600MW亞臨界汽輪機(jī)通流改造后真空低的原因分析與處理

國家能源聊城發(fā)電有限公司 劉景文 王立光 楊 進(jìn) 李 斌 付 晉 姚博偉

凝汽器真空是電廠汽輪機(jī)正常運(yùn)行監(jiān)視的重要參數(shù)，真空度下降會(huì)引起汽輪機(jī)排氣溫度升高，汽輪機(jī)軸承中心偏移，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起汽輪機(jī)組振動(dòng)，嚴(yán)重威脅汽輪機(jī)運(yùn)行安全。同時(shí)，凝汽器的真空水平對汽輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有著直接影響，如機(jī)組真空下降1%，機(jī)組熱耗將要上升0.6%～1%[1]，為了保證汽輪機(jī)的運(yùn)行效率和凝汽器的換熱效率[2]，提升機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[3]，必須保證真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性，因此保持凝汽器最佳真空是每個(gè)發(fā)電廠節(jié)能的重要內(nèi)容。另外，真空壓密性差，外界空氣漏入凝汽器，還會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)水溶氧超標(biāo)，腐蝕汽輪機(jī)以及鍋爐設(shè)備。

因此，從設(shè)備安全性上也要求必須提高真空嚴(yán)密性。根據(jù)中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《凝汽器與真空系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)導(dǎo)則》[4]規(guī)定，每月進(jìn)行一次汽輪機(jī)嚴(yán)密性試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中負(fù)荷大于80%額定負(fù)荷，試驗(yàn)開始后關(guān)閉真空泵入口手動(dòng)門，30s后開始記錄，記錄8min，最后5min真空下降值來計(jì)算每分鐘真空平均下降值，并把其作為機(jī)組真空嚴(yán)密性值。能夠影響凝汽器真空嚴(yán)密性的因素眾多，假定真空下降因素僅由漏入凝汽器真空系統(tǒng)中的空氣引起，凝汽器抽氣系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行，漏入真空系統(tǒng)的空氣量增加，導(dǎo)致凝汽器真空下降，其下降數(shù)值取決于漏入空氣量數(shù)值的大小。任何一個(gè)與凝汽器真空系統(tǒng)相連的閥門、管道或是相連的系統(tǒng)，只要有輕微敞口、焊口破損或者不嚴(yán)密，都有可能造成凝汽器真空不嚴(yán)密，對汽輪機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大影響，所以分析凝汽器真空低的原因，找出預(yù)防真空下降的措施是十分必要的。

1 機(jī)組存在的問題分析及解決方案

1.1 機(jī)組存在的問題

山東聊城發(fā)電公司一期#1汽輪機(jī)為上海電氣引進(jìn)美國西屋公司A157機(jī)型，在2019年11月汽輪機(jī)通流改造前，除1月、3月#1機(jī)組調(diào)停外，真空嚴(yán)密性一直穩(wěn)定在99Pa/min以內(nèi)。#1機(jī)組2019年下旬至2020年初，采用西門子公司的改造方案對汽輪機(jī)進(jìn)行通流改造施工，自#1機(jī)組汽輪機(jī)通流改造施工結(jié)束啟動(dòng)以來，凝汽器真空嚴(yán)密性始終不能達(dá)標(biāo)，最差嚴(yán)密性下降速度600Pa/min。由于真空嚴(yán)密性下降速度過快，機(jī)組采取相應(yīng)措施后，仍無法達(dá)到凝汽器最佳真空值，不僅耗費(fèi)大量的廠用電，而且嚴(yán)重威脅機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

能夠影響凝汽器真空嚴(yán)密性的因素眾多，假定真空下降因素僅由漏入凝汽器真空系統(tǒng)中的空氣引起，凝汽器抽氣系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行，漏入真空系統(tǒng)的空氣量增加，導(dǎo)致凝汽器真空下降，其下降數(shù)值取決于漏入空氣量數(shù)值的大小。任何一個(gè)與凝汽器真空系統(tǒng)相連的閥門、管道或是相連的系統(tǒng)，只要有輕微敞口、焊口破損或者不嚴(yán)密，都有可能造成凝汽器真空不嚴(yán)密。經(jīng)過氦氣查漏的方式，發(fā)現(xiàn)大機(jī)A、B低壓缸進(jìn)汽口處大量漏真空。

