熱電廠水泵機械密封冷卻水供水形式與其損壞關(guān)系分析

劉憲民

摘 要：機械密封這種動靜密封形式在轉(zhuǎn)動機械密封中，由于其滲漏量小、設(shè)備壽命長等特點得到了廣泛的采用。熱電廠轉(zhuǎn)動設(shè)備眾多，各種潤滑油油泵、密封油泵、給水泵泵、凝結(jié)水泵、熱網(wǎng)循環(huán)水泵、補水泵、閉式冷卻水泵等大多采用機械密封形式密封。其中絕大多數(shù)是以水為工質(zhì)的水泵機械，在給水泵系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、閉式、開式冷卻水系統(tǒng)、凝結(jié)水補水系統(tǒng)等都是水泵機械。只有少數(shù)設(shè)備，例如真空泵等由于工作特性要求或壓力、溫度參數(shù)等級較低的，才采用盤根密封或毛氈等其他密封方式，但這些密封方式的泄漏量都要多余機械密封。當(dāng)前電廠現(xiàn)場無滲漏工作標準的提高及現(xiàn)場文明生產(chǎn)的需要，很多場合機械密封已經(jīng)取代了其他密封方式，在電廠的眾多轉(zhuǎn)動機械中，機械密封是應(yīng)用最廣泛的一種密封方式，尤其是在核電領(lǐng)域，對滲漏量控制特別嚴格的地方。鑒于此情況，分析機械密封冷卻水的供水方式在生產(chǎn)實際中的優(yōu)劣，幫助工程實踐人員合理選擇供水方式是有實際意義的。文章對機械密封較為常見的三種冷卻水供水方式作簡要分析，并以實際問題為例作講解，講述這3種方式在實踐中的優(yōu)劣，以幫助工程人員在今后的工作中分析類似問題。

關(guān)鍵詞：機械密封；機封；冷卻水；供水方式；水泵；機械密封冷卻水超溫；動環(huán)；靜環(huán)

中圖分類號：TH136 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）17-0073-03

機械密封為動靜密封，其動環(huán)與水泵的泵軸固定在一起，形成一個整體，與泵軸一同做高速轉(zhuǎn)動；其靜環(huán)與靜環(huán)壓蓋用定位銷等方式固定在一起，再由緊固螺栓固定在泵殼上靜止不動。動環(huán)、靜環(huán)由動環(huán)上的壓力彈簧預(yù)先壓縮頂在一起，由一定的預(yù)緊力，其預(yù)緊力大小于轉(zhuǎn)速和其密封液體的工作壓力有關(guān)。當(dāng)水泵工作時，水泵泵軸高速轉(zhuǎn)動，將電機的電能經(jīng)由水泵葉輪轉(zhuǎn)換成流體的機械能。這時工質(zhì)水獲得高壓力、高速度，將會從水泵的動靜間隙處泄漏出去，而在機械密封處，水泵的動環(huán)在靜環(huán)上高速旋轉(zhuǎn)，會建立其一個高壓的水膜，阻止內(nèi)部工質(zhì)水繼續(xù)向外泄漏，只有少量的水蒸發(fā)而散失到空氣中去。在這個過程中，由于動環(huán)與靜環(huán)之間有著高速的轉(zhuǎn)動摩擦，會產(chǎn)生大量的熱量，使動環(huán)、靜環(huán)密封面處溫度身高。這時必須動環(huán)與靜環(huán)必須得到有效的冷卻，使其溫度不會持續(xù)升高，才能保證其持續(xù)可靠工作。同時機械密封對工質(zhì)中固體顆粒物雜質(zhì)要求較高，如果水中固體雜質(zhì)較多，且其硬度較大，雜質(zhì)進入動環(huán)和靜環(huán)之間的密封面處，將會劃傷密封面，產(chǎn)生溝痕，破壞密封，導(dǎo)致泄漏。因此，合理選擇機械密封冷卻水供水方式直接關(guān)系到機械密封的使用情況。

