作者：吴立民 河北省电力研究院
根据多年火电机组真空泄漏检测经验，分析大型空冷机组真空泄漏产生的原因，通过研究氦质谱检测技术和超声波检测技术，归纳总结出大型空冷机组真空泄漏诊断技术，并在大型空冷机组应用，消除真空系统泄漏，确保大型空冷机组安全经济运行，同时提出防止真空系统泄漏应该采取的措施。
随着我国电力工业的快速发展，直接空冷机组在缺水地区得到广泛应用，单机容量主要以600 MW 为主。直接空冷机组除具有湿冷机组原有的真空容积如低压缸本体、轴封系统、低压加热器、疏水扩容器等，又增加了排汽装置、排汽管道、庞大的空冷凝汽器及其相关联管道，使其构成的真空容积与同容量湿冷机组相比大5~6 倍。
汽轮机真空度是决定汽轮机经济运行的主要指标，而真空系统严密性是影响汽轮机真空的主要因素之一;在国家大力倡导工业节能减排前提下，节能减排已得到各电力公司及电站重视，其中提高运行机组真空度和保证真空严密性的工作已是提高机组循环效率和降低机组热耗率的一个主要手段。汽轮机组的真空系统由抽真空系统和密封蒸汽系统两部分组成，其作用就是用来建立汽轮机组凝汽器的真空，使蒸汽能够最大限度的把热能转变为机械能。因此要确保凝汽器内具有良好的真空，首先需要保证抽真空系统性能良好，另一个条件就是确保热力系统中负压系统的严密性。真空严密性下降，汽轮机的真空下降，会对运行机组造成的不利影响，一是其真空下降，机组效率下降;二是空气漏入凝结水中会使凝结水溶氧升高，腐蚀汽轮机、锅炉设备，影响机组的安全运行;三是机组在寒冷季节运行时，当环境温度低于+2℃时将导致凝结水结冰，使空冷换热管束损坏，加速空冷系统的空气漏入。目前国内许多机组都存在由于真空值低造成机组热耗高，机组效率偏低的问题，因此，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为解决机组真空系统存在的问题对提高机组经济性和安全性具有重要意义[1]。
1.1、真空泄漏危害
大型空冷机组的空冷系统由于真空容积比湿冷机组大5～6 倍，当系统中的不凝结气体增多，会使排汽压力和温度升高，降低机组经济性，排汽温度升高会使低压缸变形，造成机组振动，甚至使机组减负荷或停机。其次，根据道尔顿定律，漏入空气造成空气分压力增大，致使凝结水含氧量增加，加剧管道腐蚀，增加除氧器负担，影响机组安全运行。此外，空气积聚在空冷系统内部，将导致蒸汽汽流被不凝结气体阻塞，使蒸汽不能畅通的流动，不凝结气体在此过程中形成空气障，降低空冷散热片的传热系数，使凝结水温度偏低，传热端差增大，真空下降;排汽压力升高还使空冷风机转速调整幅度增大，形成蒸汽扰动加大，恶性循环导致排汽压力突升，保护动作停机[2]。
1.2、真空泄漏原因
(1) 制造方面由于主机及空冷设备质量问题，在管道、阀门、联箱、膨胀节等方面存在不严密。
(2) 由于工期短、进度快、人员短缺、技术力量薄弱等原因，导致安装质量、工艺粗糙，造成系统不严密。
(3) 在机组投产运行过程中，空冷系统受环境影响较大，如果运行中诸如主汽参数、排汽参数调整不当，将导致负压系统设备出现漏入空气现象。例如，在冬季低气温下，空冷岛要降低风机转速，甚至采取冬季防冻回暖控制，否则将使空冷散热器管束、焊口等设备冻裂，造成空气漏入。
(4) 汽轮机低压轴端漏入空气，由于低压缸轴封处于真空部位，因此低压轴封间隙和工作压力正常与否对真空有着重要影响。
(5) 机组在启停调峰过程中，与疏水扩容器连接的疏水管路焊口受交变热应力影响，导致焊口开焊或产生裂纹。
(6) 低压缸结合面处泄漏，由于低压外缸庞大，刚性差，容易变形，在机组启停过程中会产生相当大的交变应力，在应力的作用下，随运行时间的增加，其变形会逐渐增大，造成结合面漏入空气。
(7) 负压部位管道疏水放地沟阀门没有关严或内漏，造成空气漏入;此外，一些水封阀门水封断水，造成空气从阀杆漏入，影响真空。
2.1、真空泄漏诊断新技术
大型空冷机组真空系统庞大，设备管道纵横交错，焊口、法兰和阀门数目多，真空区域大，均有可能漏入空气。运行机组受热膨胀不均，阀门操作频繁，易引起泄漏。因此，用常规的检漏方法已不能满足要求，必须采用检漏新设备、新技术。