1.2 原因分析

針對可能影響真空嚴(yán)密性的主要因素，聊城電廠針對性地提出了治理措施，主要在運(yùn)行中對真空嚴(yán)密性進(jìn)行分析查找，主要有以下幾點(diǎn)措施：

一是機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)利用在線查漏儀器進(jìn)行查找，采用目前比較領(lǐng)先和實(shí)用的氦氣質(zhì)譜儀進(jìn)行查漏。主要操作是在真空泵出口管引出氦氣檢測儀器，通過在可能存在的漏點(diǎn)噴射氦氣，如果有內(nèi)漏點(diǎn)，氦氣就會(huì)漏入真空系統(tǒng)被真空泵抽出，最后被真空泵出口的檢測儀器檢測到。

二是投運(yùn)膠球泵，對凝汽器水側(cè)換熱管道進(jìn)行沖洗，保證凝汽器換熱管清潔度，提高凝汽器換熱效率，提高機(jī)組真空嚴(yán)密性。

三是機(jī)組運(yùn)行時(shí)適當(dāng)提高軸封壓力，因?yàn)檩S封壓力偏小會(huì)導(dǎo)致空氣漏入真空系統(tǒng)量增大，而軸封壓力過高又會(huì)導(dǎo)致軸瓦振動(dòng)增大和軸封蒸汽外漏，影響機(jī)組安全運(yùn)行，因此根據(jù)機(jī)組運(yùn)行特性，將軸封壓力調(diào)整至正常范圍的上限值，可以有效提高機(jī)組真空嚴(yán)密性。

四是核查低壓加熱器運(yùn)行水位，保證運(yùn)行水位在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，防止水位過低導(dǎo)致系統(tǒng)漏入空氣影響機(jī)組真空嚴(yán)密性。

針對#1機(jī)組凝汽器真空嚴(yán)密性差的原因分析，結(jié)合聊城電廠#1機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)以及通流改造檢修記錄，#1機(jī)組通流改造前、后真空嚴(yán)密性所測結(jié)果差別較大，#1機(jī)組通流改造前，真空嚴(yán)密性指標(biāo)良好，通流改造后，真空嚴(yán)密性指標(biāo)急劇下降，因此極有可能是改造后的新設(shè)備出現(xiàn)了漏點(diǎn)。

經(jīng)氦氣檢漏儀排查后發(fā)現(xiàn)如下漏點(diǎn)，漏點(diǎn)1：大機(jī)低壓缸端部軸封微漏真空，氦氣查漏達(dá)8.2×10-6Pam3/s；漏點(diǎn)2：B小機(jī)防爆膜漏微漏真空，氦氣查漏達(dá)6.4×10-6Pam3/s；漏點(diǎn)3：A小機(jī)汽缸結(jié)合面微漏真空。對外缸結(jié)合面氦氣查漏達(dá)8.8×10-6Pam3/s；漏點(diǎn)4：A、B低壓缸法蘭補(bǔ)償環(huán)有大量泄漏真空的現(xiàn)象。對大機(jī)A低壓缸進(jìn)汽口法蘭補(bǔ)償環(huán)氦氣查漏達(dá)2.4×10-5Pam3/s，大機(jī)B低壓缸進(jìn)汽口法蘭補(bǔ)償環(huán)氦氣查漏達(dá)1.6×10-5Pam3/s。

針對以上漏點(diǎn)1、2、3：大機(jī)低壓缸端部軸封微漏真空；B小機(jī)防爆膜漏微漏真空；A小機(jī)汽缸結(jié)合面微漏真空可以采取涂抹堵漏膠的形式解決，但是漏點(diǎn)4：低壓缸進(jìn)汽法蘭補(bǔ)償環(huán)大量漏真空，無法通過簡單的涂抹堵漏膠來解決，因此我們準(zhǔn)備從低壓缸進(jìn)汽口法蘭補(bǔ)償環(huán)設(shè)計(jì)形式及施工過程上入手。