1 直接冷卻

機械密封動環(huán)、靜環(huán)摩擦產(chǎn)生的熱量依靠泵內(nèi)的工質(zhì)水自然冷卻，沒有任何外部強制冷卻。此種冷卻方式對泵內(nèi)水的清潔度要求較高，水中雜質(zhì)應(yīng)很少。水溫比較低，水泵轉(zhuǎn)速不高的情況下，可以采用這種冷卻方式。電廠閉式冷卻水泵有采用此種冷卻方式的。水泵水溫比較低，在30～40 ℃之間，電機轉(zhuǎn)速在1 000 r/min，閉式水水質(zhì)良好，每次循環(huán)都在入口濾網(wǎng)處得到過濾，這種冷卻方式能夠保證水泵機械密封的正常工作。內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司，一期兩臺600 MW機組，共六臺閉式冷卻水泵機械密封就采用這種冷卻方式，機組2010年11月份投產(chǎn)之間，機械密封使用正常。

需要注意的是，這種冷卻方式的機械密封在安裝時一定要注意調(diào)整好動環(huán)與靜環(huán)之間的壓縮量。如果壓縮量不夠，則無法密封泵腔內(nèi)的壓力水。如果壓縮量過大，則由于這種直接冷卻方式的冷卻效果有限，可能導(dǎo)致機械密封動環(huán)、靜環(huán)摩擦副摩擦產(chǎn)生的熱量過多，不能得到有效的冷卻，使機械密封動環(huán)、靜環(huán)溫度升高，炸裂動環(huán)或靜環(huán)，使機封損壞報廢。

2 出口高壓水冷卻

在水泵葉輪出口，工質(zhì)水壓力升高，引一路水至水泵機械密封處。水泵機械密封與水泵葉輪入口很近，壓力低于水泵出口壓力。這樣水泵出口的水就會向水泵機械密封處流動，有一部分工質(zhì)水在做“再循環(huán)”，將機械密封處摩擦產(chǎn)生的帶走。

例如，內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司一期供熱改造工程，其機組原本是2×600 MW直接空冷汽輪發(fā)電機組，后經(jīng)供熱改造，從中壓缸至低壓缸抽出部分排汽送至熱網(wǎng)換熱器換熱，其配套的熱網(wǎng)循環(huán)泵4臺，熱網(wǎng)循環(huán)泵的機械密封冷卻方式就是采用從葉輪出口因一路高壓水冷卻機械密封的。其高壓水壓力在0.56～0.70 MPa左右，水泵入口壓力在0.41～0.43 MPa左右。高壓水經(jīng)管路引入機械密封處，冷卻機械密封后，又回到葉輪入口，實現(xiàn)再循環(huán)的同時，將機械密封動環(huán)、靜環(huán)摩擦產(chǎn)生的熱量帶走，降低摩擦副的溫度，達到保護機械密封的作用。

這種冷卻方式對泵的轉(zhuǎn)速適應(yīng)型較高，對于低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速同樣適用。但是對水質(zhì)要求較高。由于葉輪出口水直接引回到機械密封處，如果水質(zhì)雜質(zhì)較多，將會破壞機械密封密封面，導(dǎo)致泄漏。

固體顆粒物破壞機械密封密封面的機理是：當(dāng)固體顆粒物雜質(zhì)進入機械密封密封面，就會劃傷機械密封的密封面，或者加快機械密封密封面的磨損，這時工質(zhì)水中的水垢和油污、油泥等在軸、軸套表面的堆積速度超過動環(huán)、靜環(huán)這對摩擦副的磨損速度，就會使動環(huán)不能夠補償磨耗位移，致使動環(huán)與靜環(huán)之間的間隙增大，水從間隙向外滲漏，造成泄漏，機封失效。選擇硬對石墨的摩擦副作動環(huán)、靜環(huán)，因為固體顆粒物雜質(zhì)會嵌入到石墨密封環(huán)里面，不如硬對硬的摩擦副做動環(huán)、靜環(huán)配合的壽命長。在雜質(zhì)較多的場合，建議選擇硬對硬的摩擦副作動環(huán)、靜環(huán)配合的機械密封，但不是解決問題的根本方法。

通常對于水質(zhì)良好、清潔度高的，葉輪出口水可以直接引到機械密封處；對于水稍差的，可以在“再循環(huán)”管路上增設(shè)一個Y形濾網(wǎng)，過濾水中雜質(zhì)，提高水的清潔度，延長機械密封工作壽命。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可以選擇只有一路或一用一備設(shè)兩路密封水。但是對于水質(zhì)不好，清潔度較低的情況，不建議使用這種冷卻方式。

