黃河河口水電站機組主軸密封裝置運行磨損問題探討

唐錄山

（甘肅電投炳靈水電開發有限責任公司，甘肅 永靖 731600）

黃河河口水電站機組主軸密封裝置運行磨損問題探討

唐錄山

（甘肅電投炳靈水電開發有限責任公司，甘肅 永靖 731600）

簡述了河口水電站機組主軸密封裝置結構特點和運行檢修情況。針對長期困擾機組安全可靠運行的主軸密封裝置運行磨損嚴重的問題，從設計、安裝和運行等方面進行了分析及探討，采取了應對措施并取得實際效果。

河口水電站；主軸密封；運行磨損；分析；應對措施；效果

1 電站簡介

河口水電站是位于蘭州市西郊黃河干流上的一座中型河床式水電站，安裝了4臺由天發重型水電設備制造有限公司設計制造的三葉片燈泡貫流式水輪發電機組，轉輪直徑7.2 m，單機容量18.5 MW，設計額定水頭5.3 m，單機額定流量400 m3/s，電站正常蓄水位1 558.0 m。電站泥沙特性如下：

多年平均含沙量：1.97 kg/m3

多年平均推移質輸沙量：12.9萬t

汛期平均含沙量：3.69 kg/m3

懸移質平均粒徑：dcp=0.033 mm

實測河道最大含沙量：3.06 kg/m3

中值粒徑：d50=0.021 mm

2 主軸密封裝置結構和工作過程介紹

燈泡貫流式水輪發電機組在運行中，流道中的水會沿著主軸轉動部件與固定部件之間的間隙流至燈泡體機艙內并竄入水導軸承。故需要設置主軸密封裝置，以阻止流道中的水進入機艙里。主軸密封分停機狀態密封（俗稱檢修密封）和運行狀態密封（俗稱工作密封）。河口水電站機組主軸密封裝置局部結構見圖1。

電站機組的檢修密封采用了橡膠空氣圍帶式結構，用以在停機狀態或檢修工作密封時，向圍帶內通入0.7 MPa的壓縮空氣使圍帶橡皮膨脹擴張，緊密填充住轉動支架與固定支架之間的徑向間隙，從而可靠地止住間隙漏水。在機組啟機工作密封投運后，排出空氣圍帶里的空氣，使其收縮并確保空氣圍帶與轉動支架之間1.5～2 mm的徑向間隙，避免在機組運轉中發生碰磨。

圖1 主軸密封局部機構圖

因電站位于泥沙含量高的黃河干流上，為了解決多泥沙電站容易出現的機組密封件嚴重磨損、壽命短、密封性能不可靠等問題，機組工作密封采用了在進口處裝設可以與主軸隨動從而減少磨損的具有迷宮環分半結構的賽斯德爾密封圈（填料密封）。它與固定在主軸法蘭面上的轉動支架形成1道間隙密封，起到降低密封水壓力，且防止泥沙進入的作用。其后為2道“L”型密封和平板橡膠密封。密封裝置的固定部分把合在燈泡體內導流錐體上，空氣圍帶密封、密封圈、2道“L”型密封及平板橡膠密封的壓蓋均順序安裝在固定支架上，這些密封件依次排列與把合在主軸法蘭面上的轉動支架組成1道檢修密封和4道工作密封及A、B兩個密封壓力水腔的組合結構。兩個密封水腔單獨通入壓力為0.1～0.2 MPa的清潔水，與“L”型密封共同作用形成反壓，阻止流道中含泥沙的水進入A、B密封水腔，同時在“L”型密封與轉動支架間形成潤滑水膜防止出現干摩擦。在通入B密封水腔清潔水壓的作用下，將裝在轉動支架上的平板橡膠與裝在固定支架上的壓蓋抗磨環壓緊組成最外側密封。當橡膠平板磨損后，可通過其壓蓋上的調節螺釘，調整平板密封的間隙進行補償來保持密封作用。運行中調整程度以平板橡膠密封有少量漏水為宜，其漏水通過集漏水箱經排水管排出機艙。

3 主軸密封運行狀況和檢修改造情況

電站先期投產發電的3、4號機組不到半年時間，主軸密封裝置先后出現漏水嚴重的現象，經采用調整橡膠平板密封間隙，在主軸加裝防漏水竄入軸承的特制橡膠圈和擋水板等措施維持運行。隨后堅持不到2個月，4號機組因主軸密封處嚴重漏水排不及，致使漏水竄入水導軸承的現象，被迫停機檢修。對4號機主軸密封裝置解體檢查發現以下問題：

