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天荒坪抽水蓄能電站主軸密封改造

摘要：本文介紹天荒坪抽水蓄能電站的主軸密封在投產(chǎn)初期出現(xiàn)問(wèn)題，分析了原因，以及改造方案，消除了投產(chǎn)以來(lái)一直困擾電站**穩(wěn)定運(yùn)行的隱患，提高了機(jī)組的運(yùn)行可靠性。同時(shí)希望本文能夠給在建的高水頭、高轉(zhuǎn)速、高水位變幅的抽水蓄能電站的主軸密封設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：天荒坪　抽水蓄能　主軸密封
     1　概述
     天荒坪抽水蓄能電站是一座高水頭，高水位變幅、高轉(zhuǎn)速的純抽水蓄能電站，水泵水輪機(jī)由GE Norway公司制造，而其大軸密封則由分包商英國(guó)的Sterling Mechanical Seal 制造，首臺(tái)機(jī)組于1998年9月投入運(yùn)行。由于廠家設(shè)計(jì)原因，自投產(chǎn)以來(lái)，主軸密封一直是影響天荒坪電站機(jī)組啟動(dòng)成功率和不穩(wěn)定因素。2002年以前，廠家雖經(jīng)過(guò)對(duì)主軸密封多次改造，但仍不能完全解決主軸密封的運(yùn)行中溫度突升造成密封磨損較快等問(wèn)題。2002年，經(jīng)過(guò)制造廠和天荒坪電站有關(guān)技術(shù)人員對(duì)主軸密封再次共同研究，重新設(shè)計(jì)主軸密封，并經(jīng)過(guò)有限元分析和模型試驗(yàn)后，2003年在機(jī)組上安裝試驗(yàn)取得了成功，主軸密封的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題*終得以解決。
     2　主軸密封運(yùn)行條件
     2.1　水頭條件
     電站設(shè)計(jì)水頭為526米，水輪機(jī)淹沒(méi)深度為-70米，電站運(yùn)行水頭范圍為526~610米，其中供主軸密封水源的下庫(kù)運(yùn)行變化水位在295~345米之間變化，即主軸密封工作水壓變化達(dá)50米。
     2.2　速度條件
機(jī)組設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為500RPM（轉(zhuǎn)/分），*高飛逸轉(zhuǎn)速為720RPM，為順時(shí)針和逆時(shí)針雙向旋轉(zhuǎn)，大軸直徑為940mm，主軸密封處的運(yùn)行切向線速度為30m/s，*高切向線速度約為43 m/s。
     2.3　工況條件
本電站機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行工況有發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相，停機(jī)等五種工況，有停機(jī)-發(fā)電-停機(jī)、發(fā)電-發(fā)電調(diào)相-發(fā)電、停機(jī)-抽水調(diào)相-抽水-停機(jī)（抽水調(diào)相）等工況轉(zhuǎn)換，每天開(kāi)停機(jī)按10次設(shè)計(jì)。每種工況主軸密封轉(zhuǎn)輪側(cè)（密封腔）壓力差異懸殊。
     2.4　水力條件
由于上述三種的條件的綜合影響，在主軸密封處就形成了復(fù)雜的水力條件，由于旋轉(zhuǎn)離心力的作用和尾水動(dòng)、靜態(tài)真空的影響以及氣和水的粘滯作用的差異，機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換時(shí)將造成主軸密封處的水壓力的變化，當(dāng)機(jī)組在停機(jī)時(shí)，主軸密封處的水壓力為下庫(kù)靜水壓力，在下庫(kù)水位變幅范圍內(nèi)約在0.7~1.2MPa之間變化（設(shè)計(jì)*小淹沒(méi)深度為-70米）。當(dāng)機(jī)組在調(diào)相工況運(yùn)行時(shí)，因機(jī)組在壓縮空氣中旋轉(zhuǎn)，對(duì)主軸密封處的壓力影響不大，基本與停機(jī)狀態(tài)相同。但當(dāng)機(jī)組以500RPM的轉(zhuǎn)速在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)，將使主軸密封處的壓力降低約一半，即在0.3~0.65MPa內(nèi)變化，這就要求主軸密封在工況轉(zhuǎn)換的短時(shí)間內(nèi)必須適應(yīng)此水壓力的變化，既要防止主軸密封壓得過(guò)緊而影響潤(rùn)滑水膜厚度而燒損，又要防止主軸密封向上抬起造成水淹廠房發(fā)生。因主軸密封的另一側(cè)為大氣壓力，上述的壓力變化也將造成密封結(jié)構(gòu)件的不均勻變形，將影響動(dòng)密封的接觸面，進(jìn)而影響主軸密封的冷卻潤(rùn)滑水流量、水膜的形狀及其內(nèi)部壓力降，同時(shí)也將影響主軸密封處的水壓平衡，對(duì)主軸密封的運(yùn)行造成負(fù)面影響。
