1050MW機(jī)組單臺100%汽動給水泵機(jī)封優(yōu)化設(shè)計

陳鵬　黃鶴林

摘要：某廠新型2×1050MW燃煤發(fā)電機(jī)組采用單臺100%容量汽動給水泵，2號機(jī)組在前期調(diào)試中出現(xiàn)機(jī)械密封水溫度偏高現(xiàn)象，并在機(jī)組168小時滿負(fù)荷試運(yùn)過后投產(chǎn)不久，出現(xiàn)由于機(jī)械密封水溫度異常升高引起機(jī)組非停事件。文章分析了該泵由于刷式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷而造成機(jī)械密封水溫度偏高的機(jī)理，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計解決了機(jī)械密封水溫度偏高問題。

關(guān)鍵詞：百萬機(jī)組；100%容量；汽動給水泵；機(jī)械密封；刷式密封；迷宮式密封 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK284 文章編號：1009-2374（2016）26-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.017

某廠新型2×1050MW燃煤發(fā)電機(jī)組為引進(jìn)技術(shù)設(shè)計生產(chǎn)，采用多項國際先進(jìn)技術(shù)，一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓、九級回?zé)岢槠浇Y(jié)構(gòu)，所配單臺100%汽動給水泵更是機(jī)組設(shè)計布置的一大亮點(diǎn)。而目前百萬機(jī)組采用單臺100%容量汽動給水泵也是主流趨勢，可以大幅降低給水系統(tǒng)的控制復(fù)雜度及場地使用面積，提升給水效率。但同時采用單臺泵也出現(xiàn)了不可避免的可靠性問題，即每臺機(jī)組給水泵只有一臺而無備用時，若出現(xiàn)汽動給水泵跳機(jī)必將導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)的尷尬局面，這就降低了給水系統(tǒng)的可靠性。因而機(jī)組單臺給水泵布置形式對泵體結(jié)構(gòu)及控制可靠性提出了較高要求，對汽動給水泵機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究優(yōu)化并提高給水泵可靠性是機(jī)組單臺給水泵布置研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。而由于百萬機(jī)組單臺給水泵給水各項參數(shù)指標(biāo)要求苛刻，泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計相對于低參數(shù)機(jī)組多臺給水泵復(fù)雜，目前國內(nèi)暫無廠家能完全獨(dú)立生產(chǎn)百萬機(jī)組單臺汽動給水泵，因而其結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化也是百萬機(jī)組單臺給水泵研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。

機(jī)械密封是汽動給水泵的關(guān)鍵構(gòu)件之一，其作用是密封泵體動靜間隙減小，阻止泵體內(nèi)部輸送的介質(zhì)外泄。而機(jī)械密封的關(guān)鍵構(gòu)件便是運(yùn)行中一直摩擦的動靜環(huán)，由于動環(huán)與靜環(huán)之間存在一定厚度的液體膜，防止了動靜環(huán)之間發(fā)生干磨。但是一旦由于某種原因?qū)е聞屿o環(huán)之間磨損增大，則機(jī)械密封水溫度會迅速升高，同時磨損也會導(dǎo)致動靜環(huán)間隙增加而進(jìn)一步引起泵體輸送高溫介質(zhì)發(fā)生泄漏，機(jī)械密封水溫度進(jìn)一步增加。機(jī)械密封的工作情況會直接反映到機(jī)械密封水溫度這一指標(biāo)上，其能夠有效監(jiān)視機(jī)械密封的動靜環(huán)磨損及給水泄漏情況，是給水泵運(yùn)行時的跳機(jī)保護(hù)值。

