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電機組真空系統在抽真空系統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，熱力系統循環效率降低。凝汽器真空度每下降1 kPa，發電功率降低1%。空氣進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]。中天合創能源有限責任公司化工分公司（簡稱中天合創化工分公司）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，可為余熱汽輪發電機組、煤化工企業工業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《凝汽器與真空系統運行維護導則》規定：當汽輪發電機組容量＜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、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秀。自7 月28 日開始，在凝汽器循環水進口溫度穩定在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定。考慮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（凝汽器水側循環水排凈），按照凝汽器說明書規定，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，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 抽真空系統泄漏排查

DL/T 932—2019《凝汽器與真空系統運行維護導則》規定：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。