1050MW機組單臺100%汽動給水泵機封優化設計

陳鵬　黃鶴林

摘要：某廠新型2×1050MW燃煤發電機組采用單臺100%容量汽動給水泵，2號機組在前期調試中出現機械密封水溫度偏高現象，并在機組168小時滿負荷試運過后投產不久，出現由于機械密封水溫度異常升高引起機組非停事件。文章分析了該泵由于刷式機械密封結構存在設計缺陷而造成機械密封水溫度偏高的機理，通過結構優化設計解決了機械密封水溫度偏高問題。

關鍵詞：百萬機組；100%容量；汽動給水泵；機械密封；刷式密封；迷宮式密封 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK284 文章編號：1009-2374（2016）26-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.017

某廠新型2×1050MW燃煤發電機組為引進技術設計生產，采用多項國際先進技術，一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓、九級回熱抽汽式結構，所配單臺100%汽動給水泵更是機組設計布置的一大亮點。而目前百萬機組采用單臺100%容量汽動給水泵也是主流趨勢，可以大幅降低給水系統的控制復雜度及場地使用面積，提升給水效率。但同時采用單臺泵也出現了不可避免的可靠性問題，即每臺機組給水泵只有一臺而無備用時，若出現汽動給水泵跳機必將導致機組跳機的尷尬局面，這就降低了給水系統的可靠性。因而機組單臺給水泵布置形式對泵體結構及控制可靠性提出了較高要求，對汽動給水泵機械結構進行深入研究優化并提高給水泵可靠性是機組單臺給水泵布置研究領域的重點。而由于百萬機組單臺給水泵給水各項參數指標要求苛刻，泵體結構設計相對于低參數機組多臺給水泵復雜，目前國內暫無廠家能完全獨立生產百萬機組單臺汽動給水泵，因而其結構設計優化也是百萬機組單臺給水泵研究領域的難點。

機械密封是汽動給水泵的關鍵構件之一，其作用是密封泵體動靜間隙減小，阻止泵體內部輸送的介質外泄。而機械密封的關鍵構件便是運行中一直摩擦的動靜環，由于動環與靜環之間存在一定厚度的液體膜，防止了動靜環之間發生干磨。但是一旦由于某種原因導致動靜環之間磨損增大，則機械密封水溫度會迅速升高，同時磨損也會導致動靜環間隙增加而進一步引起泵體輸送高溫介質發生泄漏，機械密封水溫度進一步增加。機械密封的工作情況會直接反映到機械密封水溫度這一指標上，其能夠有效監視機械密封的動靜環磨損及給水泄漏情況，是給水泵運行時的跳機保護值。

2號機組在前期調試期間存在機械密封水溫度偏高問題，但受備件運行所限只采取臨時措施對機械密封水冷卻器降溫，而在168小時滿負荷試運結束一個月后汽動給水泵由于非驅動端機械密封水溫度超停機值跳機，并進一步導致機組在900MW負荷時跳機，對電網造成巨大沖擊。經現場檢查發現機械密封水回水濾網被黑色棉絮狀物質堵塞，直接造成密封水斷流并無法冷卻，進一步對棉絮狀物質化驗表明其為凱夫拉材質，與機械密封動靜環刷式密封刷材質相同，由此推測機械密封刷式結構磨損并導致材料脫落堵塞濾網，造成機械密封水溫度升高并跳機。對比檢查1號機對應濾網，同樣發現少許黑色棉絮狀物質，經化驗也為凱夫拉材料，由此可進一步推測密封刷磨損并不是裝配間隙及尺寸偏差造成的，而是刷式密封結構的設計存在缺陷，因此對刷式密封結構進行優化設計改造刻不容緩。

結合上述情況，本文詳細討論了機械密封水溫度超限導致汽動給水泵跳機的過程及原因，并設計采用迷宮式密封結構替代刷式密封結構，論證了兩種結構在百萬機組單臺給水泵中應用的優劣性，為迷宮式密封結構的進一步應用提供數據支撐。

1 給水泵及機械密封結構介紹

本型汽動給水泵為某英國知名汽泵制造商生產，泵軸轉速隨給水流量及負荷變化，最高轉速為4812r/min，泵體給水入口額定壓力為3.0MPa，出口額定壓力為33.5MPa，給水溫度范圍為185.2℃～187.7℃，高參數大容量是本型給水泵的主要特點。

汽動給水泵外部殼體采用整體筒體式結構設計，泵芯包為水平、五級離心葉輪式布置，并且設計成可以整體從泵外筒體內抽出的結構，芯包內包括泵體主要部件。泵體軸系通過同軸布置的小汽輪機驅動，與其連接方式為疊片半撓性聯軸器連接，聯軸器與軸系通過液壓過盈配合連接，無銷鍵等額外連接結構。泵殼與泵軸的密封形式為機械密封，其中共有兩道動靜環密封結構，正常運行中沒有密封水泄漏。軸承配置包括非驅動端的復合雙止推軸承及軸頸軸承，驅動端的軸頸軸承，每個軸承從同小汽輪機共用的潤滑油系統得到冷卻和潤滑，結構示意如圖1所示：

