汽轮机真空系统的氦质谱仪检漏方法及泄漏案例分析

谢作爽，祁 伟，方匡坤，王 飞

（1.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310012；2.淮浙煤电有限责任公司凤台发电分公司，安徽 淮南 232100；3.浙江浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 317109；4.浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 金华 321100）

汽轮机真空系统的氦质谱仪检漏方法及泄漏案例分析

谢作爽1，祁 伟2，方匡坤3，王 飞4

（1.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310012；2.淮浙煤电有限责任公司凤台发电分公司，安徽 淮南 232100；3.浙江浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 317109；4.浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 金华 321100）

汽轮机真空系统的泄漏，会导致真空的下降，影响汽轮机组的经济和安全运行。介绍了氦质谱仪查漏方法，将之应用于发电厂汽轮机真空系统查漏工作，并简析真空系统查漏工作中易被忽视的泄漏点。对于某些特定机型汽轮机存在共性的泄漏点，结合案例深入分析与处理，消除影响机组真空的泄漏点。

凝汽器；真空；检漏；氦质谱仪；推拉装置；汽缸补偿器

0 引言

各汽轮发电机组运行中，凝汽器真空是保障机组运行可靠性、稳定性、经济性的重要指标之一。而影响凝汽器真空的因素是多方面的，比如随低压缸排汽进入凝汽器汽侧不凝性的空气量，这主要跟凝结水溶解氧含量及除氧器除氧效果有关；因汽轮机真空系统上设备、管道等存在泄漏点，被吸入至凝汽器汽侧不凝性的空气量[1-3]。凝汽器的循环冷却水、换热管束的工作情况以及真空泵或抽气器等抽真空设备的运行情况也是重要影响因素。以上这些因素的综合作用，最终影响机组的真空。

运行机组真空严密性差导致真空泵电流过大，或进一步导致凝汽器真空下降，从而影响机组安全、经济运行时，一般也都从各影响因素上进行运行调整。除了必要的运行调整，还需通过各种手段进行汽轮机真空系统查漏工作，包括凝汽器压水查漏法、贴塑料薄膜法、刷肥皂泡法、烛火法、卤素法、超声波法、氦质谱仪法等[4]。

而其中，卤素法、超声波法、氦质谱仪法可在机组运行期间在线进行，但因卤素法所用示踪气体对环境有害，超声波法又易受周边环境影响其检测的准确性。由此，不受周边环境影响同时又不影响周边环境的氦质谱仪法为最优的汽轮机真空系统在线检漏方法[5]。

1 氦质谱仪查漏技术介绍

氦质谱仪查漏法是一种在线式、易操作，且灵敏度高、抗干扰的监测方法。其在各行业查漏应用中，有真空法、正压法、真空压力法、背压法等4种方法[6]。而在各发电厂的查漏工作中，多采用真空法和正压法。发电机及压力容器、压力管道等的气密性检查多采用正压法，而汽轮机真空系统查漏则多采用真空法进行氦质谱检漏。

该方法使用的气体喷枪逐块、逐区域地对汽轮机真空系统各设备、各部位喷射氦气。如果某处存在泄漏点，作为检漏示踪气体的氦气将随同环境中的空气被吸入，最终从真空泵气水分离器排放管排出，通过监测探头在抽气器出口抽吸氦气及其他不凝性气体形成的混合气体，并通过氦质谱仪内的质谱分析功能，分析氦气分子颗粒在靶板上的物质量，判断被检位置的泄漏空气相对

量[7-8]。

省内各测试单位多采用德国英福康公司的UL1000型移动式氦质谱仪，其基准示数为1.0×10-6Pa·m3/s。在检漏过程中，根据氦质谱仪显示屏上示数变化的情况，判断被检位置是否泄漏，及泄漏的程度。

2 汽轮机真空系统查漏范围

汽轮机真空系统相关的设备、部位较为繁杂，且现场分布广，部分设备、部位的安装位置差，影响真空泄漏点的查找。应根据机组的自身特点及具体的泄漏程度，从以下各方面全面或有重点地开展检漏工作[9-10]。

