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)電機組，汽輪機由上海汽輪機廠引進西門子技術設計制造的單軸、純凝濕冷、雙背壓、一次再熱、四缸四排汽反動式汽輪機，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，兩臺運行一臺備用。后期技改每臺機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）組成串連方式運行。由于上汽-西門子系列汽輪機低壓外缸采用了與凝汽器剛性連接并支撐的獨特結(jié)構(gòu)，凝汽器在高水位灌水狀態(tài)下的承重狀態(tài)缺乏明確的計算依據(jù)，國內(nèi)同類型機組采用高水位灌水進行查漏的經(jīng)驗不多。該廠在對兩臺機組的真空系統(tǒng)嚴密性開展長期治理工作中，總結(jié)該型機組和系統(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，在汽門設計上具有以下特點：高中壓聯(lián)合汽門設計、大型罩螺母連接、無導汽管、螺紋環(huán)緊固、U形環(huán)密封等。這些特點使汽門具有結(jié)構(gòu)緊湊、損失小、附加推力小等優(yōu)點。近年來，隨著該類型機組投產(chǎn)運行時間增加，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致真空系統(tǒng)泄漏幾乎是一項通病，其泄漏量影響真空系統(tǒng)嚴密性普遍達到30～100 Pa/min，如能有效解決該問題，將可使真空嚴密性這一經(jīng)濟性指標獲得極大提升。根據(jù)制造廠閥桿疏（漏）汽系統(tǒng)設計，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。機組正常運行時調(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，導致空氣經(jīng)閥桿疏汽管漏入凝汽器，將導致真空變差，對機組經(jīng)濟性有較大影響。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)進行密封，大氣側(cè)和溢流腔室之間主要靠閥桿密封填料進行密封。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、閥桿疏汽管進入系統(tǒng)立管A，影響凝汽器A的真空[1]。1號機組曾在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致的真空嚴密性問題，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)壓力隨負荷波動，可能影響低加水位，工況較復雜不易判斷。

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

4）改接入清潔疏水擴容器，系統(tǒng)布置簡單（距離約25 m），且清潔疏水擴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號機組分別在2019年C級檢修中完成該項改造，并保留了原有向系統(tǒng)立管A的疏汽管道。在機組啟動并穩(wěn)定后，再將疏汽管切換至清潔疏水擴容器。

2 案例二：中壓缸進汽U形密封環(huán)漏汽管法蘭泄漏

從真空嚴密性跟蹤情況看，近年2號機的真空系統(tǒng)嚴密性始終較1號機略差，自2018年起，2號機每月例行嚴密性試驗的數(shù)據(jù)處于不合格的邊緣。在1號機高壓主汽門閥桿密封漏空氣缺陷消除后，2號機也查出有相同的缺陷。在消除2號機此漏點后，凝汽器A的真空嚴密性仍經(jīng)常達不到標準。試驗數(shù)據(jù)顯示，凝汽器A在高效真空泵運行時的背壓，比大真空泵運行時高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，每小時多耗電約72 kW。不僅造成新裝設備的閑置，而且影響機組經(jīng)濟性。

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)譜儀查漏法因為準確性高、靈敏度高、反應時間快、機組運行時可進行查漏操作，應用較為廣泛。

2.1 常規(guī)泄漏點排查

1）低水位灌水查漏，在機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，同時可以對與汽側(cè)相連部位，如疏水立管等進行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯漏點。

2）軸封汽系統(tǒng)排查。在機組運行時提高大小機軸封汽進汽壓力，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運行，觀察高效真空泵運行電流。排除大/小汽輪機軸封汽系統(tǒng)漏真空的可能。

3）軸加疏水和給泵密封水回水。機組運行時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行，觀察高效真空泵運行電流。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行方式，開關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。檢查項目主要是低壓缸中分面、推拉桿、小汽機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，疏水立管負壓區(qū)域的法蘭接口等。

以上幾處均為常規(guī)檢查項目，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備，僅在不同負荷段對兩臺機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)，兩臺汽輪機相同部位的疏汽管存在溫差。考慮到1號機空嚴數(shù)據(jù)為優(yōu)秀值，所以2號機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號機真空系統(tǒng)開展查漏，結(jié)果如下：