給水泵驅動端和非驅動端各一套機械密封，結構尺寸均相同，具體結構見圖2。該機械密封為整裝式結構，依靠動環與靜環間微薄的水膜密封介質的外漏。動環碳纖維結構，同時在動環靠泵體側采用浮動式設計一唇口，唇口加裝凱夫拉材質封嚴刷防磨損，靜環為碳化硅。動靜環之間的水膜既起到潤滑的作用，同時也帶走動、靜環摩擦產生的熱量。機械密封的冷卻包括兩個部分：一部分是機械密封冷卻夾套的冷卻，該夾套是通過閉式循環水冷卻；另一部分是機械密封水的冷卻，該冷卻是密封水循環通過冷卻器得到冷卻，該冷卻器用閉式水作為冷卻水源。參與完動、靜環密封的水溫升高，由泵效環（相當于葉輪）驅動到機械密封水的流出腔室，再通過密封水冷卻出水管流出機封，流向密封水冷卻器，冷卻后通過密封水冷卻進水管流回到機械密封動靜環所在腔室，完成密封水的冷卻循環。其中驅動端與非驅動端各一個冷卻器，采用閉式水對機械密封水進行冷卻，機械密封水冷卻器見圖3所示。

機械密封水的冷卻循環使動靜環腔室維持在正常的較低水溫，而設置凱夫拉材料封嚴刷的主要目的是進一步隔離機械密封水冷卻腔室與泵體高溫給水通道，防止給水泄漏引起機械密封冷卻水溫度過高。

2 機械密封水溫度高原因分析

1號機組2015年2月投產后，汽動給水泵兩端機械密封水溫偏高，夏季時達到65℃左右，隨著機組負荷加到100萬千瓦時，機封水溫最高達75.3℃，且仍有上升趨勢。溫度保護測點位于機械密封水至冷卻器的管道上，保護值設定為90℃停泵。考慮到設備運行情況，現場采用冷卻器外部噴淋自來水幫助冷卻機械密封循環水管的措施，使密封水溫度維持在60℃左右，并定時清洗機械密封水進入冷卻器前的濾網，多次清洗中發現濾網上有少量黑色絮狀物。

2號機組于2015年9月結束168小時滿負荷試運后投產，其汽動給水泵兩端機械密封水同樣存在溫度偏高現象，現場采取了同1號機相同的措施。10月14日，機組負荷穩定在900MW，其他設備參數穩定，給水泵非驅動端機械密封水溫度在2min時間內，由61.07℃快速升至90℃（達到跳泵值），汽動給水泵組跳閘，鍋爐斷水保護動作，2號機組跳閘，首出為“汽泵全停MFT”。停機后，清洗機械密封水進入冷卻器前濾網，發現該濾網上有大量黑色絮狀物。

跳泵后技術人員立即調取現場設備監控數據，發現機械密封水溫偏高時，汽動給水泵各軸承潤滑油溫度及軸承振動正常，固排除外在因素對機械密封水溫度的影響。

在機械密封水管路清洗干凈后，進一步采用超聲波流量測量儀分別對機械密封夾套的閉式水流量、機械密封冷卻水冷卻器的閉式水循環流量、機械密封水冷卻循環流量進行了測量。發現三個值都滿足設計要求，而最后一個值比設計值偏小。由于密封水循環冷卻過程中須克服多種阻力和損失，需要機械密封的泵效環提供足夠的動力。檢查隨機原裝備品機械密封，發現該泵效環位置，沒有加工成型較深的凹齒，不能提供給機械密封水循環足夠動力，所以循環流量比設計值偏小，不能及時帶走機械密封產生的熱量。綜合判斷該型號機械密封的泵效環不能滿足工況要求。

利用機組停運機會，拆卸汽動給水泵兩端機械密封。拆卸檢查過程中，發現機械密封水流出腔室有大量黑色物質，如圖5所示，其同冷卻器前濾網上黑色棉絮狀物質沾染物類似。將機械密封返廠并就該黑色物質進行化驗，結果確定為石墨材料，同動靜環上的材料相同。進一步化驗其冷卻器前濾網上絮狀物，化驗結果與刷式密封上的柔性物質相同為凱夫拉材料。解體機械密封，結構解體結果和化驗結果一致，見圖6，即黑色物質來源于動靜環的磨損，絮狀物來源于刷式密封的磨損。同時解體發現動靜環有磨損痕跡，隔離動靜環腔室與泵軸端的擋圈有磨損破壞的殘片，刷式密封上柔性物質所剩無幾，見圖7所示。由此可以明確判斷，機械密封水冷卻器入口濾網黑色棉絮狀物質來源于凱夫拉材質刷式密封結構磨損脫落。

綜合上述分析，導致機械密封冷卻水溫度升高并跳泵的直接原因有兩點：卡夫拉材質封嚴刷磨損嚴重，一是導致材質脫落堵塞機械密封冷卻水濾網并導致機械密封水回水斷流；二是導致動靜間隙增加，泵體輸送高溫給水泄漏增加。兩個因素共同作用導致機械密封水溫度升高。而根本原因便是卡夫拉材質封嚴刷設計的不合理導致動靜環的嚴重磨損，因而需對刷式封嚴結構進行優化設計，改善其密封特性。