     3　歷年主軸密封故障分析
由于天荒坪電站機(jī)組的主軸密封工作環(huán)境惡劣，投運(yùn)后，運(yùn)行一直不穩(wěn)定，從歷年的統(tǒng)計(jì)情況看，除2003年主軸密封已改造外，主軸密封引起的故障占全廠故障的20%左右，是影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。歷年來(lái)主軸密封的故障特征也不相同，在2000年以前，主軸密封的缺陷主要特征是因在調(diào)相工況下，主軸密封處的壓力較高，造成其外環(huán)變形較大，從而主軸密封在調(diào)相運(yùn)行時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入主軸密封的操作腔，而影響主軸密封的壓緊力，造成溫度升高而燒損。2000年后，對(duì)主軸密封的外環(huán)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了材料的強(qiáng)度和加強(qiáng)筋，從而增加了結(jié)構(gòu)剛度，減小其變形，此時(shí)主軸密封的故障特征已表現(xiàn)為調(diào)相工況能正常運(yùn)行，但工況轉(zhuǎn)換時(shí)需要人工調(diào)整操作腔的壓力，以適應(yīng)主軸密封穩(wěn)定運(yùn)行的需要。此外，由于機(jī)組合為雙向旋轉(zhuǎn)，在主軸密封的上下可移動(dòng)壓環(huán)上安裝有雙向防轉(zhuǎn)動(dòng)鍵，經(jīng)過(guò)多次雙向運(yùn)行撞擊后形成的凹坑影響主密封移動(dòng)環(huán)的上下移動(dòng)，造成主軸密封在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)溫度突升的異?，F(xiàn)象。2003年后，經(jīng)過(guò)整體更換，上述缺陷基本消失，從而使主軸密封的運(yùn)行性能大大提高，消除了長(zhǎng)期困擾機(jī)組運(yùn)行的隱患。

4　舊主軸密封工作原理
舊密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。移動(dòng)環(huán)垂直方向受力如圖2所示。

技術(shù)供水系統(tǒng)供給主軸密封操作腔7一穩(wěn)定壓力P0，該壓力只能人工調(diào)整，而不能隨尾水壓力變化。P2為密封腔壓力，隨機(jī)組運(yùn)行工況、轉(zhuǎn)速、下庫(kù)水位等變化。P1為技術(shù)供水系統(tǒng)提供給密封面的冷卻潤(rùn)滑水壓力，隨冷卻潤(rùn)滑水膜厚度和系統(tǒng)供水壓力變化而變化。正常情況下，P0、P1、P2以及不銹鋼移動(dòng)環(huán)的自重達(dá)到平衡，在不銹鋼移動(dòng)環(huán)與密封環(huán)之間形成穩(wěn)定的冷卻潤(rùn)滑水膜和足夠的冷卻水流量，主軸密封保持穩(wěn)定的溫度運(yùn)行。
     5　舊主軸密封存在問(wèn)題
     5.1原理問(wèn)題
舊主軸密封的采用固定水壓力提供密封的壓緊力，這樣將導(dǎo)致工況轉(zhuǎn)換時(shí)，由于主軸密封處水壓力的變化可能打破密封移動(dòng)環(huán)的水壓力平衡，造成的直接后果就可能是冷卻水流量的不足或中斷，密封發(fā)生干摩擦、運(yùn)行溫度高而燒損，或者是移動(dòng)環(huán)向上被抬起，而造成密封失效，生水淹廠房的情況。
原密封環(huán)隨大軸一起旋轉(zhuǎn)，密封環(huán)被磨損后，移動(dòng)環(huán)將嵌入密封環(huán)，機(jī)組旋轉(zhuǎn)造成的大軸擺度將影響移動(dòng)環(huán)與密封環(huán)的間隙，進(jìn)而影響主軸密封的冷卻水流量和效果，甚至造成密封環(huán)的碎裂。
