陳 俞

（國網(wǎng)四川電力送變電建設(shè)有限公司，四川成都 610051）

0 引言

特高壓輸電已經(jīng)成為配電網(wǎng)建設(shè)的重要發(fā)展方向，我國也投入了較大精力進行特高壓系統(tǒng)建設(shè)。在特高壓輸電系統(tǒng)中，換流閥是最主要的設(shè)備之一，但是受到高電壓影響，換流閥運行過程中會產(chǎn)生較多的熱量，對于換流閥的正常使用造成較大影響，特別是換流閥中的閥冷系統(tǒng)更是容易受到外部因素的影響而發(fā)生故障，從而造成換流閥無法正常工作，因此確保閥冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。主泵是閥冷系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，是確保整個系統(tǒng)能夠正常運行的基礎(chǔ)。但是主泵的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對于精度的要求較高，所以應(yīng)用不當(dāng)或者長期運行容易產(chǎn)生磨損而發(fā)生機械滲漏，從而對閥冷系統(tǒng)甚至整個換流閥造成影響?；诖?，需要對換流閥內(nèi)冷主泵機械密封滲漏的原因進行分析，同時采取有針對性的對策進行處理，避免對換流站造成影響。

1 特高壓換流閥內(nèi)冷主泵概述

特高壓輸電系統(tǒng)中換流閥的閥冷系統(tǒng)能夠確保閥體溫度始終處于正常狀態(tài)，按照結(jié)構(gòu)和功能的差異可以將閥冷系統(tǒng)分成外冷系統(tǒng)和內(nèi)冷系統(tǒng)。其中內(nèi)冷系統(tǒng)屬于密封循環(huán)系統(tǒng)，主要包括主循環(huán)冷卻回路、氮氣穩(wěn)壓系統(tǒng)、去離子系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、換流閥冷卻水回路等部分，內(nèi)冷系統(tǒng)利用主泵可以將循環(huán)水輸送到換流閥內(nèi)部，吸收閥內(nèi)熱量之后經(jīng)過外冷系統(tǒng)冷卻，進行再次的冷卻循環(huán)[1]。

1.1 主泵的類型

換流閥內(nèi)冷主泵主要采用是葉片泵，葉片泵可以分為軸流泵、斜流泵、離心泵等。不同類型的泵具有不同特點，例如，軸流泵具有較高的轉(zhuǎn)速和較大的流量，但其揚程相對有限（＜15 m），同時運行效率較低，所以應(yīng)用場合有限；斜流泵需要較深的吸水井才能夠運行，所以很難安裝在主廠房內(nèi)；離心泵體積較小且揚程較高，可以在較小流量情況下運行，具有較強的抗氣體腐蝕性，更便于維護保養(yǎng)，使用壽命較長，完全可以達到內(nèi)冷主泵的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，因此，內(nèi)冷主泵更多采用離心泵。

1.2 內(nèi)冷主泵機械密封結(jié)構(gòu)

換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)主泵采用的機械密封結(jié)構(gòu)主要是通過一對或者多對靜環(huán)和動環(huán)組成，動環(huán)相對于靜環(huán)進行滑動，受到流體壓力和補償機構(gòu)彈力作用始終保持良好的端面貼合，再加上輔助元件的作用最終實現(xiàn)密封。

其中，靜環(huán)固定在設(shè)備的殼體、壓蓋、法蘭等位置，通過密封端面來阻止冷卻水的滲漏，而動環(huán)則隨著主泵的旋轉(zhuǎn)軸共同旋轉(zhuǎn)，在冷卻水壓力和彈簧力的作用下確保動環(huán)和靜環(huán)密封端面的貼合以及相對滑動。為了避免冷卻水在動環(huán)和靜環(huán)的間隙滲漏，動環(huán)和靜環(huán)都設(shè)置有密封圈。同時，為了避免由于運行時磨合面溫度上升以及冷卻水腐蝕的影響而造成滲漏，需要在內(nèi)冷主泵的出口導(dǎo)出一根水管，主要用于對機械密封面進行沖洗降溫[2]。主泵屬于動力設(shè)備行列，所以其密封主要采取接觸密封的方式。不同類型接觸密封措施如表1所示。

