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        水輪機(jī)主軸密封水壓異常波動(dòng)原因分析及處理

        2018-05-04 09:38:46朱曉東徐東升宋紅麗
        西北水電 2018年2期
        關(guān)鍵詞:頂蓋安康水壓

        李 軍,朱曉東,王 申,徐東升,成 安,宋紅麗

        (安康水力發(fā)電廠,陜西省安康市 725000)

        0 前 言

        安康聯(lián)營(yíng)電站是在安康水電站無發(fā)電任務(wù)時(shí),為了保障下游18 km處安康城市生產(chǎn)生活需要,利用壩體右岸排沙洞,設(shè)計(jì)安裝的1臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組(0號(hào)機(jī)組),機(jī)組設(shè)計(jì)容量52.5 WM,水輪機(jī)主軸密封采用的是水壓端面密封形式[1-6](如圖1所示),主軸密封主要由供水管、密封底座、密封橡膠塊、轉(zhuǎn)環(huán)、密封塊定位銷組成。

        主軸密封的作用是在機(jī)組正常運(yùn)行中,阻止頂蓋與主軸間的水大量涌出,防止淹沒水導(dǎo)油槽和水車室。其工作原理為:安裝在密封底座密封槽內(nèi)的密封橡膠塊,下端通入0.05~0.098 MPa之間的壓力水,壓力水推動(dòng)密封橡膠塊在密封槽內(nèi)上浮,頂住固定在主軸上的轉(zhuǎn)環(huán),封住頂蓋與主軸之間的滲漏水。密封槽內(nèi)有4個(gè)?16 mm定位銷,作用是限制密封橡膠塊跟隨轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),密封橡膠塊有8個(gè)?6 mm通流孔,連通密封橡膠塊上端面與下端面,主要是給密封橡膠塊上端面提供潤(rùn)滑冷卻水。

        圖1 安康聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組主軸密封結(jié)構(gòu)圖

        為了保證主軸密封持續(xù)可靠,安康聯(lián)營(yíng)電站采用2路水源給主軸密封提供壓力水:一路取自機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng);一路取自電站消防水系統(tǒng)。水源管路為?25 mm鍍鋅管,聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組水系統(tǒng)如圖2所示。

        圖2 安康聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組水系統(tǒng)圖

        1 主軸密封水壓存在的問題

        圖3 主軸密封橡膠塊下腔水運(yùn)行監(jiān)測(cè)圖

        圖3是對(duì)聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組主軸密封橡膠塊下腔水壓運(yùn)行監(jiān)測(cè)圖,從圖3中可以看出,在開停機(jī)過程中,主軸密封塊下腔水壓在0~0.5 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)。有時(shí)0.3 MPa以上水壓持續(xù)1 min,嚴(yán)重超出主軸密封橡膠塊工作水壓要求范圍。當(dāng)主軸密封橡膠塊下腔水壓低于設(shè)定值,密封橡膠塊沒有足夠的升力,無法密封住頂蓋與主軸之間的水,引起頂蓋水位過高,超過設(shè)定值。升力過大,會(huì)使主軸密封橡膠塊與轉(zhuǎn)環(huán)摩擦力過大,并且造成潤(rùn)滑冷卻水水量不足,橡膠塊易磨損,甚至燒毀,機(jī)組被迫停機(jī)檢修。為了保證聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組主軸密封能夠在合理水壓下工作,我們也采取了一些措施,如:加派運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)調(diào)整,在主軸密封供水管路上增設(shè)排水設(shè)施等手段,但效果都不理想。主要是人員反應(yīng)不及時(shí)、調(diào)整效果差、增加電站運(yùn)行成本。主軸密封水壓不穩(wěn),始終是電站運(yùn)行的一大安全隱患。

        2 原因分析

        通過對(duì)安康水電站、聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組運(yùn)行過程各部位水壓觀測(cè)、分析后發(fā)現(xiàn),這兩個(gè)電站機(jī)組在開停機(jī)過程中,各部位水壓受水錘影響比較明顯,主軸密封水壓都不穩(wěn)定,安康水電站在0.05~0.2 MPa之間,聯(lián)營(yíng)電站在0.00~0.5 MPa之間,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)各自的機(jī)組頂蓋運(yùn)行水壓也不同。

