汽轮机真空系统严密性下降诊断与防范措施探讨

汽轮机真空系统严密性下降诊断与防范措施探讨汽轮机真空系统严密性是关系到汽轮机安全、经济运行的一项重要指标, 对引起其下降的原因与部位进行诊断, 并采取有效的措施提高真空系统的严密性是电力生产部门一项基础性工作。

文章结合魏桥发电厂30MW机组长期存在真空度不足的问题, 对引起真空系统严密性下降的因素进行了较全面的分析, 找出具体原因, 制定相应的解决对策并加以实施, 从而提高了机组的经济性。

文章同时对近年来真空系统泄漏的诊断定位技术的主要研究成果与经验进行了介绍, 并就提高汽轮机真空系统严密性的其他措施作了一些有益的探讨, 以便在实际工作中结合现场情况, 处理好危害机组安全经济运行的这一顽症。

& n0 a6 m v3 c; S 真空系统是凝汽式汽轮机的一个重要组成部分，其严密性的好坏直接影响整个设备运行的热经济性和安全性。

因此，国家电力行业标准对真空系统的严密性要求非常严格。

然而，由于设计、安装和运行、检修等方面的原因，许多电厂的机组在运行过程中时常出现真空偏低的现象，这种现象在我厂30/60MW机组上尤为严重。

6 _
7 d; l9 ~2 k I& \
真空系统严密性下降不仅会造成汽轮机排汽温度上升，有效焓降减小，循环效率降低，而且还会导致排汽缸变形和振动。

另一方面，空
气进入凝汽器也会导致凝结水含氧量不合格，腐蚀锅炉、汽轮机设备。

因此，在机组运行过程中应密切监视真空系统真空值，当真空较低时，分析引起真空下降的原因、确定泄漏的部位，并选择合理的治理方案对提高真空系统的严密性具有重要意义。

为此，本文结合生产实践，首先分析真空系统严密性下降的原因，介绍目前泄漏诊断定位技术的发展与应用情况，然后探讨几种提高真空系统严密性的措施。

& L! G4 }+ k" d+ W9 a: J
+ k- p W6 l" K2 [7 ^9 X9 m
真空系统严密性不足的特征* b% T- l: s4 I+ M2 b( D
严密性下降主要是由于真空系统存在泄漏，此时凝汽器汽侧空间的空气量增加，空气分压力增大；同时凝汽器内漏入空气后，凝结蒸汽对冷却水管壁的放热系数会变差，总导热系数减小，传热量减少。

从这一传热学原理可知，汽轮机真空系统泄漏产生的特征是：排汽温度升高，背压升高，真空降低，端差增大，凝结水温度升高，过冷度增加以及凝结水含氧量增加。

& ~! s( U: }! b7 C i* f
必需注意的是，当某一故障特征出现时，其具体表现及引起的原因是多方面的。

以某厂为例，自投入凝汽器反冲洗以来，坚持每2天冲洗一次，连续冲洗了一个月，但提高真空的效果不明显。

然而发现，
汽轮机第六段抽汽温度经常超过正常温度(80~85℃)，1号低压加加热器的进汽度达400℃以上(见表1)，可该加热器的凝结水温升只有10℃左右，远小于设计温升(30~50℃)。

经分析，其中的主要原因有以下方面。

M5 @! l6 K7 S; E(1)前汽封第三腔室的漏汽量过大。

对于1号低压加热器进行热平衡计算，得出前汽封第三腔室的漏汽量G3为2.3145t/h，比厂家给出的0.45t/h要大5倍。

广州发电厂1号机组曾发生过相同的漏汽量过大的问题，其采用的改造方式要点有二：一是将前汽封第三腔室进入第六段抽汽管的Φ194mm×6mm管子，在垂直进入第六段Φ529mm×6mm抽汽母管之后，转向90°，沿Φ529mm×6mm管线向前延伸至超过2条第六段抽汽口，向1号低压加热器方向喷射，并将Φ529mm×6mm管材由A3F钢换成20号钢管；二是将2号低压加热器空气管引一旁路直接进入凝汽器，避免3号、2号低压加热器的空气沿1号低压加热器汽室靠上部开口，进入凝汽器，使空气不积聚在1号低压加热器，减少空气的分压力，增加其传热效果。

