氦质谱检漏技术在火电厂中的应用
作者：张皓纯 浙江省电力试验研究所
针对火电厂中真空系统和发电机氢冷系统的泄漏问题，应用氦质谱检漏技术发现系统泄漏点，为检修提供依据,保证机组的安全、经济运行，从而取得良好的节能效益。文中还指出了氦质谱检漏仪在运用中应注意问题。
大型火电厂的系统庞大，管路错综复杂，从可见的汽水系统和油系统的泄漏到不可见的真空系统和发电机氢冷系统泄漏,系统不严密现象时有发生。这些系统的泄漏小则降低机组的运行经济性，大则给机组的安全运行带来隐患。系统检漏的问题长期困扰着电厂的技术部门，尤其是对于不可见的真空系统和发电机氢冷系统，目前所用的各种检漏方法均存在各种的缺陷,达不到预期的效果。
西方电力工业部门运用氦质谱检漏技术对电厂的真空系统进行检漏,取得了良好的效果。实践表明,与一般的检漏技术相比,氦质谱检漏技术快速、准确、灵敏度高及无损伤性等优点。浙江电试所于近几年运用德国莱宝公司生产的UL2100/200PLUS 氦质谱检漏仪对浙江省的多台大型火电机组进行真空系统和氢冷系统的检漏工作，取得了显著的经济效益。
1、氦质谱检漏原理
氦质谱检漏仪先在质谱室中将采集的被测气体电离，再利用电磁场将不同荷质比的离子加以分离检测,从中检测出事先安排的示踪氦离子，主要由三大组件构成:真空系统、质谱室和电子学控制单元。检漏仪内部配有一台旋片式真空泵,用以维持仪器内部的高真空。质谱室是检漏仪的核心部分，它包括离子源、聚焦、质量分析器和测量部分。质谱室入口连接在涡轮分子泵的前级真空部分，分子泵对不同的气体具有不同的压缩比特性，氦气的压缩比很小，可以逆着分子泵的抽气方向流动进入质谱室。在质谱室中氦气被电离，氦离子通过质量分析器的筛选到达收集极，产生一个正比于离子数量的电流信号，该信号经过放大和处理即为泄漏率。这些检漏仪的工作原理在真空技术网(http://www.chvacuum.com/)的之前的文章也有所介绍。氦质谱检漏仪的示踪气体也可以是其他元素，但通常选用氦气，因为氦气具有以下特性：
①氦气在空气中的含量极少，只占约二十万分之一，这样氦气的本底值就小，有利于发现极微量的氦气；
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。
2、发电机组真空系统检漏
真空系统大量漏入空气，不仅会影响凝汽器铜管(或钛管) 的热交换能力，而且还会因为凝汽器内空气分压力的提高，使蒸汽的分压力降低,造成凝结水过冷，降低循环热效率。例如300MW 的机组,额定负荷时真空与额定值相比每降低1kPa，机组热耗率就上升0.7 %～0.8 %，煤耗增加2.5g/ kWh 左右；如果机组进汽量不变，那么机组的出力也将降低0.7 %～0.8 %。同时空气进入凝汽器会使凝结水含氧不合格，导致汽轮机叶片、汽水管道的腐蚀乃至损坏泄漏,威胁机组的运行安全。
真空系统的氦质谱检漏通常采用负压采样法。检漏时将QT100 快速取样装置的探头置于被测机组真空泵气水分离器的排气口或射水箱水槽上方,由于机组排出的气体中水蒸气含量较高,通常要在探头前装凝汽井加以保护。检测前先用喷枪将氦气喷射在与真空系统有关的汽水阀门法兰、阀杆及焊缝附近,如果被测系统有漏点,氦气就会通过漏点被吸入真空系统,再通过真空泵排气口或射水箱水槽排出,最后被QT100 的探头采集并送至质谱仪检测。该方法操作简便,不需要触动电厂的任何设备,但是仪器的反应时间和清除时间相对长一些。
嘉兴电厂2 # 机系上海汽轮机厂生产的引进型300MW汽轮机,1995 年底投产,但运行中真空系统的严密性不符合要求,严密性试验的真空下降率为1.4kPa/min ,远远超过标准不大于400Pa/min 的规定;机组在带满负荷时,排汽压力达到6.2kPa (此时循环水温度为18.9 ℃) ,高于额定值4.9kPa ,运行经济性受到影响。由于机组的真空系统庞大复杂,可能的泄漏处又较多,因此检漏过程中将有关的管道和阀门分成多个子系统逐项检查,结果共发现40 余处漏点,其中较大的漏点有28 处,根据查漏结果进行重点检修后,真空下降率降至250Pa/ min 左右,表明泄漏处基本被查明。
