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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)問題，分析了原因，以及改造方案，消除了投產(chǎn)以來一直困擾電站**穩(wěn)定運行的隱患，提高了機組的運行可靠性。同時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，水泵水輪機由GE Norway公司制造，而其大軸密封則由分包商英國的Sterling Mechanical Seal 制造，首臺機組于1998年9月投入運行。由于廠家設(shè)計原因，自投產(chǎn)以來，主軸密封一直是影響天荒坪電站機組啟動成功率和不穩(wěn)定因素。2002年以前，廠家雖經(jīng)過對主軸密封多次改造，但仍不能完全解決主軸密封的運行中溫度突升造成密封磨損較快等問題。2002年，經(jīng)過制造廠和天荒坪電站有關(guān)技術(shù)人員對主軸密封再次共同研究，重新設(shè)計主軸密封，并經(jīng)過有限元分析和模型試驗后，2003年在機組上安裝試驗取得了成功，主軸密封的穩(wěn)定運行問題*終得以解決。
     2　主軸密封運行條件
     2.1　水頭條件
     電站設(shè)計水頭為526米，水輪機淹沒深度為-70米，電站運行水頭范圍為526~610米，其中供主軸密封水源的下庫運行變化水位在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
機組設(shè)計轉(zhuǎn)速為500RPM（轉(zhuǎn)/分），*高飛逸轉(zhuǎn)速為720RPM，為順時針和逆時針雙向旋轉(zhuǎn)，大軸直徑為940mm，主軸密封處的運行切向線速度為30m/s，*高切向線速度約為43 m/s。
     2.3　工況條件
本電站機組設(shè)計運行工況有發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相，停機等五種工況，有停機-發(fā)電-停機、發(fā)電-發(fā)電調(diào)相-發(fā)電、停機-抽水調(diào)相-抽水-停機（抽水調(diào)相）等工況轉(zhuǎn)換，每天開停機按10次設(shè)計。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、靜態(tài)真空的影響以及氣和水的粘滯作用的差異，機組在工況轉(zhuǎn)換時將造成主軸密封處的水壓力的變化，當(dāng)機組在停機時，主軸密封處的水壓力為下庫靜水壓力，在下庫水位變幅范圍內(nèi)約在0.7~1.2MPa之間變化（設(shè)計*小淹沒深度為-70米）。當(dāng)機組在調(diào)相工況運行時，因機組在壓縮空氣中旋轉(zhuǎn)，對主軸密封處的壓力影響不大，基本與停機狀態(tài)相同。但當(dāng)機組以500RPM的轉(zhuǎn)速在水中旋轉(zhuǎn)時，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緊而影響潤滑水膜厚度而燒損，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，將影響動密封的接觸面，進(jìn)而影響主軸密封的冷卻潤滑水流量、水膜的形狀及其內(nèi)部壓力降，同時也將影響主軸密封處的水壓平衡，對主軸密封的運行造成負(fù)面影響。
     3　歷年主軸密封故障分析
由于天荒坪電站機組的主軸密封工作環(huán)境惡劣，投運后，運行一直不穩(wěn)定，從歷年的統(tǒng)計情況看，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，是影響機組穩(wěn)定運行的重要因素。歷年來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)相運行時，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，對主軸密封的外環(huán)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了材料的強度和加強筋，從而增加了結(jié)構(gòu)剛度，減小其變形，此時主軸密封的故障特征已表現(xiàn)為調(diào)相工況能正常運行，但工況轉(zhuǎn)換時需要人工調(diào)整操作腔的壓力，以適應(yīng)主軸密封穩(wěn)定運行的需要。此外，由于機組合為雙向旋轉(zhuǎn)，在主軸密封的上下可移動壓環(huán)上安裝有雙向防轉(zhuǎn)動鍵，經(jīng)過多次雙向運行撞擊后形成的凹坑影響主密封移動環(huán)的上下移動，造成主軸密封在運行時出現(xiàn)溫度突升的異?，F(xiàn)象。2003年后，經(jīng)過整體更換，上述缺陷基本消失，從而使主軸密封的運行性能大大提高，消除了長期困擾機組運行的隱患。

