氦质谱检漏系统在汽轮机组真空系统中的应用
氦质谱检漏系统在汽轮机组真空系统中的应用
1 前言
汽轮机组真空系统不严密、存在漏点是汽轮机真空严密性试验不合格的重要原因。大小不一的漏孔在机组运行时引起真空度下降，给汽轮发电机组的经济性和安全性都会带来不利影响。其一，真空度下降导致机组汽耗上升，降低机组运行的经济性，严重制约了机组的负荷。其二,真空度降低使排汽压力、排汽温度升高，严重时引起汽轮机低压缸胀差发生异常变化和低压缸变形，改变机组中心，造成机组振动剧烈，甚至可能引起故障停机。
对于汽轮机组真空系统检漏，由于体积大，管道复杂，不可见，检测难度很大。尤其是空冷机组，排汽管道直径大, 焊缝长，接口多，空冷散热器温度高，体积庞大，管束数量多, 翅片结构复杂，检测难度极大。汽轮机组真空系统检漏问题长期困扰着电厂的技术部门，传统所用的各种检漏方法均存在各种缺陷，达不到预期的效果，寻求一种好的检漏方法，以便在机组正常运行时对真空系统进行查漏及堵漏尤为重要。氦质谱检漏技术是目前国际上Z先进的检漏方法，具有快速、准确、灵敏度高、无损伤性等优点。
2 氦质谱检漏原理
氦质谱检漏系统技术是以无色、无味的惰性气体氦气为示踪介质、以磁质谱分析仪为检测仪器，用于检漏的一种检测技术，它的检漏灵敏度可达10-14～10-15Pa•m3/s，可以准确确定漏孔位置和漏率。氦质谱检漏仪主要由质谱室、真空系统组件和电子学控制元件三大部分组成。质谱室接在分子泵的高真空端，入口接在分子泵和机械泵之间，利用分子泵对不同气体具有不同压缩比的特点，氦气逆着分子泵的抽气方向进入质谱室。检漏仪在质谱室中将气体电离,这些离子在加速电场的作用下进入磁场，在洛伦兹力作用下发生偏转,由于不同荷质比的离子具有不同的电磁学特性，偏转半径各不相同，在挡板的作用下，氦检漏仪的收集板只允许带正电的氦离子被接收到，单位时间到达收集板的氦离子对应于一个电流信号，这个电流信号正比于进入到达收集板氦离子的数量，电流信号经过放大后显示在质谱仪的显示面板上，其大小反映了泄漏点的漏率，通过泄漏率大小来确定该位置泄漏程度的大小。
氦质谱检漏仪的示踪气体选用氦气,是因为氦气具有以下优良特性：
①氦气在空气中的含量极少，体积含量为5.24×10-6，如果氦气在环境中的含量超过标准，可以比较容易地探测到极微量的氦气；
②氦分子小、质量轻、易扩散、易穿越漏孔、易于检测也易于清除；
③氦离子荷质比小，易于进行质谱分析；
④氦气是惰性气体，化学性质稳定，不会腐蚀和损伤任何设备；
⑤氦气无毒，不凝结，极难容于水。
3 汽轮机组真空系统检漏
3.1 检漏方案
汽轮机组真空系统的氦质谱检漏通常采用负压采样法。检漏时先将快速取样装置的探头置于被测机组真空泵汽水分离器的排气口，由于机组排出的气体中水蒸汽含量较高，通常要在探头前装凝汽装置加以保护。笔者在准大发电厂检漏时发现，若不在探头前加装凝汽装置，测试3~5分钟后，大量的水汽凝结后堵塞取样装置探头的细小空隙，使得检测无法进行。
检测前用喷枪将氦气喷射在与真空系统有关的可能泄漏的汽水阀门法兰、阀杆及焊缝附近,如果被测处有漏点，氦气就会通过漏点被吸入真空系统，再通过真空泵排气口排出，在取样孔处由探头采集并送至氦质谱检漏仪检测。该方法操作简便、快捷,不需要触动电厂的任何设备。
3.2 使用仪器时需注意的问题
检漏仪的响应时间会影响检漏工作的速度，正常运行的仪器响应时间不大于3s。笔者实测时，在漏点处喷射氦气5～10s后，检漏仪就发生响应，对于如此庞大的真空系统，其反应是相当的灵敏。检漏时喷枪在漏孔处停留的时间应为仪器响应时间的3倍，该时间再加上氦气在真空系统中的传递时间，即为两次喷氦的Z小间隔时间，当然真空系统越庞大，该间隔时间也越长。笔者根据实测经验，两次喷氦的Z小间隔时间控制在30s左右，即如果第一次喷氦后30s内检漏仪还没有反应,则可进行第二次喷氦。清除时间在理论上与响应时间相同，但由于仪器零件对氦的吸附和脱附作用的影响,清除时间一般要更长些。笔者测算，在测试到数量级为10-9P a •m3/s的微漏漏点时，清除时间约须1分钟；在测试到数量级为10-8P a • m3/s的中漏漏点时，清除时间约须2分钟；在测试到数量级为10-7Pa•m3/s的大漏漏点时，清除时间在3分钟左右；
3.3 检漏阶段
汽轮机组真空系统涉及面较广，有可能产生泄漏的部位很多，由于检漏涉及面广、工作量大，笔者在检漏时将疑漏部位划分为三组，分三个阶段进行检漏。
第一阶段的目标是放在低压加热器的正常疏水和危急疏水管路、负压段抽汽管连接法兰、低压加热器的抽气管路、抽气设备至凝汽器管路、低压旁路隔离阀及法兰、真空破坏门及其管路、凝结水泵盘根等处。这个阶段的管路、法兰和阀门众多，这也意味着可能有泄漏的部位多，泄漏概率大。
第二阶段的目标是放在主机低压缸轴封、低压缸水平中分面、低压缸安全膜、轴封加热器水封。
第三阶段的目标是放在凝汽器（排汽装置）本体上的人孔、管道接口、压力温度测点接口、热井放水阀门、凝汽器汽侧放水门、低压缸与凝汽器（排汽装置）喉部连接处等。由于大部分的疑漏点都位于高处，且凝汽器喉部与其四周的混凝土结构间隙仅有25cm左右, 人员无法进入，为了方便和安全地对疑漏点进行喷吹氦气，笔者采用一根长度合适的竹竿进行引流，对喉部等高处进行喷吹氦气。
4 结论
汽轮机真空系统庞大，检漏前必须仔细分析与泄漏相关的各个子系统的特点，制定检漏方案，逐个排查检测。