1）中壓缸進汽管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），見圖2。

圖2 中壓缸進汽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）小汽機后軸封處手孔門法蘭；

5）小汽機缸體中分面法蘭；

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在中壓缸進汽管U形密封疏汽管的法蘭接口處，位置隱蔽難以發(fā)現(xiàn)。在對中壓缸進汽U形環(huán)密封漏汽管法蘭緊固后，進行真空嚴密性試驗，結(jié)果見表2。

表2 堵漏前后真空嚴密性試驗結(jié)果

漏點處理前后的數(shù)據(jù)顯示，中壓調(diào)閥A/B處漏點封堵前后的數(shù)據(jù)A側(cè)下降了150 Pa/min，B側(cè)下降了30 Pa/min；其他9處漏點累計影響A側(cè)下降90 Pa/min、B側(cè)下降120 Pa/min。從空嚴數(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為最大漏點，也進一步驗證了前期的測溫分析結(jié)果。在所有堵漏工作結(jié)束后，2號機組的真空嚴密性已經(jīng)達到優(yōu)秀值。

2.3 案例分析

上汽廠超超臨界機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)門閥座后裝有進汽插管，該進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U形環(huán)被預壓緊在軸向密封上，將內(nèi)、外側(cè)腔室隔開[2]。機組啟動后，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)、外缸夾層正常運行時處于正壓狀態(tài)，不會導致漏真空的情況，因此容易在查漏時被忽略。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在該漏汽管接口法蘭。

圖3 中壓缸進汽管及密封結(jié)構(gòu)示意圖[3]

3 案例三：鍋爐擴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，當汽輪機真空系統(tǒng)嚴密性不佳，羅茨泵吸入的氣體中未凝結(jié)氣體含量增加時，會導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，可以及時發(fā)現(xiàn)真空系統(tǒng)是否漏入過量不凝結(jié)氣體而導致真空嚴密性下降。2019年12月，1號機進行真空嚴密性試驗時，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，需啟動大真空泵進行維持。在排查試驗中發(fā)現(xiàn)鍋爐疏水擴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時發(fā)現(xiàn)擴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。調(diào)閱相關參數(shù)曲線，發(fā)現(xiàn)在循泵啟停操作時羅茨泵B電流有晃動的現(xiàn)象。

擴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?，F(xiàn)場手摸循排門前管道溫度冰冷，門后管道溫熱。懷疑循排門閥芯內(nèi)漏及逆止門關閉不嚴，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)擴疏泵疏水管道漏入凝汽器的路徑。在手動關閉循排門后，羅茨泵B電流從24 A下降到13 A，聯(lián)系檢修人員至現(xiàn)場確認后手動關緊閥門，電流下降至11A。缺陷排除后1號機真空嚴密性合格，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號機真空嚴密性達到投產(chǎn)以來最佳值，真空度為歷年來最高值。

表3 2號機真空系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)

2）與機組負荷率接近的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以下時高效真空泵運行和大真空泵運行效果基本相同，900 MW負荷以上時高效真空泵組2B出力略有不足。對此將繼續(xù)跟蹤分析，2號機高效泵組在夏季工況的運行情況有待驗證。

4.2 經(jīng)濟性分析

根據(jù)報表數(shù)據(jù)（表4）顯示，同比4月份，同樣是單機運行，2019年4月平均負荷下降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，每小時節(jié)電約72 kW。

表4 2號機真空嚴密性試驗和供電煤耗數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

汽輪機的真空嚴密性是關系到汽輪機安全、經(jīng)濟運行的一項重要指標，上汽-西門子型超超臨界汽輪機獨特的高、中壓缸進汽結(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，且因較多潛在漏點在正常運行中為正壓區(qū)域，極易被忽視。需要技術人員不斷總結(jié)經(jīng)驗，堅持對真空嚴密性長期跟蹤和管理。經(jīng)治理后，兩臺機組真空嚴密性均保持了較好水平，均達到了《全國火電燃煤大機組競賽評比技術方案》的最高標準。