上汽1 000 MW機(jī)組真空系統(tǒng)泄漏的非常規(guī)案例分析

張懋欣 陳祺

上海上電漕涇發(fā)電有限公司

0 引言

某電廠在役兩臺1 000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)由上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)西門子技術(shù)設(shè)計(jì)制造的單軸、純凝濕冷、雙背壓、一次再熱、四缸四排汽反動式汽輪機(jī)，經(jīng)供熱改造后的型號為C1000-26.25/600/600（TC4F）。抽真空系統(tǒng)原配置三臺AT3004E型水環(huán)式真空泵，兩臺運(yùn)行一臺備用。后期技改每臺機(jī)組加裝兩套高效真空泵組，每套泵組由一臺羅茨泵和一臺水環(huán)泵（前級泵）組成串連方式運(yùn)行。由于上汽-西門子系列汽輪機(jī)低壓外缸采用了與凝汽器剛性連接并支撐的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，凝汽器在高水位灌水狀態(tài)下的承重狀態(tài)缺乏明確的計(jì)算依據(jù)，國內(nèi)同類型機(jī)組采用高水位灌水進(jìn)行查漏的經(jīng)驗(yàn)不多。該廠在對兩臺機(jī)組的真空系統(tǒng)嚴(yán)密性開展長期治理工作中，總結(jié)該型機(jī)組和系統(tǒng)易發(fā)生的泄漏案例，并加以分析和解決。

1 案例一：主汽門閥桿密封失效

1.1 案例分析

上汽-西門子型超超臨界汽輪機(jī)，在汽門設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)：高中壓聯(lián)合汽門設(shè)計(jì)、大型罩螺母連接、無導(dǎo)汽管、螺紋環(huán)緊固、U形環(huán)密封等。這些特點(diǎn)使汽門具有結(jié)構(gòu)緊湊、損失小、附加推力小等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著該類型機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間增加，其陸續(xù)暴露出汽門閥蓋螺栓斷裂、閥座裂紋等問題，而高、中壓主汽門閥桿密封失效并導(dǎo)致真空系統(tǒng)泄漏幾乎是一項(xiàng)通病，其泄漏量影響真空系統(tǒng)嚴(yán)密性普遍達(dá)到30～100 Pa/min，如能有效解決該問題，將可使真空嚴(yán)密性這一經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)獲得極大提升。根據(jù)制造廠閥桿疏（漏）汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，高、中壓主汽門閥桿漏汽直接接至凝汽器系統(tǒng)立管A（相當(dāng)于直接接入凝汽器）。高、中壓調(diào)節(jié)閥的閥桿漏汽則接至軸封供汽管溢流管。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)閥均全開狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥的閥碟背部汽密封面可維持良好，同時(shí)軸封溢流管的壓力也明顯高于凝汽器壓力，因此調(diào)閥發(fā)生閥桿泄漏影響真空的可能性不大。

對于主汽門，閥桿外端密封填料發(fā)生泄漏，導(dǎo)致空氣經(jīng)閥桿疏汽管漏入凝汽器，將導(dǎo)致真空變差，對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性有較大影響。其原理見圖1。溢流腔室有一路閥桿疏汽管接至凝汽器系統(tǒng)立管A。主蒸汽腔室和溢流腔室之間由一道U形密封環(huán)進(jìn)行密封，大氣側(cè)和溢流腔室之間主要靠閥桿密封填料進(jìn)行密封。閥桿密封填料長期處在高溫環(huán)境下失去彈性、密封效果變差，空氣通過密封填料、閥桿套管、溢流腔室、閥桿疏汽管進(jìn)入系統(tǒng)立管A，影響凝汽器A的真空[1]。1號機(jī)組曾在2016年下半年C級檢修后發(fā)生因高壓主汽門閥桿外密封泄漏導(dǎo)致的真空嚴(yán)密性問題，影響凝汽器A真空降低3 kPa。

1.2 治理方案

依據(jù)不同負(fù)荷主蒸汽壓力變化，主汽門內(nèi)的蒸汽經(jīng)內(nèi)密封漏至腔室的蒸汽參數(shù)≮400℃/≮50 kPa，為了徹底消除主汽門閥桿泄漏影響真空的問題，在分析了該路疏汽管的參數(shù)基礎(chǔ)上，提出以下幾種改造方案：

1）改接入軸封加熱器，因軸封加熱器距離高壓主汽門約80 m，且軸加汽側(cè)本身為微負(fù)壓狀態(tài)，疏水依靠壓差回至凝汽器，如因自動疏水器卡澀造成水封破壞，仍可能導(dǎo)致空氣漏入凝汽器。

