高摩·贊電站1號水輪機工作密封故障分析及處理

宋　曦（中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局，四川 彭山 620860）

高摩·贊電站1號水輪機工作密封故障分析及處理

宋曦
（中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局，四川 彭山 620860）

摘要：水輪發電機組為水電站的核心轉動部分，直接實現重力勢能-動能-電能的轉化，其中水輪機將勢能轉化為動能。在轉動時為了防止水從轉動軸與靜止部分的間隙中大量涌出威脅到機組正常運行，要裝設工作密封用于止水。高摩·贊電站1號機組在運行過程中發生工作密封環摩擦冒煙的情況，本文對其原因進行了分析，對其解決方法進行了闡述，為同類問題的解決提供借鑒經驗。

關鍵詞：工作密封；壓力；潤滑水；堵塞；間隙中圖分類號：TK730

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0051-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.017

1　工程概述

巴基斯坦高摩贊大壩樞紐工程位于巴基斯坦西北邊疆省D.I.KHAN地區TANK鎮以西的高摩河上，是一個具有防洪灌溉發電等綜合功能的水電工程，電站設2臺立軸混流式水輪發電機組，單機額定容量8500kW，由南寧發電設備總廠生產和成套供貨。

1.1水輪機參數

水輪機型號HLA685-LJ-118；

轉輪直徑1.18m；

額定水頭100m；

額定出力8808kW；

額定流量9.74m3/s；

額定轉速600r/min；

飛逸轉速1150r/min；

機組旋轉方向俯視順時針；

水輪機安裝高程635.50m。

1.2工作密封參數

密封橡膠環與轉動平板間隙0.2～0.3mm

密封水供水壓力0.1～0.2MPa

密封水供水量約30L/min

密封環材質橡膠

密封環外徑Φ540mm

密封環內徑Φ380mm

帶孔螺栓孔直徑2mm

密封供水方式一主一備兩路供水

主供水水處理站精濾水

備用供水水導冷卻水

2　第一次問題的發現和解決

2013年6月24日我部進行1號機組36h試運行實驗，工作密封使用主供水系統，即從水處理站清水池引出的精過濾水，清水池與水機層高程差為40m，因此最大供水壓力為0.4MPa。運行前將供水壓力調為0.15MPa，當機組達到額定負荷8.5MW時，我部人員發現從轉動平板與工作密封間隙中流出的水流極小，流量計指示時有時無，頂蓋壓力大于0.4MPa，且密封供水壓力升至0.35MPa，此現象為不正常運行狀況，因此在停機后對其原因進行了分析，工作密封結構如圖1。

圖1工作密封結構

由圖1可見，密封水通入壓力腔頂起密封環使其與轉動平板保持較小間隙，并且壓力腔內的密封水由帶孔螺栓流出，轉機時對密封環和轉動平板的間隙形成潤滑。

密封環座的下表面受頂蓋水壓的上托力，由于密封環為橡膠材質，當受力增大時，密封環被擠壓，使其部分陷入帶孔螺栓的頂部的限位帽，導致密封環和轉動平板間隙變小，潤滑水流變小，流水不暢，進而導致供水壓力被憋至0.35MPa。于是我們轉向去尋找頂蓋壓力增大的原因，檢查頂蓋排水手動閥發現均完全打開，且壓力傳感器輸出電流正確不存在顯示錯誤。于是轉向頂蓋排水的出水端找原因：設計起初是將頂蓋排水管直接接于廠房滲漏集水井，后考慮到滲漏排水泵運行壓力較重而進行了一次改造，從頂蓋排水主管上焊接一根DN50管路接于壓力鋼管放空管上（放空閥下方），排水管手動閥為DN50蝶閥，壓力鋼管放空管接于尾水錐管。滿負荷轉機時過機流量約為9.7m3/s，除了從頂蓋排走的和部分漏出的水以外大部分從尾水錐管流走，此水流具有較高速度，因此一定程度上阻礙了頂蓋排水的流出，且手動閥為DN50蝶閥，由于蝶閥中間的操作桿占了較大過流面積，因此當全開時實際排水能力僅為DN50管路的2/3。

根據分析結果我建議設計修改頂蓋排水管路：將滲漏排水井壁打通，把之前通入集水井的管路直接引到尾水，為了防止尾水水位高時水回流入集水井，應在出水端加裝單向閥，且保留之前接于壓力鋼管放空管的管路以增強頂蓋排水能力。設計采納了管路改造建議，我方按此施工后轉機重新試驗，將兩路頂蓋排水管路全部打開，發現滿負荷下頂蓋壓力降為0.27MPa，潤滑水流量明顯增大，密封供水壓力為0.22MPa。證明排水改造工作達到了預期目的，隨之1號機順利通過了之后的30d穩定性運行。

3　第二次問題的發現和解決

2013年12月16日，我部進行了以檢驗廠用電為目地的2臺機組附加36h運行實驗，仍使用密封主供水，轉機前壓力調至0.15MPa，當1號機達到滿負荷后0.5h，我部人員觀察水輪機室有白煙冒出并伴有刺鼻橡膠燃燒氣味，密封供水壓力升至接近0.4 MPa，立刻報告中控室，控制人員立刻緊急停止了1號機。之后下去檢查，在水輪機室揀出些許磨掉的橡膠條，大家共同分析認為1號機已經不具備再次開機條件。

