天荒坪抽水蓄能電站主軸密封改造.doc

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(wèn)題，分析了原因，以及改造方案，消除了投產(chǎn)以來(lái)一直困擾電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患，提高了機(jī)組的運(yùn)行可靠性。同時(shí)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(jì)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(jī)由GE Norway公司制造，而其大軸密封則由分包商英國(guó)的Sterling Mechanical Seal 制造，首臺(tái)機(jī)組于1998年9月投入運(yùn)行。由于廠家設(shè)計(jì)原因，自投產(chǎn)以來(lái)，主軸密封一直是影響天荒坪電站機(jī)組啟動(dòng)成功率和不穩(wěn)定因素。2002年以前，廠家雖經(jīng)過(guò)對(duì)主軸密封多次改造，但仍不能完全解決主軸密封的運(yùn)行中溫度突升造成密封磨損較快等問(wèn)題。2002年，經(jīng)過(guò)制造廠和天荒坪電站有關(guān)技術(shù)人員對(duì)主軸密封再次共同研究，重新設(shè)計(jì)主軸密封，并經(jīng)過(guò)有限元分析和模型試驗(yàn)后，2003年在機(jī)組上安裝試驗(yàn)取得了成功，主軸密封的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題最終得以解決。2主軸密封運(yùn)行條件2.1水頭條件電站設(shè)計(jì)水頭為526米，水輪機(jī)淹沒(méi)深度為-70米，電站運(yùn)行水頭范圍為526610米，其中供主軸密封水源的下庫(kù)運(yùn)行變化水位在295345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(jī)組設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為500RPM（轉(zhuǎn)/分），最高飛逸轉(zhuǎn)速為720RPM，為順時(shí)針和逆時(shí)針雙向旋轉(zhuǎn)，大軸直徑為940mm，主軸密封處的運(yùn)行切向線(xiàn)速度為30m/s，最高切向線(xiàn)速度約為43 m/s。2.3工況條件本電站機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行工況有發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相，停機(jī)等五種工況，有停機(jī)-發(fā)電-停機(jī)、發(fā)電-發(fā)電調(diào)相-發(fā)電、停機(jī)-抽水調(diào)相-抽水-停機(jī)（抽水調(diào)相）等工況轉(zhuǎn)換，每天開(kāi)停機(jī)按10次設(shè)計(jì)。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(dòng)、靜態(tài)真空的影響以及氣和水的粘滯作用的差異，機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換時(shí)將造成主軸密封處的水壓力的變化，當(dāng)機(jī)組在停機(jī)時(shí)，主軸密封處的水壓力為下庫(kù)靜水壓力，在下庫(kù)水位變幅范圍內(nèi)約在0.71.2MPa之間變化（設(shè)計(jì)最小淹沒(méi)深度為-70米）。當(dāng)機(jī)組在調(diào)相工況運(yùn)行時(shí)，因機(jī)組在壓縮空氣中旋轉(zhuǎn)，對(duì)主軸密封處的壓力影響不大，基本與停機(jī)狀態(tài)相同。但當(dāng)機(jī)組以500RPM的轉(zhuǎn)速在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)，將使主軸密封處的壓力降低約一半，即在0.30.65MPa內(nèi)變化，這就要求主軸密封在工況轉(zhuǎn)換的短時(shí)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(guò)緊而影響潤(rùn)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(dòng)密封的接觸面，進(jìn)而影響主軸密封的冷卻潤(rùn)滑水流量、水膜的形狀及其內(nèi)部壓力降，同時(shí)也將影響主軸密封處的水壓平衡，對(duì)主軸密封的運(yùn)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(jī)組的主軸密封工作環(huán)境惡劣，投運(yùn)后，運(yùn)行一直不穩(wěn)定，從歷年的統(tǒng)計(jì)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(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。歷年來(lái)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(yùn)行時(shí)，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(duì)主軸密封的外環(huán)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了材料的強(qiáng)度和加強(qiáng)筋，從而增加了結(jié)構(gòu)剛度，減小其變形，此時(shí)主軸密封的故障特征已表現(xiàn)為調(diào)相工況能正常運(yùn)行，但工況轉(zhuǎn)換時(shí)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(yùn)行的需要。此外，由于機(jī)組合為雙向旋轉(zhuǎn)，在主軸密封的上下可移動(dòng)壓環(huán)上安裝有雙向防轉(zhuǎn)動(dòng)鍵，經(jīng)過(guò)多次雙向運(yùn)行撞擊后形成的凹坑影響主密封移動(dòng)環(huán)的上下移動(dòng)，造成主軸密封在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)溫度突升的異常現(xiàn)象。