2）改接入末級或次末級低加，該方案需在低加汽側(cè)開孔，而低加汽側(cè)壓力隨負(fù)荷波動，可能影響低加水位，工況較復(fù)雜不易判斷。

3）采用調(diào)閥的閥桿漏汽，接入軸封汽溢流管。該方案在水壓試驗(yàn)等特殊工況下，可能導(dǎo)致主汽管疏水進(jìn)入軸封汽系統(tǒng)，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

4）改接入清潔疏水?dāng)U容器，系統(tǒng)布置簡單（距離約25 m），且清潔疏水?dāng)U容器不與凝汽器直接相連，即使發(fā)生空氣漏入，也不會影響真空系統(tǒng)。

綜上考慮，方案4最為適合。1、2號機(jī)組分別在2019年C級檢修中完成該項(xiàng)改造，并保留了原有向系統(tǒng)立管A的疏汽管道。在機(jī)組啟動并穩(wěn)定后，再將疏汽管切換至清潔疏水?dāng)U容器。

2 案例二：中壓缸進(jìn)汽U形密封環(huán)漏汽管法蘭泄漏

從真空嚴(yán)密性跟蹤情況看，近年2號機(jī)的真空系統(tǒng)嚴(yán)密性始終較1號機(jī)略差，自2018年起，2號機(jī)每月例行嚴(yán)密性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處于不合格的邊緣。在1號機(jī)高壓主汽門閥桿密封漏空氣缺陷消除后，2號機(jī)也查出有相同的缺陷。在消除2號機(jī)此漏點(diǎn)后，凝汽器A的真空嚴(yán)密性仍經(jīng)常達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，凝汽器A在高效真空泵運(yùn)行時(shí)的背壓，比大真空泵運(yùn)行時(shí)高0.5 kPa。一般背壓每升高1 kPa，汽耗增加1.5%～2.5%左右，供電煤耗增加2.6 g/kWh。為了維持凝汽器A的真空，啟動大真空泵，每小時(shí)多耗電約72 kW。不僅造成新裝設(shè)備的閑置，而且影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

常規(guī)的真空系統(tǒng)查漏方法有灌水查漏、鹵素查漏、氦氣質(zhì)譜儀查漏等。其中氦氣質(zhì)譜儀查漏法因?yàn)闇?zhǔn)確性高、靈敏度高、反應(yīng)時(shí)間快、機(jī)組運(yùn)行時(shí)可進(jìn)行查漏操作，應(yīng)用較為廣泛。

2.1 常規(guī)泄漏點(diǎn)排查

1）低水位灌水查漏，在機(jī)組每次等級檢修中安排凝汽器汽側(cè)灌水查漏，高度約為8 m，由于灌水高度有限，主要用來對鈦管查漏，同時(shí)可以對與汽側(cè)相連部位，如疏水立管等進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯漏點(diǎn)。

2）軸封汽系統(tǒng)排查。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)提高大小機(jī)軸封汽進(jìn)汽壓力，直到軸封微量冒汽，再查看真空和凝汽器溫度變化情況。將大真空泵切換至高效真空泵2A運(yùn)行，觀察高效真空泵運(yùn)行電流。排除大/小汽輪機(jī)軸封汽系統(tǒng)漏真空的可能。

3）軸加疏水和給泵密封水回水。機(jī)組運(yùn)行時(shí)將軸加疏水和給泵密封水回水由凝汽器切換至大氣，觀察真空和凝汽器溫度變化情況。將大真空泵切換至高效真空泵運(yùn)行，觀察高效真空泵運(yùn)行電流。排除軸加疏水和給泵密封水回水漏真空的可能。

4）抽真空管道。切換三臺大真空泵的運(yùn)行方式，開關(guān)真空泵出口電動隔離門，排除抽真空管道漏真空的可能。

5）使用氦氣質(zhì)譜儀查漏。檢查項(xiàng)目主要是低壓缸中分面、推拉桿、小汽機(jī)汽缸中分面及排汽管路、凝汽器汽側(cè)人孔法蘭、真空破壞閥法蘭及水封，疏水立管負(fù)壓區(qū)域的法蘭接口等。

以上幾處均為常規(guī)檢查項(xiàng)目，檢查結(jié)果僅發(fā)現(xiàn)高壓主汽門閥桿密封處仍然有泄漏現(xiàn)象。

2.2 非常規(guī)泄漏點(diǎn)排查

從高壓主汽門閥桿密封處漏空氣得到啟發(fā)，查閱系統(tǒng)圖并排摸現(xiàn)場疏水疏汽管道。除了原漏點(diǎn)外，分析得出另外三處疏汽管道有漏空氣嫌疑。由于缺少氦氣捉漏設(shè)備，僅在不同負(fù)荷段對兩臺機(jī)組上述管道位置測溫記錄并比對數(shù)據(jù)，測溫查漏數(shù)據(jù)見表1。

