無(wú)接觸泵板主軸密封在水電站的應(yīng)用

陳良勇，胡小剛

(1.三峽金沙江川云水電開(kāi)發(fā)有限公司向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612；2.重慶大唐國(guó)際武隆水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 408506)

沙灣水電站位于四川省木里河，工程開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水，電站采用低閘引水式開(kāi)發(fā)，具有日調(diào)節(jié)性能，共安裝4臺(tái)單機(jī)容量為60 MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。水輪發(fā)電機(jī)組由東風(fēng)電機(jī)有限公司制造安裝。電站于2012-10-20日建成投產(chǎn)，并通過(guò)220 kV線路接入四川電網(wǎng)。水輪機(jī)型號(hào)為HLA351-LJ-305，最高水頭257.6 m，最低水頭218 m，額定水頭220 m，額定轉(zhuǎn)速333.3 r/min，水輪機(jī)最大吸出高程為-4 m，額定流量35.82 m3/s，河流多年平均流量103 m3/s，年平均含沙量0.854 kg/m3，多年汛期(6～10月)平均含沙量1.10 kg/m3，年平均過(guò)機(jī)含沙量0.561 kg/m3，中數(shù)粒徑為0.033 mm，過(guò)機(jī)泥沙中莫式硬度大于或等于5的硬礦物含量為1.0～2.0%。沙灣水電站年平均過(guò)機(jī)懸移質(zhì)顆粒級(jí)配研究成果見(jiàn)表1。

表1 年平均過(guò)機(jī)懸移質(zhì)顆粒級(jí)配成果表

根據(jù)沙灣水電站的泥沙資料可以看出本電站的過(guò)機(jī)泥沙含量較重。水電站運(yùn)行水頭為218.00～257.60 m，處于大中型混流式水輪機(jī)的典型運(yùn)用水頭范圍內(nèi)。

1 水輪機(jī)主軸密封裝置簡(jiǎn)介

水輪機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換的重要載體，是水電站水輪發(fā)電機(jī)組的核心設(shè)備，水導(dǎo)軸承的運(yùn)行工況是檢驗(yàn)水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性能的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與上冠之間存在一個(gè)低壓水腔，俗稱轉(zhuǎn)輪上腔，其水源為上止漏環(huán)的漏水，為防止轉(zhuǎn)輪上腔壓力水通過(guò)主軸與頂蓋(或支持蓋)間的縫隙滲入機(jī)坑，淹沒(méi)頂蓋及水導(dǎo)軸承，破壞水導(dǎo)軸承的正常工作，在軸承下方設(shè)置了主軸密封裝置，密封裝置的運(yùn)行效果決定了水輪機(jī)是否能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行。按工作性質(zhì)可將水輪機(jī)主軸密封分為工作密封和檢修密封。

1.1 工作密封結(jié)構(gòu)原理

水輪機(jī)工作密封按照密封結(jié)構(gòu)型式可以分為：平板密封、徑向密封、盤根密封、端面密封以及迷宮環(huán)密封。迷宮環(huán)密封是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新式密封，其工作原理是在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪頂部設(shè)有泵板裝置，由于泵板的吸出作用，主軸法蘭始終處于大氣之中，軸與軸封間不接觸并只有一層空氣，該密封有極長(zhǎng)的壽命。這種新型密封已逐步被推廣，在多個(gè)電站中被應(yīng)用，且運(yùn)行效果較好。

