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        角木塘水電站水輪機(jī)主軸密封漏水分析與處理

        2018-03-15 01:33:26
        四川水利 2018年6期
        關(guān)鍵詞:密封件主機(jī)廠頂蓋

        (貴州大唐國際道真水電開發(fā)有限公司,貴州 道真縣,563500)

        1 概述

        角木塘水電站裝有2臺(tái)35MW立軸懸型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組,于2017年底先后投產(chǎn)發(fā)電。該機(jī)組的水輪機(jī)主軸密封是由彈簧、浮動(dòng)環(huán)(含高分子材料密封件)、導(dǎo)向環(huán)、抗磨環(huán)等組成的端面密封(見圖1、圖2)。與傳統(tǒng)的橡膠活塞式端面密封相比,這種密封結(jié)構(gòu)具有運(yùn)行穩(wěn)定、受潤滑水壓力波動(dòng)影響較小、安裝調(diào)整方便、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),因此,這種密封近年在大中型電站應(yīng)用較多。但角木塘電站兩臺(tái)機(jī)組在啟動(dòng)試運(yùn)行階段均出現(xiàn)了主軸密封漏水大的現(xiàn)象,1#機(jī)是第一臺(tái)投運(yùn)機(jī)組,漏水過大甚至影響到啟動(dòng)試驗(yàn)無法帶上額定負(fù)荷。經(jīng)電站業(yè)主牽頭組織,電站、主機(jī)廠、密封專業(yè)廠家共同分析原因和研究處理方案,對(duì)處理前后的運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析,通過幾次循序漸進(jìn)的處理和優(yōu)化,使主軸密封漏水大的問題得到了妥善解決。

        圖1 主軸密封總圖

        1 抗磨環(huán) 2 密封件 3 彈簧 4 浮動(dòng)環(huán) 5 調(diào)節(jié)螺釘 6 潤滑水進(jìn)水管

        圖2工作密封結(jié)構(gòu)圖

        2 現(xiàn)象及初期處理

        角木塘電站1#機(jī)組于2017年12月2日啟動(dòng),在后續(xù)試驗(yàn)啟停機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)主軸密封漏水量大,表現(xiàn)為機(jī)組啟動(dòng)前檢修密封圍帶氣壓撤出后頂蓋水位上漲快,原設(shè)計(jì)配置的2臺(tái)頂蓋排水泵(流量10m3/h)啟動(dòng)抽水較頻繁。機(jī)組空轉(zhuǎn)后漏水量減小,排水泵不需啟動(dòng)。負(fù)荷增至9MW及以上時(shí)漏水量開始緩慢增加,排水泵需啟動(dòng)抽水。在負(fù)荷接近30MW時(shí)漏水量增加較快,需投入另外2臺(tái)臨時(shí)水泵(流量60m3/h)同時(shí)抽水,負(fù)荷大于33MW時(shí)漏水量明顯增大,4臺(tái)水泵同時(shí)抽水仍不能滿足排水,需降負(fù)荷運(yùn)行。1#機(jī)主軸密封出現(xiàn)問題時(shí)2#機(jī)正在總裝,恰好準(zhǔn)備安裝主軸密封,業(yè)主方暫停了2#機(jī)主軸密封安裝工作,將情況通報(bào)給主機(jī)廠,并要求針對(duì)1#機(jī)主軸密封漏水大的情況,分析改進(jìn),對(duì)2#機(jī)主軸密封進(jìn)行處理,處理后再安裝以免2#機(jī)發(fā)生相同問題。

        2017年12月5日主機(jī)廠設(shè)計(jì)人員到現(xiàn)場(chǎng)觀察1#機(jī)組主軸密封漏水情況,對(duì)不同工況下漏水情況進(jìn)行了記錄(見表1、表2)。

