熱電廠水泵機械密封冷卻水供水形式與其損壞關系分析

劉憲民

摘 要：機械密封這種動靜密封形式在轉動機械密封中，由于其滲漏量小、設備壽命長等特點得到了廣泛的采用。熱電廠轉動設備眾多，各種潤滑油油泵、密封油泵、給水泵泵、凝結水泵、熱網循環水泵、補水泵、閉式冷卻水泵等大多采用機械密封形式密封。其中絕大多數是以水為工質的水泵機械，在給水泵系統、凝結水系統、閉式、開式冷卻水系統、凝結水補水系統等都是水泵機械。只有少數設備，例如真空泵等由于工作特性要求或壓力、溫度參數等級較低的，才采用盤根密封或毛氈等其他密封方式，但這些密封方式的泄漏量都要多余機械密封。當前電廠現場無滲漏工作標準的提高及現場文明生產的需要，很多場合機械密封已經取代了其他密封方式，在電廠的眾多轉動機械中，機械密封是應用最廣泛的一種密封方式，尤其是在核電領域，對滲漏量控制特別嚴格的地方。鑒于此情況，分析機械密封冷卻水的供水方式在生產實際中的優劣，幫助工程實踐人員合理選擇供水方式是有實際意義的。文章對機械密封較為常見的三種冷卻水供水方式作簡要分析，并以實際問題為例作講解，講述這3種方式在實踐中的優劣，以幫助工程人員在今后的工作中分析類似問題。

關鍵詞：機械密封；機封；冷卻水；供水方式；水泵；機械密封冷卻水超溫；動環；靜環

中圖分類號：TH136 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）17-0073-03

機械密封為動靜密封，其動環與水泵的泵軸固定在一起，形成一個整體，與泵軸一同做高速轉動；其靜環與靜環壓蓋用定位銷等方式固定在一起，再由緊固螺栓固定在泵殼上靜止不動。動環、靜環由動環上的壓力彈簧預先壓縮頂在一起，由一定的預緊力，其預緊力大小于轉速和其密封液體的工作壓力有關。當水泵工作時，水泵泵軸高速轉動，將電機的電能經由水泵葉輪轉換成流體的機械能。這時工質水獲得高壓力、高速度，將會從水泵的動靜間隙處泄漏出去，而在機械密封處，水泵的動環在靜環上高速旋轉，會建立其一個高壓的水膜，阻止內部工質水繼續向外泄漏，只有少量的水蒸發而散失到空氣中去。在這個過程中，由于動環與靜環之間有著高速的轉動摩擦，會產生大量的熱量，使動環、靜環密封面處溫度身高。這時必須動環與靜環必須得到有效的冷卻，使其溫度不會持續升高，才能保證其持續可靠工作。同時機械密封對工質中固體顆粒物雜質要求較高，如果水中固體雜質較多，且其硬度較大，雜質進入動環和靜環之間的密封面處，將會劃傷密封面，產生溝痕，破壞密封，導致泄漏。因此，合理選擇機械密封冷卻水供水方式直接關系到機械密封的使用情況。

1 直接冷卻

機械密封動環、靜環摩擦產生的熱量依靠泵內的工質水自然冷卻，沒有任何外部強制冷卻。此種冷卻方式對泵內水的清潔度要求較高，水中雜質應很少。水溫比較低，水泵轉速不高的情況下，可以采用這種冷卻方式。電廠閉式冷卻水泵有采用此種冷卻方式的。水泵水溫比較低，在30～40 ℃之間，電機轉速在1 000 r/min，閉式水水質良好，每次循環都在入口濾網處得到過濾，這種冷卻方式能夠保證水泵機械密封的正常工作。內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司，一期兩臺600 MW機組，共六臺閉式冷卻水泵機械密封就采用這種冷卻方式，機組2010年11月份投產之間，機械密封使用正常。

需要注意的是，這種冷卻方式的機械密封在安裝時一定要注意調整好動環與靜環之間的壓縮量。如果壓縮量不夠，則無法密封泵腔內的壓力水。如果壓縮量過大，則由于這種直接冷卻方式的冷卻效果有限，可能導致機械密封動環、靜環摩擦副摩擦產生的熱量過多，不能得到有效的冷卻，使機械密封動環、靜環溫度升高，炸裂動環或靜環，使機封損壞報廢。