大多數(shù)工作密封需要清潔水，而清潔水主要來(lái)自機(jī)組技術(shù)供水，對(duì)橡膠密封潤(rùn)滑水的要求較高，一般主軸密封供水管路中設(shè)有減壓或加壓設(shè)備、濾水器等[1]。為了保證供水水質(zhì)，機(jī)組的供水管路上需要裝設(shè)兩級(jí)水過(guò)濾裝置。第一級(jí)為粗過(guò)濾，第二級(jí)為精過(guò)濾。對(duì)主軸密封的潤(rùn)滑水需要增加主軸密封過(guò)濾器，加壓泵等。而泵板密封無(wú)需清潔水也不需要技術(shù)供水管道閥門及濾水器。但選用哪種工作密封需要根據(jù)水電站的具體情況，對(duì)水質(zhì)，機(jī)組型式，轉(zhuǎn)速等因素進(jìn)行分析，選擇最為科學(xué)的密封結(jié)構(gòu)，并在設(shè)計(jì)中考慮穩(wěn)定性和科學(xué)性，使密封安裝和維護(hù)更加簡(jiǎn)便，提高水輪機(jī)運(yùn)行效率，從而保證水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 檢修密封工作原理

檢修密封是水輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)或工作密封檢修時(shí)投入的密封，是主軸密封的輔助程序，當(dāng)水輪機(jī)停止運(yùn)行或檢修水輪機(jī)工作密封和水導(dǎo)軸承時(shí)使用的一種密封技術(shù)，以防止在尾水位較高時(shí)倒灌進(jìn)入機(jī)坑內(nèi)。檢修密封型式常分為空氣圍帶式、機(jī)械式和抬機(jī)式檢修密封等。其中空氣圍帶式是最為常見(jiàn)的密封?？諝鈬鷰z修密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，密封效果好，大多數(shù)機(jī)組檢修密封都用此結(jié)構(gòu)。

2 無(wú)接觸泵板密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

沙灣水電站過(guò)機(jī)泥沙含量較多，對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件危害較大，選用一般形式的主軸密封不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。所以采用了無(wú)接觸泵板主軸密封作為工作密封(見(jiàn)圖1)，選用空氣圍帶式密封作為檢修密封。

圖1 無(wú)接觸泵板主軸密封結(jié)構(gòu)

沙灣水電站主軸工作密封泵板材質(zhì)為不銹鋼，泵板由螺栓把合在轉(zhuǎn)輪上冠上，工作中將由上止漏環(huán)流入的泄漏水通過(guò)泵板作用壓入頂蓋上排泄腔，經(jīng)頂蓋排泄腔上均勻分布的4根直徑為DN100的排水管排走，以保持密封作用。無(wú)接觸間隙密封由轉(zhuǎn)動(dòng)軸套及主軸密封箱組成，無(wú)需潤(rùn)滑和冷卻。轉(zhuǎn)動(dòng)軸套采用不銹鋼材料，其表面附有一層軟金屬巴氏合金材料，可防止因接觸固定部分而造成的事故。轉(zhuǎn)動(dòng)軸套分二瓣，由不銹鋼螺栓把合并固定在水輪機(jī)主軸上。主軸密封箱采用低碳鋼板焊接而成，分成二瓣，利用螺栓固定在頂蓋上。主軸密封箱分成上下二室，上室接有2根直徑為DN40排水管，可將開(kāi)停機(jī)過(guò)程中的泄漏水以及正常運(yùn)轉(zhuǎn)中剩余的少量泄漏水匯集至直徑為DN65主軸密封排水管，通過(guò)自流方式排至滲漏集水井。

無(wú)接觸泵板密封的特點(diǎn)是，軸封的靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分不接觸，密封使用壽命較長(zhǎng)。密封免檢修免維護(hù)，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)不需要冷卻或潤(rùn)滑清潔水，轉(zhuǎn)輪上的泵板裝置可防止水和固體進(jìn)入主軸密封，通常軸密是干的，頂蓋卸壓系統(tǒng)可防止泥沙或固體物質(zhì)積存在水機(jī)頂蓋下，機(jī)組旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心作用可使軸密封不接觸水中的沙和其他固體物質(zhì)。

3 無(wú)接觸泵板密封工作原理及優(yōu)點(diǎn)