2.1.1、氦质谱检漏技术
2.1.1.1、氦质谱检漏仪原理
氦质谱检漏仪主要由质谱室、真空系统组件和电子学控制元件三大部分组成。质谱室接在分子泵的高真空端，入口接在分子泵和机械泵之间，利用分子泵对不同气体具有不同压缩比的特点，氦气逆着分子泵的抽气方向进入质谱室，在质谱室中将气体电离，利用不同荷质比的气体具有不同电磁学特性的原理，带正电的氦离子允许到达氦检漏仪的收集板，单位时间到达收集板的氦离子对应于一个电流信号，这个电流信号正比于进入到达收集板氦离子的数量，电流信号显示在质谱仪的显示面板上，反映了漏点泄漏的程度。
2.1.1.2、氦质谱检漏仪的特点
氦质谱检漏技术及设备是真空检漏领域中最先进的技术和设备，它以氦气作为示踪气体，该气体具有无毒无污染，穿透能力强，空气中含量低，对测量影响小，化学性质稳定，吸附能力低，对测量本底影响小，可以进行不停机检漏、检漏速度快，从喷氦气至检漏仪反应的时间约需3 s~10 s等优点(见图1)。
图1 氦质谱检漏仪和除湿装置
氦质谱真空系统检漏一般有两种方法，即真空法和吸枪法，我们采用真空法。现场测试时，先把真空泵前的真空表拆下，接上检漏仪的连接管路，开启检漏仪，然后调节调节阀，调整测试口的压强，最后进行漏点漏率的测试。在大型空冷机组真空系统检漏中，由于真空系统管路水蒸气含量较高，造成真空检漏仪进水，检漏仪真空泵工作润滑油乳化，检漏仪管路和泵体辅件锈蚀结垢，降低了真空检漏仪的使用寿命，检漏仪的异常故障多次发生，增加了检漏仪的维护费用。通过多年的真空系统的检漏试验，总结了真空检漏仪异常工作的经验，摸索研究制作了“不锈钢真空除湿装置”，该装置原理主要利用真空干燥法，并利用一次、二次干燥介质作为辅助除湿(见图2)。
图2 不锈钢真空除湿装置
2.1.2、超声波检测技术
2.1.2.1、超声波检测仪原理
一个系统中存在泄漏，无论内部压强大于外部压强(压力系统)，还是外部压强大于内部压强(真空系统)，气体就会穿过漏孔形成湍流，当漏孔很小时，湍流在漏孔附近产生频率大于20 kHz的超声波，超声波检漏仪使用独特外差法将微弱信号准确地转换成音频信号，通过频率调谐耳机听到泄漏声音，指针上看到泄漏的强度大小，同时减少背景噪音的干扰，选择实时响应调整和平均响应调整准确定位泄漏部位，便于故障分析。
2.1.1.2、超声波检测仪的特点
超声波检测仪在预防性维护，故障诊断，泄漏检测中起到重要作用。使用超声波技术的优点是超声波是不被人耳所直接听见的高频短波信号，具有方向性，很容易阻隔或遮蔽，能使用于噪音环境，具有极强的抗干扰能力，超声波检测仪操作简便，通过超声波检测仪可以完全分析到异常声音。给常规超声波检测仪配备高精度集波器，该集波器可以加倍探测距离并且可以高度定向、精确定位散射在远距离的微弱信号并增加其灵敏度，减少大面积的背景噪声，在大型空冷机组空冷岛远距离真空系统检测中，能精确定位100 m的微弱信号源，同时探测精确度达到1 度以内(见图3)。
图3 超声波检测仪和高精度集波器
2.2、真空泄漏诊断新技术应用
我们将氦质谱检测技术和超声波检测技术有机结合，通过测试分析大型空冷机组空冷岛系统泄漏相关的超声状态信息参数和主辅设备系统泄漏相关的示踪气体状态信息参数，研究超声诊断技术、远距离检测技术，示踪气体检测技术，归纳总结了大型空冷机组真空泄漏诊断技术，消除大型空冷机组真空系统存在泄漏，提高机组真空，保证大型空冷机组安全经济运行。通过将真空泄漏诊断技术在大型空冷机组应用，我们归纳出机组真空系统主要的泄漏部位(见图4~9)：
(1) 低压缸本体：缸体防爆门不严密，低压缸汽封套、低压缸的试验测点、低压缸两端轴封;
(2) 排汽装置连接部位;
(3) 空冷系统排汽管道(排汽装置)及安全阀;
(4) 散热器冷却管束;
(5) 蒸汽分配管及隔断阀;
(6) 抽真空系统、疏水系统、凝结水系统、回热系统。
图4 小汽机低压缸防爆门 图5 低压缸防爆门 图6 小汽机高低压结合部 图7 低压缸加重手孔 图8 低压缸和汽封套结合部 图9 空冷岛冷却分配管
3.1、制造厂质量监督