        2.1 機(jī)組水錘對(duì)技術(shù)供水系統(tǒng)的影響

        從聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組供水系統(tǒng)圖(圖2)上可以看出,供水系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)密閉的管路結(jié)構(gòu),系統(tǒng)中沒有設(shè)置水壓穩(wěn)定裝置,主軸密封水源雖然有2路供給,但都會(huì)受工作水頭變化以及機(jī)組開停機(jī)水錘影響。開停機(jī)引起的水錘對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)影響比較大,也較頻繁。

        安康水電站機(jī)組供水系統(tǒng)雖然與聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相同,但其主軸密封水壓為何變化相對(duì)較小?主要是安康水電站供水系統(tǒng)母管接有6個(gè)取水口,(4個(gè)取自機(jī)組引水鋼管、2個(gè)取自壩前),供水系統(tǒng)母管管路長(zhǎng),相對(duì)容量大,對(duì)機(jī)組開停機(jī)引起的水錘消納能力強(qiáng)。

        2.2 頂蓋運(yùn)行水壓影響

        安康水電站機(jī)組頂蓋水壓開停機(jī)過程在0~0.2 MPa之間,正常運(yùn)行在0.08 MPa左右,而聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組頂蓋水壓在開停機(jī)過程在0~0.59 MPa,正常運(yùn)行在0.25 MPa左右。從圖1可以看出,這兩個(gè)電站主軸密封都是采用的水壓端面密封形式,主軸密封橡膠塊上端一般寬度一致,尺寸略小于密封槽尺寸,而密封橡膠塊下端裙邊部分,尺寸略大于密封槽尺寸,主要作用是當(dāng)密封塊下端通入壓力水,柔軟的裙邊與密封槽切合,起到密封作用,使密封橡膠塊能夠上浮。當(dāng)頂蓋壓力水小于密封橡膠塊下端水壓時(shí),密封橡膠塊正常工作。但頂蓋水壓大于密封水壓,就會(huì)推動(dòng)密封橡膠塊裙邊內(nèi)陷,頂蓋水進(jìn)入密封橡膠塊下端,提高密封水壓,致使密封橡膠塊與轉(zhuǎn)環(huán)完全貼合,潤(rùn)滑冷卻水排除受阻,主軸密封橡膠塊下腔水壓增大,直至與供水管路水壓或頂蓋水壓一致。

        2016年10月,為了消除其它水源因素對(duì)主軸密封水壓的影響,聯(lián)營(yíng)電站對(duì)主軸密封管路進(jìn)行改造,將原有的預(yù)埋管路封閉,重新用明管鋪設(shè),從更改后的機(jī)組開機(jī)水壓波動(dòng)曲線及運(yùn)行人員描敘的情況(關(guān)閉主軸密封進(jìn)水閥,主軸密封管路壓力表有壓力指示,排水管路有大量水流出)都可以證明,有頂蓋水倒灌到主軸密封橡膠塊下端。

        在安康水電站3號(hào)機(jī)組改造后出現(xiàn)頂蓋運(yùn)行水壓對(duì)主軸密封水壓的影響,與聯(lián)營(yíng)機(jī)組相同的問題。機(jī)組帶100 MW以上負(fù)荷,頂蓋水壓0.25 MPa左右,主軸密封橡膠塊下腔水壓增大。

        2.3 各種因素的疊加

        以上2點(diǎn)是引起主軸密封水壓不穩(wěn)的2個(gè)主要因素,從聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)中可以看出,系統(tǒng)中還接有其它設(shè)備,這些設(shè)備的取水?dāng)嗨紩?huì)對(duì)主軸密封水源水壓產(chǎn)生影響,它們相互作用,或疊加或消融,應(yīng)當(dāng)盡量消除。

        3 解決方法

        為了消除頂蓋水倒灌主軸密封水源,引起主軸密封水壓升高,聯(lián)營(yíng)電站在供水管路上加裝了1套排水裝置,目的是利用排水口,消減管路中水壓,滿足主軸密封對(duì)水壓運(yùn)行要求。此方法優(yōu)點(diǎn):管路改造小,費(fèi)用低,易于實(shí)現(xiàn);缺點(diǎn):主軸密封水壓受機(jī)組水錘、技術(shù)供水系統(tǒng)其它設(shè)備供、排水以及頂蓋水壓等因素影響較大;供水閥、泄壓閥需要根據(jù)不同工況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,運(yùn)行維護(hù)成本高。為了給主軸密封提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的水源水壓,經(jīng)過分析討論提出采用開啟式水箱解決方案。

