張河灣主軸密封結構淺析與技改建議

李永杰，徐 桅，錢 力

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

張河灣主軸密封結構淺析與技改建議

李永杰，徐 桅，錢 力

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

著重介紹了張河灣抽水蓄能電站主軸密封結構、工作原理、分析張河灣4號機組主軸密封甩水原因以及技改建議。

抽水蓄能；主軸密封；甩水；技改

張河灣抽水蓄能電站位于河北省井陘縣境內。電站總裝機容量1 000 MW，安裝4臺250 MW的單級混流可逆式機組，水輪機吸出高度設計為-47 m，以一回500 kV線路接入河北省南部電網，設計年發電量16.75億kW·h。電站在華北電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等任務。

1 主軸密封結構與工作原理

張河灣主軸密封分為檢修密封和工作密封，主軸密封安裝位置緊靠水輪機主軸下法蘭端面。在水導軸承下方由內頂蓋支撐，其形式為彈簧復位式流體靜壓平衡軸向機械密封，它的主要組成部件包括抗磨板、浮動環、浮動環壓板、大水箱及其它供排水管與保護裝置等，具體結構見圖1、圖2。

圖1 主軸密封結構圖

圖2 主軸密封俯視圖

主軸密封環采用高密度耐磨聚乙烯樹脂制造，在機組運行期間，密封件應能適應下游水位變化和各種運行工況。密封環正常高度為15 mm，在密封環磨損量達8 mm時必須更換密封環。工作密封是通過8個預緊彈簧作為操作部件來進行壓緊密封（彈簧自由長度為150 mm，預緊后長度為120 mm，螺旋內徑為54 mm，彈性系數22.5N/mm）。彈簧的作用：1）平衡密封件；2）對密封件有一個預緊。主軸密封冷卻潤滑用水從壓力鋼管取水經減壓環管減壓后作為機組正常備用時的工作冷卻水源，另外從低壓供水總管取水通過增壓泵增壓作為機組運行時的工作水源，經水力旋流器和過濾器過濾后供水通過6根供水軟管接入浮動環，過濾精度0.04 mm，正常情況下冷卻與潤滑水水壓為1 MPa，下游壓力0.5 MPa，供水量為18 m3/h，漏水量≤7.2 m3/h，浮動環上臺量≤0.01 mm。

主軸密封的作用是：1）在機組停機和發電、抽水工況下，阻止機組尾水流向頂蓋，造成水淹廠房事故。2）在機組調相工況運行時，阻止轉輪室的壓縮空氣冒出，以減小機組的吸收功率。3）防止機組在停機或運行時，轉輪室中的壓力水越過上迷宮環反上頂蓋。

主軸密封的工作原理是：主軸密封正常供水時，壓力大于下游來水壓力與密封座彈簧壓力之和的冷卻潤滑水，通過金屬軟管送入浮動環內腔，在浮動環密封環與抗磨環結合面之間形成一層水膜，該水膜不僅起止水、潤滑與冷卻作用，而且還將旋轉抗磨板與靜止密封環分開，使它們不發生直接摩擦，從而達到減少密封環磨損量的目的。流經外環的潤滑水直接通過抗磨板與檢修密封之間間隙排至尾水管以封堵尾水，流經內環的潤滑水則通過大軸溢流至密封座上部水箱中，然后通過管徑DN80的排水管自流至廠內集水井（見圖3）。

圖3 主軸密封供水管路圖

2 4號機主軸密封存在問題及技改建議

2015年11月17日，4號機組在抽水工況運行時，發現主軸密封漏水量較大，漏水從主軸與水箱蓋之間甩出，在水位達到頂蓋水位計CL412水位高動作值后，啟動1臺頂蓋排水泵抽水，運行約1 min，頂蓋水位計CL412水位高報警復歸，頂蓋排水泵運行約50 min后，仍未停泵，且現場檢查主軸密封漏水量較大，手動啟動備用泵排水，經調度同意將機組停機處理。11月17日利用4號機組定檢，對主軸密封排水系統進行相關檢查處理。11月18日在機組抽水并網運行后，現場觀測到主軸密封在約20 min內，漏水量較大。后漏水量逐漸減少至不漏水，持續約30 min，再后基本保持漏水量不變。頂蓋排水泵每隔約50 min啟動一次，每次運行約1 min，機組運行基本平穩。通過對4號機組頂蓋排水泵的啟動次數和運行時間分析，目前主軸密封正常甩水量為0.16m3/h，（頂蓋排水泵排水量為8 m3/h）。

