宋國慶，李俊杰

（1.山西杜河水力發(fā)電有限公司，山西 澤州 048018；2.山西北龍工程咨詢有限公司，山西 太原 030024）

1 電站基本情況

杜河水電站總裝機容量4×3 200 kW。主要建筑物有攔河大壩、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、發(fā)電廠房、升壓變電站、輸電線路等，電站設(shè)計年發(fā)電量6 220萬kW·h。電站共安裝4臺HLA 551-LJ-105水輪發(fā)電機及4臺SF 3200-12/2600水輪發(fā)電機組。水輪機額定工作水頭43.8 m，額定流量8.5 m3/s，額定轉(zhuǎn)速500 r/min，額定功率3 390 kW。

電站建成后有力地支持了電站駐地的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為當(dāng)?shù)厝罕娞峁┝松畋憷?，為澤州縣南部山區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展發(fā)揮了積極作用，為老區(qū)人民脫貧攻堅做出了應(yīng)有貢獻。

2016年杜河水電站被列入國家農(nóng)村水電增效擴容改造項目，批準對杜河電站水輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備、電站輔助系統(tǒng)、升壓變壓器、配電設(shè)備等實施更新改造。主軸密封裝配，作為水輪發(fā)電機組的重要組成部分，其型式與功效成為建設(shè)單位與設(shè)備生產(chǎn)制造單位共同關(guān)注的主要問題之一。

2 主軸密封裝配現(xiàn)狀

2.1 主軸密封裝配的功能及工作原理

主軸密封裝配，是水輪發(fā)電機組的關(guān)鍵組成部分，主要作用是防止蝸殼的壓力水從主軸和頂蓋(或支持蓋）之間的間隙流失，造成水頭損失；滲漏到機坑內(nèi)，淹沒控制機構(gòu)，破壞控制機構(gòu)的工作，影響機組的運行，產(chǎn)生運行安全隱患，造成維護保養(yǎng)不便，以及部分機組部件使用壽命縮減等。主軸密封裝配的結(jié)構(gòu)選型、制造、安裝質(zhì)量，直接影響水輪機運行安全及效率，對機組的維護保養(yǎng)和提升水資源利用率，起著至關(guān)重要的作用。

主軸密封裝配，根據(jù)其作用及安裝部位不同，分為工作密封與檢修密封。工作密封通常采取平板橡膠密封、徑向密封、端面密封、盤根密封、迷宮環(huán)密封等型式；在不影響機組運行轉(zhuǎn)動的情況下，通過封閉轉(zhuǎn)動部分與固定部分之間的間隙，達到密封效果，保護機組運行環(huán)境、最大限度減少水頭損失。檢修密封按其結(jié)構(gòu)型式可分為空氣圍帶式、機械式和抬機式檢修密封，實際大多數(shù)運用空氣圍帶作檢修密封。

2.2 主軸活塞式橡膠水壓密封情況

電站改造前的水輪機機組生產(chǎn)于20世紀90年代，機組型號為混流式立軸金屬蝸殼；水輪機工作密封裝配型式，為活塞式橡膠水壓密封（端面密封），結(jié)構(gòu)型式見圖1。密封附為安裝在密封座體槽內(nèi)的可上下浮動的耐磨橡膠環(huán)，通過不大于0.2 MPa的壓力水使之與裝在主軸上的不銹鋼抗磨板形成密封，密封水壓可根據(jù)實際運行情況進行調(diào)整；檢修密封裝置為抬機式檢修密封。

3 主軸密封型式比選

3.1 主軸密封型式備選方案

3.1.1 間隙不接觸密封裝置

間隙不接觸密封裝置（迷宮環(huán)密封），在主軸的密封位置裝設(shè)可更換式不銹鋼抗磨套，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，頂蓋來的壓力水通過間隙減壓后，由兩根夾布壓力膠管排入集水井或下游，結(jié)構(gòu)型式見圖2。

3.1.2 平板橡膠端面密封裝置

圖1 活塞式橡膠水壓密封裝置

圖2 間隙不接觸密封裝置

平板橡膠端面密封裝置，在主軸的密封位置裝設(shè)可更換式不銹鋼抗磨套，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，密封體與密封套下部裝設(shè)耐磨橡膠板，頂蓋來的壓力水將橡膠板與密封套壓緊，實現(xiàn)阻水密封，橡膠板通過不銹鋼壓圈固定安裝在密封體底部，結(jié)構(gòu)型式見圖3。