之后領導召開技術分析會議分析原因，由于轉機時頂蓋壓力接近0.27MPa并無異常，因此斷定情況和上次的不同，問題可能出在工作密封本身。我們詳讀圖紙并現場查看水輪機構造，發現轉動平板與工作密封大部分裸露在外而不是完全封閉，結構較易于拆裝。經領導同意我們決定拆除轉動平板查看工作密封情況。

拆除工作較簡單不再詳述，拆除后我發現帶孔螺栓的出水口被白色雜質堵住，密封環深深陷入帶孔螺栓的限位帽，需用很大力氣才能分開，密封環上表面已經被磨損且磨損不均勻，打開密封供水即使不開機組，潤滑水也完全無法流出，我們對事故原因進行了分析：

本地區為堿性水質，在此次轉機前1號機已經2個月未開機，密封供水管內殘留水中的堿性物質（即水垢）逐漸沉淀，由于帶孔螺栓的孔直徑僅為2mm，逐漸被水垢堵住。2個月后再次開機時，潤滑水無法從螺栓孔中流出，密封水壓力腔內壓力逐漸升起，當負荷低的時候頂蓋水從工作密封與大軸的間隙中涌上來，從轉動平板和密封環間隙中流出造成潤滑水有流的假象；負荷逐漸提高后，密封環受力為：密封環座A面上的頂蓋壓力上托力，B面上的密封水壓力，則合力為：

F=FA+FB

A面和B面均為一個圓環，查圖紙尺寸計算出A面面積為0.02m2，B面面積為0.0958m2，A面壓強為頂蓋水壓0.27MPa，即270000N/m2，B面壓強為0.4MPa,即400000N/m2，則：

F=FA+FB=0.02×270000+0.0958×400000=43720N

即相當于4.37t的重物垂直壓在密封環上使其深深陷入螺栓限位帽。

問題原因找到了，如何處理擺在了我們的面前：如果單純疏通螺栓孔可保證1號機短期順利運轉，但如再長時間停機很可能又發生相同情況，而且現在是旱季庫區水較清澈，當進入雨季后庫區水將含有泥沙，轉機時小顆粒泥沙很可能沿工作密封與主軸的間隙（0.3～0.4mm）反上來，此時如果轉動平板和密封環的間隙受壓變小，密封環就有可能再一次被燒，因此這個方法治標不治本。

于是我們決定改造工作密封結構：加大密封環與限位螺栓受力面積，增大間隙，一次性永久解決此問題。同時我查看了水輪機坑排水系統，發現滲漏水由底部的若干小孔經過預埋管路流入廠房滲漏集水井，集水井容量為112m3，增大流水量不會對排水系統造成太大負擔，我們請示了領導并且電話咨詢了主機廠家技術人員，兩者均認為此想法可行，于是我們展開了改造工作，具體如下：

（1）查看密封環，發現其磨損并不嚴重無需更換，用磨光機將密封環上表面打磨平整，清除黏在轉動平板上的磨損橡膠。

（2）將四根帶孔螺栓限位帽與密封環螺栓孔間均添加一個厚度1.5mm，外徑30mm的銅墊片，增大密封環與限位帽的受力面積，徹底限制住密封環的上行位置，這樣一來間隙最小也有1mm。

（3）將水輪機坑排水的小孔稍微鉆大，增大排水能力。

（4）回裝轉動平板。

（5）徹底清理水輪機坑，揀出施工留下的可見垃圾和磨掉的橡膠，之后用水管沖洗，清除細小垃圾和之前鉆排水孔的鐵屑。

工作完成后我們啟動1號機檢驗改造效果，考慮到間隙加大，密封水供水壓力應適當減小，于是我們將壓力定為0.1MPa，轉機時當負荷達到6MW時頂蓋壓力為0.21MPa，漏水明顯比以前增大，達到8.5MW時頂蓋壓力為0.27MPa，密封水流動順暢，壓力為0.16～0.18MPa，漏水量目測為80L/min。

保持機組滿負荷運轉，觀察發現滲漏排水泵大約每4h啟動一次，改造前約為每5.5h啟動一次，這證明改造未對廠房滲漏排水系統造成較大壓力。并且分析到了雨季時庫區水含泥沙量增大，由于增大了轉動平板和橡膠環的間隙，小顆粒泥沙可從間隙流走而不會導致二者摩擦損壞。

之后我們電話咨詢廠家技術人員，其也對改造工作做了肯定。事實證明我們對事故原因分析是正確的，改造工作是成功的，工作密封環摩擦磨損問題得到了根治，自此以后1號機組平穩運行至今。

4　結語

國外工程由于諸多因素限制，廠家技術人員不可能隨時在現場解決任何問題，因此往往要求現場安裝技術人員是“多面手”，一不能“等”，二不能“靠”，要有獨立分析和解決問題的能力。此對1號水輪機工作密封磨損冒煙問題的發現、分析和解決做了詳細闡述，為同類問題的解決提供了一個參考范例和分析思路。

參考文獻：

[1]程良駿，青長庚.水輪機和輔助設備[M].北京：水利電力出版社，1991.

[2]GBT15468-1995.水輪機基本技術條件[S].

[3]巴基斯坦高摩贊水輪發電機組技術資料[R].2008.

收稿日期：2014-03-20

作者簡介：宋曦（1986-），男，助理工程師，從事水電站機電安裝技術與管理工作。