高摩·贊電站1號水輪機(jī)工作密封故障分析及處理

宋　曦（中國水利水電第七工程局有限公司機(jī)電安裝分局，四川 彭山 620860）

高摩·贊電站1號水輪機(jī)工作密封故障分析及處理

宋曦
（中國水利水電第七工程局有限公司機(jī)電安裝分局，四川 彭山 620860）

摘要：水輪發(fā)電機(jī)組為水電站的核心轉(zhuǎn)動部分，直接實現(xiàn)重力勢能-動能-電能的轉(zhuǎn)化，其中水輪機(jī)將勢能轉(zhuǎn)化為動能。在轉(zhuǎn)動時為了防止水從轉(zhuǎn)動軸與靜止部分的間隙中大量涌出威脅到機(jī)組正常運(yùn)行，要裝設(shè)工作密封用于止水。高摩·贊電站1號機(jī)組在運(yùn)行過程中發(fā)生工作密封環(huán)摩擦冒煙的情況，本文對其原因進(jìn)行了分析，對其解決方法進(jìn)行了闡述，為同類問題的解決提供借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：工作密封；壓力；潤滑水；堵塞；間隙中圖分類號：TK730

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0051-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.017

1　工程概述

巴基斯坦高摩贊大壩樞紐工程位于巴基斯坦西北邊疆省D.I.KHAN地區(qū)TANK鎮(zhèn)以西的高摩河上，是一個具有防洪灌溉發(fā)電等綜合功能的水電工程，電站設(shè)2臺立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定容量8500kW，由南寧發(fā)電設(shè)備總廠生產(chǎn)和成套供貨。

1.1水輪機(jī)參數(shù)

水輪機(jī)型號HLA685-LJ-118；

轉(zhuǎn)輪直徑1.18m；

額定水頭100m；

額定出力8808kW；

額定流量9.74m3/s；

額定轉(zhuǎn)速600r/min；

飛逸轉(zhuǎn)速1150r/min；

機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向俯視順時針；

水輪機(jī)安裝高程635.50m。

1.2工作密封參數(shù)

密封橡膠環(huán)與轉(zhuǎn)動平板間隙0.2～0.3mm

密封水供水壓力0.1～0.2MPa

密封水供水量約30L/min

密封環(huán)材質(zhì)橡膠

密封環(huán)外徑Φ540mm

密封環(huán)內(nèi)徑Φ380mm

帶孔螺栓孔直徑2mm

密封供水方式一主一備兩路供水

主供水水處理站精濾水

備用供水水導(dǎo)冷卻水

2　第一次問題的發(fā)現(xiàn)和解決

2013年6月24日我部進(jìn)行1號機(jī)組36h試運(yùn)行實驗，工作密封使用主供水系統(tǒng)，即從水處理站清水池引出的精過濾水，清水池與水機(jī)層高程差為40m，因此最大供水壓力為0.4MPa。運(yùn)行前將供水壓力調(diào)為0.15MPa，當(dāng)機(jī)組達(dá)到額定負(fù)荷8.5MW時，我部人員發(fā)現(xiàn)從轉(zhuǎn)動平板與工作密封間隙中流出的水流極小，流量計指示時有時無，頂蓋壓力大于0.4MPa，且密封供水壓力升至0.35MPa，此現(xiàn)象為不正常運(yùn)行狀況，因此在停機(jī)后對其原因進(jìn)行了分析，工作密封結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1工作密封結(jié)構(gòu)

由圖1可見，密封水通入壓力腔頂起密封環(huán)使其與轉(zhuǎn)動平板保持較小間隙，并且壓力腔內(nèi)的密封水由帶孔螺栓流出，轉(zhuǎn)機(jī)時對密封環(huán)和轉(zhuǎn)動平板的間隙形成潤滑。

密封環(huán)座的下表面受頂蓋水壓的上托力，由于密封環(huán)為橡膠材質(zhì)，當(dāng)受力增大時，密封環(huán)被擠壓，使其部分陷入帶孔螺栓的頂部的限位帽，導(dǎo)致密封環(huán)和轉(zhuǎn)動平板間隙變小，潤滑水流變小，流水不暢，進(jìn)而導(dǎo)致供水壓力被憋至0.35MPa。于是我們轉(zhuǎn)向去尋找頂蓋壓力增大的原因，檢查頂蓋排水手動閥發(fā)現(xiàn)均完全打開，且壓力傳感器輸出電流正確不存在顯示錯誤。于是轉(zhuǎn)向頂蓋排水的出水端找原因：設(shè)計起初是將頂蓋排水管直接接于廠房滲漏集水井，后考慮到滲漏排水泵運(yùn)行壓力較重而進(jìn)行了一次改造，從頂蓋排水主管上焊接一根DN50管路接于壓力鋼管放空管上（放空閥下方），排水管手動閥為DN50蝶閥，壓力鋼管放空管接于尾水錐管。滿負(fù)荷轉(zhuǎn)機(jī)時過機(jī)流量約為9.7m3/s，除了從頂蓋排走的和部分漏出的水以外大部分從尾水錐管流走，此水流具有較高速度，因此一定程度上阻礙了頂蓋排水的流出，且手動閥為DN50蝶閥，由于蝶閥中間的操作桿占了較大過流面積，因此當(dāng)全開時實際排水能力僅為DN50管路的2/3。