在真空系统各个部件出厂前，应进行检验、测试。例如：空冷散热器片在出厂前，应对其内部进行充气打压，并在水中浸泡一定时间检查其泄漏情况。
3.2、安装质量监督
由于空冷系统排汽管道庞大、蒸汽分配管连接系统复杂、管线较长。散热器联箱焊口多，与散热器片连接范围较广，冷热交变工况复杂。因此，特别重视在焊接、支吊架、膨胀节、支撑等方面安装质量监督，整体安装结束后要进行空冷系统气密性试验。
3.3、检修质量监督
为了保证大修结束机组启动后真空严密性达到合格标准，检修质量至关重要，应重点对真空系统所有人孔法兰垫更换，低压缸的防爆门、小汽机防爆门加装爆破法兰堵板;经常参与调整的疏水阀门门体门口检查研磨;检查真空泵入口气动阀和逆止阀严密性;在空冷排汽管上加装堵板，对空冷岛管束进行正压查漏，泄漏率达到合格标准。
3.4、运行日常管理
(1) 坚持定期进行机组真空严密性试验，掌握真空系统严密性的变化。发现真空严密性明显下降，及时分析原因，运行无法调整恢复正常时，及时组织专业人员查漏，堵漏。
(2) 加强对凝结器进、出口水温、端差、真空、过冷度等运行参数的综合分析，及时发现影响机组真空的主要原因，制定处理措施。
(3) 根据负荷变化及时调整运行相关参数，如轴封压力、加热器水位等参数，以便相关运行参数在合理的范围内，防止机组热力系统漏入空气。
3.5、汽封系统改进
低压缸轴端汽封泄漏造成机组油中进水或汽缸温差大、真空泄漏等运行的安全隐患，降低了机组运行的经济性。目前新型接触式汽封能够直接与转轴接触，达到无间隙运行，最大限度地减少了空气漏入，全面地起到阻流作用，它具有精确的限位装置，自动跟踪转轴偏摆及晃动，采用具有自润滑性的特种复合材料，耐高温，耐腐蚀，在运行中不损伤转轴，不引起转轴振动，解决了汽轮机的高、中压和低压缸漏汽和漏入空气问题，提高了汽轮机的工作效率[3]。
3.6、保持空冷凝汽器管束清洁
定期进行空冷凝汽器翅片高压水冲洗，不仅提高了空冷凝汽器换热性能，提高了机组真空，避免空冷凝汽器管束脏污，导致管壁换热不均造成局部温度过高变形，长期汽液两相流冲刷出现裂纹等现象。
3.7、注意缸体的结合部位
低压缸前后汽封处缸体水平结合部位，由于此处运行中易发生汽封漏汽，造成缸体结合部位变形，同时也造成与之相连低压缸汽封套端面变形，发生真空泄漏现象，对低压缸结合部位进行开槽，镶嵌高温密封胶条，对低压缸汽封套端面进行清扫并涂抹耐高温的密封胶。
3.8、消除阀门的泄漏
对于频繁参与疏水调整的一些阀门，为避免阀门严重冲刷，更换门口为硬质合金钢材质的阀门，消除阀门的泄漏现象。
3.9、汽封管路改进
低压缸前、后轴端汽封供汽压力不一致，造成低压缸前后轴端汽封一端冒汽一端漏真空，针对上述情况，改进低压缸前、后轴端汽封供汽管路，保证压力分配合理;改进轴封漏汽至轴封加热器管路，满足轴加风机的抽汽能力;将低压缸前、后轴端汽封由单周进汽改为全周进汽，可使轴端汽封受力均匀，密封性良好。改进低压缸轴封供汽减温水调整门，满足低压缸轴封供汽温度的调整要求，防止供汽温度过高造成汽封套变形。
(1) 空冷机组真空容积与同容量湿冷机组相比大5~6 倍，目前电厂在真空系统检漏方面通常采取冷态主机真空系统灌水和空冷系统打风压等方法，但是高位灌水给排汽装置、低压缸和排汽管道等部件增加负荷，支撑加固不合理，容易造成低压缸、排汽装置和排汽管道等连接部件的断裂损坏，而打风压检查空冷系统在安装阶段可以分段检查，但机组投入正常运行后，带来一定困难。
(2) 我们将氦质谱检测技术和超声波检测技术有机结合，在机组运行状态下通过大量大型空冷机组现场试验，对检测方法进行论证，归纳总结了大型空冷机组真空系统泄漏诊断技术，并在大型空冷机组应用，消除了真空系统泄漏，空冷机组真空严密性达到合格标准，提高大型空冷机组的真空，为大型空冷机组安全经济运行提供保障。
(3) 汽轮机真空系统严密性问题涉及许多方面，必须加强制造、安装和检修质量监督，运行中做好参数的变化分析和及时调整工作，对影响机组真空的有关系统进行合理的改进，对经常发生泄漏的薄弱部位采取有效的堵漏措施，提高机组运行的经济性和安全性。
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