2 出口高壓水冷卻

在水泵葉輪出口，工質水壓力升高，引一路水至水泵機械密封處。水泵機械密封與水泵葉輪入口很近，壓力低于水泵出口壓力。這樣水泵出口的水就會向水泵機械密封處流動，有一部分工質水在做“再循環”，將機械密封處摩擦產生的帶走。

例如，內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司一期供熱改造工程，其機組原本是2×600 MW直接空冷汽輪發電機組，后經供熱改造，從中壓缸至低壓缸抽出部分排汽送至熱網換熱器換熱，其配套的熱網循環泵4臺，熱網循環泵的機械密封冷卻方式就是采用從葉輪出口因一路高壓水冷卻機械密封的。其高壓水壓力在0.56～0.70 MPa左右，水泵入口壓力在0.41～0.43 MPa左右。高壓水經管路引入機械密封處，冷卻機械密封后，又回到葉輪入口，實現再循環的同時，將機械密封動環、靜環摩擦產生的熱量帶走，降低摩擦副的溫度，達到保護機械密封的作用。

這種冷卻方式對泵的轉速適應型較高，對于低轉速和高轉速同樣適用。但是對水質要求較高。由于葉輪出口水直接引回到機械密封處，如果水質雜質較多，將會破壞機械密封密封面，導致泄漏。

固體顆粒物破壞機械密封密封面的機理是：當固體顆粒物雜質進入機械密封密封面，就會劃傷機械密封的密封面，或者加快機械密封密封面的磨損，這時工質水中的水垢和油污、油泥等在軸、軸套表面的堆積速度超過動環、靜環這對摩擦副的磨損速度，就會使動環不能夠補償磨耗位移，致使動環與靜環之間的間隙增大，水從間隙向外滲漏，造成泄漏，機封失效。選擇硬對石墨的摩擦副作動環、靜環，因為固體顆粒物雜質會嵌入到石墨密封環里面，不如硬對硬的摩擦副做動環、靜環配合的壽命長。在雜質較多的場合，建議選擇硬對硬的摩擦副作動環、靜環配合的機械密封，但不是解決問題的根本方法。

通常對于水質良好、清潔度高的，葉輪出口水可以直接引到機械密封處；對于水稍差的，可以在“再循環”管路上增設一個Y形濾網，過濾水中雜質，提高水的清潔度，延長機械密封工作壽命。根據現場實際情況，可以選擇只有一路或一用一備設兩路密封水。但是對于水質不好，清潔度較低的情況，不建議使用這種冷卻方式。

內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司一期供熱改造工程選用的熱網循環水泵即是采用這種冷卻方式。熱網循環水泵工質水經升壓后輸送到市區供熱，在這一過程中，水質得不到很好的控制。市區換熱站、熱網主管道、分支管道中水質都有可能降低。尤其是在熱用戶處，散熱器種類質量各有不同，市民根據自身經濟條件、個人需求選擇不同的散熱設備，從而向供熱水中引入了不同量的雜質。熱網水在回到供熱首站后，雖經自動反沖洗濾水器過濾，但是由于過濾器本身就不是精過濾器，導致水中較為細小的顆粒雜質沒有得到全部過濾。尤其是在供暖初期，市區散熱器經過一個夏天的腐蝕，雜質脫落進入水中，水中雜質較多。

在這種情況下，水中雜質進入機械密封密封面，就會劃傷密封面，產生溝痕，使機械密封無法密封內部壓力水，導致其泄漏失效。

針對此種情況，建議從外部引用電廠中水質較好的凝結水或凝結水補水（除鹽水）等。應注意的是：外部引用的機械密封冷卻水的壓力必須高于機械密封處的水壓，這樣才能夠冷卻機械密封。這樣在機械密封的周圍就建立起一個“小環境”。在這個小環境里面，水質良好，雜質很少，機械密封密封面不會受到劃傷。這些外部冷卻水同時可以向熱網補充少量的水，可以作為補水的一部分，減少補水泵的啟停次數。

但是這種外部供水冷卻方式，需要引管、布置截止閥、減壓閥及壓力表等設備，較為復雜，增加了投入，維護量也增加了，但提高了機械密封工作的可靠性。只適應于水質不好的場合。實際應用中，需要結合現場實際，根據熱網水雜質情況，合理選擇直接“再循環”冷卻或外部引水強制冷卻。