- G# B/ R+ P: c) L' Z9 i1 B
(2)凝汽器传热效果差，循环水温度高，水量少。

" L" I3 s6 S }6 [4 j
(3)真空系统严密性不足。

通过做真空严密性试验时发现：严密性严重不合格，真空不到一分钟就从90.7kPa下降至86kPa。

立即停止试
验，经查发现六段抽汽法兰接合处严重漏气。

以下仅就真空系统严密性问题，作相关分析研究。

+ {; H" j/ P; {* F( I
) W& [9 l; b* ~) D- `
2、引起真空系统严密性下降的原因
0 Y$ L" U! |7 n2 R$ |$ P& V8 L& I6 v 影响凝汽器真空下降的原因很多，主要有：真空系统的严密性、循环水流量和进口水温、真空泵的出力不足、高-中压疏水系统大量内漏、凝汽器铜管清洁系数、凝汽器热负荷及循环水出水管顶部集有空气或虹吸中断等。

7 R$ l6 u% _! ]. x( D9 W a1 R" f6 e# e% e+ C6 j' B% v4 P
5 `/ |" e, E' m7 J* t
真空系统的严密性差仅是引起凝汽器真空下降的五大类因素之一，各大类因素之下还有许多子因素。

当凝汽器真空偏低时，应先从机组表现出的特征，确定引起真空下降的因素属于那一大类，再从大类中找出具体原因，加以治理。

其中泄漏是引起真空系统严密性下降的根本原因，它包括以下几方面：
$ [% f y& g* ^, m/ R(1)低压轴封径向间隙偏大。

主要原因是轴封供汽压力不能随负荷的变化而做相应的调整。

高压轴封供汽和低压轴封供汽共用1台调整门控制，负荷变化时，通过调整门后的供汽压力不能分别满足高压轴封和低压轴封压力的需要，此时便造成轴封漏泄。

汽封间隙的大小、汽封的完好程度也是造成轴封漏泄的较重要因素。

' l8 @" x) T5 w8 C9 B(2)轴封系统结构不完善。

如单进、单出轴封系统轴封套上半部轴封无进、出汽管，只有下半部轴封套有进、出汽管，上半部轴封压力低，下半部轴封压力高，上、下轴封压力不均匀，影响轴封密封效果。

! h/ G R$ v( E4 O( H$ j' H5 f1 M
(3)低压缸结合面泄漏。

原因主要有：
①汽缸制造、检修、安装质量有问题，汽缸法兰结合面不严或有残余应力存在，机组投运后出现漏汽。

②机组启动、停止过程中加减负荷过快，汽缸夹层和法兰加热装置使用不当；停机后汽缸保温打掉得过早或检修后保温包得不好，停机后缸温下降过快或者汽缸进冷汽、冷水等，使汽缸内外壁和法兰内外壁温差过大，致使上下缸结合面吻合度不好，局部产生间隙，大量空气由此进入排汽室，造成真空度下降。

真空下降速度严重时可能使汽轮机转子发生振动和末级叶片喘振等异常，甚至造成叶片断裂事故。

(4)小汽机轴封送汽不合理。

机组运行时，主机轴封通过高低压差进行自密封和自动跟踪，而小汽机的轴封送汽则由于前后轴封由同一根管道从辅汽直接引入，前后轴封阻力不等，所以前后送汽压力难于调整和自动调节跟踪，导致了小机前后轴封漏空气。

另外，若轴封供汽压力过低或小汽机轴封回汽门开启过大，都会使空气直接通过回汽总门进入凝汽器而影响真空。

: O5 V% a" {1 U
(5)抽气器、低加进气门、疏水门泄漏以及其他类泄漏，如中压疏水系统内漏、凝汽器汽侧人孔门及喉部焊缝泄漏、低压防爆门泄漏、凝汽器汽侧的水位计接头泄漏、抽空气系统阀门泄漏、排汽管疏水U 形水封被破坏等。

1 s$ F" t$ A, p& w
2 U7 ~( h
3、泄漏的检测与诊断
3.1 检测条件和方法
凝汽器真空下降不仅会造成汽轮机有效焓降减小，循环热效率下降,而且还会导致排汽缸变形和振动，因此在机组运行过程中应密切监视凝汽器真空值。

