余熱汽輪機真空嚴密性不合格原因分析及應對

王勝輝

（中天合創(chuàng)能源有限責任公司化工分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

汽輪機的真空嚴密性是指汽輪發(fā)電機組真空系統(tǒng)在抽真空系統(tǒng)停止運行后真空下降的速度，通過單位時間內真空度的降低（背壓升高）來判斷真空系統(tǒng)與外界隔離是否嚴密，是表征汽輪機負壓側密封嚴密性的指標[1]。

汽輪機真空嚴密性是凝汽器工作性能的重要指標，是影響汽輪機經濟運行的主要因素之一。嚴密性下降會造成汽輪機低壓缸排汽溫度上升，熱力系統(tǒng)循環(huán)效率降低。凝汽器真空度每下降1 kPa，發(fā)電功率降低1%?？諝膺M入凝汽器也會導致凝結水含氧量升高，并腐蝕汽輪機及輔機設備[2]。中天合創(chuàng)能源有限責任公司化工分公司（簡稱中天合創(chuàng)化工分公司）余熱汽輪機在運行過程中出現了真空嚴密性不合格的情況，本文分析了真空嚴密性不合格的原因，并給出了應對措施，可為余熱汽輪發(fā)電機組、煤化工企業(yè)工業(yè)用拖曳凝汽式汽輪機提供實際借鑒意義。

1 余熱汽輪機設備簡介及蒸汽流程

中天合創(chuàng)化工分公司余熱汽輪機由東方電氣集團東方汽輪機有限公司制造，型號N15-1.3/285，為中低壓、單軸、純凝式（間接水冷）汽輪機。額定工況為進汽壓力1.3 MPa、進汽溫度285 ℃、進汽流量80 t/h、功率15 MW、排汽壓力7.0 kPa～11.5 kPa。配置有2 臺水環(huán)式真空泵，型號為2BW4153-0EK4-0Y1450，吸氣量4.25 m3/min～10.00 m3/min，額定工作電流35.3 A。凝汽器型號為N-2000，汽側滿容積90 m3，正常運行時汽側真空容積為50 m3。該余熱汽輪機于2020 年7 月批復，2021 年3 月動工建設，2022 年6 月10 日完成項目中交，7 月1 日機組并網發(fā)電，7 月8 日機組72 h+24 h 滿負荷試運完成，投入正式生產運行。

中天合創(chuàng)化工分公司在全廠滿負荷運行工況下，部分工藝生產裝置實際蒸汽副產量、消耗量與設計值偏差較大，即副產較多、消耗較少，導致全廠蒸汽管網存在一定量的不平衡，全廠夏季正常工況下有80 t/h～100 t/h 的中低壓蒸汽（1.3 MPa、285 ℃）放空，造成大量能源浪費。余熱汽輪機蒸汽流程示意圖見圖1。

圖1 余熱汽輪機蒸汽流程示意圖

余熱汽輪機從全廠中低壓蒸汽管網引汽（中低壓蒸汽主要由甲醇部凈化裝置產出，共計4 個系列，額定負荷運行時可產中低壓蒸汽約760 t/h），在回收多余放空中低壓蒸汽的同時，將放空蒸汽熱能轉換為電能，供全廠使用。

2 汽輪機真空嚴密性試驗

DL/T 932—2019《凝汽器與真空系統(tǒng)運行維護導則》規(guī)定：當汽輪發(fā)電機組容量＜100 MW 時，真空嚴密性（真空下降速度）應≤400 Pa/min[3]。根據東方電氣集團東方汽輪機有限公司N-2000 型凝汽器說明書：在進行真空嚴密性試驗時，當真空下降速度＜130 Pa/min 時為優(yōu)、130 Pa/min～270 Pa/min 時為良、270 Pa/min～400 Pa/min 時為合格，＞670 Pa/min 時應停機查找原因，待故障消除后再啟動。