3 外部換熱器冷卻

熱電廠的給水泵給水溫度高，依據內蒙古國華發電有限公司一期600 MW空冷發電機組，負荷在325 MW時，水溫為157 ℃，負荷在360 MW時，水溫為162 ℃，負荷在500 MW時，水溫為176 ℃，遠高于機械密封允許工作溫度。機械密封報警溫度為80 ℃，保護值為95 ℃，當機械密封冷卻水水溫達到95 ℃時，延遲3 s保護動作，給水泵就會跳泵。所以機械密封在工作時，必須嚴格控制其水溫，否則會因為超溫，而退出運行，甚至使機械密封密封面炸裂。

在水泵轉動運轉時，機械密封動環外部有一圈齒形泵，它與泵軸同轉速轉動。在機械密封外部有一個回路，其間有一個換熱器。機械密封冷卻水在齒形泵的驅動下，在回路內做循環流動，在外部換熱器里面得到冷卻降溫，回到機械密封動靜環摩擦處，冷卻動靜環，帶走摩擦產生的熱量，重新在齒形泵的驅動下，進入外部換熱器換熱冷卻，從而完成一個循環。

在電廠由于負荷降低，給水泵停泵備用時，水泵停止運轉。這時齒形泵隨之停止運轉，使機械密封冷卻水停止循環，得不到外部換熱器的有效冷卻。同時，在給水泵停備時，為了保證給水泵筒體溫差不超過規定值。在高壓給水管道上引出一路給水，引入到給水泵內部，使其內部葉輪、殼體、筒體等溫差，在合適的范圍內，不致產生過大溫差使內部零部件熱膨脹不均，避免在啟動時碰磨。

但這就引來了一個新的問題，暖泵的高溫高壓水流過水泵內部，將熱量傳遞到機械密封處。而這時機械密封冷卻水沒有循環起來，得不到外部換熱器的冷卻。機械密封處水溫持續升高，超過報警值。甚至與超過保護值，使水泵退出備用。

這時可以采取限制暖泵流量，或者暫時關閉暖泵門，使進入泵內的高溫水流量減少，從而限制了向機械密封處傳遞的熱量，以此來保證機械密封處水溫不至超過保護值，水泵能夠投入備用。

但是這種操作方法增加了人員的操作任務，同時暖泵門處工質水的壓力為給水壓力，為全廠最高壓力，以內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司為例，其給水泵額定壓力為32 MPa，溫度在150～180 ℃之間，經常性開關閥門容易造成危險。

上述情況給機組可靠運行帶來了隱患。根據上述情況，可以采取這樣的措施。在給水泵正常運行時，其機械密封冷卻水得到外部換熱器的有效冷卻，完全可以滿足冷卻機械密封，帶走摩擦熱量和泵體傳遞熱量的要求。在給水泵停備期間，可以使用外部強制冷卻方式，冷卻機械密封，使機械密封處水溫控制在較低的溫度范圍內，同時，暖泵水可以正常投入，保證筒體溫差也在可控范圍內。這時，要求外部機械密封冷卻水的壓力必須高于進過節流套的給水壓力。只要外部強制冷卻水壓力稍高于經過節流套的給水壓力，外部強制冷卻水就可以進入泵內，冷卻機械密封。內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司一期，鍋爐電動調速給水泵就是這種外部換熱器的機械密封冷卻方式。在給水泵運行時，機械密封冷卻水水溫正常，能夠滿足冷卻機械密封的需要，水泵運轉正常。但是在停備時，其驅動端機械密封冷卻水在20 min內快速上升超過報警值80 ℃，逼近保護值95 ℃。

一般情況下，就需要人員就地調整暖泵門開度，限制暖泵流量以降低機械密封水溫度，同時需要兼顧給水泵筒體溫差，增加了人員操作的工作量。

現根據就地實測，在給水泵停運時，經過節流套節流給水泵機械密封處水壓只有0.6 MPa，這個壓力值比較低，其凝結水泵出口壓力3.5 MPa。完全可以進過節流減壓后作為給水泵機械密封冷卻水的外部強制冷卻水源。

凝結水作為外部強制冷卻水源的優點有：

①水壓滿足使用要求，凝結水泵工頻運行時出口壓力為3.5 MPa，高于給水泵節流套后機械密封腔室的0.6 MPa。即使對凝結水泵做變頻改造后，其出口最低壓力仍為1.15 MPa，同樣滿足冷卻冷卻機械密封供水需要。