根據(jù)分析結(jié)果我建議設(shè)計修改頂蓋排水管路：將滲漏排水井壁打通，把之前通入集水井的管路直接引到尾水，為了防止尾水水位高時水回流入集水井，應(yīng)在出水端加裝單向閥，且保留之前接于壓力鋼管放空管的管路以增強(qiáng)頂蓋排水能力。設(shè)計采納了管路改造建議，我方按此施工后轉(zhuǎn)機(jī)重新試驗，將兩路頂蓋排水管路全部打開，發(fā)現(xiàn)滿負(fù)荷下頂蓋壓力降為0.27MPa，潤滑水流量明顯增大，密封供水壓力為0.22MPa。證明排水改造工作達(dá)到了預(yù)期目的，隨之1號機(jī)順利通過了之后的30d穩(wěn)定性運(yùn)行。

3　第二次問題的發(fā)現(xiàn)和解決

2013年12月16日，我部進(jìn)行了以檢驗廠用電為目地的2臺機(jī)組附加36h運(yùn)行實驗，仍使用密封主供水，轉(zhuǎn)機(jī)前壓力調(diào)至0.15MPa，當(dāng)1號機(jī)達(dá)到滿負(fù)荷后0.5h，我部人員觀察水輪機(jī)室有白煙冒出并伴有刺鼻橡膠燃燒氣味，密封供水壓力升至接近0.4 MPa，立刻報告中控室，控制人員立刻緊急停止了1號機(jī)。之后下去檢查，在水輪機(jī)室揀出些許磨掉的橡膠條，大家共同分析認(rèn)為1號機(jī)已經(jīng)不具備再次開機(jī)條件。

之后領(lǐng)導(dǎo)召開技術(shù)分析會議分析原因，由于轉(zhuǎn)機(jī)時頂蓋壓力接近0.27MPa并無異常，因此斷定情況和上次的不同，問題可能出在工作密封本身。我們詳讀圖紙并現(xiàn)場查看水輪機(jī)構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動平板與工作密封大部分裸露在外而不是完全封閉，結(jié)構(gòu)較易于拆裝。經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)同意我們決定拆除轉(zhuǎn)動平板查看工作密封情況。

拆除工作較簡單不再詳述，拆除后我發(fā)現(xiàn)帶孔螺栓的出水口被白色雜質(zhì)堵住，密封環(huán)深深陷入帶孔螺栓的限位帽，需用很大力氣才能分開，密封環(huán)上表面已經(jīng)被磨損且磨損不均勻，打開密封供水即使不開機(jī)組，潤滑水也完全無法流出，我們對事故原因進(jìn)行了分析：

本地區(qū)為堿性水質(zhì)，在此次轉(zhuǎn)機(jī)前1號機(jī)已經(jīng)2個月未開機(jī)，密封供水管內(nèi)殘留水中的堿性物質(zhì)（即水垢）逐漸沉淀，由于帶孔螺栓的孔直徑僅為2mm，逐漸被水垢堵住。2個月后再次開機(jī)時，潤滑水無法從螺栓孔中流出，密封水壓力腔內(nèi)壓力逐漸升起，當(dāng)負(fù)荷低的時候頂蓋水從工作密封與大軸的間隙中涌上來，從轉(zhuǎn)動平板和密封環(huán)間隙中流出造成潤滑水有流的假象；負(fù)荷逐漸提高后，密封環(huán)受力為：密封環(huán)座A面上的頂蓋壓力上托力，B面上的密封水壓力，則合力為：

F=FA+FB

A面和B面均為一個圓環(huán)，查圖紙尺寸計算出A面面積為0.02m2，B面面積為0.0958m2，A面壓強(qiáng)為頂蓋水壓0.27MPa，即270000N/m2，B面壓強(qiáng)為0.4MPa,即400000N/m2，則：