1.3 低壓缸進(jìn)汽法蘭補(bǔ)償環(huán)大量漏真空具體分析

#1機(jī)組低壓缸原為三層缸設(shè)計(jì)，檢修較為復(fù)雜且易發(fā)生泄漏，本次通流改造西門子采用雙流、單層焊接一體化內(nèi)缸和浮動(dòng)靜葉持環(huán)設(shè)計(jì)，內(nèi)缸由水平中分面分開。改造后的低壓模塊為：雙流單層低壓內(nèi)缸，浮動(dòng)靜葉持環(huán)，排汽導(dǎo)流環(huán)，整鍛無中心孔轉(zhuǎn)子，此設(shè)計(jì)是西門子標(biāo)準(zhǔn)的低壓內(nèi)缸設(shè)計(jì)，靜葉持環(huán)與內(nèi)缸采用定位面和I型密封鍵連接，這種密封可以有效消除因缸體而產(chǎn)生的泄露。低壓靜葉持環(huán)采用G17CrMo9-10材料，經(jīng)過20萬小時(shí)有限元分析后，最大開口僅為0.066mm，且不會(huì)形成泄露面，所以不會(huì)出現(xiàn)高溫蒸汽向低溫蒸汽區(qū)泄露問題。正因?yàn)椴捎昧烁?dòng)的靜葉持環(huán)設(shè)計(jì)，雙流的持環(huán)與轉(zhuǎn)動(dòng)部件的軸向間隙可以分別調(diào)整保證相對間隙。

低壓缸內(nèi)缸整體更換后，低壓外缸仍使用舊缸，在低壓缸進(jìn)汽口處，新內(nèi)缸與舊外缸在匹配上高度上會(huì)有一定的誤差而產(chǎn)生高度差，這個(gè)高度差由西門子采用內(nèi)套管進(jìn)汽連接件（法蘭補(bǔ)償環(huán)）作為補(bǔ)償。法蘭補(bǔ)償環(huán)要具備很高的精度，由西門子提供、加工并焊接安裝。

低壓內(nèi)缸與外缸夾層為負(fù)壓，靠近進(jìn)汽口側(cè)，由真空密封套封閉。真空密封套內(nèi)圈上、下各一個(gè)纏繞墊，上纏繞墊起到防止低壓缸正壓蒸汽向外漏；下纏繞墊起到防止外部空氣與正壓蒸汽向負(fù)壓夾層內(nèi)漏。

低壓內(nèi)缸與外缸夾層為負(fù)壓，靠近進(jìn)汽口側(cè)，由真空密封套封閉。真空密封套內(nèi)圈上、下各一個(gè)纏繞墊，上纏繞墊起到防止低壓缸正壓蒸汽向外漏；下纏繞墊起到防止外部空氣與正壓蒸汽向負(fù)壓夾層內(nèi)漏。

如圖1所示，在安裝過程中，西門子對加工成品的法蘭補(bǔ)償環(huán)內(nèi)圈與低壓內(nèi)缸進(jìn)汽口法蘭進(jìn)行焊接，目的是防止正壓側(cè)向低壓側(cè)竄汽。但是西門子在工作流程上，沒有焊接法蘭補(bǔ)償環(huán)外圈的工序，這就給低壓進(jìn)汽口處漏真空提供了可能。

圖1 低壓缸進(jìn)汽口結(jié)構(gòu)圖

外部空氣通過螺栓孔到達(dá)補(bǔ)償環(huán)底部，由于補(bǔ)償環(huán)底部外圈未焊接，緊靠螺栓緊固在內(nèi)缸上，空氣順著上圖黃色箭頭吸入到凝汽器，從而造成低壓缸進(jìn)汽口大量漏真空?，F(xiàn)場實(shí)際安裝如圖2所示，黃色箭頭代表空氣漏入軌跡，空氣通過螺栓孔向漏入負(fù)壓夾層內(nèi)，而且每一個(gè)螺栓孔都有漏入空氣的可能。

圖2 低壓缸進(jìn)汽口現(xiàn)場安裝圖

1.4 解決方案

針對以上漏點(diǎn)1、2、3：大機(jī)低壓缸端部軸封微漏真空；小機(jī)防爆膜漏微漏真空；小機(jī)汽缸結(jié)合面微漏真空可以采取涂抹堵漏膠的形式解決。