②凝結水水溫低于給水泵機械密封報警值。600 MW空冷機組電動給水泵組給水溫度通常在150～180 ℃之間，而凝結水的水溫在30～50 ℃之間，凝結水完全可以作為冷卻機械密封的水源。

③凝結水泵提供的是機組凝結水，凝結水雖然沒有經過化學精處理及除氧器處理。但是由于汽輪發電機組，工質水絕大部分是循環使用，即使少量補充水，也是經過嚴格處理的除鹽水。凝結水本身的固體顆粒物雜質極少，完全可以滿足冷卻給水泵機械密封的要求。雖然其沒有經過精處理處理和除氧器除氧，但是可以通過限制其供水壓力，減少供給流量，使極少量的凝結水進入給水系統，而且只是在給水泵停運時才提供外部強制冷卻水，所以不會對給水品質產生影響。

外部強制冷卻供水方式的設置方式：

①凝結水取水點應在凝結水再循環管道閥門前，不便在凝結水主管道上取點。

②在取水支管上應設置截止閥和減壓閥。設置截止閥可以可靠隔離給水與凝結水，在發生意外事故時，能夠及時可靠地隔斷兩個系統。設置減壓閥，便于調整供水壓力，使其匹配給水泵機械密封密封腔室壓力，在凝結水壓力變動時仍可滿足給水泵機械密封冷卻水供水壓力的需要。

③在減壓閥后設置過濾濾網。雖然凝結水水質較好，但仍設置磁性過濾器，增加一層保險。磁性過濾器即可吸附鐵銹等磁性雜質，又可過濾污泥等，從而更加保證供水水質良好。此處可以設置雙路，一用一備，在運行狀態即可保證供水的同時清洗備用過濾器。

④在每臺給水泵機械密封外部，使用三通接頭，將外部強制供水與內部循環冷卻水連接起來。同時應設置針型閥，便于切換：在給水泵運行時，關閉外部強制供水，使用水泵內部工質水冷卻循環；在給水泵停止運行，開啟暖泵門時，開啟外部強制供水冷卻機械密封。暖泵與冷卻機械密封同時進行，互不干擾。針型閥處水的壓力和溫度都較低，操作風險性遠小于暖泵門處。

4 三種冷卻方式的處理

熱電廠、發電廠及石油化工行業中，水泵設備眾多，機械密封的使用極其廣泛。仔細研究機械密封的冷卻方式是有著實際意義的。本文論及的三種冷卻方式，是較為常見的機械密封冷卻方式。分別對三種方式的使用場合和實際中出現的一些問題做了簡要的分析，并針對出現的問題提出了一些處理方法。

4.1 直接冷卻方式

直接冷卻方式使用方便，發電廠現場沒有就地改造的必要，可以由制造廠制造好后直接安裝使用，最為簡便。但是其對于水質的要求最高，對工質參數的限制比較嚴格。在小型泵中應用較多，在大型水泵中應用較少。

4.2 出口高壓水冷卻使用方式

出口高壓水冷卻使用也較為方便，一般制造廠在水泵制造時，便將葉輪出口處鉆好取水孔，在機械密封靜環壓蓋上或機械密封腔室上部開設小孔，使用小管徑管直接連接，或增設過濾。制造難度不大，現場維護量也不大。機械密封能夠得到很好的冷卻，適用范圍較第一種直接冷卻方式更為廣泛。但其對水質要求較高，不適用于水質較差、固體顆粒物雜質較多的場合適用。

4.3 外部換熱器

外部換熱器適用于水溫高的給水等場合。機械密封需要密封的工質水水溫高，其冷卻水必須有外部換熱器（如螺旋管換熱器、管殼式換熱器等）強制冷卻才能滿足冷卻要求。但是對于泵體內熱量能夠持續傳遞到機械密封處的，在自身冷卻水停止循環時，建議增加外部強制供水冷卻，以使機械密封時刻處于可靠狀態。

機械密封的冷卻方式有很多種，并不局限于以上三種。現場工作者可根據實際情況，合理選擇機械密封冷卻方式，以最大限度延長機械密封使用壽命，提高設備的可靠性。

參考文獻：

[1] 李必祥，王牛.如何提高石化用泵機械密封的性能及壽命[J].石油化工設備技術，1994，（6）.

[2] JB/T 4127.3-2011，機械密封（第3部分）：產品驗收技術條件[S].