2號機(jī)組在前期調(diào)試期間存在機(jī)械密封水溫度偏高問題，但受備件運(yùn)行所限只采取臨時措施對機(jī)械密封水冷卻器降溫，而在168小時滿負(fù)荷試運(yùn)結(jié)束一個月后汽動給水泵由于非驅(qū)動端機(jī)械密封水溫度超停機(jī)值跳機(jī)，并進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)組在900MW負(fù)荷時跳機(jī)，對電網(wǎng)造成巨大沖擊。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封水回水濾網(wǎng)被黑色棉絮狀物質(zhì)堵塞，直接造成密封水?dāng)嗔鞑o法冷卻，進(jìn)一步對棉絮狀物質(zhì)化驗表明其為凱夫拉材質(zhì)，與機(jī)械密封動靜環(huán)刷式密封刷材質(zhì)相同，由此推測機(jī)械密封刷式結(jié)構(gòu)磨損并導(dǎo)致材料脫落堵塞濾網(wǎng)，造成機(jī)械密封水溫度升高并跳機(jī)。對比檢查1號機(jī)對應(yīng)濾網(wǎng)，同樣發(fā)現(xiàn)少許黑色棉絮狀物質(zhì)，經(jīng)化驗也為凱夫拉材料，由此可進(jìn)一步推測密封刷磨損并不是裝配間隙及尺寸偏差造成的，而是刷式密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計存在缺陷，因此對刷式密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計改造刻不容緩。

結(jié)合上述情況，本文詳細(xì)討論了機(jī)械密封水溫度超限導(dǎo)致汽動給水泵跳機(jī)的過程及原因，并設(shè)計采用迷宮式密封結(jié)構(gòu)替代刷式密封結(jié)構(gòu)，論證了兩種結(jié)構(gòu)在百萬機(jī)組單臺給水泵中應(yīng)用的優(yōu)劣性，為迷宮式密封結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 給水泵及機(jī)械密封結(jié)構(gòu)介紹

本型汽動給水泵為某英國知名汽泵制造商生產(chǎn)，泵軸轉(zhuǎn)速隨給水流量及負(fù)荷變化，最高轉(zhuǎn)速為4812r/min，泵體給水入口額定壓力為3.0MPa，出口額定壓力為33.5MPa，給水溫度范圍為185.2℃～187.7℃，高參數(shù)大容量是本型給水泵的主要特點(diǎn)。

汽動給水泵外部殼體采用整體筒體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，泵芯包為水平、五級離心葉輪式布置，并且設(shè)計成可以整體從泵外筒體內(nèi)抽出的結(jié)構(gòu)，芯包內(nèi)包括泵體主要部件。泵體軸系通過同軸布置的小汽輪機(jī)驅(qū)動，與其連接方式為疊片半撓性聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器與軸系通過液壓過盈配合連接，無銷鍵等額外連接結(jié)構(gòu)。泵殼與泵軸的密封形式為機(jī)械密封，其中共有兩道動靜環(huán)密封結(jié)構(gòu)，正常運(yùn)行中沒有密封水泄漏。軸承配置包括非驅(qū)動端的復(fù)合雙止推軸承及軸頸軸承，驅(qū)動端的軸頸軸承，每個軸承從同小汽輪機(jī)共用的潤滑油系統(tǒng)得到冷卻和潤滑，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示：

給水泵驅(qū)動端和非驅(qū)動端各一套機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)尺寸均相同，具體結(jié)構(gòu)見圖2。該機(jī)械密封為整裝式結(jié)構(gòu)，依靠動環(huán)與靜環(huán)間微薄的水膜密封介質(zhì)的外漏。動環(huán)碳纖維結(jié)構(gòu)，同時在動環(huán)靠泵體側(cè)采用浮動式設(shè)計一唇口，唇口加裝凱夫拉材質(zhì)封嚴(yán)刷防磨損，靜環(huán)為碳化硅。動靜環(huán)之間的水膜既起到潤滑的作用，同時也帶走動、靜環(huán)摩擦產(chǎn)生的熱量。機(jī)械密封的冷卻包括兩個部分：一部分是機(jī)械密封冷卻夾套的冷卻，該夾套是通過閉式循環(huán)水冷卻；另一部分是機(jī)械密封水的冷卻，該冷卻是密封水循環(huán)通過冷卻器得到冷卻，該冷卻器用閉式水作為冷卻水源。參與完動、靜環(huán)密封的水溫升高，由泵效環(huán)（相當(dāng)于葉輪）驅(qū)動到機(jī)械密封水的流出腔室，再通過密封水冷卻出水管流出機(jī)封，流向密封水冷卻器，冷卻后通過密封水冷卻進(jìn)水管流回到機(jī)械密封動靜環(huán)所在腔室，完成密封水的冷卻循環(huán)。其中驅(qū)動端與非驅(qū)動端各一個冷卻器，采用閉式水對機(jī)械密封水進(jìn)行冷卻，機(jī)械密封水冷卻器見圖3所示。