2003年后，經(jīng)過(guò)整體更換，上述缺陷基本消失，從而使主軸密封的運(yùn)行性能大大提高，消除了長(zhǎng)期困擾機(jī)組運(yùn)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(dòng)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(jī)組運(yùn)行工況、轉(zhuǎn)速、下庫(kù)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(rùn)滑水壓力，隨冷卻潤(rùn)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(dòng)環(huán)的自重達(dá)到平衡，在不銹鋼移動(dòng)環(huán)與密封環(huán)之間形成穩(wěn)定的冷卻潤(rùn)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(yùn)行。5舊主軸密封存在問(wèn)題5.1原理問(wèn)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(shí)，由于主軸密封處水壓力的變化可能打破密封移動(dòng)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(yùn)行溫度高而燒損，或者是移動(dòng)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(dòng)環(huán)將嵌入密封環(huán)，機(jī)組旋轉(zhuǎn)造成的大軸擺度將影響移動(dòng)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(wèn)題作為主軸密封的基座的水輪機(jī)頂蓋、內(nèi)頂蓋、檢修密封以及主軸密封外環(huán)等水輪機(jī)流道內(nèi)的水壓力作用下，相當(dāng)于一個(gè)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(guò)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(dòng)鍵損壞問(wèn)題為防止主軸密封的移動(dòng)環(huán)隨著密封環(huán)旋轉(zhuǎn)，在移動(dòng)環(huán)上安裝有防止轉(zhuǎn)動(dòng)鍵，因?yàn)闄C(jī)組有兩種旋轉(zhuǎn)方向，移動(dòng)環(huán)又要適應(yīng)密封環(huán)被磨損后跟隨壓緊的移動(dòng)要求，防轉(zhuǎn)動(dòng)鍵與鍵槽之間必然存在一定的間隙，當(dāng)機(jī)組改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，防轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)環(huán)的上下移動(dòng)。雖然廠家把防轉(zhuǎn)動(dòng)鍵改成了類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂的材料，但由于該材料強(qiáng)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(cè)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(guò)操作腔而連接到移動(dòng)環(huán)上，運(yùn)行中移動(dòng)環(huán)的上下移動(dòng)、機(jī)組的振動(dòng)、特別是移動(dòng)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(jì)參數(shù)如下：運(yùn)行介質(zhì)：水設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速：500rpm設(shè)計(jì)最大瞬時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速： 720rpm設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速：680rpm設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力范圍：0.31.2Mpa壓力調(diào)節(jié)氣缸數(shù)：6只（均布）氣壓調(diào)節(jié)范圍：0-1.0MPa6.2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(dòng)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(dòng)平衡，移動(dòng)環(huán)上的壓緊力將隨尾水壓力自動(dòng)變化，只要移動(dòng)環(huán)上受壓面積選擇合理，就可使密封能夠自動(dòng)適應(yīng)工況轉(zhuǎn)換而運(yùn)行穩(wěn)定。具體描述如下：正常運(yùn)行條件下，主軸密封的外環(huán)1、移動(dòng)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(mǎn)著尾水壓力，該壓力隨下庫(kù)水位、機(jī)組轉(zhuǎn)速、運(yùn)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0.31.2MPa。同時(shí)機(jī)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(jī)組技術(shù)供水壓力影響，也受機(jī)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(shí)上，移動(dòng)環(huán)（包括密封環(huán)）在水壓作用下的變形和移動(dòng)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(dòng)環(huán)的平衡。因此主軸密封能否穩(wěn)定運(yùn)行取決于主軸密封上的移動(dòng)環(huán)的受力情況及其抗變形能力，如果移動(dòng)環(huán)所受向上的合力過(guò)大，則主軸密封移動(dòng)環(huán)將向上抬起，造成主軸密封泄漏；如果移動(dòng)環(huán)所受的向下的合力過(guò)大，則將導(dǎo)致密封環(huán)與抗磨板之間的液態(tài)冷卻膜過(guò)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(jī)組跳機(jī)。