设Δt为循环水温升，℃；δt为凝汽器传热端差，℃，
若Δt/δt>1就应考虑胶球清洗装置的投运及凝汽器气密性检测。

目前真空系统的查漏的方法有灌水查漏、火烛法、卤素查漏法、超声法、氦质谱查漏仪。

这几种方法由于其查漏的机理不同，其最小可检漏率是不一致的,检测方式也不一致。

火烛法是通过观察蜡烛火焰摇曳情况，来确定漏气位置，另外泡还可用肥皂液涂抹在所有可疑点上，根据肥皂水沫是否被吸入来判断是否漏气。

应用实践表明，上述这2种传统的检漏法只能用来确定大量漏气的地点，无法确定较小的漏空位置。

并且费时费力、准确性差，此外，使用火烛查漏时，还会威胁到氢冷发电机组的安全。

而卤素检漏法的不足之处是响应时间长、检漏仪的敏感元件如长时间处于浓度较高的卤素气体中易产生中毒效应。

目前，正推广采用氦查谱查漏仪查漏，它具有灵敏度高，反应时间快，对环境没有影响，移动方便等特点，是目前最理想的查漏工具。

' @( S8 T) s3 C6 i; F( b1 S
氦质谱检漏是在质谱室中将气体电离，利用不同荷质比的离子具有不同电磁特性的特点而将示踪气体分离、检测并加以显示的新技术。

氦质谱检漏仪的使用方法是：将仪器测试口配接的吸枪口(探头)连接在凝汽器真空泵的排大气出口处(或置于射水池边)，此时根据机组运行状况及性能参数初步排查出真空系统中的可疑漏点；再对可疑漏点喷吹适量氦气，如果存在漏点，氦气则由此进入真空系统并从排气口
排出；然后通过吸枪吸入氦质谱仪，仪器的响应程度直接反映漏点的泄漏状况，并以仪器上所显示的数值进行检测和判断。

: q; t. V k: D1 r9 I2 ^
氦气检漏技术主要用于那些利用隔离系统方法检验不到的保温层内部的高空管道、焊口等重点怀疑部位。

文献总结出一些实用方法和检测技巧，可大大缩短检漏时间，提高检漏效率。

①选取重量轻、粘贴性好的家庭用密封薄膜作涂布用的薄膜；
②每次应以同一方式注入等量氦气；
③比较每次所测的初值响应时间，从而判断漏点的大概位置；
④考虑漏率微增情况；
⑤选用的风机最好风量可调，通风管道的设计亦有考究。

3.2 泄漏的非线性诊断与测量
由前面的分析可知，导致汽轮机真空下降的影响因素很多，工作状况复杂。

并且泄漏原因与部位和严密性不足所引发的现象之间不是一
一对应的确定关系，一种泄漏原因或某一部位泄漏可以产生多种征兆现象，而一种征兆现象又可能是几种泄漏原因或多个部位泄漏造成的，从而呈现出复杂的非线性特征。

文献介绍了凝汽器真空下降常用的三种故障诊断方法，模糊逻辑、神经网络与专家系统。

并给出了模糊神经网络用于真空下降故障诊断的一个具体实例。

文提出一种基于真空系统严密性试验，并结合BP神经网络的漏入真空系统空气量的软测量方法。

该方法以影响真空下降速度的凝汽器各运行参数以及真空下降速度作为网络的输入，以常规测量方法得到的漏入真空系统空气量作为目标输出，实现对漏入真空系统空气量的软测量。

数值仿真结果证明该方法可以较准确地实现在真空系统严密性试验中对漏入真空系统空气量的测量。

可见，非线性方法将是泄漏检测研究的热点和发展方向。

4 几种防止泄漏的技术措施
为防止汽轮机泄漏事故发生，应结合设备实际情况，把各项措施要求，落实到现场运行规程和运行管理、检修管理、设备管理工作中，并强调以下几方面的防漏措施：& D7 R/ s+ c2 \* {5 e
4.1采用新型结构汽封
+ d j, z2 p' k' ~8 ^5 B4 j: b 传统的汽封，如梳齿式汽封块，当密封间
隙较小时，由腔内汽流激振引起的振动很严重。

为减小振动，只好牺牲效益，增大密封间隙，结果造成了泄漏，严重影响到真空严密性。

此时可选用一些密封结构良好、长期运行后磨损轻微的汽封，如蜂窝式汽封、侧齿汽封等。

侧齿汽封(大连华鸿工业公司专利产品)是在传统汽封的基础上采用数控电火花工艺使汽封的侧面具有许多细小的齿，这样会产生极大的热力学效应和摩阻效应，气体在侧齿迷宫腔内涡动动能转化热能更彻底，密封效果有显著提高。