主要實(shí)施措施：一是使用專用堵漏膠在漏點(diǎn)結(jié)合面及端面固定螺栓孔處涂抹第一層堵漏膠；二是在第一層堵漏膠處于半凝固狀態(tài)下，在錫紙上涂抹第二層堵漏膠貼在第一層堵漏膠之上；三是使用涂抹棒涂抹均勻，待堵漏膠凝固之后，再進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)，不合格需重復(fù)上述工作。經(jīng)過處理后，氦氣檢漏儀檢測效果如下：

漏點(diǎn)1：經(jīng)過采取大機(jī)低壓缸端部軸封結(jié)合面漏真空部位堵漏措施后，通過氦氣檢漏儀檢測顯示3.6×10-6Pam3/s，表明對策實(shí)施取得良好效果。

漏點(diǎn)2：經(jīng)過采取B小機(jī)防爆膜漏真空堵漏措施后，通過氦氣檢漏儀檢測顯示3.5×10-6Pam3/s，表明對策實(shí)施取得良好效果。

漏點(diǎn)3：經(jīng)過采取A小機(jī)汽缸結(jié)合面變形漏真空堵漏措施后，通過氦氣檢漏儀檢測顯示3.6×10-6Pam3/s，表明對策實(shí)施取得良好效果。但是漏點(diǎn)4：低壓缸進(jìn)汽法蘭補(bǔ)償環(huán)大量漏真空，無法通過簡單的涂抹堵漏膠來解決，而且#1機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)，如果處理不妥當(dāng)，將會(huì)對#1機(jī)組安全運(yùn)行造成影響。

針對已經(jīng)運(yùn)行的#1機(jī)組，采取制定低壓缸進(jìn)汽口內(nèi)缸連接螺栓整包焊接方式消除泄漏，具體實(shí)施方案如圖3紅線所示，在真空密封套與低壓進(jìn)汽管中間，采用多個(gè)弧形鐵板分段焊接，徹底將真空密封套與低壓進(jìn)汽管中間夾縫中的漏真空的螺栓包裹進(jìn)去，以達(dá)到消除泄漏的目的。

圖3 整包焊接消漏結(jié)構(gòu)圖與現(xiàn)場效果圖

漏點(diǎn)4經(jīng)過處理后，氦氣檢漏儀檢測效果如下：漏點(diǎn)4：經(jīng)過采取低壓缸進(jìn)汽口真空堵漏措施后，通過氦氣檢漏儀檢測顯示3.4×10-6Pam3/s，表明對策實(shí)施取得良好效果。

2 實(shí)際運(yùn)行效果驗(yàn)證

2020年5月21日，實(shí)施低壓缸進(jìn)汽口內(nèi)缸連接螺栓整包焊接方式堵漏方案，真空堵漏期間維持機(jī)組負(fù)荷、工況穩(wěn)定。消除缺陷后，降低真空泵電流5A，節(jié)約了廠用電，凝汽器真空大幅提高如圖4所示，凝汽器真空提高近1kPa，節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖4 #1機(jī)組凝汽器堵漏實(shí)施方案過程SIS真空變化曲線

圖5 #2機(jī)組通流改造過程中對補(bǔ)償環(huán)下方添加纏繞墊密封

3 結(jié)論

本文以聊城電廠一期600MW亞臨界#1機(jī)組為對象，對如何提升汽輪機(jī)真空嚴(yán)密性進(jìn)行分析總結(jié)，查找出成#1機(jī)組真空嚴(yán)密性差的根本原因：低壓缸進(jìn)汽口設(shè)計(jì)缺陷。通過采取低壓缸進(jìn)汽口內(nèi)缸連接螺栓整包焊接技術(shù)，消除了#1機(jī)組真空嚴(yán)密性差的缺陷，取得的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

與此同時(shí)，在2021年本公司#2機(jī)組通流改造中，針對#1機(jī)組出現(xiàn)的設(shè)計(jì)缺陷，從設(shè)計(jì)源頭上消除低壓缸進(jìn)汽口漏真空的缺陷。如圖5所示，本公司采取在法蘭補(bǔ)償環(huán)下端增加金屬纏繞墊的方案來解決低壓缸進(jìn)汽口螺栓口漏真空的問題。后經(jīng)#2機(jī)組運(yùn)行后真空嚴(yán)密性檢測，證明此方案可行有效，并取得良好效果，對同類行業(yè)相似機(jī)型在進(jìn)行汽輪機(jī)通流改造過程中，避免出現(xiàn)相同問題，起到參考借鑒作用。