        3.1 開啟式水箱運(yùn)行原理

        在聯(lián)營(yíng)電站設(shè)置1個(gè)開啟式水箱作為水源,利用高程差,給主軸密封提供水壓相對(duì)穩(wěn)定的水源,通過設(shè)置主軸密封供水管路上的供水閥開度,就能滿足主軸密封對(duì)水壓的要求,如圖4所示。

        圖4 聯(lián)營(yíng)電站開啟式主軸密封水源原理示意圖

        3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        (1) 提供穩(wěn)定的水源水壓

        水箱采用開啟式,不會(huì)因進(jìn)入水箱水量多少而產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng),這樣就消除了聯(lián)營(yíng)電站供水管路因工作水頭、開停機(jī)水錘以及其它設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化而影響主軸密封水源水壓波動(dòng)。

        水箱位置根據(jù)水位差來確定。水輪機(jī)主軸密封高程為240.93 m,而發(fā)電機(jī)層高程253.00 m有將近12 m的高程差,是一個(gè)理想的水源設(shè)置點(diǎn)。水箱位置設(shè)定后,主軸密封水壓基本保持一致。

        水箱設(shè)計(jì)有溢流隔板,當(dāng)浮球進(jìn)水閥損壞或者頂蓋水倒灌水箱,多余的水會(huì)從溢流隔板進(jìn)入水箱溢流管排出,保證水源水壓穩(wěn)定。

        (2) 提供清潔的水質(zhì)

        水箱設(shè)置有進(jìn)水區(qū)與出水區(qū),用隔板隔開,進(jìn)水區(qū)與出水區(qū)通過通水孔連接,通水孔設(shè)置位置距離水箱底部有一定高度,可以將進(jìn)入水箱中的絕大數(shù)質(zhì)硬且大的雜質(zhì)阻止在進(jìn)水區(qū),另一方面隔板還能將進(jìn)入水箱內(nèi)的輕質(zhì)雜質(zhì)隔離在進(jìn)水區(qū),這樣可進(jìn)一步保證主軸密封水清潔。

        安康地域水質(zhì)、氣候都利于水生蚌殼生長(zhǎng),根據(jù)多年對(duì)供水管路及水輪機(jī)過流段面檢修的經(jīng)驗(yàn),管道銹蝕部分及過流段面粗糙部位,極易寄生大量蚌殼。水生蚌殼生存的一個(gè)重要的前提條件就是,要有可靠的附著點(diǎn)。不銹鋼件表面比較光滑且不銹蝕,水生蚌殼很難附著在表面生長(zhǎng)繁殖。所以,水箱管路設(shè)備全部采取不銹鋼材質(zhì)制作,這樣既保證供水管路通暢,也使水質(zhì)更清潔。

        (3) 易于維護(hù)

        在水箱進(jìn)水區(qū)、供水區(qū)底部都設(shè)計(jì)有排污閥,可以在每年機(jī)組的小修中對(duì)水箱進(jìn)行清掃,日常維護(hù)只需要檢查水箱上部是否有漂浮物,進(jìn)水區(qū)與出水區(qū)水位是否一致就可以了。

        4 預(yù)期效果

        聯(lián)營(yíng)電站加裝圖4所示的主軸密封水源裝置后,由于水箱溢流功效的作用,無論是因水錘還是頂蓋水倒灌,始終可以保證主軸密封水壓在0.1 MPa左右,滿足機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)與停機(jī)狀態(tài)需要,消除了影響機(jī)組運(yùn)行的安全隱患,另運(yùn)行人員不需要在機(jī)組開停機(jī)時(shí),到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人為調(diào)節(jié),減輕了運(yùn)行人員工作強(qiáng)度。

        5 結(jié) 語

        通過對(duì)安康聯(lián)營(yíng)電站機(jī)組主軸密封水壓異常波動(dòng)現(xiàn)象分析及處理,得出:第1,水電機(jī)組主軸密封水源應(yīng)當(dāng)設(shè)置一套與電站供水系統(tǒng)壓力獨(dú)立的供水系統(tǒng);第2,機(jī)組頂蓋水壓超過0.2 MPa,就要在主軸密封供水管路上設(shè)置有效的減壓裝置。在改造機(jī)組時(shí)要同設(shè)計(jì)單位進(jìn)行良好溝通,盡量降低頂蓋運(yùn)行水壓,以便保證主軸密封水壓工作正常。

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