        對(duì)2#機(jī)主軸密封浮動(dòng)環(huán)配合尺寸進(jìn)行了檢測(cè),根據(jù)1#機(jī)漏水情況和2#機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),廠家判斷漏水原因?yàn)楦?dòng)環(huán)配合尺寸不合理造成浮動(dòng)環(huán)動(dòng)作不靈活,封水面存在間隙造成漏水量偏大。2017年12月5日~7日對(duì)2#機(jī)主軸密封浮動(dòng)環(huán)進(jìn)行了返廠加工處理(配合段單側(cè)間隙增加0.20mm)。

        表1 密封供水水壓0.22MPa時(shí)漏水情況 (時(shí)間:12月27日晚上)

        表2 密封供水水壓0.2MPa時(shí)漏水情況 (時(shí)間:12月28日上午)

        2#機(jī)啟動(dòng)后,通過2#機(jī)空轉(zhuǎn)、帶負(fù)荷等試驗(yàn)過程觀察,漏水量較1#機(jī)小,在30MW及以上漏水量有增大趨勢(shì),增加的速度比1#機(jī)顯著降低(短時(shí)間內(nèi)可不啟動(dòng)備用臨時(shí)水泵抽水)。12月27日設(shè)計(jì)人員到電站后,在各負(fù)荷段對(duì)2#機(jī)主軸密封漏水情況進(jìn)行了觀察和記錄。

        3 原因分析

        3.1 直接原因

        機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件有一定軸向位移,主軸密封的浮動(dòng)環(huán)要求軸向移動(dòng)靈活,當(dāng)固定在主軸上的抗磨環(huán)隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件一起下移時(shí),浮動(dòng)環(huán)也能及時(shí)跟隨下移,使密封件與抗磨環(huán)之間形成較穩(wěn)定的平面動(dòng)密封。從漏水的現(xiàn)象和拆下的主軸密封檢查情況,可以判斷浮動(dòng)環(huán)存在卡阻情況,導(dǎo)致浮動(dòng)環(huán)沒有與轉(zhuǎn)動(dòng)部件一起下移,密封件與抗磨環(huán)之間間隙增大。從表1、表2可見,轉(zhuǎn)動(dòng)部件在帶負(fù)荷后有2mm左右下沉量,如果浮動(dòng)環(huán)發(fā)卡,仍在原位置,則密封件與抗磨環(huán)之間就會(huì)有2mm左右的間隙,漏水就是從這個(gè)間隙流出到頂蓋上。

        3.2 間接原因

        (1)主機(jī)廠第一次應(yīng)用這種主軸密封,對(duì)該類型密封設(shè)計(jì)缺乏經(jīng)驗(yàn),配合尺寸和密封件參照液壓活塞設(shè)計(jì),摩擦阻力較大。這與密封外協(xié)廠的常規(guī)設(shè)計(jì)理念不一致,而雙方在設(shè)計(jì)過程中沒有統(tǒng)一。

        (2)廠內(nèi)加工時(shí)浮動(dòng)環(huán)與導(dǎo)向環(huán)間隙比設(shè)計(jì)下限值略小,密封件壓縮量偏大,進(jìn)一步增加了摩擦阻力,導(dǎo)致浮動(dòng)環(huán)動(dòng)作不靈活。

        (3)主機(jī)廠提供給主軸密封外協(xié)廠家的密封件摩擦力、水壓等邊界條件與實(shí)際的不一致,導(dǎo)致理論計(jì)算與實(shí)際情況偏差較大。

        (4)廠內(nèi)裝配時(shí)沒有做試驗(yàn)?,F(xiàn)場(chǎng)安裝人員也是第一次接觸這種密封,對(duì)原理不熟悉,沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)間隙偏小等異常情況。

