葛洲壩電站水輪機(jī)主軸密封改造后運(yùn)行分析

蘇華佳，鄭南軒，周小平（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

葛洲壩電站水輪機(jī)主軸密封改造后運(yùn)行分析

蘇華佳，鄭南軒，周小平
（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

摘要：葛洲壩電站2013-2014年度歲修進(jìn)行了哈電4臺(tái)、東電2臺(tái)水輪機(jī)改造增容，其中機(jī)組主軸工作密封由雙層橡膠平板密封改造為浮動(dòng)式端面密封，這種型式的密封在三峽混流式機(jī)組運(yùn)用非常成功，但在葛洲壩電站軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組上屬首次應(yīng)用。本文通過機(jī)組頂蓋排水泵的運(yùn)行情況，探索改造后機(jī)組主軸密封的運(yùn)行規(guī)律，為機(jī)組密封水壓調(diào)整和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：葛洲壩電站；水輪機(jī)；端面密封；運(yùn)行分析

0　引言

水輪機(jī)主軸密封按工作性質(zhì)分為檢修密封和工作密封，它們安裝在水導(dǎo)軸承下面，以防止轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的壓力水從主軸和頂蓋(或支持蓋)之間滲漏到頂蓋集水槽內(nèi)，淹沒水導(dǎo)軸承，破壞水導(dǎo)軸承的工作，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。不同水頭不同型式的水輪機(jī)，其主軸密封的結(jié)構(gòu)和型式有很大的差異，目前國(guó)內(nèi)各大水電站應(yīng)用最多的檢修密封是空氣圍帶式密封、工作密封是雙層橡膠平板密封和端面密封。葛洲壩電站21臺(tái)軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組主軸密封采用空氣圍帶式密封和雙層橡膠平板密封，前期投運(yùn)時(shí)工作密封經(jīng)常出現(xiàn)水封橡膠板磨損嚴(yán)重甚至燒壞、漏水量大、密封水壓波動(dòng)大不易調(diào)整等問題，造成水淹水導(dǎo)或強(qiáng)迫停機(jī)檢修。通過不斷探索改進(jìn)，采用在金屬抗磨環(huán)上開出呈三角形的楔形槽，使水封裝置水箱內(nèi)的清潔水能夠在任何工況下都能進(jìn)入摩擦面，對(duì)摩擦面進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，解決了橡膠板干摩擦損壞的問題，經(jīng)過實(shí)踐運(yùn)行證明，目前的雙層橡膠平板密封運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠保證機(jī)組的安全運(yùn)行。但雙層橡膠平板密封沒有自補(bǔ)償功能，密封水壓受導(dǎo)葉開度、輪葉開度、輪葉前壓力等因素影響較大，開機(jī)過程中水封容易憋壓、壓力波動(dòng)大甚至燒橡膠平板，造成橡膠平板使用壽命短、需頻繁更換等缺陷，且頂蓋空間小、主軸密封檢修更換困難。為此，隨著新技術(shù)新工藝的應(yīng)用和葛洲壩電站水輪機(jī)改造增容，機(jī)組工作密封也由原來的雙層橡膠平板密封改造為浮動(dòng)式端面密封，也稱為水壓式端面密封，這種型式的密封在葛洲壩電站機(jī)組上首次應(yīng)用。探索改造后機(jī)組主軸密封的運(yùn)行特性，可為機(jī)組密封水壓調(diào)整和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供依據(jù)，同時(shí)也為今后同類型機(jī)組改造提供借鑒經(jīng)驗(yàn)，具有重要意義。

1　浮動(dòng)式端面密封的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1浮動(dòng)式端面密封結(jié)構(gòu)

浮動(dòng)式端面密封的結(jié)構(gòu)主要由抗磨板、浮動(dòng)環(huán)、密封塊及支撐環(huán)等組成，哈電、東電機(jī)組密封如圖1、圖2所示。

