黑河水電站水輪機(jī)主軸密封改造方案的研究

馬艷麗， 周 強(qiáng)， 任江濤

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西安水務(wù)(集團(tuán))黑河水力發(fā)電責(zé)任有限公司,陜西 西安 710401; 3.西安水務(wù)(集團(tuán))引乾濟(jì)石管理有限公司, 陜西 安康 711400)

0 引言

西安黑河壩后水電站是西安水務(wù)(集團(tuán))西安黑河水利樞紐的配套工程。該工程是以西安市城市供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉，結(jié)合發(fā)電、防洪等綜合效益的大型水利工程。電站于2004年建成并投產(chǎn)運(yùn)行，裝有3臺HL(L2088439)-LJ-122水輪機(jī)及單機(jī)容量4 000 kW的發(fā)電機(jī)一臺、8 000 kW發(fā)電機(jī)兩臺，總裝機(jī)容量為2萬kW。電站最大工作水頭80.5 m，最小工作水頭34 m，平均使用水頭65.8 m。電站機(jī)組滿發(fā)時最大過流量32.6 m3/s ，最小過流量8.27 m3/s。水輪機(jī)主軸密封采用端面水壓式密封。這種形式的密封在電站運(yùn)行初期，達(dá)到比較好的運(yùn)行效果。隨著運(yùn)行年限的增長以及西安市用水量的增加，黑河水電站水輪機(jī)運(yùn)行工況較設(shè)計初期量變化比較大，主軸密封磨損嚴(yán)重，機(jī)組漏水情況加劇，甚至出現(xiàn)了水滿機(jī)坑、導(dǎo)軸承內(nèi)進(jìn)水等嚴(yán)重后果，直接影響了電站的正常發(fā)電。必須盡快研究黑河電站水輪機(jī)主軸密封的改造方案，確保電站的正常運(yùn)行。

1 黑河水電站水輪機(jī)主軸密封漏水分析

1.1 黑河水電站水輪機(jī)主軸密封現(xiàn)狀

黑河水電站三臺水輪發(fā)電機(jī)組是克瓦納(杭州)發(fā)電設(shè)備有限公司提供，主軸密封由工作密封和檢修密封組成。其中工作密封采用水壓式端面密封結(jié)構(gòu)密封如圖1所示。密封鏡板用不銹鋼制成，端面密封用清潔水潤滑，水壓為0.15～0.25 MPa。檢修密封處于工作密封下，檢修密封采用壓縮空氣壓迫橡膠圍帶密封件密封，壓縮空氣為0.5～0.7 MPa。

圖1 黑河水電站水輪機(jī)主軸密封結(jié)構(gòu)圖

1.2 黑河水電站水輪機(jī)主軸密封漏水原因分析

端面水壓式主軸密封在中低水頭混流式水輪機(jī)中比較常用，對于密封用水比較穩(wěn)定、且水輪機(jī)運(yùn)行水頭、尾水位和出力變化不大的中低水頭混流式水輪機(jī)，這種密封結(jié)構(gòu)基本上可以達(dá)到比較好的效果。但這種結(jié)構(gòu)的主軸密封，因密封用水的壓力無法隨著水輪機(jī)工況的變化而自動調(diào)整，隨著密封磨損的增加等因素，使得密封效果大打折扣，有時甚至無法達(dá)到密封效果，從而出現(xiàn)水漫水輪機(jī)機(jī)坑、導(dǎo)軸承內(nèi)進(jìn)水等嚴(yán)重后果[1]。黑河水電站是以供水為主兼顧發(fā)電的水電站。電站目前的運(yùn)行狀況較運(yùn)行初期變化較大，而目前電站采用的端面水壓式主軸密封形式由于無法隨著運(yùn)行工況的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致主軸密封漏水情況加劇。具體原因分析有以下幾點：

(1)在2004年運(yùn)行初期，電站水庫給西安市供水量為5 m3/s，2019年電站水庫的供水量為12 m3/s，由于供水量變化引起水庫水位變化從而導(dǎo)致主軸密封的壓力增大。其中1號機(jī)組長期處于低水頭、大流量的工作狀態(tài)。

(2)另外電站在空載時西安供水采用小弧門抬高了尾水位導(dǎo)致主軸密封排水不暢也引起機(jī)組漏水。

(3)在汛期時，運(yùn)行水位增加到79 m，較平時運(yùn)行增加了15～20 m，主軸密封的壓力增大，而且這種運(yùn)行狀態(tài)一直持續(xù)到汛期末[2]。