表1 測溫查漏數(shù)據(jù)記錄

從數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，兩臺汽輪機(jī)相同部位的疏汽管存在溫差。考慮到1號機(jī)空嚴(yán)數(shù)據(jù)為優(yōu)秀值，所以2號機(jī)的這四處疏汽管道漏空氣可能性比較大。2019年4月，與第三方檢測單位合作，使用氦氣質(zhì)譜儀再次對2號機(jī)真空系統(tǒng)開展查漏，結(jié)果如下：

1）中壓缸進(jìn)汽管U形密封環(huán)漏汽管法蘭（氦質(zhì)譜檢漏儀提示為最大漏點(diǎn)），見圖2。

圖2 中壓缸進(jìn)汽U形密封漏汽管泄漏部位

2）高、中壓主汽門閥桿密封；

3）低壓缸A、低壓缸B前后汽封洼窩結(jié)合面；

4）小汽機(jī)后軸封處手孔門法蘭；

5）小汽機(jī)缸體中分面法蘭；

6）低壓缸安全門防爆膜；

如圖2所示，此次氦氣捉漏最大漏點(diǎn)在中壓缸進(jìn)汽管U形密封疏汽管的法蘭接口處，位置隱蔽難以發(fā)現(xiàn)。在對中壓缸進(jìn)汽U形環(huán)密封漏汽管法蘭緊固后，進(jìn)行真空嚴(yán)密性試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 堵漏前后真空嚴(yán)密性試驗(yàn)結(jié)果

漏點(diǎn)處理前后的數(shù)據(jù)顯示，中壓調(diào)閥A/B處漏點(diǎn)封堵前后的數(shù)據(jù)A側(cè)下降了150 Pa/min，B側(cè)下降了30 Pa/min；其他9處漏點(diǎn)累計(jì)影響A側(cè)下降90 Pa/min、B側(cè)下降120 Pa/min。從空嚴(yán)數(shù)據(jù)也證明，中壓調(diào)閥A/B后U形密封疏汽管的法蘭漏點(diǎn)為最大漏點(diǎn)，也進(jìn)一步驗(yàn)證了前期的測溫分析結(jié)果。在所有堵漏工作結(jié)束后，2號機(jī)組的真空嚴(yán)密性已經(jīng)達(dá)到優(yōu)秀值。

2.3 案例分析

上汽廠超超臨界機(jī)組再熱閥組通過法蘭形式與中壓外缸連接（見圖3），中壓調(diào)門閥座后裝有進(jìn)汽插管，該進(jìn)汽插管位于法蘭連接段的內(nèi)部，通過L形密封環(huán)與內(nèi)缸密封，L形環(huán)內(nèi)側(cè)為中壓缸進(jìn)汽，外側(cè)為內(nèi)、外缸夾層蒸汽。在調(diào)門與中壓外缸法蘭則采用金屬U形環(huán)作為密封部件，并設(shè)置（蒸汽泄漏）疏水口和疏水管路，接至凝汽器A汽側(cè)。安裝時(shí)U形環(huán)被預(yù)壓緊在軸向密封上，將內(nèi)、外側(cè)腔室隔開[2]。機(jī)組啟動后，U形環(huán)內(nèi)、外部的壓差使其沿軸向膨脹，貼緊兩側(cè)的結(jié)合面，更好地起到密封作用，由于中壓內(nèi)、外缸夾層正常運(yùn)行時(shí)處于正壓狀態(tài)，不會導(dǎo)致漏真空的情況，因此容易在查漏時(shí)被忽略。而中壓調(diào)閥A/B后U形密封處的漏汽管道，其連接方式為法蘭連接，此次查出的最大泄漏點(diǎn)在該漏汽管接口法蘭。

圖3 中壓缸進(jìn)汽管及密封結(jié)構(gòu)示意圖[3]