     5.2結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題
作為主軸密封的基座的水輪機(jī)頂蓋、內(nèi)頂蓋、檢修密封以及主軸密封外環(huán)等水輪機(jī)流道內(nèi)的水壓力作用下，相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁的受力結(jié)構(gòu)，各部件在水壓力的作用下產(chǎn)生的變形將積累至終端的主軸密封外環(huán)，因主軸密封的外環(huán)為分半組合結(jié)構(gòu)，此變形過(guò)大將影響外環(huán)的組合面間隙，造成主軸密封固定壓力腔（操作腔7）與尾水之間的泄漏，從而影響主軸密封的操作腔的壓力，使主軸密封的水壓平衡被打破。
     5.3防轉(zhuǎn)動(dòng)鍵損壞問(wèn)題
為防止主軸密封的移動(dòng)環(huán)隨著密封環(huán)旋轉(zhuǎn)，在移動(dòng)環(huán)上安裝有防止轉(zhuǎn)動(dòng)鍵，因?yàn)闄C(jī)組有兩種旋轉(zhuǎn)方向，移動(dòng)環(huán)又要適應(yīng)密封環(huán)被磨損后跟隨壓緊的移動(dòng)要求，防轉(zhuǎn)動(dòng)鍵與鍵槽之間必然存在一定的間隙，當(dāng)機(jī)組改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，防轉(zhuǎn)動(dòng)鍵與鍵槽壁將發(fā)生撞擊，撞擊多次后，將產(chǎn)生凹坑、毛剌和鍵連接螺栓的斷裂，影響移動(dòng)環(huán)的上下移動(dòng)。雖然廠家把防轉(zhuǎn)動(dòng)鍵改成了類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂的材料，但由于該材料強(qiáng)度不高容易碎裂而效果不佳。
     5.4指示裝置損壞
原主軸密封為了監(jiān)測(cè)密封環(huán)的磨損情況，安裝有密封磨損指示桿，該指示桿穿過(guò)操作腔而連接到移動(dòng)環(huán)上，運(yùn)行中移動(dòng)環(huán)的上下移動(dòng)、機(jī)組的振動(dòng)、特別是移動(dòng)環(huán)的向上抬起極易造成指示桿斷裂而沖出，造成操作腔的泄壓而密封失效。
     6　新型主軸密封
     6.1結(jié)構(gòu)形式

新型主軸密封結(jié)構(gòu)如圖3所示，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
運(yùn)行介質(zhì)：    水
設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速：   500rpm
設(shè)計(jì)*大瞬時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速： 720rpm
設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速：  680rpm
設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力范圍：  0.3~1.2Mpa
壓力調(diào)節(jié)氣缸數(shù)：  6只（均布）
氣壓調(diào)節(jié)范圍：   0-1.0MPa
     6.2新型主軸密封的工作原理
新型主軸密封取消了原主軸密封的固定壓力操作腔，利用移動(dòng)環(huán)及密封環(huán)的受力面積和壓力降使密封在壓力變化范圍內(nèi)自動(dòng)平衡，移動(dòng)環(huán)上的壓緊力將隨尾水壓力自動(dòng)變化，只要移動(dòng)環(huán)上受壓面積選擇合理，就可使密封能夠自動(dòng)適應(yīng)工況轉(zhuǎn)換而運(yùn)行穩(wěn)定。具體描述如下：正常運(yùn)行條件下，主軸密封的外環(huán)1、移動(dòng)環(huán)2、支撐環(huán)7、密封環(huán)3（合成纖維脂材料，抗變形能力較弱）和抗磨環(huán)4等形成的壓力腔內(nèi)充滿(mǎn)著尾水壓力，該壓力隨下庫(kù)水位、機(jī)組轉(zhuǎn)速、運(yùn)行工況等變化而變化，如圖4所示P0，就天荒坪電站而言，它的變化范圍為0.3~1.2MPa。