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，隨機組運行工況、轉(zhuǎn)速、下庫水位等變化。P1為技術(shù)供水系統(tǒng)提供給密封面的冷卻潤滑水壓力，隨冷卻潤滑水膜厚度和系統(tǒng)供水壓力變化而變化。正常情況下，P0、P1、P2以及不銹鋼移動環(huán)的自重達(dá)到平衡，在不銹鋼移動環(huán)與密封環(huán)之間形成穩(wěn)定的冷卻潤滑水膜和足夠的冷卻水流量，主軸密封保持穩(wěn)定的溫度運行。
     5　舊主軸密封存在問題
     5.1原理問題
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，由于主軸密封處水壓力的變化可能打破密封移動環(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、運行溫度高而燒損，或者是移動環(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，移動環(huán)將嵌入密封環(huán)，機組旋轉(zhuǎn)造成的大軸擺度將影響移動環(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)變形問題
作為主軸密封的基座的水輪機頂蓋、內(nèi)頂蓋、檢修密封以及主軸密封外環(huán)等水輪機流道內(nèi)的水壓力作用下，相當(dāng)于一個懸臂梁的受力結(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)動鍵損壞問題
為防止主軸密封的移動環(huán)隨著密封環(huán)旋轉(zhuǎn)，在移動環(huán)上安裝有防止轉(zhuǎn)動鍵，因為機組有兩種旋轉(zhuǎn)方向，移動環(huán)又要適應(yīng)密封環(huán)被磨損后跟隨壓緊的移動要求，防轉(zhuǎn)動鍵與鍵槽之間必然存在一定的間隙，當(dāng)機組改變旋轉(zhuǎn)方向時，防轉(zhuǎn)動鍵與鍵槽壁將發(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，影響移動環(huán)的上下移動。雖然廠家把防轉(zhuǎn)動鍵改成了類環(huán)氧樹脂的材料，但由于該材料強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，該指示桿穿過操作腔而連接到移動環(huán)上，運行中移動環(huán)的上下移動、機組的振動、特別是移動環(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)計參數(shù)如下：
運行介質(zhì)：    水
設(shè)計額定轉(zhuǎn)速：   500rpm
設(shè)計*大瞬時飛逸轉(zhuǎn)速： 720rpm
設(shè)計穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速：  680rpm
設(shè)計運行壓力范圍：  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)自動平衡，移動環(huán)上的壓緊力將隨尾水壓力自動變化，只要移動環(huán)上受壓面積選擇合理，就可使密封能夠自動適應(yīng)工況轉(zhuǎn)換而運行穩(wěn)定。具體描述如下：正常運行條件下，主軸密封的外環(huán)1、移動環(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)充滿著尾水壓力，該壓力隨下庫水位、機組轉(zhuǎn)速、運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。同時機組技術(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既受機組技術(shù)供水壓力影響，也受機組密封環(huán)與抗磨板之間的液態(tài)冷卻膜厚度的影響，事實上，移動環(huán)（包括密封環(huán)）在水壓作用下的變形和移動環(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，從而影響移動環(huán)的平衡。因此主軸密封能否穩(wěn)定運行取決于主軸密封上的移動環(huán)的受力情況及其抗變形能力，如果移動環(huán)所受向上的合力過大，則主軸密封移動環(huán)將向上抬起，造成主軸密封泄漏；如果移動環(huán)所受的向下的合力過大，則將導(dǎo)致密封環(huán)與抗磨板之間的液態(tài)冷卻膜過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組跳機。主軸密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)主要考慮控制移動環(huán)所受的力和變形，也就是密封環(huán)的厚度、高度，位置以及移動環(huán)上的受力面積。為了保證主軸密封穩(wěn)定運行，并補償密封環(huán)長期運行的不均勻磨損，在移動環(huán)上均勻布置有六只壓力調(diào)節(jié)氣缸，以便正常運行時進(jìn)行調(diào)節(jié)。

