基于特高壓換流站閥內冷主泵機械密封滲漏原因及對策研究

常東旭，吳 寧，劉辛裔

(國網河南省電力公司直流運檢分公司，河南 鄭州 450052)

隨著我國用電量的迅猛增長以及發(fā)電資源和用電負荷逆向分布的現(xiàn)狀，給具有大容量、遠距離、低損耗等輸電優(yōu)勢的特高壓建設帶來了重大機遇[1-2]。特高壓成為我國建設堅強智能電網的重要發(fā)展方向，目前已投運或在建的特高壓輸電線路總長度已超3萬km，其對整個電力系統(tǒng)安全、可靠、經濟運行的作用日趨重要[3-4]。

換流閥作為特高壓輸電的關鍵設備，其運行功率大、額定電流高，產生熱量大，導致電抗器、晶閘管等器件溫度急劇上升，若不能及時對閥體進行降溫，將直接影響換流閥的電氣特性和使用壽命，甚至造成整個輸電系統(tǒng)故障[5]。運行經驗表明，閥冷系統(tǒng)是換流閥的薄弱環(huán)節(jié)，超過25%的換流閥故障是由閥冷系統(tǒng)故障造成的。故障時閥冷系統(tǒng)能夠直接給出閉鎖指令[6-7]。因此，閥冷系統(tǒng)穩(wěn)定運行對保障特高壓輸電系統(tǒng)可靠運行起著至關重要的作用。

在閥冷系統(tǒng)中，主循環(huán)泵(簡稱主泵)是唯一保持持續(xù)運行的設備，其作用是保證內水冷冷卻介質的壓力恒定和提供持續(xù)介質流量，一旦發(fā)生故障將會直接影響換流閥的冷卻效果，甚至會導致直流系統(tǒng)強迫性停運[8]。由于主泵軸封結構復雜，制造安裝精度要求高，因此其使用不當會出現(xiàn)磨損嚴重、機械端面泄漏等問題。文獻[9]、[10]研究了非接觸式機械密封(簡稱機封)因端面形貌的改變而產生熱彈流效應對密封性能的影響；文獻[11]通過影響系數考慮了熱彈結構變形與流體流動的耦合變形，對力變形、熱力變形的影響進行了比較，更準確描述了機封特性；文獻[12]考慮副密封的影響，通過對動環(huán)組件建模分析、將螺釘預緊力等效為分布力，得到泄漏率隨著螺釘預緊力的增大而增加的結論；文獻[13]指出螺釘預緊力對密封性能的影響規(guī)律與密封環(huán)和環(huán)座之間接觸關系有著密切的聯(lián)系，環(huán)座結構及邊界條件的不同是導致動、靜環(huán)功能差異的重要原因。上述文獻從不同角度對機封進行了深入研究，但針對換流站采用自沖洗式主泵長時間運行時出現(xiàn)滲漏問題的研究還比較少。

本文在分析換流閥水冷系統(tǒng)和內冷主泵的基礎上，重點研究帶沖洗管的自沖洗式內冷主泵機封滲漏原因，并提出相應對策，通過工程實例對所提對策進行驗證。

1 換流閥水冷系統(tǒng)分析

特高壓輸電系統(tǒng)中，換流閥冷卻系統(tǒng)主要將換流閥運行時產生的熱量帶走，以保障閥體等相關元件溫度在正常范圍內[14-15]。目前閥冷系統(tǒng)廣泛采用空氣絕緣-水循環(huán)冷卻方式，根據其功能和構成特點，又進一步分為外水冷系統(tǒng)和內水冷系統(tǒng)，整體架構如圖1所示。

圖1 換流閥水冷系統(tǒng)整體架構示意圖

外水冷系統(tǒng)是一個開放式的水循環(huán)系統(tǒng)，由冷卻塔、噴淋泵、平衡水池、水處理單元等構成。內水冷系統(tǒng)是一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)，由主循環(huán)冷卻回路、去離子系統(tǒng)、氮氣穩(wěn)壓系統(tǒng)、補水系統(tǒng)和換流閥冷卻水回路等構成，通過主泵將經外水冷系統(tǒng)冷卻后的循環(huán)水送至換流閥內，吸收閥運行時產生的熱量，內冷水又經外冷系統(tǒng)冷卻后，再開始下一個冷卻循環(huán)[16]。