（1）低压缸部分：低压外缸中分面、人孔门、防爆膜及前、后轴封等。

（2）给水泵汽轮机部分：给水泵汽轮机中分面、人孔门、防爆膜、轴封及排汽管上的排汽蝶阀、法兰面、波纹膨胀节等。

（3）凝汽器及相连的负压系统：凝汽器本体，与凝汽器本体相连的低压旁路、三级减温器，各疏水扩容器，低加、轴加，低加进汽管及真空破坏门、水位计、联箱等设备及附属管路、阀门等[3-4]。

（4）凝结水泵及入口区域：凝结水泵的轴端机械密封损坏或轴端密封水工作异常，或入口区域阀门、滤网、波纹膨胀节等泄漏，造成凝结水溶解氧含量超标。

（5）微正压部位：中低压连通管法兰、膨胀节，部分低压加热器及相应的疏水、排气管道等部位，在低负荷时会呈现负压状态，导致空气被该区域的泄漏点吸入。

3 常规泄漏点分析

在利用氦质谱仪对各机组真空系统查漏过程中，发现以下普遍存在，但又容易被各发电厂忽视的泄漏点：

（1）部分机组的低压缸前、后轴封处存在10-5～10-4Pa·m3/s级别的泄漏。

近几年投产或通流部分改造的机组，在安装、检修过程中普遍将通流部分及汽、轴封径向间隙调至汽轮机厂家规定值区间的中、下限，以减少级间漏汽和轴端漏汽。但在机组启动、停运或变工况等过程中，因汽轮机转子轴系振动，汽轮机动静部分的碰磨会使汽、轴封径向间隙逐步扩大。其次，在机组工况变化、轴封径向间隙变化的过程中，轴封低压母管供、回汽无法同步变化；另外，部分机组因轴封体与低压外缸结合面、轴封体上、下两半结合面出现间隙等原因，导致出现10-5～10-4Pa·m3/s级别的泄漏。轴封泄漏可通过解体轴封重新调整轴封间隙，或处理轴封上、下半结合面，轴封与低压外缸结合面间隙的方式进行消除；在无法解体重新调整轴封间隙及处理轴封各结合面时，可通过调整低压缸轴封的供、回汽来消除，但应加强对润滑油油质的监视[11]。

（2）部分机组汽轮机、给水泵汽轮机真空信号或排汽压力信号、压力表及温度套管管路等存在10-5Pa·m3/s级别的泄漏。

因无法足够靠近被检的测量管路进行精确测量，因此实际泄漏率可能更大。正压系统的信号管路因发生接头松动或管道焊缝开裂等现象时，被测量介质会经泄漏点溢出，容易被发现并得到及时处理。但类似凝汽器真空、给水泵汽轮机排汽压力等信号属于负压信号，发生泄漏时不易被察觉；同时因涉及汽轮机、给水泵汽轮机的跳闸逻辑，导致大部分发电厂和查漏厂家均不对该类管路进行查漏。但如果任由已存在泄漏的接头、焊缝持续泄漏，反而因泄漏量过大，导致对压力、真空信号测量不准，引发汽轮机、给水泵的跳闸逻辑。应对发现的此类信号管路漏点及时进行临时封堵，并在合适时间进行进一步处理。

（3）部分机组凝汽器、小机排汽管道、低旁管道、三级减温水后管道等负压区域人孔门10-5～10-4Pa·m3/s级别的泄漏。

因人孔门密封垫片的装复工艺、质量不过关，或使用周期较长而老化、开裂等原因导致人孔门处泄漏。对于此类重要的密封件，在设备装复前和装复时加强工艺、质量控制；并适当减少此类密封件的使用周期。发生泄漏后，及时进行临时封堵。