內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司一期供熱改造工程選用的熱網(wǎng)循環(huán)水泵即是采用這種冷卻方式。熱網(wǎng)循環(huán)水泵工質(zhì)水經(jīng)升壓后輸送到市區(qū)供熱，在這一過程中，水質(zhì)得不到很好的控制。市區(qū)換熱站、熱網(wǎng)主管道、分支管道中水質(zhì)都有可能降低。尤其是在熱用戶處，散熱器種類質(zhì)量各有不同，市民根據(jù)自身經(jīng)濟條件、個人需求選擇不同的散熱設(shè)備，從而向供熱水中引入了不同量的雜質(zhì)。熱網(wǎng)水在回到供熱首站后，雖經(jīng)自動反沖洗濾水器過濾，但是由于過濾器本身就不是精過濾器，導(dǎo)致水中較為細小的顆粒雜質(zhì)沒有得到全部過濾。尤其是在供暖初期，市區(qū)散熱器經(jīng)過一個夏天的腐蝕，雜質(zhì)脫落進入水中，水中雜質(zhì)較多。

在這種情況下，水中雜質(zhì)進入機械密封密封面，就會劃傷密封面，產(chǎn)生溝痕，使機械密封無法密封內(nèi)部壓力水，導(dǎo)致其泄漏失效。

針對此種情況，建議從外部引用電廠中水質(zhì)較好的凝結(jié)水或凝結(jié)水補水（除鹽水）等。應(yīng)注意的是：外部引用的機械密封冷卻水的壓力必須高于機械密封處的水壓，這樣才能夠冷卻機械密封。這樣在機械密封的周圍就建立起一個“小環(huán)境”。在這個小環(huán)境里面，水質(zhì)良好，雜質(zhì)很少，機械密封密封面不會受到劃傷。這些外部冷卻水同時可以向熱網(wǎng)補充少量的水，可以作為補水的一部分，減少補水泵的啟停次數(shù)。

但是這種外部供水冷卻方式，需要引管、布置截止閥、減壓閥及壓力表等設(shè)備，較為復(fù)雜，增加了投入，維護量也增加了，但提高了機械密封工作的可靠性。只適應(yīng)于水質(zhì)不好的場合。實際應(yīng)用中，需要結(jié)合現(xiàn)場實際，根據(jù)熱網(wǎng)水雜質(zhì)情況，合理選擇直接“再循環(huán)”冷卻或外部引水強制冷卻。

3 外部換熱器冷卻

熱電廠的給水泵給水溫度高，依據(jù)內(nèi)蒙古國華發(fā)電有限公司一期600 MW空冷發(fā)電機組，負荷在325 MW時，水溫為157 ℃，負荷在360 MW時，水溫為162 ℃，負荷在500 MW時，水溫為176 ℃，遠高于機械密封允許工作溫度。機械密封報警溫度為80 ℃，保護值為95 ℃，當(dāng)機械密封冷卻水水溫達到95 ℃時，延遲3 s保護動作，給水泵就會跳泵。所以機械密封在工作時，必須嚴格控制其水溫，否則會因為超溫，而退出運行，甚至使機械密封密封面炸裂。

在水泵轉(zhuǎn)動運轉(zhuǎn)時，機械密封動環(huán)外部有一圈齒形泵，它與泵軸同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。在機械密封外部有一個回路，其間有一個換熱器。機械密封冷卻水在齒形泵的驅(qū)動下，在回路內(nèi)做循環(huán)流動，在外部換熱器里面得到冷卻降溫，回到機械密封動靜環(huán)摩擦處，冷卻動靜環(huán)，帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，重新在齒形泵的驅(qū)動下，進入外部換熱器換熱冷卻，從而完成一個循環(huán)。

在電廠由于負荷降低，給水泵停泵備用時，水泵停止運轉(zhuǎn)。這時齒形泵隨之停止運轉(zhuǎn)，使機械密封冷卻水停止循環(huán)，得不到外部換熱器的有效冷卻。同時，在給水泵停備時，為了保證給水泵筒體溫差不超過規(guī)定值。在高壓給水管道上引出一路給水，引入到給水泵內(nèi)部，使其內(nèi)部葉輪、殼體、筒體等溫差，在合適的范圍內(nèi)，不致產(chǎn)生過大溫差使內(nèi)部零部件熱膨脹不均，避免在啟動時碰磨。