主軸密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮控制移動(dòng)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(dòng)環(huán)上的受力面積。為了保證主軸密封穩(wěn)定運(yùn)行，并補(bǔ)償密封環(huán)長(zhǎng)期運(yùn)行的不均勻磨損，在移動(dòng)環(huán)上均勻布置有六只壓力調(diào)節(jié)氣缸，以便正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。7新主軸密封的特點(diǎn)新型主軸密封有以下幾個(gè)特點(diǎn)（與舊密封相比）：7.1取消了操作腔，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。移動(dòng)環(huán)壓緊力隨尾水變化而自動(dòng)調(diào)整，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，工況轉(zhuǎn)換時(shí)不需要人員調(diào)整壓力，可節(jié)省運(yùn)行人員的人力。7.2更換后安裝磨合期短，經(jīng)首次開(kāi)機(jī)約10分鐘磨合就可投入運(yùn)行，且溫度不高（磨合期比冷卻水溫高5左右）。7.3防轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)磨損指示裝置不再穿過(guò)操作腔，因而不會(huì)造成泄壓而密封抬起。7.4END SEAL 被磨損后，對(duì)其冷卻潤(rùn)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(dòng)環(huán)進(jìn)入END SEAL的槽內(nèi)將惡化其冷卻潤(rùn)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(dòng)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(kāi)有冷卻水溝，將削弱其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且當(dāng)End seal 被磨損后，不銹鋼移動(dòng)環(huán)將嵌入End seal，機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)大軸擺動(dòng)將對(duì)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(dòng)的影響。因此主軸密封的壽命不但不會(huì)縮短，反而將得到延長(zhǎng)。7.6主軸密封外環(huán)在水壓作用下應(yīng)會(huì)有少量的變形，從1#機(jī)組、3#機(jī)組的主軸密封運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其變形應(yīng)為長(zhǎng)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(duì)主軸密封操作腔的壓力產(chǎn)生較大的影響，從而影響機(jī)組的運(yùn)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(huì)對(duì)主軸密封的密封性能產(chǎn)生影響，也不會(huì)造成主軸密封的運(yùn)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(gè)受壓的圓柱體，抗變形能力應(yīng)更好。7.7移動(dòng)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(shí)需要作較多的防轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)環(huán)六個(gè)方向受力均勻，同時(shí)壓力調(diào)整裝置可以放在水車(chē)室外，因而調(diào)整方便。8新型主軸密封改造后的運(yùn)行情況和調(diào)試情況主軸密封經(jīng)改造后，運(yùn)行穩(wěn)定性比舊的密封有很大提高，經(jīng)過(guò)了發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相等工況的6小時(shí)熱運(yùn)行試驗(yàn)及工況轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，各種工況下，密封運(yùn)行溫度比冷卻水溫約高23，同時(shí)也經(jīng)過(guò)了夏季高溫天氣的考驗(yàn)，2003年夏季冷卻進(jìn)口水溫最高達(dá)到33（設(shè)計(jì)最高水溫為28），而主軸密封在各工況下的運(yùn)行溫度也未超過(guò)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(bǔ)氣間隔達(dá)到3分半鐘以上，補(bǔ)氣時(shí)間約為半分鐘，發(fā)電調(diào)相工況補(bǔ)氣時(shí)間也約3分鐘，而補(bǔ)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(jī)的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，而舊的密封發(fā)電調(diào)相工況不能正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)約一年的運(yùn)行，主軸密封的磨損量小于1mm/1000小時(shí)，達(dá)到了原技術(shù)要求。9改造體會(huì)9.1現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已建或在建的高水頭、高轉(zhuǎn)速的抽水蓄能電站越來(lái)越多，上下庫(kù)的水位變幅也大，在選擇主軸密封時(shí)，應(yīng)主軸密封的結(jié)構(gòu)和原理盡量簡(jiǎn)單，并應(yīng)隨著主軸密封處的尾水壓力變化而自動(dòng)變化，