圖1　哈電浮動(dòng)式端面密封結(jié)構(gòu)圖

15----預(yù)緊彈簧 20----抗磨板 21-----密封塊22----浮動(dòng)環(huán) 23----主軸 25---空氣圍帶

圖2　東電浮動(dòng)式端面密封結(jié)構(gòu)圖

1.2浮動(dòng)式端面密封工作原理

浮動(dòng)式端面密封是自補(bǔ)償軸向密封，其工作原理為：密封塊把合于浮動(dòng)環(huán)上，浮動(dòng)環(huán)與密封塊設(shè)有進(jìn)水孔，工作時(shí)依靠浮動(dòng)環(huán)的自重力、浮動(dòng)環(huán)與上蓋間的彈簧力以及渾水腔內(nèi)的水壓力，將密封塊與抗磨塊轉(zhuǎn)環(huán)貼合，同時(shí)浮動(dòng)環(huán)與密封塊中通入清潔壓力水，使密封塊與抗磨板之間產(chǎn)生一層有壓水膜，阻止江水進(jìn)入支持蓋，從而達(dá)到良好的密封效果。清潔水膜能潤(rùn)滑、冷卻密封塊與抗磨板的接觸面，防止因干摩擦燒損密封塊。由于浮動(dòng)環(huán)可上、下移動(dòng)，浮動(dòng)環(huán)與上蓋之間設(shè)計(jì)有彈簧，可以補(bǔ)償密封塊磨損量，確保密封塊與抗磨板之間的間隙合格，保證密封塊在機(jī)組抬機(jī)時(shí)的正常密封。

工作時(shí)密封塊受到的軸向力存在下面的關(guān)系（如圖3所示）：

F1+F2+F3=F4。

式中：F1為預(yù)緊彈簧向下的彈力，F(xiàn)2為浮動(dòng)環(huán)和密封塊的自重力，F(xiàn)3為渾水向下的水壓力，F(xiàn)4為清潔水向上的水壓力。

圖3　主軸密封受力圖

1-浮動(dòng)環(huán) 2-抗磨板 3-水膜 4-密封塊Q1-流向渾水腔的流量Q2-流向清水腔的流量

密封塊工作時(shí)任何時(shí)候的軸向壓力都是平衡的。當(dāng)渾水腔的水壓力變大，即F3增大，則密封塊失去平衡向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致密封塊與抗磨板間的水膜厚度變小，流量Q1、Q2變小，清潔水向上的水壓力F4增大，使密封塊向上運(yùn)動(dòng)形成新的平衡。反之亦然。

浮動(dòng)式端面密封的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是：①機(jī)組啟動(dòng)前應(yīng)先通密封用水，機(jī)組運(yùn)行時(shí)不得中斷用水；②主軸密封冷卻水（水經(jīng)過100μm過濾器）壓力為0.3～0.6MPa，水量為2～3L/s（7.2～10.8m3/h）；③運(yùn)行時(shí)密封塊中的密封水壓力應(yīng)比漏水壓力高0.03～0.05MPa；④封塊最大允許磨損量為12mm。

2　浮動(dòng)式端面密封運(yùn)行分析

水輪機(jī)主軸密封改造后經(jīng)過一個(gè)汛期的運(yùn)行，頂蓋漏水在可控范圍內(nèi)，頂蓋泵啟停時(shí)間正常、規(guī)律一致，沒有出現(xiàn)明顯的異常，密封塊磨損量指示裝置無明顯變化，密封塊暫無明顯磨損。

2.1機(jī)組負(fù)荷對(duì)漏水量的影響

以6月23日22時(shí)～24日8時(shí)二江某哈電已改機(jī)組為例，分析機(jī)組負(fù)荷對(duì)漏水量的影響。該時(shí)段機(jī)組頂蓋水位、負(fù)荷、導(dǎo)葉開度和密封水壓曲線如圖4所示，頂蓋泵的具體啟停時(shí)間如下頁(yè)表1所示。

圖4　二江某哈電已改機(jī)組頂蓋水位、負(fù)荷、輪葉開度和密封水壓曲線圖

6月23日22時(shí)～24日8時(shí)下游水位變化0.3m，機(jī)組水頭變化0.6m，機(jī)組負(fù)荷變化18MW，但頂蓋泵的啟停很有規(guī)律，都是停止時(shí)間在24∶50左右，抽水時(shí)間在15∶43左右，頂蓋泵平均排水量9.69m3/h。說明機(jī)組負(fù)荷的變化，對(duì)主軸密封的漏水量基本沒有影響。（說明：頂蓋排水泵排水量按泵額定流量25m3/h計(jì)算，假設(shè)水量全部來自主軸密封漏水，下同。）

表1　6月2 3日2 2時(shí)～2 4日8時(shí)二江某哈電已改機(jī)組頂蓋泵運(yùn)行分析表

2.2下游水位對(duì)漏水量和清潔水用水量的影響

按照表1的方法，以二江某哈電已改機(jī)組和大江某東電已改機(jī)組為例，對(duì)不同水頭、不同工況下頂蓋泵運(yùn)行情況進(jìn)行分析，得出下游水位與主軸密封漏水量和清潔水用水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2和表3所示。