2022 年余熱汽輪機真空嚴密性試驗見表1。自2022 年7 月1 日運行以來，在15 MW 額定負荷運行時，凝汽器真空值一直維持在較好水平（-82 kPa～-80 kPa），機組各狀態(tài)參數正常，凝汽器換熱端差為5 ℃～7 ℃，真空嚴密性試驗結果為優(yōu)秀。自7 月28 日開始，在凝汽器循環(huán)水進口溫度穩(wěn)定在28℃左右時，真空值由-80kPa緩慢上升至-75 kPa，凝汽器換熱端差也緩慢升高至10 ℃左右。8 月2 日、8 月3 日，機組真空嚴密性試驗結果均為不合格。8 月15 日，機組真空下降速度＞670 Pa/min，按照廠家說明書應停機消缺查漏，且在循環(huán)水溫度、流速不變的情況下，凝汽器換熱性能嚴重下降。8 月18 日，在電負荷13.5 MW 時，凝汽器真空值持續(xù)上升至-70 kPa，凝汽器換熱端差最高達23 ℃，機組被迫再啟動1 臺真空泵來確保真空值的穩(wěn)定?？紤]由于真空嚴密性不合格導致了真空值上升。

表1 余熱汽輪機真空嚴密性試驗

3 真空嚴密性不合格原因分析

8 月2 日—8 月3 日，余熱汽輪機停機消缺24 h，期間對可能導致機組真空嚴密性不合格的原因進行了逐一排查。

3.1 真空破壞門泄漏排查

用氣球將真空排汽口包裹收緊，并在收緊口處涂抹黃油。發(fā)現氣球無內陷，可排除真空破壞門泄漏。

3.2 排汽缸結合面及爆破片泄漏排查

將黃油均勻厚實涂抹至排汽缸法蘭結合面及爆破片結合面處，經8 h 觀察，發(fā)現機組真空度無變化，可排除此原因。

3.3 機組多級水封失效排查

機組軸封加熱器多級水封示意圖見圖2。機組軸封加熱器通過多級水封將疏水回收至凝汽器，開機初期曾多次出現因多級水封失效導致凝汽器真空值突升的情況。機組停機過程中，在保證軸封加熱器液位不變的情況下，開啟多級水封持續(xù)補水至液位充滿，確保水封效果。機組真空值在試驗前后均為-73 kPa，無明顯變化，表明多級水封效果優(yōu)良，無空氣經此漏入。

圖2 機組軸封加熱器多級水封示意圖

3.4 凝汽器汽側其他設備泄漏排查

在機組停運以后，對凝汽器進行灌水試驗（凝汽器水側循環(huán)水排凈），按照凝汽器說明書規(guī)定，在凝汽器汽側注水至凝汽器喉部上方約300 mm，灌水高度覆蓋范圍包括機組本體疏水管線、疏水擴容器、多級水封、抽真空手動隔離閥前管段、熱井底部放水管、凝泵空氣管等，在液位穩(wěn)定1 h 后進行查漏，期間凝汽器液位未下降，故可排除上述汽側管線、閥門、設備對機組真空嚴密性的影響。

3.5 機組軸端泄漏排查

余熱汽輪機采用自密封系統(tǒng)，在機組啟動或低負荷運行階段，汽封供汽由中低壓蒸汽提供。在機組正常運行時，高壓端汽封漏汽至均壓箱，經噴水減溫后由低壓端汽封供汽，多余蒸汽經溢流站溢流至凝汽器。在機組停運以后，軸封壓力均調整至最大值，機頭、機尾軸封間隙處均可見少量白色蒸汽外泄，表明沒有空氣從機組軸端漏入。

3.6 抽真空系統(tǒng)泄漏排查

DL/T 932—2019《凝汽器與真空系統(tǒng)運行維護導則》規(guī)定：在進行余熱機組真空嚴密性試驗時，可關閉凝汽器左右側抽真空管線手動隔離閥進行試驗計時（該閥門前管段距凝汽器殼體長度不足1 m，不存在泄漏），該方法可排除抽真空管道存在泄漏點對凝汽器真空度的影響。