各相应泄漏点的氦质谱仪示数较小，但其分布广、数量多，如果泄漏点数量增加，则相应的总泄漏量就可能影响到机组真空。

4 特定机型汽轮机真空系统泄漏案例分析

除了以上几个各类型机组可能均会普遍存在的泄漏点之外，某些特定机型的汽轮机真空系统存在的泄漏点，也应引起足够重视。

4.1 低压缸推拉装置

4.1.1 泄漏点介绍

（1）X发电厂泄漏点介绍。

X发电厂1号、2号机组汽轮机为上汽1 050 MW超超临界、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、凝汽式汽轮机。为减少汽缸与转子间的相对膨胀，尤其是低压内缸与低压转子的相对膨胀，中压外缸与低压内缸以及各低压内缸之间布置推拉装置[12]。

在利用氦质谱仪对该发电厂2号汽轮机A低压缸侧真空系统进行查漏时，发现A低压缸左前、左后、右前、右后推拉装置处（汽轮机前轴承箱视向）存在大漏点，其质谱仪示数分别为2.63×10-4Pa·m3/s， 2.08×10-4Pa·m3/s，1.6×10-4Pa·m3/s，1.48×10-4Pa·m3/s。

对X发电厂1号汽轮机A与B低压缸侧真空系统进行查漏时，在A与B低压缸左前、左后、右前、右后推拉装置处均发现10-5Pa·m3/s等级以上中等漏点。

（2）Y发电厂泄漏点介绍。

Y发电厂3号、4号机组汽轮机为上汽660 MW超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、凝汽式汽轮机，A与B低压缸同样各有4只推拉装置。对其3号汽轮机A与B低压缸的推拉装置进行查漏时，发现各推拉装置均存在泄漏率不等的泄漏点，其质谱仪示数见表1。

表1 Y发电厂3号机A与B低压缸推拉装置氦质谱仪检漏示数Pa·m3/s

4.1.2 泄漏点分析

如图1所示，分析汽缸推拉装置的汽缸补偿器的结构，并考虑到氦气的易扩散性，决定以汽缸补偿器的护罩为界，依次对汽缸补偿器护罩内侧、外侧检查，以尽量确定汽缸推拉装置的汽缸补偿器区域的泄漏情况。X与Y两发电厂相应位置的质谱仪示数见表2、表3。

图1 汽缸推拉装置的汽缸补偿器局部结构

如表2、表3所示，推拉装置的汽缸补偿器区域均存在泄漏率不同的漏点，且以汽缸补偿器护罩为界，护罩外侧的泄漏明显大于护罩内侧的泄漏。研究汽缸补偿器的结构，推断推拉装置内侧密封法兰与低压外缸间的密封条老化泄漏、护罩与推拉装置内侧密封法兰的角焊缝开裂为汽缸补偿器护罩外侧泄漏的2个可能原因。

表2 X发电厂1号机A低压缸推拉装置第二次氦质谱仪检漏示数Pa·m3/s

4.1.3 临时处理措施

因运行期间汽缸补偿器护罩与低压外缸之间无相对位移，Y发电厂决定对3号汽轮机B低压缸的推拉装置汽缸补偿器护罩外侧与低压外缸之间的间隙使用密封胶进行填缝处理。填缝处理后的氦质谱仪示数见表4。可见，使用密封胶填缝处理后，各推拉装置的汽缸补偿器的泄漏大体上呈下降趋势。但随时间和温度的变化，存在各处密封胶老化开裂后，各推拉装置处的泄漏率回升的可能性。

4.1.4 建议停机处理措施

包括X发电厂1号、2号机，Y发电厂3号、4号机在内的各台上汽600 MW与1 000 MW等级机组应利用机组机修期间，对各汽缸推拉装置进行解体，对各道波纹补偿器、各部位焊缝进行渗透探伤，更换各道密封件。

4.2 轴承箱溢油管路

4.2.1 泄漏点介绍

Y发电厂1号、2号机组汽轮机为东汽600 MW超临界、中间一次再热、三缸四排汽、单轴、凝汽式汽轮机，配N-36000-7型双壳体、双背压、双进双出、单流程、横向布置凝汽器[13-15]。