表2和表3數(shù)據(jù)說明：下游水位升高，輪葉前壓力上升，主軸密封漏水量增大，清潔水用水量減少，反之亦然。

2.3密封水壓力對(duì)漏水量和清潔水用水量的影響

以二江某哈電已改機(jī)組和大江某哈電已改機(jī)組為例，1月21日17時(shí)二江某哈電已改機(jī)組密封水壓將由0.23MPa調(diào)整至0.17MPa運(yùn)行，7月11日大江某哈電已改機(jī)組密封水壓由0.16MPa調(diào)整到0.22MPa運(yùn)行，調(diào)整后頂蓋泵啟停間隔有所變化。按照表1的方法，對(duì)二江某哈電已改機(jī)組和大江某哈電已改機(jī)組不同密封水壓下頂蓋泵運(yùn)行情況進(jìn)行分析，得出密封水壓與主軸密封漏水量和清潔水用水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表4所示。

表4數(shù)據(jù)說明：主軸密封水壓變化，對(duì)主軸密封的漏水量和清潔水用水量有較明顯的影響。密封水壓升高，漏水量增大，清潔水用水量也增大，反之亦然。

表2　二江某哈電已改機(jī)組頂蓋泵運(yùn)行時(shí)間與下游水位關(guān)系分析表

表3　大江某東電已改機(jī)組頂蓋泵運(yùn)行時(shí)間與下游水位關(guān)系分析表

2.4安裝檢修工藝對(duì)漏水量的影響

大江某哈電已改機(jī)組改造后在72 h試運(yùn)行中機(jī)組帶125MW固定負(fù)荷、密封水壓0.09MPa，主軸密封漏水很大，2號(hào)頂蓋泵有規(guī)律的運(yùn)行48min、停止6.5min左右。經(jīng)過停機(jī)消缺后開機(jī)運(yùn)行，密封水壓0.1MPa，2號(hào)頂蓋泵變?yōu)檫\(yùn)行7min、停止22min左右，漏水量明顯減小。因此，安裝檢修工藝對(duì)主軸密封漏水影響較大。

2.5不同機(jī)組漏水量和清潔水用水量比較

按照表1的方法，對(duì)安裝主軸端面密封的6臺(tái)機(jī)組進(jìn)行同時(shí)分析，結(jié)果如表5所示。

表4　二江和大江某哈電已改機(jī)組頂蓋泵啟停時(shí)間與密封水壓關(guān)系分析表

表5　相同密封裝置不同機(jī)組頂蓋泵運(yùn)行時(shí)間對(duì)比分析表

考慮到不同頂蓋排水泵實(shí)際工作效率的差異，將頂蓋漏水量轉(zhuǎn)換成24 h頂蓋水位上升量進(jìn)行比較。表5數(shù)據(jù)說明：相同工況下不同機(jī)組主軸密封漏水量差別較大，漏水量最大的是兩臺(tái)東電機(jī)組，三臺(tái)哈電機(jī)組漏水量差別不大，東電機(jī)組漏水量是哈電機(jī)組的1.5～2倍左右，如圖5所示。引起這種差別的主要原因可能是：①設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造、安裝質(zhì)量不同；②機(jī)組運(yùn)行特性不同。

圖5　2 0 1 4年7月1 5日機(jī)組頂蓋漏水對(duì)比圖

2.6端面密封和雙層平板密封漏水量和清潔水用水量比較

采用同樣的方法，對(duì)全廠機(jī)組進(jìn)行同時(shí)分析，結(jié)果如表6所示。

表6　不同密封裝置不同機(jī)組頂蓋泵運(yùn)行時(shí)間對(duì)比分析表

同樣，將頂蓋漏水量轉(zhuǎn)換成24 h頂蓋水位上升量進(jìn)行比較，表6數(shù)據(jù)說明：相同工況下浮動(dòng)式端面密封裝置的漏水量比雙層平板密封裝置大2～3倍，如圖6所示。