在進行嚴密性試驗時，發(fā)現凝汽器真空值在90 s內從-74 kPa 上升至-70 kPa，嚴密性試驗被迫中斷，可見機組抽真空管道泄漏不是導致機組嚴密性不合格的原因。

3.7 其他原因排查

3.7.1 凝汽器漏入空氣量分析

凝汽器漏入空氣量可根據公式（1）[3]計算。

式中：Ga為冷凝器漏入空氣量，kg/h；V 為處于真空狀態(tài)下的設備容積，50 m3；ΔP 為試驗時的真空下降量，kPa；Δt 為試驗時長，min。

由式（1）可得：當真空下降速度為680 Pa/min時，凝汽器漏入空氣量為56.3 kg/h，換算成體積流量為43.6 m3/h（參考空氣密度1.29 kg/m3）。

3.7.2 真空泵出力分析

根據設備銘牌可知：單臺真空泵吸氣量為4.25 m3/min～10.00 m3/min，該值遠大于凝汽器嚴密性不合格時的空氣漏入量；鑒于2 臺真空泵同時運行時凝汽器真空值僅能維持在-70 kPa，可以基本判斷真空嚴密性不合格并非機組負壓側漏入空氣所致。

3.7.3 其他原因分析

同樣工況下，在真空嚴密性不合格前后這段時間內，機組進汽流量較之前增加了9 t/h～10 t/h，真空泵工作電流增加了約3 A，考慮機組來汽汽源內有大量非空氣類的不凝氣體混入。

8 月24 日余熱汽輪機正常運行后，汽機廠房東側（真空泵排汽口處）開始出現具有刺激性的臭雞蛋氣味，在真空泵排汽口處測得排汽中CO 體積分數為200×10-6、H2S 體積分數為17×10-6，均超過規(guī)定上限值，并測得凝結水pH 值為6.2，遠低于開車初期的8.7。據此推斷：凝汽器真空嚴密性不合格是由于機組來汽中含有大量CO、H2S 及其他酸性氣體組成的不凝結氣體。

3.7.4 原因確認

由于余熱汽輪機汽源為凈化裝置廢熱鍋爐產汽，一旦廢熱鍋爐出現泄漏，大量含有CO、CO2、H2、H2S 的合成氣將進入中低壓蒸汽管網（合成氣壓力5.3 MPa左右）。為進一步分析凈化裝置廢熱鍋爐泄漏對余熱汽輪機真空度的影響，8 月29 日，將凈化3 系列廢熱鍋爐退出檢修，對余熱汽輪機在相同工況下的真空情況進行了對比，凈化廢熱鍋爐切出前后機組參數對比見表2。

表2 凈化廢熱鍋爐切出前后機組參數對比

由表2 可知，凈化3 系列廢熱鍋爐退出后，機組進汽量減少約13 t/h，單臺真空泵運行電流下降2 A。此時，凝結水pH 值由6.2 回升至8.5，表明凝結水中酸性氣體消失，余熱汽輪機真空嚴密性試驗結果為71 Pa/min，試驗結果優(yōu)秀。由此判斷：凈化裝置廢熱鍋爐泄漏后大量合成氣進入中低壓蒸汽，由此導致余熱汽輪機真空嚴密性試驗不合格、凝汽器真空度下降。

4 真空嚴密性不合格應對措施

鑒于余熱汽輪機汽源的特殊性，機組在運行過程中如出現真空度下降或真空嚴密性不合格的情況，應考慮來汽汽源中混入大量不凝結氣體，并通過以下手段進行初步確認：（1）當發(fā)現凝汽器真空度開始下降時，測量真空泵排汽口處CO 和H2S的含量。（2）關注機組進汽流量變化，并測量凝汽水pH 值是否符合要求。（3）關注真空泵運行電流，如果額定工況下真空泵電流較27 A 有較大提升，則考慮有不凝結氣體混入中低壓蒸汽中。一經確認，應及時聯系甲醇凈化裝置退出泄漏廢鍋進行消缺，同時在處置期間啟動2 臺真空泵來維持機組真空。