3 機械密封結構優化設計

對凱夫拉材質刷式封嚴結構優化設計可以從兩個方面著手：一是不改變原結構形式，采用新型耐磨材料替代凱夫拉材料；二是改變刷式封嚴結構，采用其他密封結構形式，如蜂窩式密封、迷宮式密封及蓖齒式密封等。凱夫拉這種新型材料具有密度低、強度高、韌性好、耐高溫及易于加工和成型的優良特點，其強度為同等質量鋼鐵的5倍，但密度僅為鋼鐵的1/5，具有堅韌耐磨的優良特性。因此選擇更加耐磨的材料替代卡夫拉材料無較大可能性，進而將刷式封嚴結構更改為其他密封結構是最佳選擇。

采用蜂窩式密封結構時動靜環間隙較小，蜂窩結構需采用可磨損材料以減小動靜環磨損，因而采用這一設計的系統一般應不受到磨損材料脫落的影響。本文中機械密封水濾網易受磨損掉落材料堵塞并引起機械密封水溫度偏高，因而采用蜂窩式密封結構替代原刷式封嚴結構的方法并不可取。蓖齒密封結構同樣是一種有效的密封方式，但由于其結構包含大量蓖齒，蓖齒由于其尖端結構薄弱而易磨損，因而其動靜間隙要求較大，其密封可靠性相對迷宮式密封及蜂窩式密封較差。同時蓖齒密封結構的薄弱也使得其不適合于高壓力梯度領域，本文所述汽動給水泵泵體輸送給水額定壓力為33.5MPa，機械密封腔室及密封水管道額定壓力為0.6MPa，可見密封位置存在巨大的壓差，這也使得蓖齒密封結構不適合于本型給水泵機械密封。

迷宮式密封結構強度好，能夠適用于高壓力梯度場合，同時由于其密封性能良好，可以采用機械密封本體合金鋼材料制造迷宮式密封結構密封齒，配合一定的動靜間隙可獲得良好的防磨特性，同時輕微磨損掉落不會產生棉絮狀堵塞物質。因而對于本型百萬機組單臺100%容量汽動給水泵機械密封，采用迷宮式密封結構替代原刷式密封結構是最佳選擇。

設計優化方案更改刷式密封結構為迷宮式節流結構，并取消了原有擋圈，具體示意見圖8所示。迷宮節流結構能減少動靜環腔室低溫密封水與軸端高溫介質的熱交換，同時避免了刷式密封材料磨下后，堵塞密封水冷卻循環管路，降低循環流量的風險。原有擋圈的結構強度低，更換后的迷宮節流結構取消了擋圈結構，強度有了很大提升。盡管這對運行方式提出了更高要求，泵啟停時升降溫速度必須控制在3℃/min范圍內，運行時需保持泵的振動優良以避免動靜環產生較大摩擦，但上述兩點就泵體運行控制而言并不存在難點。

同時在機械密封泵效環位置，加工深的凹齒，泵效環位置加工的凹齒，就如同給泵效環加上合適的葉輪，提供更大動力并驅動機械密封水循環，把流量提到設計要求，快速帶走動靜環摩擦及高溫部件傳遞過來的熱量。封嚴結構更換后加工新型機械密封并安裝于2號機組汽動給水泵兩端。更換后在運行中重新測量機械密封水循環流量，其值滿足設計要求。同時對不同汽泵轉速及閉式冷卻水條件下的機械密封水溫度進行監測，結果表明在給水泵相同轉速及閉式冷卻水溫度工況下，機械密封水溫度比更換前低10℃左右，并在汽泵運行每隔24小時清洗密封水冷卻器前濾網，清洗周期為1個月，未發現黑色絮狀物及其他磨損脫落物質。同時對1號機組汽動給水泵做了相同處理，處理后汽動給水泵運行情況和2號機組相同。

綜合上述情況可以判斷，本型汽泵機械密封結構中迷宮式結構密封性及可靠性優于刷式密封，能夠有效保證機組穩定運行。

4 結語

（1）百萬機組單臺100%容量汽動給水泵布置相對于多臺給水泵布置具有運行控制系統簡單、結構緊湊等諸多優點，但同時對汽動給水泵機械結構可靠性提出了更高要求；（2）汽動給水泵機械密封應充分考慮到動靜環摩擦脫落物質堵塞冷卻水濾網的可能性；（3）通過將本型汽動給水泵刷式密封結構設計更換為迷宮式密封結構，動靜環磨損脫落物堵塞濾網的可能性完全消除，汽泵機械密封及汽泵可靠性得到大幅提升。

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作者簡介：陳鵬（1976-），男，遼寧葫蘆島人，神華神東電力重慶萬州港電有限責任公司中級工程師，工程碩士，研究方向：大型火力發電廠設備管理。

（責任編輯：黃銀芳）