鈉冷快堆氣體加熱風機密封性能探究

□和 丹 肖常志 呂明宇 余華金

一、背景

快堆堆本體預熱系統是快堆的一個重要系統，通過本系統將快堆堆本體加熱至200～250℃，作為充鈉前的先決條件，然后才可以充入鈉冷卻劑，啟動鈉泵后運行。它的穩定運行直接影響到堆本體進鈉，乃至后續整個反應堆的調試。

氣體加熱風機是快堆堆本體預熱系統的主要設備之一，主要是為堆本體預熱系統提供氣體循環的動力和氣體加熱的主要熱源，氬氣通過風機及系統管道循環加熱堆本體，最終達到反應堆充鈉前的指標要求。由于整個系統要求極低的泄漏率，而氣體加熱風機為整個系統中最大的外泄露點，因此密封技術的研究對氣體加熱風機是至關重要的一項技術。

本文是在中國實驗快堆(CEFR)氣體加熱風機應用的經驗基礎上，對大型鈉冷快堆用氣體加熱風機的密封結構進行改進研究設計，為后期大型快堆堆本體預熱系統的穩定運行奠定基礎。

二、氣體加熱風機密封性能探究

快堆氣體加熱風機組主要由風機本體、增速箱、電動機、變頻器、潤滑油系統和儀表控制系統等組成。氣體加熱風機的密封涉及靜密封(如機殼進出口的法蘭聯接處的密封)和動密封(如軸端處主軸與機殼間的密封)，主要是盡量減少機殼內的氬氣向外界泄漏，節省運行時間和成本。靜密封根據密封件材質又可以分為金屬密封和非金屬密封，有O型橡膠密封圈、橡膠墊片、石墨纏繞墊和金屬墊圈等，其密封效果可以做得很好，且造價相對動密封來說也不高。動密封通常采用的密封形式主要有梳齒密封、碳環密封、機械密封和干氣密封等，而近階段又出現了磁流體密封和螺旋密封技術。在風機用軸密封設計與選型時，要綜合考慮主軸轉速、介質的壓力、溫度及介質的清潔度、介質的物理化學性質、軸密封成本等多方面因素來選取最佳的密封型式。當采用單一軸封型式不能滿足使用要求時，也可以考慮多種密封型式組合使用。

(一)CEFR風機的軸密封運行經驗。CEFR氣體加熱風機的軸密封由兩組成對配置的分塊式石墨環和彈簧鋼絲環組成，安裝在后蓋板內的孔腔內，并經外側軸封壓板壓住，石墨環在腔內可隨軸作徑向浮動，兩側面和環內孔保持與腔壁及主軸接觸，由于兩側面裝有定位銷，因此防止了石墨環在風機運行時的轉動。這種密封結構稱為徑向自緊式聯合接觸式密封。此氣體加熱風機的軸密封結構在CEFR堆本體預熱系統的調試與運行中都沒有達到密封效果，并且成為最大的外泄漏點。調試與運行過程中，平均每日補氣次數7次，每次從0．5kPa到3kPa，根據計算得出泄漏率為23．3m3/h，泄漏量比較大，這不但降低運行效率，同時浪費資源，因此在大型快堆氣體加熱風機的密封結構上需要進行改進設計。

(二)大型快堆風機軸密封研究。對于大型快堆氣體加熱風機，由于轉速較高，適合的動密封主要有梳齒密封、碳環密封、干氣密封及其組合結構。梳齒密封造價最低，但由于其泄漏量太大，單獨使用不合適。碳環密封和干氣密封的密封效果明顯好于梳齒密封，干氣密封的泄漏量最小，但造價也最高。根據大型鈉冷快堆用氣體加熱風機的設計參數，對密封結構進行專業設計和計算，給出以下兩種方案設計和比較，其結構原理如圖1所示。

1．方案A。密封結構:碳環+單端面干氣密封。密封原理:機組溫度較高，故采用外部常溫的氬氣作為密封氣，控制密封氣壓力高于機組0．5～1 bar，通入的氬氣經碳環限流后，大部分回流到風機內，只有極少部分沿干氣密封端面泄漏至大氣側。氣源要求:外部常溫氬氣壓力不低于3barG，建議3～5barG連續供應。消耗量:≈16Nm3/h。

2．方案B。密封結構:冷卻系統+雙端面干氣密封。密封原理:機組溫度較高，故采用單獨的冷卻水對密封腔進行冷卻降溫，外部常溫的氬氣作為密封氣，控制密封氣壓力高于機組0．5～1bar，通入的氬氣進入雙端面密封，一部分回流到風機內，只有極少部分沿干氣密封端面泄漏至大氣側。氣源要求:外部常溫氬氣壓力不低于3barG，建議3～5barG連續供應。消耗量:≈1．5Nm3/h。

從以上兩種方案比較分析，方案B(冷卻系統+雙端面密封)的泄漏量要明顯小于方案A，同時造價要增加約30%，但該方案適用于大型快堆堆本體預熱系統的性能要求。大型快堆氣體加熱風機泄漏量指標的提出需根據機組現場運行的頻繁程度、檢修時間等因素綜合考慮，確定其最終的泄漏率參數。

三、結語

軸密封性能是氣體加熱風機一項重要的技術，而干氣密封的出現是密封技術的一次革命，它具有使用壽命長、介質零泄漏、能耗低、摩擦損失小等優點，因此得到廣泛應用。根據大型鈉冷快堆用氣體加熱風機的設計參數，對軸密封結構進行設計和計算，最終確定冷卻系統+雙端面干氣密封的風機軸密封結構。

圖1 兩種不同密封結構圖

［1］成心德．離心通風機［M］．北京:化學工業出版社，2006

［2］楊富來．干氣密封技術及實際應用［J］．石油化工設備技術，2004