2 換流閥內冷主泵分析

2.1 主泵分類介紹

換流閥內冷主泵為葉片泵，葉片泵又分為離心泵、軸流泵和斜流泵。軸流泵轉速較高、流量較大，但揚程僅為1～15 m，且高效率區(qū)窄，如今已基本被淘汰；斜流泵泵前尺寸較長，吸水井深度較大，因而在主廠房內難以安裝；離心泵具有體積較小、揚程較高、能在小流量運行、高效率范圍廣、抗汽蝕性能好、維修保養(yǎng)容易和使用壽命長等優(yōu)點，較好地滿足了閥冷主泵的使用要求，因此閥冷主泵多選用離心泵。

根據安裝方式和構成，離心泵又進一步分為立式泵和臥式泵，其功能特點等見表1，外觀如圖2和3所示。

2.2 含沖洗管內冷主泵機封結構分析

換流站閥內冷主泵大多為臥式離心泵，其機封主要由動環(huán)和靜環(huán)構成，是一對或數對垂直于泵軸作相對滑動、在流體壓力和補償機構的彈力作用下保持貼合的端面，配以輔助元件實現(xiàn)阻漏的裝置。動環(huán)隨主泵旋轉軸一起旋轉，靜環(huán)固定不動，依靠介質壓力和彈簧力使動靜環(huán)之間的密封端面緊密貼合并相對滑動，組成密封端面以防止介質泄漏；靜環(huán)安裝在設備的殼體、壓蓋、法蘭等靜止部位，靠密封端面來防止介質泄漏。為了防止介質通過間隙泄漏，動環(huán)和靜環(huán)均裝有密封圈。為防止因介質腐蝕、磨合面溫度升高所造成的泄漏，含沖洗管內冷主泵從泵出口引出一根水管，用于對機封密封面沖洗降溫。其結構如圖4所示。

表1 立式離心泵和臥式離心泵對比

圖2 立式離心泵外觀示意圖

圖3 臥式離心泵外觀示意圖

由于主泵是動力設備，因此主泵的密封一般采用動密封中的接觸密封，各種接觸密封措施對比見表2。

圖4 主泵機械密封結構示意圖

表2 各種接觸密封措施對比

3 含沖洗管內冷主泵機封滲漏研究

3.1 含沖洗管內冷主泵機封滲漏危害分析

目前，換流閥內冷主泵常采用自沖洗方式對自身機械密封面進行沖洗降溫，沖洗介質由泵的出口端通過連接管引入泵體密封腔。由于機封沖洗量在工程應用上很難通過直接計算得到，因此工程中一般采用經驗法，讓流體工作在層流和湍流的臨界狀態(tài)，但該方法常因流速選取不當導致內冷主泵機封滲漏。

含沖洗管內冷主泵機封滲漏產生的危害如下：

1)導致主泵故障頻繁，嚴重影響閥冷系統(tǒng)正常運行，造成換流閥運行工況惡化。

2)加速被沖洗管長期沖洗的靜環(huán)表面坡口損傷，使得動環(huán)和靜環(huán)之間摩擦系數增大，影響主泵性能。

3)雜質進入水冷系統(tǒng)，可能造成水質不能滿足運行規(guī)定，進而影響冷卻效果。

4)易在機封面堆積污物，使密封性能下降，機封過早失效。

5)機封面不能有效降溫，造成機封過早磨損失效。

3.2 含沖洗管內冷主泵機封滲漏原因研究

含沖洗管內冷主泵機封滲漏原因如下：

1)沖洗管進出口壓差較大，靜環(huán)表面產生持續(xù)高壓沖擊水流。如果主泵出水水壓較高，沖洗管出口水壓較低，則沖洗管進出口壓差較大，會在機封冷卻水管安裝處產生較高壓力的沖洗水流，水流不斷沖擊靜環(huán)表面，出現(xiàn)損傷坡口，造成機封滲漏。