        4 處理過程

        2#機(jī)初步處理后漏水有明顯改善,說明浮動(dòng)環(huán)發(fā)卡的問題已基本消除,但摩擦阻力還是偏大,導(dǎo)致浮動(dòng)環(huán)還是不夠靈活。如果采用加大潤滑水壓力來增加浮動(dòng)環(huán)向下的力,一方面電站是低水頭,技術(shù)供水為自流供水,需要另外設(shè)置加壓裝置,實(shí)施起來比較復(fù)雜。另一方面,潤滑水在密封機(jī)組內(nèi)部漏水的同時(shí)其本身也存在外漏,潤滑水加壓后存在漏水增大的可能性,需要機(jī)組運(yùn)行時(shí)試驗(yàn)觀察,漏水量能否改善不確定性較大。經(jīng)反復(fù)討論,采用增加彈簧壓縮量的方案,這是最易實(shí)現(xiàn)的方案。第一次在彈簧處加墊4mm(增加壓縮量4mm),運(yùn)行后觀察,兩臺(tái)頂蓋排水泵同時(shí)抽水基本能滿足抽水,但水泵運(yùn)行時(shí)間長,運(yùn)行間隔時(shí)間短,這種情況對(duì)水泵壽命影響較大,且一臺(tái)水泵故障,頂蓋水位就會(huì)失控。第二次在彈簧處加墊10mm(增加壓縮量10mm),同時(shí)根據(jù)業(yè)主建議,主機(jī)廠將頂蓋排水泵啟停水位區(qū)間加大(調(diào)整為80mm~450mm區(qū)間),采取以上措施后,開機(jī)帶負(fù)荷觀察2#機(jī)主軸密封漏水量明顯減小,帶額定負(fù)荷時(shí)頂蓋排水泵單臺(tái)泵啟動(dòng)抽水可滿足要求,啟泵間隔時(shí)間為18min,抽水時(shí)間5min,已達(dá)到主機(jī)廠初始設(shè)計(jì)要求。

        在總結(jié)2#機(jī)處理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,確定在1#機(jī)集中消缺期間對(duì)1#機(jī)主軸密封進(jìn)行處理。除了應(yīng)用在2#機(jī)上的處理措施,根據(jù)密封外協(xié)廠建議,對(duì)浮動(dòng)環(huán)動(dòng)密封進(jìn)行調(diào)整,將矩形圈由外側(cè)改到內(nèi)側(cè),現(xiàn)場(chǎng)回裝時(shí)在彈簧處加墊將彈簧壓縮量再增加4mm。1#機(jī)消缺完畢,開機(jī)帶負(fù)荷觀察主軸密封漏水情況,漏水量明顯減小,帶額定負(fù)荷時(shí)頂蓋排水泵單臺(tái)泵啟動(dòng)抽水可滿足要求,啟泵間隔時(shí)間為20min,抽水時(shí)間5min。

        處理結(jié)束到目前已有半年左右時(shí)間,從近期運(yùn)行情況觀察,處理后兩臺(tái)機(jī)組的主軸密封漏水量達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果,原設(shè)計(jì)配置的頂蓋排水泵抽水能滿足要求。后續(xù)將由主機(jī)廠協(xié)調(diào)外協(xié)廠家復(fù)核彈簧受力情況,對(duì)彈簧重新選型并擇機(jī)更換。電站將結(jié)合檢修對(duì)主軸密封的密封件磨損情況進(jìn)行檢查,以確定密封使用壽命和檢修周期。結(jié)合機(jī)組運(yùn)行水頭和潤滑水壓力、流量,水泵運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),進(jìn)一步分析主軸密封漏水量與潤滑水壓力及流量的關(guān)系,總結(jié)運(yùn)行規(guī)律,并將信息反饋給主機(jī)廠,可作為今后設(shè)計(jì)制造參考。

        5 結(jié)語

        該主軸密封結(jié)構(gòu)是近年大中型水輪機(jī)上采用較多的結(jié)構(gòu),密封效果好,密封件損耗小,基本上沒有發(fā)生密封失效的問題。角木塘電站主軸密封出現(xiàn)的問題及處理過程,使主機(jī)廠和電站有機(jī)會(huì)對(duì)密封的設(shè)計(jì)原理有更深入的認(rèn)識(shí),通過本電站實(shí)際應(yīng)用,也證實(shí)了該型密封在設(shè)計(jì)、制造、裝配、安裝得當(dāng)?shù)那疤嵯?,是較好的一種密封結(jié)構(gòu),可以在其他水電項(xiàng)目水輪機(jī)上推廣使用。

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