华能长兴电厂4# 机组系上海汽轮机厂生产的125MW机组, 1992 年投产。根据运行资料1994 年机组年平均真空为94.7kPa ,机组的真空严密性通常在1.33～1.67kPa/ min 间,运用氦质谱检漏仪对该机组的真空系统进行检查,共发现漏点11处。经过封漏后,机组的真空下降率降至373Pa/min。温州电厂1# 、2# 机组是上海汽轮机厂生产的125MW汽轮机,真空系统曾一度严重泄漏,甚至无法进行真空严密性试验,平时必需开启两台射水泵才能稳定运行,严重影响了机组的安全运行。为此该厂决定排一次临修,若按照常规的压水法检漏,不仅效果差,而且周期长。使用氦质谱检漏仪对真空系统进行检漏,查出漏点40 余处,特别是检出的几处大漏点直接影响到机组的真空。电厂根据检查结果,进行临修紧急处理,使机组的真空严密性大大提高,真空下降率仅在为550～260Pa/min 间,补漏后可以只用一台射水泵运行,节约了厂用电。
3、发电机组氢冷系统检漏
一般125MW以上的机组通常都采用氢气冷却,但氢气易燃易爆炸,一旦氢冷系统发生泄漏,就会直接威胁机组安全,以往通常采用卤素检漏仪或便携式氢气检漏仪来检漏:前者测定时必须停机,并且需要对氢气系统进行置换,工作量大;后者仪器灵敏度差,可靠性不高。
氦质谱检漏仪用于电厂氢冷系统时,示踪元素不再是氦, 而是氢冷系统内部的氢气, UL2100/200PLUS 质谱仪有可供示踪元素选择的设置,只要将质谱室的加速电压调整至“M2”档,离子收集极就能收集M=2的氢离子,检漏时直接将QT100 的探头放在可疑点处,若存在泄漏氢气泄出被探头采集送至UL2100/200PLUS 进行检测。
嘉兴电厂1# 机组发电机型号为QFN30022型,采用氢气的冷却方式。根据电力部基建验收规程,机组在常压下的氢气泄漏量应不大于10m3/d。在某次小修后发现,发电机的漏氢量已严重超标,漏氢量高达60～70m3/d。检漏前,将发电机氢冷系统划分为发电机本体、氢气供给系统和密封油系统等多个子系统,逐个检查,结果共查出20 余处泄漏点,其中大漏点有8 处。经过紧急停机处理补漏,漏氢量下降至7.2m3/d ,小于规定的10m3/d 的标准,保障了机组运行的安全。
4、使用氦质谱检漏仪需注意的几个问题
(1) 检漏方法的选择:目前,电厂采用氦质谱检漏仪检漏通常采用负压采样法,即吸枪法,该方法操作简便,但仪器的清除时间较长。根据被检系统的不同也可以采用真空法检漏,即将氦质谱检漏仪的测试口直接接至真空系统的抽气管道上,通过节流阀调节气流以衰减检漏仪与真空系统间的压差,使检漏仪正常工作,该方法检漏效率稍高,但安装较为复杂。
(2) 仪器灵敏度:灵敏度的高低直接影响检漏的效果。检漏仪经过一段时间的使用后,灵敏度会有所下降,严重时对纯氦无反应。因此,平时应该经常保持仪器,特别是质谱室的清洁,定期打开气镇阀运行一段时间,并给旋片真空泵换油,这样可以减少仪器对氦的记忆效应。另外还要定期用标准漏孔对仪器的灵敏度进行校验,使氦质谱检漏仪始终保持最佳的工作状态。
(3) 响应时间与清除时间:正常运行的仪器响应时间与清除时间不应大于3s。检漏仪的响应时间会影响检漏工作的速度: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,即为两次喷氦的最小间隔时间,当然真空系统越庞大,该间隔时间也越长。根据经验,两次喷氦的最小间隔时间控制在30s ,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。仪器的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。另外,喷氦量的多少也影响清除时间的长短,喷氦时喷枪移动速率合理,可以缩短仪器的清除时间,提高检漏效率。
5、结论
(1) 氦质谱检漏技术用于火力发电厂的检漏工作,具有操作方便、灵敏度高和无损伤性等优点,特别是可以在正常运行中准确快捷地对机组进行检漏,减少停机带来的经济损失。
(2) 氦质谱检漏技术的运用能够产生巨大的经济效益。以温州电厂1# 机为例,如果减少停机3d ,机组就可多发电约860 万kWh ;检漏补漏后机组减少一台射水泵运行,年节约电量约40 万kWh ,仅上述两项就减少损失360 余万元。另外,真空改善后降低了机组发电煤耗,增加了发电量,总的经济效益十分可观。
(3) 大型火电厂的系统庞大,检漏前必须仔细分析与泄漏相关的各个子系统的特点,以便逐个盘查,这样才能运用氦质谱检漏仪快速和准确地检漏。
(4) 检漏工作仅仅是发现漏点,堵漏才是消除漏点的最终手段,堵漏必须彻底。不同类型的漏点需要不同的方式来堵漏,如何有效地消除各种漏点也是一个值得研究的问题。