3 案例三：鍋爐擴(kuò)容器疏水管道空氣帶入

由于羅茨真空泵無內(nèi)壓縮的工作特性，當(dāng)汽輪機(jī)真空系統(tǒng)嚴(yán)密性不佳，羅茨泵吸入的氣體中未凝結(jié)氣體含量增加時(shí)，會導(dǎo)致羅茨泵大幅增加功耗，表現(xiàn)為羅茨泵電流明顯上升，利用這一特性，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)真空系統(tǒng)是否漏入過量不凝結(jié)氣體而導(dǎo)致真空嚴(yán)密性下降。2019年12月，1號機(jī)進(jìn)行真空嚴(yán)密性試驗(yàn)時(shí)，凝汽器B側(cè)不合格（A:210 Pa/min、B:400 Pa/min），且高效真空泵B羅茨泵電流最高36 A，背壓和排汽溫度均明顯上升，需啟動大真空泵進(jìn)行維持。在排查試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鍋爐疏水?dāng)U容器至凝汽器疏水管路有漏空氣現(xiàn)象，就地排查管道外漏點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)擴(kuò)疏泵至凝汽器疏水總門前放水閥門內(nèi)漏，采取在放水門后法蘭加裝堵板的臨時(shí)措施后，觀察羅茨泵B電流仍然在30 A左右。再次排摸現(xiàn)場并未發(fā)現(xiàn)其他疑似漏點(diǎn)。調(diào)閱相關(guān)參數(shù)曲線，發(fā)現(xiàn)在循泵啟停操作時(shí)羅茨泵B電流有晃動的現(xiàn)象。

擴(kuò)疏泵出口排放分為兩路：一路經(jīng)“凝排總門→凝排調(diào)門→凝排門（A/B）”回收至凝汽器，另一路經(jīng)循排門及逆止門排放至循環(huán)水排水母管。現(xiàn)場手摸循排門前管道溫度冰冷，門后管道溫?zé)帷岩裳砰T閥芯內(nèi)漏及逆止門關(guān)閉不嚴(yán)，循環(huán)水排水母管內(nèi)積聚的空氣經(jīng)過連通的管道吸入凝汽器B。如圖4所示，紅色箭頭表示循環(huán)水排水母管中積聚的空氣經(jīng)擴(kuò)疏泵疏水管道漏入凝汽器的路徑。在手動關(guān)閉循排門后，羅茨泵B電流從24 A下降到13 A，聯(lián)系檢修人員至現(xiàn)場確認(rèn)后手動關(guān)緊閥門，電流下降至11A。缺陷排除后1號機(jī)真空嚴(yán)密性合格，數(shù)據(jù)為A:180 Pa/min、B:130 Pa/min。

圖4 循環(huán)水管中空氣經(jīng)疏水管道漏入凝汽器路徑示意圖

4 治理效果分析

4.1 歷史數(shù)據(jù)分析

1）與歷史數(shù)據(jù)（表3）比較，2019年4月份2號機(jī)真空嚴(yán)密性達(dá)到投產(chǎn)以來最佳值，真空度為歷年來最高值。

表3 2號機(jī)真空系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)

2）與機(jī)組負(fù)荷率接近的2014、2016年同期比較，2019年4月份真空度均更高。

3）中壓缸進(jìn)汽管U形密封環(huán)疏汽管接口泄漏問題解決后，真空系統(tǒng)嚴(yán)密性保持良好，4月份120/120 Pa/min，5月份120/160 Pa/min。

4）900 MW以下時(shí)高效真空泵運(yùn)行和大真空泵運(yùn)行效果基本相同，900 MW負(fù)荷以上時(shí)高效真空泵組2B出力略有不足。對此將繼續(xù)跟蹤分析，2號機(jī)高效泵組在夏季工況的運(yùn)行情況有待驗(yàn)證。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)報(bào)表數(shù)據(jù)（表4）顯示，同比4月份，同樣是單機(jī)運(yùn)行，2019年4月平均負(fù)荷下降7.05%，循環(huán)水溫度高0.48℃，但是凝汽器真空度上升0.64%，供電煤耗同比下降1.71 g/kWh。漏點(diǎn)消除后，真空泵切換至小功率的高效真空泵A，能夠正常維持真空，每小時(shí)節(jié)電約72 kW。

表4 2號機(jī)真空嚴(yán)密性試驗(yàn)和供電煤耗數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

汽輪機(jī)的真空嚴(yán)密性是關(guān)系到汽輪機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)，上汽-西門子型超超臨界汽輪機(jī)獨(dú)特的高、中壓缸進(jìn)汽結(jié)構(gòu)以及低壓缸支撐方式，即使采用高水位查漏也無法涵蓋案例中的這些泄漏點(diǎn)，且因較多潛在漏點(diǎn)在正常運(yùn)行中為正壓區(qū)域，極易被忽視。需要技術(shù)人員不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)持對真空嚴(yán)密性長期跟蹤和管理。經(jīng)治理后，兩臺機(jī)組真空嚴(yán)密性均保持了較好水平，均達(dá)到了《全國火電燃煤大機(jī)組競賽評比技術(shù)方案》的最高標(biāo)準(zhǔn)。