     7　新主軸密封的特點
     新型主軸密封有以下幾個特點（與舊密封相比）：
     7.1　取消了操作腔，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。移動環(huán)壓緊力隨尾水變化而自動調(diào)整，運行穩(wěn)定可靠，工況轉(zhuǎn)換時不需要人員調(diào)整壓力，可節(jié)省運行人員的人力。
     7.2　更換后安裝磨合期短，經(jīng)**開機約10分鐘磨合就可投入運行，且溫度不高（磨合期比冷卻水溫高5℃左右）。
     7.3　防轉(zhuǎn)動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,同時磨損指示裝置不再穿過操作腔，因而不會造成泄壓而密封抬起。
     7.4　END SEAL 被磨損后，對其冷卻潤滑水回路不構(gòu)成影響，而舊的主軸密封的END SEAL 被磨損后，移動環(huán)進(jìn)入END SEAL的槽內(nèi)將惡化其冷卻潤滑效果，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中間開有冷卻水溝，將削弱其結(jié)構(gòu)強度，且當(dāng)End seal 被磨損后，不銹鋼移動環(huán)將嵌入End seal，機組旋轉(zhuǎn)時大軸擺動將對其進(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)而不受大軸擺動的影響。因此主軸密封的壽命不但不會縮短，反而將得到延長。
     7.6　主軸密封外環(huán)在水壓作用下應(yīng)會有少量的變形，從1#機組、3#機組的主軸密封運行經(jīng)驗來看，其變形應(yīng)為長期的和微量的，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)流片堵塞也將對主軸密封操作腔的壓力產(chǎn)生較大的影響，從而影響機組的運行性能，而新型主軸密封的變形產(chǎn)生的把合面漏水、漏氣將不會對主軸密封的密封性能產(chǎn)生影響，也不會造成主軸密封的運行溫度升高而燒損，僅增加主軸密封的漏水、漏氣。而內(nèi)環(huán)是一個受壓的圓柱體，抗變形能力應(yīng)更好。
     7.7　移動環(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)整壓緊力時需要作較多的防轉(zhuǎn)動隔離措施，采用調(diào)節(jié)氣缸后，供氣壓力取自同一壓力源，保證了移動環(huán)六個方向受力均勻，同時壓力調(diào)整裝置可以放在水車室外，因而調(diào)整方便。
     8　新型主軸密封改造后的運行情況和調(diào)試情況
     主軸密封經(jīng)改造后，運行穩(wěn)定性比舊的密封有很大提高，經(jīng)過了發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相等工況的6小時熱運行試驗及工況轉(zhuǎn)換試驗，各種工況下，密封運行溫度比冷卻水溫約高2~3℃，同時也經(jīng)過了夏季高溫天氣的考驗，2003年夏季冷卻進(jìn)口水溫*高達(dá)到33℃（設(shè)計*高水溫為28℃），而主軸密封在各工況下的運行溫度也未超過36℃，也未出現(xiàn)溫度突升的情況。
在抽水調(diào)相工況下，轉(zhuǎn)輪室補氣間隔達(dá)到3分半鐘以上，補氣時間約為半分鐘，發(fā)電調(diào)相工況補氣時間也約3分鐘，而補氣間隔達(dá)到16分鐘，大大減小了調(diào)相用氣量，也減小了空壓機的運行小時數(shù)，而舊的密封發(fā)電調(diào)相工況不能正常運行。
經(jīng)過約一年的運行，主軸密封的磨損量小于1mm/1000小時，達(dá)到了原技術(shù)要求。
     9　改造體會
     9.1　現(xiàn)在國內(nèi)已建或在建的高水頭、高轉(zhuǎn)速的抽水蓄能電站越來越多，上下庫的水位變幅也大，在選擇主軸密封時，應(yīng)主軸密封的結(jié)構(gòu)和原理盡量簡單，并應(yīng)隨著主軸密封處的尾水壓力變化而自動變化，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
     天荒坪抽水蓄能電站主軸密封經(jīng)過多次改造，終于獲得成功，達(dá)到了有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，提高了機組的啟動成功率、運行可靠性、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越多，希望天荒坪機組的主軸密封改造能夠為他們提供參考。

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天荒坪抽水蓄能電站主軸密封改造