但這就引來了一個新的問題，暖泵的高溫高壓水流過水泵內(nèi)部，將熱量傳遞到機械密封處。而這時機械密封冷卻水沒有循環(huán)起來，得不到外部換熱器的冷卻。機械密封處水溫持續(xù)升高，超過報警值。甚至與超過保護值，使水泵退出備用。

這時可以采取限制暖泵流量，或者暫時關(guān)閉暖泵門，使進入泵內(nèi)的高溫水流量減少，從而限制了向機械密封處傳遞的熱量，以此來保證機械密封處水溫不至超過保護值，水泵能夠投入備用。

但是這種操作方法增加了人員的操作任務(wù)，同時暖泵門處工質(zhì)水的壓力為給水壓力，為全廠最高壓力，以內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司為例，其給水泵額定壓力為32 MPa，溫度在150～180 ℃之間，經(jīng)常性開關(guān)閥門容易造成危險。

上述情況給機組可靠運行帶來了隱患。根據(jù)上述情況，可以采取這樣的措施。在給水泵正常運行時，其機械密封冷卻水得到外部換熱器的有效冷卻，完全可以滿足冷卻機械密封，帶走摩擦熱量和泵體傳遞熱量的要求。在給水泵停備期間，可以使用外部強制冷卻方式，冷卻機械密封，使機械密封處水溫控制在較低的溫度范圍內(nèi)，同時，暖泵水可以正常投入，保證筒體溫差也在可控范圍內(nèi)。這時，要求外部機械密封冷卻水的壓力必須高于進過節(jié)流套的給水壓力。只要外部強制冷卻水壓力稍高于經(jīng)過節(jié)流套的給水壓力，外部強制冷卻水就可以進入泵內(nèi)，冷卻機械密封。內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司一期，鍋爐電動調(diào)速給水泵就是這種外部換熱器的機械密封冷卻方式。在給水泵運行時，機械密封冷卻水水溫正常，能夠滿足冷卻機械密封的需要，水泵運轉(zhuǎn)正常。但是在停備時，其驅(qū)動端機械密封冷卻水在20 min內(nèi)快速上升超過報警值80 ℃，逼近保護值95 ℃。

一般情況下，就需要人員就地調(diào)整暖泵門開度，限制暖泵流量以降低機械密封水溫度，同時需要兼顧給水泵筒體溫差，增加了人員操作的工作量。

現(xiàn)根據(jù)就地實測，在給水泵停運時，經(jīng)過節(jié)流套節(jié)流給水泵機械密封處水壓只有0.6 MPa，這個壓力值比較低，其凝結(jié)水泵出口壓力3.5 MPa。完全可以進過節(jié)流減壓后作為給水泵機械密封冷卻水的外部強制冷卻水源。

凝結(jié)水作為外部強制冷卻水源的優(yōu)點有：

①水壓滿足使用要求，凝結(jié)水泵工頻運行時出口壓力為3.5 MPa，高于給水泵節(jié)流套后機械密封腔室的0.6 MPa。即使對凝結(jié)水泵做變頻改造后，其出口最低壓力仍為1.15 MPa，同樣滿足冷卻冷卻機械密封供水需要。

②凝結(jié)水水溫低于給水泵機械密封報警值。600 MW空冷機組電動給水泵組給水溫度通常在150～180 ℃之間，而凝結(jié)水的水溫在30～50 ℃之間，凝結(jié)水完全可以作為冷卻機械密封的水源。

③凝結(jié)水泵提供的是機組凝結(jié)水，凝結(jié)水雖然沒有經(jīng)過化學(xué)精處理及除氧器處理。但是由于汽輪發(fā)電機組，工質(zhì)水絕大部分是循環(huán)使用，即使少量補充水，也是經(jīng)過嚴格處理的除鹽水。凝結(jié)水本身的固體顆粒物雜質(zhì)極少，完全可以滿足冷卻給水泵機械密封的要求。雖然其沒有經(jīng)過精處理處理和除氧器除氧，但是可以通過限制其供水壓力，減少供給流量，使極少量的凝結(jié)水進入給水系統(tǒng)，而且只是在給水泵停運時才提供外部強制冷卻水，所以不會對給水品質(zhì)產(chǎn)生影響。