表1 不同類型接觸密封措施

2 含沖洗管內(nèi)冷主泵機械密封滲漏研究

2.1 含沖洗管內(nèi)冷主泵機械密封滲漏的危害

從現(xiàn)階段來看，為了避免高溫的影響，換流閥內(nèi)冷主泵往往會采取自沖洗的方式來對機械密封面進行清洗，同時也能夠起到降溫的作用。沖洗水體主要是利用連接管從主泵出口處導(dǎo)入泵體的密封腔進行沖洗。具體采用多大的沖洗量進行機械密封清洗是很難直接計算的，因此，在實際應(yīng)用時往往利用經(jīng)驗法進行預(yù)估，確保冷卻水工作在層流以及湍流的臨界狀態(tài)下，但是此種方式往往會由于流速設(shè)定不合理而造成內(nèi)冷主泵機械密封發(fā)生滲漏。一旦機械密封發(fā)生滲漏就會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的危害，主要包括以下5個方面。

（1）會導(dǎo)致內(nèi)冷主泵發(fā)生更多的故障，對于閥冷系統(tǒng)正常運行造成較大影響，最終影響換流閥的正常運行。

（2）由于靜環(huán)的表層長時間受到?jīng)_洗，所以其表面的坡口容易造成損壞，從而導(dǎo)致動環(huán)和靜環(huán)之間的摩擦系數(shù)有所增加，對主泵的性能造成影響。

（3）長期循環(huán)運行容易將某些雜質(zhì)帶到閥冷系統(tǒng)當(dāng)中，這就會導(dǎo)致水質(zhì)無法滿足運行標(biāo)準(zhǔn)，最終對冷卻效果造成較大影響。

（4）長期運行會在機械密封面產(chǎn)生污物堆積，影響密封性能以及使用壽命。

（5）機械密封面無法有效降溫，過高的溫度導(dǎo)致機械密封壽命縮短。

2.2 含沖洗管內(nèi)冷主泵機械密封滲漏的原因

（1）沖洗管的進出口存在比較大的壓力差，靜環(huán)表層長時間受到高壓水流的沖擊。若是主泵出水的水壓比較高并且沖洗管出口的水壓較低，那么就會造成沖洗管進出口存在較大的壓差，這樣就在機械密封冷卻水管安裝位置形成高壓沖洗水流，此高壓水流對靜環(huán)表層的長期沖擊就會形成坡口損傷，從而引發(fā)機械密封的滲漏。

（2）冷卻水并非規(guī)則性流動，同時存在較高的流態(tài)壓力。隨著冷卻水壓力升高以及流量的增加，冷卻水就會變成湍流狀態(tài)，此時會有比較高的能量，此種能量長期作用在機械密封表層必然會對其造成破壞。

（3）相應(yīng)部件問題造成的密封失效。①機械密封圈失效。密封圈失效是造成滲漏最根本的問題之一，密封圈長期使用會造成橡膠的老化變形，其表面會產(chǎn)生疏松以及毛糙等情況，失去應(yīng)有的彈性，無法正常工作，但是密封圈失效并不會造成快速的滲漏問題。②固定螺母發(fā)生松動。機械密封動環(huán)座需要通過螺母進行固定，在螺母安裝初期需要對其進行必要的緊固，但是在主泵運行過程中受到水錘作用的影響會造成主泵內(nèi)部壓力遠(yuǎn)超外部壓力，這就會造成主泵運行過程中機械密封動環(huán)座不平衡的情況，受到內(nèi)外壓力不均衡的影響而破壞水膜，從而引發(fā)滲漏問題[3]。③彈簧彈性不滿足標(biāo)準(zhǔn)。機械密封的內(nèi)部會設(shè)置彈簧來實現(xiàn)緩沖補償，這些彈簧在主泵啟動以及運行過程中受到較大壓力，特別是在主泵啟動過程中受到較大扭矩的影響而導(dǎo)致彈簧的彈力發(fā)生偏差，從而造成內(nèi)外的壓力不均衡而將水膜破壞，進而引發(fā)滲漏的問題。