3.1.3 填料密封裝置

填料密封裝置（徑向密封），主要由安裝在主軸上與主軸一起需安裝的密封套、安裝在頂蓋上的密封體、密封體與密封套之間的柔性密封圈、壓環(huán)、環(huán)組成。

壓環(huán)壓緊密封體與密封套之間的密封圈，密封圈被壓產(chǎn)生徑向變形，抱緊密封套，形成密封，達到阻水效果，技術(shù)供水經(jīng)環(huán)進入，起到冷卻和潤滑作用。流經(jīng)裝置后，排水至頂蓋，匯集到集水井。

3.2 密封裝配綜合比選

活塞式橡膠水壓密封（方案一）。優(yōu)點是生產(chǎn)制造和結(jié)構(gòu)工藝較為簡單，便于運行操作，安裝難度不大，使用壽命長。缺點是對水質(zhì)要求較高，密封環(huán)受力不均勻，容易發(fā)生偏卡，抗磨環(huán)易磨損，檢修操作頻繁，調(diào)整困難，密封性能不穩(wěn)定。漏水量隨運行時間增長而增長，后續(xù)維護保養(yǎng)及檢修不方便，電站輔助系統(tǒng)（集水井水泵）工作壓力偏大。特別是改造前夕，廠房集水井漏水量已有85%左右來自主軸密封漏水，控制環(huán)內(nèi)頂蓋上部控制機構(gòu)及部分導(dǎo)水機構(gòu)部套，大都淹沒在水下，銹蝕嚴重。因?qū)ο嚓P(guān)設(shè)備損害較大，決定棄用。

圖3 平板橡膠端面密封裝置

圖4 填料密封裝置

間隙不接觸密封裝置（方案二）。優(yōu)點是生產(chǎn)制造和結(jié)構(gòu)工藝較為簡單，便于運行維護。缺點是對安裝質(zhì)量要求較高，特別是固定部分與轉(zhuǎn)動部分之間的密封間隙過大，易產(chǎn)生較大漏水，過小不利于機組運行及裝配工作；技術(shù)供水與頂蓋來的壓力水排水經(jīng)密封裝置減壓后無節(jié)制排放，控制環(huán)內(nèi)頂蓋上部積水不易處理；導(dǎo)水機構(gòu)及控制機構(gòu)易受損。因排水及安裝問題，決定進行下一步實驗驗證。

平板橡膠端面密封裝置（方案三）。優(yōu)點是生產(chǎn)制造和結(jié)構(gòu)工藝較為簡單。缺點是此裝置是間隙不接觸密封裝置的替補方案，優(yōu)化了排水密封處理，但是，安裝難度極大，難以實現(xiàn)。因此棄用。

填料密封裝置（方案四）。優(yōu)點是生產(chǎn)制造和結(jié)構(gòu)工藝較為簡單，便于運行維護，安裝難度不大，檢修維護較為方便。缺點是由于密封圈與密封套之間有接觸，對轉(zhuǎn)動部分影響有待驗證。具備一定的可行性，決定與方案二一起進行實驗驗證。

3.3 試驗驗證

（1）2018年10月20日（0—24時），壩前水位461.08 m，2號機組單機運行，主軸密封裝置采取方案二裝配型式，頂蓋上部有積水，深約10～15 cm。根據(jù)集水井水位變化統(tǒng)計，集水井水泵共啟動14次，平均102 min啟動一次，集水井匯水流量23.38 m3/h。

（2）2019年2月10日（0—24時），壩前水位461.37 m，2號機組單機運行，主軸密封裝置采取方案二裝配型式，頂蓋上部有積水，深約10～15 cm。根據(jù)集水井水位變化統(tǒng)計，集水井水泵共啟動15次，平均96 min啟動一次，集水井匯水流量24.84 m3/h。

（3）2020年2月1日0時—2月10日24時，壩前平均水位461.46 m，2號機組單機運行，主軸密封裝置采取方案四填料密封裝配型式，頂蓋上部無積水。集水井水位變化統(tǒng)計，集水井水泵共啟動3次，平均80 h啟動一次，集水井匯水流量0.49 m3/h。

4 驗證結(jié)果

使用方案四填料密封裝置的裝配型式，集水井水位上升最慢，集水井匯水流量約為方案二型式的2%，頂蓋積水可以及時排除，機組控制機構(gòu)及部分導(dǎo)水機構(gòu)部套，工作環(huán)境良好，集水井水泵啟動不頻繁；同時由于固定部分與轉(zhuǎn)動部分為彈性接觸，對機組運行無任何影響，2019年12月電站水輪發(fā)電機機組全部更換為填料密封裝配后，機組各部運行正常。