抚顺发电厂使用经验表明：该汽封在不增加轴封段长度的前提下，可提高密封效率23 %以上。

4.2 改进轴封系统结构# [4 X' Q& W) j1 g3 i) u$ @' q9 c
高、低压轴封供汽压力不能协调匹配，在运行中出现顾此失彼的问题时，只能通过对轴封系统的设计改进解决。

改进的总体思路是在传统轴封系统基础上增加1套轴封供汽压力调整装置，将高(高压缸前、后轴封和中压缸前轴封)、低(中压缸低压部分轴封和低压缸两侧轴封)压轴封供汽分开控制。

使高、低压轴封系统压力能够在启动、运行和停机时均自动调节，可提高机组自动化水平，很好地解决高压轴封冒汽的问题。

该方法同时可使机组启动时的胀差控制更容易。

韶关电厂8号机采用在轴封套上半部增加轴封进、出汽管，以提高轴封套上半部轴封压力，进而提高了轴封密封效果，防止漏真空。

7 h" Z; n* v3 D文献提出一种对轴封系统进行智能化改造的方案，其主要思路是在原轴封供汽母管的中压轴封排汽支管后加一个隔离阀，隔离阀后安装低压轴封调节阀及其旁路阀、前后截止阀。

在低压前、后轴封供排汽支管上安装温度测量系统并进DCS，在低压前、后轴封供汽支管上安装就地压力表。

通过压力调节和温度调节，保证高中低压轴封不再外漏或内漏。

通过供排汽温度，可以判断低压前、后轴封供汽阀的开度状态，通过排汽温度，可以直观的判断轴封是否向凝结器漏入了空气。

2 V. v* l, Z' E) n! c& m% T. n4.
3 改进小机轴封送汽方式6 i1 r1 u0 D" `
4 n# p& Z+ l6 r* ~1 U
根据压力匹配原则，可对小汽机轴封送汽改为由主机的低压轴封母管供汽，而原有的汽源做为备用。

同时在前轴封进汽管道上加装手动门，达到轴封进汽自动调节和手动控制。

珠江发电厂采用这一方式改造后，效果明显，前后轴封漏空气量减少到10nPaL/s数量级以下。

4.4维持轴封系统各疏水U形水封的正常工作' E7 S/ x' W% _6 z) U* c: j% w! n) w
给水泵汽轮机轴封进汽和排汽管疏水U形水封被破坏，轴封加热器疏水旁路门未关，会导致轴封加热器水位过低，这样轴封系统内进入
轴封加热器的气体被吸人凝汽器内。

因此，机组运行过程中必须维持轴封系统各疏水U形水封的正常工作。

- S8 `: M5 j2 v: J. W3 F, w: \% L" M0 v4.5对低压缸结合面进行密封改造/ ~. ?) Q+ A- O* ^8 e* o" y
螺栓紧力不够(螺栓材料疲劳、预紧力不足、紧固顺序不对等)，结合面涂料不好，有硬异物，形成冲刷，会引起结合面变形。

针对低压缸中分面的泄漏，可采用新型耐高温密封胶条。

如，韶关电厂8号机采用在每个排汽缸的下缸中分面上铣制密封槽(密封槽宽12mm，深4.8mm)。

在槽内填压特制密封胶条，形成一道闭环式的密封带，并在结合面涂抹天山755修补剂进行密封(见图3)，成功解决了低压缸轴封长期泄漏。

为提高螺栓紧力，保证结合面间隙小于0.05mm，可将低压缸中部双头螺栓更换为合金螺栓；为提高密封效果，可选用德国西门子生产的Vitonseal，该密封胶条的工作寿命可达到8年。

5 结束语
真空系统严密性作为汽轮发电机组的重要安全指标之一，必须对其加强监视。

严密性不足的根本原因是泄漏，造成真空系统泄漏技术上的因素是多方面的，各类泄漏原因在机理上也有所区别。

并且，泄漏原因与部位和严密性不足所引发的现象之间不是一一对应的确定关
系，呈现出复杂的非线性特征，非线性方法是真空系统严密性检测研究的热点和发展方向。

氦质谱检漏是一种极具发展前景的漏点检测定位技术，该技术与BP神经网络结合可进一步的测量漏入真空系统的空气量。

严格执行并逐条落实各项措施要求是防止真空系统严密性下降的有力管理方式。

此外，采用新型结构汽封，改进轴封系统结构、改进小机轴封送汽方式、对低压缸结合面进行密封改造，加强泄漏的检测与处理以及维持轴封系统各疏水U形水封的正常工作等可有效的避免汽轮机真空系统的泄漏。