（4）動環(huán)和靜環(huán)平面磨損。動環(huán)和靜環(huán)平面一旦發(fā)生磨損就會造成兩者無法緊密貼合，從而產(chǎn)生滲漏問題。造成動靜環(huán)平面磨損的原因較多，主要包括以下5個方面：①安裝的問題。設(shè)備安裝過程中容易產(chǎn)生過緊、過松或者不平的情況，或在安裝過程中造成某些零部件的破損等，引發(fā)安裝問題。此種情況下將機械密封拆除后都會發(fā)現(xiàn)磨損的情況，表現(xiàn)為發(fā)黑、燒焦、劃痕等現(xiàn)象。②主泵基座的異常。主泵基座方面的問題（如基礎(chǔ)固定螺栓松動、緊固力矩不平衡、支撐部件剛性不足等）會導(dǎo)致主泵運行中的振動，也可能因為基座振動異常而造成振動的擴散，從而導(dǎo)致機械密封發(fā)生滲漏。③主泵的進出口膨脹節(jié)補償器安裝不標(biāo)準(zhǔn)。膨脹節(jié)補償器安裝時不夠標(biāo)準(zhǔn)，造成對角偏差較大，從而導(dǎo)致主泵啟動以及運行過程中機械密封位置產(chǎn)生受力異常。④水質(zhì)較差，含有顆粒造成磨損。水體中含有雜質(zhì)顆粒，顆粒容易引發(fā)機械密封平面出現(xiàn)溝槽或者環(huán)溝等問題。⑤氣蝕干磨。對主泵進行檢修時容易在進水管以及泵腔內(nèi)部引入空氣，在主泵啟動之后隨著機械密封運轉(zhuǎn)速度較高發(fā)生摩擦而產(chǎn)生高溫，長久運行就會引發(fā)機械密封干磨失效的情況。主泵的進出水口主要采取的是“漏斗型管路+波紋管補償器”的方式，主泵啟動工作之后會造成漏斗型進出口水流量存在差異，這樣就會在主泵的泵腔內(nèi)部形成氣腔，從而出現(xiàn)水泵氣蝕的情況，導(dǎo)致主泵機械密封發(fā)生滲漏。因此要盡可能采取軟啟動的方式來啟動主泵，在正常工況下盡量避免主泵工頻啟動，降低機封滲水的概率[4]。

2.3 含沖洗管內(nèi)冷主泵機械密封防滲漏措施

為了確保主泵在運行時會在動靜環(huán)密封面之間始終保持著良好的潤滑狀態(tài)，同時要確保機械密封所用的冷卻水可以進行充分循環(huán)，能夠?qū)a(chǎn)生的熱量帶走，避免發(fā)生機械密封滲漏的情況，可以采取以下4個方面的防滲漏措施。

（1）為了有效減小冷卻水的進口壓力，可以在沖洗水管上設(shè)置壓力調(diào)節(jié)設(shè)備進行必要的壓力調(diào)節(jié)，從而降低沖洗管進出口的壓力差，這樣就可以有效減小機械密封冷卻水管安裝位置沖洗水流的壓力，削弱水流對于靜環(huán)表面的沖擊，降低靜環(huán)表層的破損性，減緩機械密封滲漏的可能性。