同時(shí)機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)供一路冷卻水在主軸密封密封環(huán)3與抗磨板4處形成壓力P2，該壓力沿里側(cè)方向泄至零，沿外側(cè)方向泄至尾水壓力P0，P2既受機(jī)組技術(shù)供水壓力影響，也受機(jī)組密封環(huán)與抗磨板之間的液態(tài)冷卻膜厚度的影響，事實(shí)上，移動(dòng)環(huán)（包括密封環(huán)）在水壓作用下的變形和移動(dòng)環(huán)上所受的豎直方向的力都將影響其液態(tài)冷卻膜的厚度和壓力分布，從而影響移動(dòng)環(huán)的平衡。因此主軸密封能否穩(wěn)定運(yùn)行取決于主軸密封上的移動(dòng)環(huán)的受力情況及其抗變形能力，如果移動(dòng)環(huán)所受向上的合力過(guò)大，則主軸密封移動(dòng)環(huán)將向上抬起，造成主軸密封泄漏；如果移動(dòng)環(huán)所受的向下的合力過(guò)大，則將導(dǎo)致密封環(huán)與抗磨板之間的液態(tài)冷卻膜過(guò)薄或冷卻水中斷而發(fā)生干摩擦，主軸密封溫度高而燒損或機(jī)組跳機(jī)。主軸密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮控制移動(dòng)環(huán)所受的力和變形，也就是密封環(huán)的厚度、高度，位置以及移動(dòng)環(huán)上的受力面積。為了保證主軸密封穩(wěn)定運(yùn)行，并補(bǔ)償密封環(huán)長(zhǎng)期運(yùn)行的不均勻磨損，在移動(dòng)環(huán)上均勻布置有六只壓力調(diào)節(jié)氣缸，以便正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

     7　新主軸密封的特點(diǎn)
     新型主軸密封有以下幾個(gè)特點(diǎn)（與舊密封相比）：
     7.1　取消了操作腔，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。移動(dòng)環(huán)壓緊力隨尾水變化而自動(dòng)調(diào)整，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，工況轉(zhuǎn)換時(shí)不需要人員調(diào)整壓力，可節(jié)省運(yùn)行人員的人力。
     7.2　更換后安裝磨合期短，經(jīng)**開(kāi)機(jī)約10分鐘磨合就可投入運(yùn)行，且溫度不高（磨合期比冷卻水溫高5℃左右）。
     7.3　防轉(zhuǎn)動(dòng)裝置安裝在主軸密封外部，更換方便，不用拆卸外環(huán)而重新打壓,同時(shí)磨損指示裝置不再穿過(guò)操作腔，因而不會(huì)造成泄壓而密封抬起。
     7.4　END SEAL 被磨損后，對(duì)其冷卻潤(rùn)滑水回路不構(gòu)成影響，而舊的主軸密封的END SEAL 被磨損后，移動(dòng)環(huán)進(jìn)入END SEAL的槽內(nèi)將惡化其冷卻潤(rùn)滑效果，造成主軸密封END SEAL的惡性循環(huán)磨損，且大軸的擺動(dòng)將加劇END SEAL的破裂，導(dǎo)致主軸密封的使用壽命降低。
     7.5　新型主軸密封的End seal 高度降低，將意味著可磨損量的減小，但將明顯提高其剛度，如密封面保持良好地液體摩擦，end seal的磨損將保持在較低的水平。另外，舊的End seal中間開(kāi)有冷卻水溝，將削弱其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且當(dāng)End seal 被磨損后，不銹鋼移動(dòng)環(huán)將嵌入End seal，機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)大軸擺動(dòng)將對(duì)其進(jìn)行不停的撞擊，導(dǎo)致其破裂。而新型的密封內(nèi)采用水孔通水，且End seal被磨損后仍將處于自由狀態(tài)而不受大軸擺動(dòng)的影響。因此主軸密封的壽命不但不會(huì)縮短，反而將得到延長(zhǎng)。