沙灣水電站安裝的高水頭混流式水輪機(jī)，具有運(yùn)行水頭高、額定轉(zhuǎn)速大、水流速度大、過(guò)機(jī)泥沙重等特點(diǎn)。沙灣水電站水輪機(jī)采用非接觸密封結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主軸密封主要由間隙式密封、轉(zhuǎn)輪上冠處的泵板、頂蓋排水管等組成。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)泵板轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，由泵板帶動(dòng)泵板內(nèi)腔的水轉(zhuǎn)動(dòng)，使泵板進(jìn)出口的水產(chǎn)生壓差，再由排水管將水排向集水箱，作為機(jī)組冷卻水或者直接排向尾水管。機(jī)組剛起動(dòng)時(shí)，間隙密封處的水是不能完全靠泵板全部排干的，極少量的水通過(guò)間隙密封處的排水管直接排至集水井，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升后，間隙密封處的水將全部被排出，達(dá)到密封效果。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)此密封裝置的密封性能非常好。由于這種密封型式為非接觸性密封，因而完全適應(yīng)高水頭機(jī)組主軸密封區(qū)域高速度的要求。間隙式密封靜止部分與運(yùn)動(dòng)部件不接觸，運(yùn)行時(shí)無(wú)需密封潤(rùn)滑冷卻水，密封件也不存在磨損現(xiàn)象，無(wú)需維護(hù)和更換。

4 對(duì)無(wú)接觸泵板密封的運(yùn)行思考

沙灣水電站4臺(tái)機(jī)組于2012年10月并網(wǎng)投入運(yùn)行以來(lái)，未發(fā)生過(guò)無(wú)接觸泵板主軸密封故障，在2015年3號(hào)機(jī)組A修時(shí)[2]，因擺度超標(biāo)，過(guò)流部件磨損空蝕嚴(yán)重，在對(duì)主軸密封泵板解體檢查發(fā)現(xiàn)間隙式密封有輕微空蝕發(fā)生。分析出現(xiàn)空蝕的原因?yàn)椋核啓C(jī)擺度超標(biāo)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸套和主軸密封本體運(yùn)行間隙不均勻，機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸套和主軸密封箱產(chǎn)生間隙空蝕。由于間隙空蝕的破壞一般較小，后來(lái)檢修人員對(duì)空蝕進(jìn)行補(bǔ)焊打磨，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)將裝配單邊間隙調(diào)整為0.25～0.35 mm，有效減輕了水流對(duì)無(wú)接觸間隙密封的沖蝕[3]。

經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行實(shí)踐，無(wú)接觸泵板主軸密封機(jī)組在運(yùn)行中應(yīng)注意檢查：①頂蓋壓力指示和擺動(dòng)情況是否較平時(shí)增大；②機(jī)坑內(nèi)的排水管是否暢通；③管路接頭，法蘭連接處有無(wú)漏水；④密封座與密封轉(zhuǎn)環(huán)間所構(gòu)成的密封間隙處是否漏水及漏水變化情況；⑤該泵板密封裝置在低轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)封水不好，機(jī)坑內(nèi)漏水較大，所以建議開(kāi)停機(jī)時(shí)應(yīng)注意水輪機(jī)頂蓋的漏水情況，并盡可能減少機(jī)組在低轉(zhuǎn)速時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。

5 結(jié) 語(yǔ)

水輪機(jī)主軸密封對(duì)水電機(jī)組的安全運(yùn)行起著極其重要的作用，主軸密封也是水輪機(jī)最容易發(fā)生故障的部件之一，水電站檢修維護(hù)人員不僅要及時(shí)掌握主軸密封的實(shí)際工作狀況，還要不斷對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析和總結(jié)，以減少由于水輪機(jī)主軸密封發(fā)生故障造成的停機(jī)事故，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，改善機(jī)組運(yùn)行工況，增加水電站的發(fā)電量。無(wú)接觸泵板密封在多泥沙、高水頭、高轉(zhuǎn)速水電站的成功應(yīng)用，并經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行實(shí)踐，其安全可靠性得到了進(jìn)一步驗(yàn)證，可以為同類型水電站水輪機(jī)工作密封的選型或技術(shù)改造提供借鑒和參考。