2 黑河水電站主軸密封改造方案選擇

2.1 非接觸迷宮式聯(lián)合泵板密封設(shè)計原理

黑河水電站主軸密封改造基于從盡可能節(jié)約成本，不對水輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)做大的修改并盡可能利用現(xiàn)有零部件為條件，針對目前在用的密封結(jié)構(gòu)的弱點，提出了非接觸迷宮式聯(lián)合泵板改造設(shè)計思路。非接觸迷宮式聯(lián)合泵板密封的原理是轉(zhuǎn)輪上冠新設(shè)置的泵板頂面和排水管。轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間的泄漏水一部分直接通過排水管排走，少量一部分通過轉(zhuǎn)輪上冠新設(shè)置的泵板頂面與頂蓋之間的間隙流入泵板內(nèi)圈與轉(zhuǎn)輪大軸法蘭之間的空腔，隨后由于徑向設(shè)置的泵板隨轉(zhuǎn)輪一起轉(zhuǎn)動使得進(jìn)入上述空腔的水隨即被抽至頂蓋排水管口，并通過頂蓋的排水管排走。轉(zhuǎn)輪上冠新設(shè)置的泵板尺寸需要根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速等因素確定，使得在機(jī)組以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的情況下，沒有水流到大軸法蘭的上方區(qū)域，迷宮式密封區(qū)處于無水狀態(tài)。由于密封區(qū)域沒有直接接觸的零部件，因而無需密封用水或冷卻水。當(dāng)機(jī)組低于額定轉(zhuǎn)速一定值時或機(jī)組完全停機(jī)時，這時轉(zhuǎn)輪上冠的泵板效應(yīng)就不起作用了，通過轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間的漏水經(jīng)過泵板區(qū)域，然后達(dá)到空氣圍帶的下方區(qū)域，大部分被空氣圍帶封住了，少量的水隨后被迷宮式密封完全封住，引自迷宮密封的排水管接至座環(huán)固定導(dǎo)葉的排水腔，這些少量的漏水被排至集水井[3]。

2.2 非接觸迷宮式聯(lián)合泵板密封設(shè)計方案

經(jīng)測算，每臺機(jī)的密封排水總量約為3.9 m3/分鐘，初步確定新密封結(jié)構(gòu)需要在頂蓋上設(shè)置四根2.5英寸的排水，這四根排水管引至機(jī)坑內(nèi)新設(shè)置的一根5英寸的排水總環(huán)管，該總環(huán)管再穿過水輪機(jī)機(jī)坑接至下游排放。經(jīng)過測算如果該總環(huán)管接至電站的集水井，則需要對原來集水井抽水水泵進(jìn)行核算，加大水泵的容量，同時要考慮增加一臺水泵備用，而且必須考慮現(xiàn)有的集水井抽水泵出口管道管徑是否能滿足上述密封排水總量的要求[4-8]。需要改造的部分：

(1)由于需要在轉(zhuǎn)輪上冠上設(shè)置泵板結(jié)構(gòu)，因而需要對原設(shè)計的轉(zhuǎn)輪上冠進(jìn)行少量的機(jī)加工(包括內(nèi)外兩圈小平臺的加工和一定數(shù)量的螺孔的制作)；

(2)需要對與轉(zhuǎn)輪上冠相對的頂蓋下平面進(jìn)行少量的改造；

(3)為了在頂蓋上布置四根2.5英寸的排水管并引至排水總環(huán)管，需要對現(xiàn)有的頂蓋和軸承支架進(jìn)行少量的加工；

(4)取消現(xiàn)有的密封塊、密封鏡板和相關(guān)的密封水管路。

在改造過程中需要新增加的零部件：

(1)轉(zhuǎn)輪上冠上的泵板組；

(2)迷宮式密封，包括大軸上的不銹鋼套和固定部分的內(nèi)側(cè)為低硬度合金的迷宮密封，具體改造設(shè)計如圖2所示；

(3)必要的排水管(2.5″和5″無縫鋼管)。

另外為了盡可能縮短改造周期，減少停機(jī)時間、多發(fā)電，需要按改造方案制作一個備品轉(zhuǎn)輪、泵板組及迷宮式密封；然后等水輪機(jī)拆開后對頂蓋及軸承支架進(jìn)行改造。這樣可縮短改造時間[9-11]。另外為了盡可能縮短改造周期，減少停機(jī)時間、多發(fā)電，需要按改造方案制作一個備品轉(zhuǎn)輪、泵板組及迷宮式密封；然后等水輪機(jī)拆開后對頂蓋及軸承支架進(jìn)行改造。這樣可縮短改造時間[9-11]。

圖2 黑河水電站非接觸式泵板密封改造方案

2.3 主軸密封鏡板改造簡易方案

黑河水電站由于供水及其汛期等因素的影響，水輪機(jī)主軸的鏡板水壓過大。工作密封與鏡板間沒有任何間隙，潤滑水無法潤滑，導(dǎo)致工作密封干摩擦而燒焦，造成嚴(yán)重后果。改造的思路是在鏡板的180度兩個邊分別加工一道0.5毫米寬1毫米深的水槽，這樣，密封水壓再大，工作密封與鏡板直接存在間隙，潤滑水得以排出，從而起到潤滑作用。鏡板經(jīng)處理后，水壓小時，調(diào)整水壓，水壓過大時在未來得及調(diào)整的情況下由水槽將水排出[12]。

3 改造方案的實施及效果

黑河電站于2004年6月投產(chǎn)運(yùn)行至今，累計發(fā)電9.68億度，發(fā)電效益1168萬。根據(jù)電站實際條件和成本核算，黑河水電站水輪機(jī)主軸密封改造方案確定為先采取鏡板改造方式，如果運(yùn)行效果不好則后期采用非接觸式泵板密封方式進(jìn)行徹底改造。改造方案首先在1號水輪機(jī)進(jìn)行試驗。改造于2018年11月完成前期的改造。鏡板處理后進(jìn)行水壓小時試驗，并重新調(diào)整密封最大水壓0.265MPa，經(jīng)過改造后的主軸密封潤滑良好，水導(dǎo)瓦溫度控制在42℃，水溫合適，而且大幅度減少了主軸密封塊更換量。自2018年11月至今，經(jīng)過兩年的運(yùn)行效果觀測，目前沒有出現(xiàn)主軸密封燒壞或者水淹事故的發(fā)生。