機(jī)械密封水的冷卻循環(huán)使動靜環(huán)腔室維持在正常的較低水溫，而設(shè)置凱夫拉材料封嚴(yán)刷的主要目的是進(jìn)一步隔離機(jī)械密封水冷卻腔室與泵體高溫給水通道，防止給水泄漏引起機(jī)械密封冷卻水溫度過高。

2 機(jī)械密封水溫度高原因分析

1號機(jī)組2015年2月投產(chǎn)后，汽動給水泵兩端機(jī)械密封水溫偏高，夏季時達(dá)到65℃左右，隨著機(jī)組負(fù)荷加到100萬千瓦時，機(jī)封水溫最高達(dá)75.3℃，且仍有上升趨勢。溫度保護(hù)測點(diǎn)位于機(jī)械密封水至冷卻器的管道上，保護(hù)值設(shè)定為90℃停泵?？紤]到設(shè)備運(yùn)行情況，現(xiàn)場采用冷卻器外部噴淋自來水幫助冷卻機(jī)械密封循環(huán)水管的措施，使密封水溫度維持在60℃左右，并定時清洗機(jī)械密封水進(jìn)入冷卻器前的濾網(wǎng)，多次清洗中發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)上有少量黑色絮狀物。

2號機(jī)組于2015年9月結(jié)束168小時滿負(fù)荷試運(yùn)后投產(chǎn)，其汽動給水泵兩端機(jī)械密封水同樣存在溫度偏高現(xiàn)象，現(xiàn)場采取了同1號機(jī)相同的措施。10月14日，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在900MW，其他設(shè)備參數(shù)穩(wěn)定，給水泵非驅(qū)動端機(jī)械密封水溫度在2min時間內(nèi)，由61.07℃快速升至90℃（達(dá)到跳泵值），汽動給水泵組跳閘，鍋爐斷水保護(hù)動作，2號機(jī)組跳閘，首出為“汽泵全停MFT”。停機(jī)后，清洗機(jī)械密封水進(jìn)入冷卻器前濾網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)該濾網(wǎng)上有大量黑色絮狀物。

跳泵后技術(shù)人員立即調(diào)取現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封水溫偏高時，汽動給水泵各軸承潤滑油溫度及軸承振動正常，固排除外在因素對機(jī)械密封水溫度的影響。

在機(jī)械密封水管路清洗干凈后，進(jìn)一步采用超聲波流量測量儀分別對機(jī)械密封夾套的閉式水流量、機(jī)械密封冷卻水冷卻器的閉式水循環(huán)流量、機(jī)械密封水冷卻循環(huán)流量進(jìn)行了測量。發(fā)現(xiàn)三個值都滿足設(shè)計要求，而最后一個值比設(shè)計值偏小。由于密封水循環(huán)冷卻過程中須克服多種阻力和損失，需要機(jī)械密封的泵效環(huán)提供足夠的動力。檢查隨機(jī)原裝備品機(jī)械密封，發(fā)現(xiàn)該泵效環(huán)位置，沒有加工成型較深的凹齒，不能提供給機(jī)械密封水循環(huán)足夠動力，所以循環(huán)流量比設(shè)計值偏小，不能及時帶走機(jī)械密封產(chǎn)生的熱量。綜合判斷該型號機(jī)械密封的泵效環(huán)不能滿足工況要求。

