mhar ·Ｌ／ｓ，因中分面法兰改造后安装紧力不够，消除后严密性试验合格。
中低缸连通管低压侧的法兰常出现漏空气，特别是低压内一缸和低压内二缸之间是有一个倒杯式密封档板，同于内侧是正压，而外侧是负压，容易出现焊口裂纹，在 1 号机大修时，采用注水查漏的办法发现了较大漏点。
中压缸排汽法兰漏汽，只能在低负荷时才能发现，如 l 号机在一次启动中真空低，进行反复查找未果，当机组带负荷至 ２００Mw 后，机组真空又恢复正常，再次降负荷查漏，发现中压缸排汽法兰结合面漏。
联通管两侧法兰漏气在运行中是无法消除的，其漏汽的原因是连通管中部未加装法兰，两侧跨距大，安装后常因热膨胀原因造成两侧法兰密封失效，为此对连通管进行了改造，在连通管上加装法兰，为了满足热膨胀的要求，法兰中间要保留 19 . 7 ｍｍ的冷拉间隙，同时还对中压侧连接法兰进行了扩孔，并将六角单头紧固螺栓，改为头罩螺母紧固螺栓，螺栓由 M33 3 改为 M39 3 。在机组检修后，先安装两侧法兰，再紧连通管中部法兰，由于中间加装的法兰已预留有冷拉值，因此在两侧紧严密后，就能防止因热膨胀补偿不足造成两侧法兰张口而漏气。
负压系统的焊口
负压系统的焊口漏主要集中在疏水扩容器上的焊口，因疏水扩大容器温度变化大，如 2 号机在灌水查漏时就发现疏水扩容器上出现焊口漏水， 1 号机通过氦质谱查漏发现本体扩容集管可能有漏气点，停机后通过凝汽器灌水查漏，结果发现凝汽器本体扩容器有一焊口长 60ｍｍ的焊口漏空气，经消除后， 1 号机真空严密性试验合格。机组大修后应采用灌水查漏，其灌水高度应以能淹注凝汽器喉部膨胀节为宜，该电厂 1 、 2 号机都发现了喉部膨胀节焊缝泄漏。而 1 号机曾出现一根 3 号瓦底部排油管穿过凝汽器后再排向地沟时，由于末级叶片拱型围带脱落打坏排污管漏空气，由于漏点在低压转子叶片附近，则需停机进人凝汽器内部方能发现。
真空泵盘根漏空气
真空泵盘根漏空气，也是通过其它查漏方法无法查出来的，有时却非常严重，它将直接影响真空泵的抽吸能力，一般情况下，漏点主要是表现在真空泵的盘根和端部结合面，其消除也较容易。
主机和小机的防爆门漏空气
防爆门漏空气是经常出现的漏点，由于位置高，这些漏点用灌水查漏或超声波方法是无法判断的，因此在采用氦质谱仪查漏前，这些微漏点是难以查出的，其漏点产生的机理往往是机组停机后，破坏真空太早，或机组启动时轴封送汽的方法不当，造成凝汽器内产生正压使防爆门顶破，若防爆门破坏较严重时会立即发现蒸汽漏出，当防爆门轻度漏泄时，一抽真空就不难发现。
负压系统取样仪表管漏
用氦质谱查漏过程中，最难查的往往是一些负压系统细小的仪表管，如 2 号机在定期真空严密性试验时，发现机组真空严密性试验不合格，查漏人员，反复查了几天，仅查出了一些微小漏点，这些微小点的漏量在真空泵的抽吸范围内，最后查出是 10m 层的低旁减压管后压力取样管焊口因振动而局部断裂引起漏汽，而低旁减压管也必须搭脚手架才能查到。
轴封加热器多级水封漏空气
2 号机组在 2003 年初大修中进行真空严密性试验，其下降值为 0 . 6kP／ｍｉｎ ，利用氦质谱仪反复查找都未发现漏点，并通过提高轴封压力进行严密性试验仍不合格，一次偶然机会，运行人员发现轴封加热器水位低，对轴封加热器进行补水，补水后真空提高了 0 . 3kPa 。为此打开轴封加热器水位计底部放水门喷气人轴加，开一台轴加风机漏量为8 , 7 mba · Ｌｓ ，开两台轴加风机漏量为 6 . 3 mbar ·Ｌｓ ，在轴加补水至正常水位后，真空严密性达到 0 . 3kPａ／min ，轴加漏空气原因是轴加多级水封因腐蚀穿孔，造成水封破坏引起，多级水封更换为不锈钢水封后消除。
２００１ 年查漏共进行了31 台次，发现漏点 201 处，配合处理漏点数 191 处。共使用氦气 6 瓶，快速吸枪出口磁滤芯 1 个，探头人口滤芯 30 个。热力负压系统漏空气点基本消除，真空严密性试验结果已大幅提高，并通过每月定期进行真空严密性试验和复查并及时消除漏点，机组真空严密性全部试验合格 3 、 4 号机组真空严密性试验值已达到国家优秀标准， 4 号机则一直小于 0 . IOkPa / min ，表明系统已接近严密不漏的程度．取得了良好的经济效益。
经试验分析国产引进型300MW 机组真空每降低 IkP 。，机组热耗将上升 53. 699kJ / kw · h ，机组热耗上升 0 , 67% ，每降低 IkPa ，机组供电煤耗上升 2 . 0116 岁 kw · h 。机组真空严密性对经济性影响较大。用氦质谱仪进行负压系统查漏目前是电厂最为有效的方法，真空系统查漏和消漏是艰苦的，但也是十分必要的，但有时消除漏点比查漏更困难，通过氦质谱查漏再结合常规的灌水查漏，只要持之以恒， 300MW 机组真空严密性能够达到 kPa / min 以下。