2)冷卻水不規(guī)則且具有較高能量壓力流態(tài)。當冷卻水壓力過高、流量過大時，冷卻水流態(tài)將是湍流形態(tài)，具有較高的能量。機封在冷卻水不規(guī)則且具有較高能量壓力流態(tài)作用下，機封表面會被緩慢破壞。

3)顆粒雜質的沉淀。泵在運轉過程中，冷卻介質如果不純，會導致靜環(huán)密封腔中沉積或形成雜質過多，使機封動、靜環(huán)失去浮動性，嚴重時雜質進入動靜環(huán)加劇磨損，導致機封迅速失效。

4)離心泵的振動。由于制造和安裝精度等原因，離心泵存在垂直、水平和軸向方面的振動。當振動加劇時，動靜環(huán)之間會發(fā)生瞬間分離，在液膜壓力作用下使密封面開啟，出現(xiàn)大量泄漏。

4 含沖洗管內冷主泵機封防滲漏對策

為使主泵在運行過程中動靜環(huán)密封面間能維持一層潤滑液膜，且機封冷卻介質得到充分循環(huán)將熱量帶走，防止機封出現(xiàn)滲漏，主要采取以下對策：

1)在沖洗水管上安裝壓力調節(jié)裝置，降低冷卻水進口壓力，減小沖洗管進出口壓差，降低在機封冷卻水管安裝處沖洗水流的壓力，減小水流對靜環(huán)表面的沖擊，避免靜環(huán)表面因沖洗而損傷，造成機封滲漏。

2)在沖洗管減壓裝置上安裝壓力表，監(jiān)測沖洗管內水流壓力，使沖洗管內冷卻水流從湍流變成層流，降低冷卻水能量，減少冷卻水對機械密封造成的損害。

3)冷卻系統(tǒng)使用純水，并安裝過濾器過濾水中顆粒雜質，保持水質純凈。

4)定期檢查主泵的地腳螺栓是否緊固、泵中心是否符合標準規(guī)定、轉子與定子是否同心等。

5 工程驗證

5.1 工程概況

以特高壓直流輸電工程中州換流站為例，對所給主泵機封滲漏對策進行驗證。該站換流閥內冷系統(tǒng)用的是MCPK系列主泵、集裝式機械密封，在泵出口處設置了冷卻水管，將主泵出口的高壓水引至主泵機封內部，對動、靜環(huán)進行冷卻和沖洗，如圖5所示。

圖5 帶沖洗管的主泵實例

圖4中，主泵揚程為55 m、入口壓力為0.25 MPa、出口壓力為0.80 MPa；沖洗管采用直徑為10 mm的直通鋼管，出口水壓為0.25 MPa、入口壓力和出口壓力壓差為0.55 MPa。此工況實際的冷卻水流速和一般控制的冷卻水平均流速分別為4.4 m/s和2.3 m/s。

5.2 問題分析

該站投運以來，閥內冷主泵長時間運行后在機封處靜環(huán)表面沖洗出損傷坡口，頻繁出現(xiàn)水滲漏的情況，如圖6所示。

圖6 機封靜環(huán)沖刷坡口實例

靜環(huán)表面出現(xiàn)坡口后，機封出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，只能在線更換機封。更換機封時需將故障主泵停運，此時閥內水冷僅有一臺主泵運行，系統(tǒng)失去冗余能力，當運行主泵再發(fā)生故障而停機時，將發(fā)生直流系統(tǒng)停運事故。

5.3 內冷水流動特性分析

為確定內冷水的流動特性，通過計算雷諾數確定當前沖洗量下冷卻水的流動狀態(tài)。

雷諾數計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Re為雷諾數；ρ為冷卻水密度，25 ℃時為996 kg/m3；v為冷卻水流速，m/s；d為沖洗管直徑，m；μ為冷卻水黏性系數，25 ℃時水的黏度為0.000 894 N·s/m2。