与文献[13]所提的情况类似，Y发电厂1号机组启动期间，利用氦质谱仪进行真空系统查漏，发现高、低压凝汽器左侧（炉侧）斜接颈上各自引出的规格为Φ57 mm×3.5 mm的排污管的管口处，质谱仪示数为10-3～10-2Pa·m3/s级别。经查，为A与B低压缸前、后轴承箱溢油管分别从A与B低压外缸前、后端穿入凝汽器汽侧，在各台凝汽器汽侧汇合后，从距各自凝汽器排汽中心线430 mm，高度9.8 m处的左侧（炉侧）斜接颈处穿出[13]。

4.2.2 泄漏点分析

该管道上沿程较多焊缝，又多次穿过凝汽器汽侧金属壁面，导致凝汽器汽侧内部管道或凝汽器斜接颈上的穿壁管的任一道焊缝出现开裂现象，均可能使空气漏入凝汽器汽侧。且排污管道的首、末端均未设置隔离阀门，无法实现泄漏点的隔离。

4.2.3 临时处理措施

使用软木塞封堵各排污管首、末端，使用密封胶或其他材料封堵穿壁管处焊缝。临时处理后，2路排污管首、末端及穿壁管焊缝处泄漏检查时质谱仪示数为10-6～10-5Pa·m3/s级别。

4.2.4 建议停机处理措施

该管道原作用为引流各轴承箱油档溢油，减少火灾隐患。实际运行中，因各轴承箱负压建立情况及油档密封情况良好，已无该管道存在的必要性。

因此，建议包括Y发电厂1号、2号机在内的东汽600 MW与1 000 MW等级机组取消该管道，封堵该管道原在凝汽器斜接颈上的开孔，并为斜接颈封堵处的内、外壁面做防腐处理。

5 结语

不同类型、不同运行工况下的汽轮机组，真空系统的泄漏点也各不相同，但其中也埋伏着一些容易被忽视的类似泄漏点；某些同类型的汽轮机组，也存在着某些设计、制造或安装的缺陷造成的相同泄漏点。以上介绍了几处典型案例，以供广大运行、维护、检修及试验人员在机组真空系统运行、检修及查漏工作中参考。

表3 Y发电厂3号机A与B低压缸推拉装置第二次氦质谱仪检漏示数Pa·m3/s

表4 Y电厂3号机A与B低压缸推拉装置临时处理后氦质谱仪检漏示数Pa·m3/s

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2017-09-22

谢作爽（1983），男，工程师，从事发电厂汽轮机性能试验相关工作。

（本文编辑：陆 莹）

Leak Detection Method for Vacuum System of Steam Turbine Using Helium Mass Spectrometer and Leakage Case Analysis

XIE Zuoshuang1， QI Wei2， FANG Kuangkun3， WANG Fei4
（1.Zhejiang Energy Group Ramp;D Co.， Ltd.， Hangzhou 310012， China；2.Huaizhe Coalamp;Power Co.， Ltd.， Fengtai Power Branch，Huainan Anhui 232100，China；3.Zhejiang Zheneng Taizhou Second Electric Power Generation Co.， Ltd.， Taizhou Zhejiang 317109， China；4.Zhejiang Zheneng Lanxi Power Generation Co.，Ltd.，Jinhua Zhejiang 321100，China）

The drop of the vacuum level of the turbine is caused by the leakage of the vacuum system of steam turbine which seriously affects economic and safe operation of unit.The vacuum system leakage detection method using helium mass spectrometer and its application in vacuum system leakage detection of steam turbine are introduced in the paper.The paper also analyzes leakage points that are often ignored.Combined leakage cases，the analysis and processing method are advanced to remove some common leakage points which affected the turbine vacuum for the typical steam turbines.

condenser； vacuum； leak detection； helium mass spectrometer； thrust bolt device； cylinder compensator

10.19585/j.zjdl.201711014

1007-1881（2017）11-0078-05

TK26

B