     7.6　主軸密封外環(huán)在水壓作用下應(yīng)會(huì)有少量的變形，從1#機(jī)組、3#機(jī)組的主軸密封運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其變形應(yīng)為長(zhǎng)期的和微量的，舊的主軸密封的外環(huán)也同樣存在外環(huán)在水壓作用下變形的可能性，其變形造成的漏水、漏氣等、以及主軸密封的操作腔的調(diào)壓節(jié)流片堵塞也將對(duì)主軸密封操作腔的壓力產(chǎn)生較大的影響，從而影響機(jī)組的運(yùn)行性能，而新型主軸密封的變形產(chǎn)生的把合面漏水、漏氣將不會(huì)對(duì)主軸密封的密封性能產(chǎn)生影響，也不會(huì)造成主軸密封的運(yùn)行溫度升高而燒損，僅增加主軸密封的漏水、漏氣。而內(nèi)環(huán)是一個(gè)受壓的圓柱體，抗變形能力應(yīng)更好。
     7.7　移動(dòng)環(huán)壓力調(diào)節(jié)采用壓緊彈簧的形式，容易造成各彈簧的受力不均勻，且調(diào)整壓緊力時(shí)需要作較多的防轉(zhuǎn)動(dòng)隔離措施，采用調(diào)節(jié)氣缸后，供氣壓力取自同一壓力源，保證了移動(dòng)環(huán)六個(gè)方向受力均勻，同時(shí)壓力調(diào)整裝置可以放在水車(chē)室外，因而調(diào)整方便。
     8　新型主軸密封改造后的運(yùn)行情況和調(diào)試情況
     主軸密封經(jīng)改造后，運(yùn)行穩(wěn)定性比舊的密封有很大提高，經(jīng)過(guò)了發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相等工況的6小時(shí)熱運(yùn)行試驗(yàn)及工況轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，各種工況下，密封運(yùn)行溫度比冷卻水溫約高2~3℃，同時(shí)也經(jīng)過(guò)了夏季高溫天氣的考驗(yàn)，2003年夏季冷卻進(jìn)口水溫*高達(dá)到33℃（設(shè)計(jì)*高水溫為28℃），而主軸密封在各工況下的運(yùn)行溫度也未超過(guò)36℃，也未出現(xiàn)溫度突升的情況。
在抽水調(diào)相工況下，轉(zhuǎn)輪室補(bǔ)氣間隔達(dá)到3分半鐘以上，補(bǔ)氣時(shí)間約為半分鐘，發(fā)電調(diào)相工況補(bǔ)氣時(shí)間也約3分鐘，而補(bǔ)氣間隔達(dá)到16分鐘，大大減小了調(diào)相用氣量，也減小了空壓機(jī)的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，而舊的密封發(fā)電調(diào)相工況不能正常運(yùn)行。
經(jīng)過(guò)約一年的運(yùn)行，主軸密封的磨損量小于1mm/1000小時(shí)，達(dá)到了原技術(shù)要求。
     9　改造體會(huì)
     9.1　現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已建或在建的高水頭、高轉(zhuǎn)速的抽水蓄能電站越來(lái)越多，上下庫(kù)的水位變幅也大，在選擇主軸密封時(shí)，應(yīng)主軸密封的結(jié)構(gòu)和原理盡量簡(jiǎn)單，并應(yīng)隨著主軸密封處的尾水壓力變化而自動(dòng)變化，而不宜采用固定操作壓力的方式。
     9.2　密封環(huán)如剛度不高，可磨損部分就不能太高，否則將導(dǎo)致密封環(huán)在不同水壓作用下變形不均勻，影響密封效果。
     9.3　密封設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在水壓作用下變形的影響。
     9.4　密封磨損率應(yīng)作為考核密封性能的重要指標(biāo)。
     10　結(jié)束語(yǔ)
     天荒坪抽水蓄能電站主軸密封經(jīng)過(guò)多次改造，終于獲得成功，達(dá)到了有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，提高了機(jī)組的啟動(dòng)成功率、運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性和可用率，降低了設(shè)備故障率，為天荒坪電站的生產(chǎn)目標(biāo)完成提供了可靠的保障。目前在建和擬建的抽水蓄能電站越來(lái)越多，希望天荒坪機(jī)組的主軸密封改造能夠?yàn)樗麄兲峁﹨⒖肌?!--結(jié)束使用文件-->

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天荒坪抽水蓄能電站主軸密封改造