圖6　2 0 1 4年7月3 0日機(jī)組頂蓋漏水對(duì)比圖

3　浮動(dòng)式端面密封運(yùn)行狀況和影響因素

（1）浮動(dòng)式端面密封漏水量較大，漏水量達(dá)到6～13m3/h左右，大江某東電已改機(jī)組最大為13m3/h左右，頂蓋泵啟停頻繁，大江某東電兩臺(tái)已改機(jī)組頂蓋泵運(yùn)行和停止時(shí)間幾乎相等，頂蓋泵排水壓力和能耗大。原雙層橡膠平板密封正常漏水量1～2m3/h，最大漏水量≤4m3/h。

（2）浮動(dòng)式端面密封清潔水用水量較大，用水量普遍達(dá)到10～21m3/h左右，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的用水量7.2～10.8m3/h。原雙層橡膠平板密封用水量普遍在2～5m3/h左右，若全廠21臺(tái)機(jī)組全部改造后，一年全廠機(jī)組清潔水用水量預(yù)計(jì)增加120～180萬(wàn)m3。

（3）浮動(dòng)式端面密封安裝檢修定型后，運(yùn)行中影響漏水量的主要因素是密封水壓和下游水位，但下游水位不受人為控制。從頂蓋泵排水量和清潔水用水量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，前者基本上等于后者的一半，即將近有一半的清潔水流入了轉(zhuǎn)輪室，說明運(yùn)行中密封水壓偏高了，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，密封水壓力只需要比漏水壓力高0.03～0.05MPa即可。所以，運(yùn)行中可以適當(dāng)降低密封水壓力，以減少清潔水耗水量。

（4）不同機(jī)組密封的漏水量差別較大，哈電已改機(jī)組基本相同，東電已改機(jī)組是它們的1.5～2倍，嚴(yán)重時(shí)達(dá)到3倍左右。除了機(jī)組運(yùn)行特性差異外，更多的可能與密封的結(jié)構(gòu)、制造、安裝檢修質(zhì)量有關(guān)。

4　浮動(dòng)式端面密封運(yùn)行中存在的問題

（1）通過開機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)空載時(shí)因轉(zhuǎn)輪室負(fù)壓，主軸密封清潔水全部被吸進(jìn)轉(zhuǎn)輪室，并存在類似補(bǔ)氣閥吸氣的聲音，空載時(shí)主軸密封存在干摩擦風(fēng)險(xiǎn)。建議機(jī)組開停機(jī)時(shí)，全開水封供水閥門，正常運(yùn)行期間壓力調(diào)至0.14～0.20 MPa，具體視水封漏水量而定。

（2）機(jī)組停機(jī)態(tài)時(shí)，為節(jié)約清潔用水，同時(shí)減輕頂蓋泵排水壓力，需將水封水壓調(diào)至適當(dāng)，亦即將水封供水閥開啟一點(diǎn)即可；機(jī)組開機(jī)前及機(jī)組空轉(zhuǎn)或空載態(tài)時(shí)，為保證水封水膜的有效形成，需將水封水壓調(diào)至≥0.25MPa；機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，需根據(jù)機(jī)組輪葉前水壓及漏水量進(jìn)行水封水壓調(diào)整，增加了運(yùn)行人員調(diào)整水封水壓的工作量，不利于機(jī)組進(jìn)行快速自動(dòng)開機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。

（3）目前，其加裝的備用水源（技術(shù)供水）是否能夠滿足水封用水要求，有待試驗(yàn)確定。水封改造前，當(dāng)出現(xiàn)全廠清潔水主管網(wǎng)供水中斷，大江2×200m3清水池（二江2×120）可供全廠機(jī)組水封應(yīng)急用水1.5 h，若機(jī)組水封全部改造后，清潔水池是否還能夠作為應(yīng)急水源，有待試驗(yàn)。

5　結(jié)束語(yǔ)

葛洲壩電站6臺(tái)機(jī)組主軸密封改造為浮動(dòng)式端面密封結(jié)構(gòu)型式后，已經(jīng)過一個(gè)汛期的運(yùn)行考驗(yàn)，雖然改造后浮動(dòng)式端面密封的漏水量較改造前雙層平板密封漏水量明顯增加，但風(fēng)險(xiǎn)是可控的。因機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較短，浮動(dòng)式端面密封的運(yùn)行特性還有待進(jìn)一步摸索，尤其是密封水運(yùn)行壓力與密封漏水量和清潔水用水量的關(guān)系，需要繼續(xù)試驗(yàn)探索，進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行。

中圖分類號(hào)：TK730.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）02-0026-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.007

收稿日期：2014-09-17

作者簡(jiǎn)介：蘇華佳（1971-），男，工程師，從事水電廠運(yùn)行管理工作。