4號機組自投產以來，在機組抽水工況運行時，始終存在主軸密封外漏水量大，造成頂蓋排水泵啟動頻繁的實際情況。經分析，4號機主軸密封只有在抽水啟動初期漏水甩出頂蓋，在其他工況時DN80自流排水管可滿足排水要求，不會有水溢出至頂蓋，針對以上情況個人分析原因和技改建議如下：

（1）4號機組主軸密封自流排水管DN80內部可能存在堵點，造成管路長期排水不暢。因在機組B級檢修時，只能對排水管與主軸密封水箱相連的一段進行檢查，其它部分未進行全面檢查，結合3號機組技術供水管路拆除時發現內有雜物堵點情況，不排除4號機組主軸密封自流排水管DN80內部可能存在堵點。建議可結合4號機組A修用高壓水槍清理自流排水管。

（2）調整主軸密封增壓泵供水壓力。4號機組主軸密封供水增壓泵的供水壓力為1.4 MPa，而1號、2號機組該處壓力為1.2 MPa，增壓泵出口壓力大。在機組抽水工況下，會造成主軸密封環與抗磨環間的間隙增大，使主軸密封漏水量增加。建議將主軸密封增壓泵供水壓力降至1.2 MPa。

（3）調整主軸密封彈簧壓緊量。根據設計要求，主軸密封彈簧壓緊高度應在120±2 mm。在4號機組11月17日抽水漏水量加大后，為增大壓緊量，彈簧高度由121 mm統一調整為120 mm。后經試驗，主軸密封上抬量為0.07 mm，與彈簧調整前一致。建議可暫時將主軸密封彈簧高度調整至119.5 mm，不會對主軸密封造成損害。

（4）安裝主軸密封回水排氣系統。在調相工況和水泵工況啟動過程中，機組需要進行壓水或回水。機組壓水時，轉輪在空氣中旋轉，主軸密封平衡腔內會充滿高溫空氣。機組回水時，為防止主軸密封平衡腔內積存空氣造成水壓振蕩，在平衡腔頂部增加了一根排氣管與頂蓋尾水管均壓管相連（此處借鑒惠蓄電站）。11月17日4號機組定檢時發現主軸密封供水全停的情況下，聽到主軸密封水箱內有氣體滲漏的聲音及少量的滲水。

（5）對稱增加一根DN80排水管和自流排水管路相連。機組發電工況為順時針旋轉，抽水工況為逆時針旋轉，而主軸密封自流排水管只安裝在一個方向上，在機組漏水量較大時，主軸密封偏心輪會將水甩離主軸，而漏水不能及時從自流排水管流出，造成水箱內積水。增加一根自流排水管可使水水流對稱排出，增加排水效率。

（6）抗磨板安裝時可能存在水平度不夠。我廠抗磨板由四瓣組合而成，安裝工藝要求在各分瓣抗磨板安裝組合好后，必須用框式水平儀（精度為0.02mm/m）測量抗磨板的水平波浪度，要求此值不大于0.10mm，若抗磨板水平度不夠會造成抗磨板間隙和密封環間隙不均勻，造成一側漏水量過大而不能及時排出，建議檢修時測量抗磨板水平度，提高安裝工藝。

3 結語

對于吸出高度為負幾十米的抽水蓄能電站而言，尤其是庫容較少、水位變化幅度較大的電站，主軸密封問題還沒有得到徹底解決。本文介紹了張河灣蓄能電站主軸密封的結構與工作原理，對4號機組抽水過程中主軸密封的甩水問題做了重點分析，提出了幾種針對性的技改建議。鑒于主軸密封目前情況，外方不久將對主軸密封結構進行一次較大改造，我廠亦已成立主軸密封QC小組，跟蹤分析其運行情況，摸索規律。運行與檢修人員應加強監視檢查運行壓力、溫度、流量和磨損量，必要時應對其進行調整，加強檢查主軸密封節流片堵塞情況和各水管接頭松動情況。經過大家的共同努力，相信主軸密封問題一定會解決。

[1]劉博學.彭水水電站ALSTOM機組主軸密封淺析[J].軸承與市場，2013（2）.

[2]劉玉斌.廣蓄A廠水泵水輪機主軸密封故障原因分析及改造[D].廣州：華南理工大學，2006.

[3]李德武，胡濟明，林 愷.惠州抽水蓄能電站主軸密封淺析[J].水力發電，2010，36（9）.

TV734

B

1672-5387（2016）12-0006-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.003

2016-08-29

李永杰（1990-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電站生產運行維護管理工作。