外部強制冷卻供水方式的設(shè)置方式：

①凝結(jié)水取水點應(yīng)在凝結(jié)水再循環(huán)管道閥門前，不便在凝結(jié)水主管道上取點。

②在取水支管上應(yīng)設(shè)置截止閥和減壓閥。設(shè)置截止閥可以可靠隔離給水與凝結(jié)水，在發(fā)生意外事故時，能夠及時可靠地隔斷兩個系統(tǒng)。設(shè)置減壓閥，便于調(diào)整供水壓力，使其匹配給水泵機械密封密封腔室壓力，在凝結(jié)水壓力變動時仍可滿足給水泵機械密封冷卻水供水壓力的需要。

③在減壓閥后設(shè)置過濾濾網(wǎng)。雖然凝結(jié)水水質(zhì)較好，但仍設(shè)置磁性過濾器，增加一層保險。磁性過濾器即可吸附鐵銹等磁性雜質(zhì)，又可過濾污泥等，從而更加保證供水水質(zhì)良好。此處可以設(shè)置雙路，一用一備，在運行狀態(tài)即可保證供水的同時清洗備用過濾器。

④在每臺給水泵機械密封外部，使用三通接頭，將外部強制供水與內(nèi)部循環(huán)冷卻水連接起來。同時應(yīng)設(shè)置針型閥，便于切換：在給水泵運行時，關(guān)閉外部強制供水，使用水泵內(nèi)部工質(zhì)水冷卻循環(huán)；在給水泵停止運行，開啟暖泵門時，開啟外部強制供水冷卻機械密封。暖泵與冷卻機械密封同時進行，互不干擾。針型閥處水的壓力和溫度都較低，操作風(fēng)險性遠小于暖泵門處。

4 三種冷卻方式的處理

熱電廠、發(fā)電廠及石油化工行業(yè)中，水泵設(shè)備眾多，機械密封的使用極其廣泛。仔細研究機械密封的冷卻方式是有著實際意義的。本文論及的三種冷卻方式，是較為常見的機械密封冷卻方式。分別對三種方式的使用場合和實際中出現(xiàn)的一些問題做了簡要的分析，并針對出現(xiàn)的問題提出了一些處理方法。

4.1 直接冷卻方式

直接冷卻方式使用方便，發(fā)電廠現(xiàn)場沒有就地改造的必要，可以由制造廠制造好后直接安裝使用，最為簡便。但是其對于水質(zhì)的要求最高，對工質(zhì)參數(shù)的限制比較嚴格。在小型泵中應(yīng)用較多，在大型水泵中應(yīng)用較少。

4.2 出口高壓水冷卻使用方式

出口高壓水冷卻使用也較為方便，一般制造廠在水泵制造時，便將葉輪出口處鉆好取水孔，在機械密封靜環(huán)壓蓋上或機械密封腔室上部開設(shè)小孔，使用小管徑管直接連接，或增設(shè)過濾。制造難度不大，現(xiàn)場維護量也不大。機械密封能夠得到很好的冷卻，適用范圍較第一種直接冷卻方式更為廣泛。但其對水質(zhì)要求較高，不適用于水質(zhì)較差、固體顆粒物雜質(zhì)較多的場合適用。

4.3 外部換熱器

外部換熱器適用于水溫高的給水等場合。機械密封需要密封的工質(zhì)水水溫高，其冷卻水必須有外部換熱器（如螺旋管換熱器、管殼式換熱器等）強制冷卻才能滿足冷卻要求。但是對于泵體內(nèi)熱量能夠持續(xù)傳遞到機械密封處的，在自身冷卻水停止循環(huán)時，建議增加外部強制供水冷卻，以使機械密封時刻處于可靠狀態(tài)。

機械密封的冷卻方式有很多種，并不局限于以上三種?，F(xiàn)場工作者可根據(jù)實際情況，合理選擇機械密封冷卻方式，以最大限度延長機械密封使用壽命，提高設(shè)備的可靠性。

參考文獻：

[1] 李必祥，王牛.如何提高石化用泵機械密封的性能及壽命[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1994，（6）.

[2] JB/T 4127.3-2011，機械密封（第3部分）：產(chǎn)品驗收技術(shù)條件[S].