F=FA+FB=0.02×270000+0.0958×400000=43720N

即相當(dāng)于4.37t的重物垂直壓在密封環(huán)上使其深深陷入螺栓限位帽。

問題原因找到了，如何處理擺在了我們的面前：如果單純疏通螺栓孔可保證1號機(jī)短期順利運(yùn)轉(zhuǎn)，但如再長時間停機(jī)很可能又發(fā)生相同情況，而且現(xiàn)在是旱季庫區(qū)水較清澈，當(dāng)進(jìn)入雨季后庫區(qū)水將含有泥沙，轉(zhuǎn)機(jī)時小顆粒泥沙很可能沿工作密封與主軸的間隙（0.3～0.4mm）反上來，此時如果轉(zhuǎn)動平板和密封環(huán)的間隙受壓變小，密封環(huán)就有可能再一次被燒，因此這個方法治標(biāo)不治本。

于是我們決定改造工作密封結(jié)構(gòu)：加大密封環(huán)與限位螺栓受力面積，增大間隙，一次性永久解決此問題。同時我查看了水輪機(jī)坑排水系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)滲漏水由底部的若干小孔經(jīng)過預(yù)埋管路流入廠房滲漏集水井，集水井容量為112m3，增大流水量不會對排水系統(tǒng)造成太大負(fù)擔(dān)，我們請示了領(lǐng)導(dǎo)并且電話咨詢了主機(jī)廠家技術(shù)人員，兩者均認(rèn)為此想法可行，于是我們展開了改造工作，具體如下：

（1）查看密封環(huán)，發(fā)現(xiàn)其磨損并不嚴(yán)重?zé)o需更換，用磨光機(jī)將密封環(huán)上表面打磨平整，清除黏在轉(zhuǎn)動平板上的磨損橡膠。

（2）將四根帶孔螺栓限位帽與密封環(huán)螺栓孔間均添加一個厚度1.5mm，外徑30mm的銅墊片，增大密封環(huán)與限位帽的受力面積，徹底限制住密封環(huán)的上行位置，這樣一來間隙最小也有1mm。

（3）將水輪機(jī)坑排水的小孔稍微鉆大，增大排水能力。

（4）回裝轉(zhuǎn)動平板。

（5）徹底清理水輪機(jī)坑，揀出施工留下的可見垃圾和磨掉的橡膠，之后用水管沖洗，清除細(xì)小垃圾和之前鉆排水孔的鐵屑。

工作完成后我們啟動1號機(jī)檢驗改造效果，考慮到間隙加大，密封水供水壓力應(yīng)適當(dāng)減小，于是我們將壓力定為0.1MPa，轉(zhuǎn)機(jī)時當(dāng)負(fù)荷達(dá)到6MW時頂蓋壓力為0.21MPa，漏水明顯比以前增大，達(dá)到8.5MW時頂蓋壓力為0.27MPa，密封水流動順暢，壓力為0.16～0.18MPa，漏水量目測為80L/min。

保持機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察發(fā)現(xiàn)滲漏排水泵大約每4h啟動一次，改造前約為每5.5h啟動一次，這證明改造未對廠房滲漏排水系統(tǒng)造成較大壓力。并且分析到了雨季時庫區(qū)水含泥沙量增大，由于增大了轉(zhuǎn)動平板和橡膠環(huán)的間隙，小顆粒泥沙可從間隙流走而不會導(dǎo)致二者摩擦損壞。

之后我們電話咨詢廠家技術(shù)人員，其也對改造工作做了肯定。事實證明我們對事故原因分析是正確的，改造工作是成功的，工作密封環(huán)摩擦磨損問題得到了根治，自此以后1號機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行至今。

4　結(jié)語

國外工程由于諸多因素限制，廠家技術(shù)人員不可能隨時在現(xiàn)場解決任何問題，因此往往要求現(xiàn)場安裝技術(shù)人員是“多面手”，一不能“等”，二不能“靠”，要有獨(dú)立分析和解決問題的能力。此對1號水輪機(jī)工作密封磨損冒煙問題的發(fā)現(xiàn)、分析和解決做了詳細(xì)闡述，為同類問題的解決提供了一個參考范例和分析思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]程良駿，青長庚.水輪機(jī)和輔助設(shè)備[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]GBT15468-1995.水輪機(jī)基本技術(shù)條件[S].

[3]巴基斯坦高摩贊水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)資料[R].2008.

收稿日期：2014-03-20

作者簡介：宋曦（1986-），男，助理工程師，從事水電站機(jī)電安裝技術(shù)與管理工作。