（2）為了能夠?qū)_洗管內(nèi)部水體壓力進行有效監(jiān)控，需要在沖洗管的減壓設(shè)備上安設(shè)壓力表，這樣就可以確?？刂茮_洗管內(nèi)部冷卻水流，將其從湍流轉(zhuǎn)變成為層流，從而減小冷卻水的能量沖擊，這樣就能夠減少冷卻水對于機械密封產(chǎn)生的侵蝕。

（3）要對冷卻系統(tǒng)用水進行必要的過濾，從而去除內(nèi)部顆粒。也可以采用純凈水作為冷卻系統(tǒng)用水，從而降低內(nèi)部顆粒對于機械密封面的侵蝕。

（4）要對主泵地腳螺栓的緊固性、泵中心與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的匹配性、轉(zhuǎn)子和定子的同心性等關(guān)鍵指標(biāo)進行定期檢查，始終保持其滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3 換流閥內(nèi)冷主泵機械密封措施應(yīng)用

3.1 工程基本概況

某特高壓直流輸電工程換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)主泵采取的是集裝式機械密封的形式。為了能夠?qū)⒅鞅贸隹诘乃w引入主泵機械密封的內(nèi)部，實現(xiàn)對動靜環(huán)的沖洗以及冷卻，因此在主泵的出口位置設(shè)置了冷卻水管。自從換流閥應(yīng)用以來整體運行良好，但是其內(nèi)冷主泵在經(jīng)過長期的運行之后在機械密封的靜環(huán)表層產(chǎn)生了損傷坡口的情況，從而造成水體頻繁發(fā)生滲漏。受制于具體工況，在機械密封發(fā)生滲漏情況后只能在線對機械密封進行更換。在更換機械密封時要確保故障主泵停止運行，這時閥冷系統(tǒng)只有一臺主泵在運行，整個系統(tǒng)并不具有冗余性能，一旦運行中的主泵產(chǎn)生故障而造成停機就會直接造成整個電力系統(tǒng)故障停運[5]。

3.2 具體解決措施

經(jīng)過分析得知此機械密封發(fā)生滲漏的根本原因在于冷卻水的流體不合理，針對此情況需要對沖洗管實施必要的優(yōu)化改造。

（1）需要在沖洗管管路上設(shè)置節(jié)流閥以便能夠?qū)軆?nèi)冷卻水壓力進行調(diào)節(jié)。

（2）需要在沖洗管上設(shè)置流體流線調(diào)節(jié)器，以此來將湍流水頭能量吸收，確保流體流線的一致性。通過對水體能量的控制能夠減小對機械密封造成的危害。

（3）為了能夠更加便利地更換相應(yīng)部件，要通過卡套接頭對壓力調(diào)節(jié)閥以及流線調(diào)節(jié)器進行連接。為了能夠監(jiān)視調(diào)節(jié)壓力，要在流線調(diào)節(jié)器上設(shè)置直讀式壓力表。為了明確調(diào)節(jié)的壓力，將雷諾數(shù)設(shè)定為2400~4000（此時流體處在層流、湍流的臨界狀態(tài)）來進行冷卻水流速以及壓差的計算。

在經(jīng)過上述優(yōu)化改造后，此換流閥無論是在主泵機械密封滲漏頻次還是在運維成本方面多有明顯的下降，從而延長了主泵的使用壽命，也能夠減少備件的更換次數(shù)，提升了閥冷系統(tǒng)運行的可靠性。

4 結(jié)語

特高壓換流閥的閥冷系統(tǒng)非常關(guān)鍵，對于確保整個系統(tǒng)正常運行具有重要作用。本文主要對換流閥內(nèi)冷主泵機械密封結(jié)構(gòu)進行了闡述，并且分析了其機械密封滲漏的原因，在此基礎(chǔ)上提出了有針對性的防滲漏措施，同時在實際工程中對其進行了驗證，表明了措施的有效性。通過本文的介紹能夠?qū)μ馗邏簱Q流閥內(nèi)主泵機械密封滲漏的防范起到參考作用，對于推動特高壓發(fā)展具有現(xiàn)實意義。