由式(1)可得雷諾數為：

圓管內液體雷諾數與液體流態(tài)之間的對應關系如下：1)層流,Re<2 400；2)過渡流,2 400≤Re≤4 000；3)湍流,Re>4 000。由計算結果可知，冷卻水當前雷諾數遠大于4 000，處于湍流狀態(tài)，具有很高的水頭能量。

5.4 解決方案

由上述分析可知，目前冷卻水流態(tài)不合適是機封滲漏的主要原因，根據本文所提對策對沖洗管進行以下改造：

1)在沖洗管管路上安裝節(jié)流閥，用于調節(jié)管內冷卻水壓力。

2)在沖洗管上安裝流體流線調節(jié)器，吸收湍流水頭的能量，使流體流線具有很好的一致性，攜帶的能量變小，降低對機封造成的損害，如圖7所示。

圖7 流線調節(jié)示意圖

3)壓力調節(jié)閥和流線調節(jié)器兩端采用卡套接頭，方便對其進行更換。流線調節(jié)器安裝直讀式壓力指示表，作為調節(jié)壓力時的監(jiān)視器，如圖8所示。

圖8 改進效果示意圖

為了確定調節(jié)壓力，取雷諾數為2 400～4 000，即流體處于層流和湍流的臨界狀態(tài)，計算冷卻水流速和流體壓差。

流體溫度為25 ℃、雷諾數為2 400時，由式(1)可得冷卻水流速v為：

流體介質為水時，管壓差、流速、管徑之間的關系式如式(2)所示：

(2)

式中：Δp為沖洗管進出口壓差，kPa 。

由式(2)可得流體壓差為：

同理，流體溫度為25 ℃、雷諾數為4 000時，可得冷卻水流速為0.359 m/s，流體壓差為3.628 kPa。

通過上述計算，將流線調節(jié)器壓差范圍設定為1.306～3.628 kPa，如果主泵入口壓力為250 kPa，則流線調節(jié)器顯示壓力值范圍為251.306～253.628 kPa,因此理論上能夠通過節(jié)流閥將主泵入口壓力調整為251.306～253.628 kPa。實際工程中，一般控制機械密封水壓力比進口水壓力高0.1～0.2 MPa，可以根據一般控制的冷卻水流量，通過節(jié)流閥將流線調節(jié)器上的壓力顯示值調節(jié)到(主循環(huán)泵入口壓力+0.1 MPa)～(主循環(huán)泵入口壓力+0.2 MPa)的范圍內，既能保證沖洗量，又能使冷卻水經過流線調節(jié)器時釋放能量，實現(xiàn)保護機封的目的。

經過改造后，該站主泵機封滲漏次數和運行維護成本大大減少，主泵使用壽命延長，備件更換頻率大幅降低，閥內冷系統(tǒng)運行更加可靠。

6 結束語

本文在分析換流閥水冷系統(tǒng)架構、含沖洗管閥內冷主循環(huán)泵機械密封結構的基礎上，重點研究了機械密封滲漏的原因，提出了相關對策，通過實際工程驗證，得到以下結論：

1)在含沖洗管閥內冷主循環(huán)泵沖洗管上增加減壓裝置后，能夠減少主循環(huán)泵機械密封滲漏次數，大幅降低備件更換頻率和運行維護成本，閥內冷系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。

2)沖洗管增加管內水流監(jiān)測壓力表后，更便于精確調節(jié)沖洗管內水流壓力，及時掌握水流狀態(tài)，降低對機械密封面靜環(huán)的沖擊壓力，避免靜環(huán)受損。

3)主循環(huán)泵沖洗管改造后，延長了換流閥內冷系統(tǒng)主循環(huán)泵機械密封的使用壽命，降低了因機械密封滲漏而造成直流系統(tǒng)強迫性停運的風險。