利用機(jī)組停運(yùn)機(jī)會，拆卸汽動給水泵兩端機(jī)械密封。拆卸檢查過程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封水流出腔室有大量黑色物質(zhì)，如圖5所示，其同冷卻器前濾網(wǎng)上黑色棉絮狀物質(zhì)沾染物類似。將機(jī)械密封返廠并就該黑色物質(zhì)進(jìn)行化驗，結(jié)果確定為石墨材料，同動靜環(huán)上的材料相同。進(jìn)一步化驗其冷卻器前濾網(wǎng)上絮狀物，化驗結(jié)果與刷式密封上的柔性物質(zhì)相同為凱夫拉材料。解體機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)解體結(jié)果和化驗結(jié)果一致，見圖6，即黑色物質(zhì)來源于動靜環(huán)的磨損，絮狀物來源于刷式密封的磨損。同時解體發(fā)現(xiàn)動靜環(huán)有磨損痕跡，隔離動靜環(huán)腔室與泵軸端的擋圈有磨損破壞的殘片，刷式密封上柔性物質(zhì)所剩無幾，見圖7所示。由此可以明確判斷，機(jī)械密封水冷卻器入口濾網(wǎng)黑色棉絮狀物質(zhì)來源于凱夫拉材質(zhì)刷式密封結(jié)構(gòu)磨損脫落。

綜合上述分析，導(dǎo)致機(jī)械密封冷卻水溫度升高并跳泵的直接原因有兩點(diǎn)：卡夫拉材質(zhì)封嚴(yán)刷磨損嚴(yán)重，一是導(dǎo)致材質(zhì)脫落堵塞機(jī)械密封冷卻水濾網(wǎng)并導(dǎo)致機(jī)械密封水回水?dāng)嗔?；二是?dǎo)致動靜間隙增加，泵體輸送高溫給水泄漏增加。兩個因素共同作用導(dǎo)致機(jī)械密封水溫度升高。而根本原因便是卡夫拉材質(zhì)封嚴(yán)刷設(shè)計的不合理導(dǎo)致動靜環(huán)的嚴(yán)重磨損，因而需對刷式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改善其密封特性。

3 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

對凱夫拉材質(zhì)刷式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以從兩個方面著手：一是不改變原結(jié)構(gòu)形式，采用新型耐磨材料替代凱夫拉材料；二是改變刷式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，采用其他密封結(jié)構(gòu)形式，如蜂窩式密封、迷宮式密封及蓖齒式密封等。凱夫拉這種新型材料具有密度低、強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫及易于加工和成型的優(yōu)良特點(diǎn)，其強(qiáng)度為同等質(zhì)量鋼鐵的5倍，但密度僅為鋼鐵的1/5，具有堅韌耐磨的優(yōu)良特性。因此選擇更加耐磨的材料替代卡夫拉材料無較大可能性，進(jìn)而將刷式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)更改為其他密封結(jié)構(gòu)是最佳選擇。

采用蜂窩式密封結(jié)構(gòu)時動靜環(huán)間隙較小，蜂窩結(jié)構(gòu)需采用可磨損材料以減小動靜環(huán)磨損，因而采用這一設(shè)計的系統(tǒng)一般應(yīng)不受到磨損材料脫落的影響。本文中機(jī)械密封水濾網(wǎng)易受磨損掉落材料堵塞并引起機(jī)械密封水溫度偏高，因而采用蜂窩式密封結(jié)構(gòu)替代原刷式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的方法并不可取。蓖齒密封結(jié)構(gòu)同樣是一種有效的密封方式，但由于其結(jié)構(gòu)包含大量蓖齒，蓖齒由于其尖端結(jié)構(gòu)薄弱而易磨損，因而其動靜間隙要求較大，其密封可靠性相對迷宮式密封及蜂窩式密封較差。同時蓖齒密封結(jié)構(gòu)的薄弱也使得其不適合于高壓力梯度領(lǐng)域，本文所述汽動給水泵泵體輸送給水額定壓力為33.5MPa，機(jī)械密封腔室及密封水管道額定壓力為0.6MPa，可見密封位置存在巨大的壓差，這也使得蓖齒密封結(jié)構(gòu)不適合于本型給水泵機(jī)械密封。

迷宮式密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，能夠適用于高壓力梯度場合，同時由于其密封性能良好，可以采用機(jī)械密封本體合金鋼材料制造迷宮式密封結(jié)構(gòu)密封齒，配合一定的動靜間隙可獲得良好的防磨特性，同時輕微磨損掉落不會產(chǎn)生棉絮狀堵塞物質(zhì)。因而對于本型百萬機(jī)組單臺100%容量汽動給水泵機(jī)械密封，采用迷宮式密封結(jié)構(gòu)替代原刷式密封結(jié)構(gòu)是最佳選擇。

設(shè)計優(yōu)化方案更改刷式密封結(jié)構(gòu)為迷宮式節(jié)流結(jié)構(gòu)，并取消了原有擋圈，具體示意見圖8所示。迷宮節(jié)流結(jié)構(gòu)能減少動靜環(huán)腔室低溫密封水與軸端高溫介質(zhì)的熱交換，同時避免了刷式密封材料磨下后，堵塞密封水冷卻循環(huán)管路，降低循環(huán)流量的風(fēng)險。原有擋圈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，更換后的迷宮節(jié)流結(jié)構(gòu)取消了擋圈結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度有了很大提升。盡管這對運(yùn)行方式提出了更高要求，泵啟停時升降溫速度必須控制在3℃/min范圍內(nèi)，運(yùn)行時需保持泵的振動優(yōu)良以避免動靜環(huán)產(chǎn)生較大摩擦，但上述兩點(diǎn)就泵體運(yùn)行控制而言并不存在難點(diǎn)。

同時在機(jī)械密封泵效環(huán)位置，加工深的凹齒，泵效環(huán)位置加工的凹齒，就如同給泵效環(huán)加上合適的葉輪，提供更大動力并驅(qū)動機(jī)械密封水循環(huán)，把流量提到設(shè)計要求，快速帶走動靜環(huán)摩擦及高溫部件傳遞過來的熱量。封嚴(yán)結(jié)構(gòu)更換后加工新型機(jī)械密封并安裝于2號機(jī)組汽動給水泵兩端。更換后在運(yùn)行中重新測量機(jī)械密封水循環(huán)流量，其值滿足設(shè)計要求。同時對不同汽泵轉(zhuǎn)速及閉式冷卻水條件下的機(jī)械密封水溫度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明在給水泵相同轉(zhuǎn)速及閉式冷卻水溫度工況下，機(jī)械密封水溫度比更換前低10℃左右，并在汽泵運(yùn)行每隔24小時清洗密封水冷卻器前濾網(wǎng)，清洗周期為1個月，未發(fā)現(xiàn)黑色絮狀物及其他磨損脫落物質(zhì)。同時對1號機(jī)組汽動給水泵做了相同處理，處理后汽動給水泵運(yùn)行情況和2號機(jī)組相同。

綜合上述情況可以判斷，本型汽泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中迷宮式結(jié)構(gòu)密封性及可靠性優(yōu)于刷式密封，能夠有效保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

（1）百萬機(jī)組單臺100%容量汽動給水泵布置相對于多臺給水泵布置具有運(yùn)行控制系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點(diǎn)，但同時對汽動給水泵機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性提出了更高要求；（2）汽動給水泵機(jī)械密封應(yīng)充分考慮到動靜環(huán)摩擦脫落物質(zhì)堵塞冷卻水濾網(wǎng)的可能性；（3）通過將本型汽動給水泵刷式密封結(jié)構(gòu)設(shè)計更換為迷宮式密封結(jié)構(gòu)，動靜環(huán)磨損脫落物堵塞濾網(wǎng)的可能性完全消除，汽泵機(jī)械密封及汽泵可靠性得到大幅提升。

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作者簡介：陳鵬（1976-），男，遼寧葫蘆島人，神華神東電力重慶萬州港電有限責(zé)任公司中級工程師，工程碩士，研究方向：大型火力發(fā)電廠設(shè)備管理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）