問題一：裝在固定支架上的厚15 mm的壓蓋抗磨環與橡膠平板密封相接觸工作面磨損嚴重，部分弧段已被磨穿，平板橡膠工作部分已全部磨損，基本起不到封水作用。

問題二：兩道“L”型密封及賽斯德爾抗泥沙密封圈與轉動支架接觸部位磨損嚴重，轉動支架光滑表面沿圓周方向被磨出3條寬約20 mm、深約5 mm的溝槽，尤其是在抗泥沙密封圈部位處的溝槽更深，而賽斯德爾材質的抗泥沙密封圈也被整體磨損1/2厚度，2道聚氨酯材料的“L”型密封圈磨損變形。

經過和設備生產廠家人員分析研究后，對4號機組主軸密封裝置進行了以下優化處理：

（1）為了減輕材質過硬的賽斯德爾密封圈對轉動支架表面的磨損，將其更換為耐磨性強、壽命長、材質較軟的GFO纖維編織盤根密封。

（2）為了使轉動支架結構在運行中受力不變形，具有足夠的剛度和強度，保證密封效果，廠家加工制造的新的轉動支架在靠平板橡膠密封端內側增加一個法蘭面，同時加寬轉動支架內側的筋板尺寸，并對轉動支架與主軸法蘭面的定位銷進行了優化。

（3）全部更換安裝新的“L“型密封材料，安裝時通過修磨”L“型密封材料，確保其與轉動支架的間隙小于0.05 mm。

（4）廠家將原來整圈套裝在固定支架上的壓蓋優化設計分成兩半加工，以便現場裝配，并對平板橡膠密封的安裝固定進行了優化，以保證裝配牢固和密封嚴密性。

優化處理后投運4號機組，觀察主軸密封運行狀況正常。隨后電站相繼對主軸密封漏水發展擴散被迫停運的其他3臺機組進行了解體檢修，發現各機組主軸密封部件和密封材料磨損情況與4號機組相同，便采取以上檢修優化方案進行了處理，各機組投運后主軸密封運行初期狀況正常。但好景不長，經過一個黃河汛期，4臺機組主軸密封漏水又逐漸增大，相繼再次被迫停機檢修……，經統計電站投運3年多，4臺機組因主軸密封漏水問題輪番被迫停機檢修都達到3次，其中4號機組已達5次之多，嚴重影響電站的安全、可靠、經濟運行，并增加了檢修維護工作量和材料損耗。

4 對主軸密封裝置運行磨損的分析

通過對機組的運行觀察，根據各機組多次實施檢修處理的實際情況，結合廠家對此類型主軸密封裝置的設計特點和工作原理，分析如下：

4.1 泥沙侵入

從運行監視和各機組主軸密封部件材料磨損痕跡看，沒有發生金屬部件之間的機械擦磨現象。是不是運行中密封水腔出現清潔水中斷，造成密封材料與轉動支架之間發生干性摩擦所致？若如此，運行中主軸密封處應出現發熱冒煙的跡象，但未出現。況且密封材料的熔點遠低于金屬部件的熔點，其在對金屬部件（壓蓋和轉動支架表面）造成損傷前即已熔化了，換句話說即使發生干性摩擦，也只會損壞密封材料，而壓蓋抗磨環和轉動支架等金屬部件是不會受到磨損的。從各機組解體檢查發現主軸密封集漏水箱底部和導流錐下殼體內淤積有大量泥沙，且金屬壓蓋被平板橡膠密封磨穿，可以判斷機組運行過程中攜帶大量泥沙的流道黃河水侵入了主軸密封系統，從而造成主軸密封裝置磨損。經過運行觀察分析，總結泥沙侵入主軸密封系統有兩種情況：

情況一：運行中主軸密封A腔和B腔水室沒有可靠形成規定的0.1～0.2 MPa的清潔密封水壓。A、B腔清潔潤滑水是從裝設在1 553.5 m層，具有調節、過濾功能的主軸密封供水控制單元后分別引出的，設計上僅在控制單元總管上接有一壓力表，其后再無壓力監測點，在運行中無法監測和調整安裝在1 542.4 m的A腔和B腔清潔密封水壓力。機組運行中如工況變化，運行調整不及時或操作不當，以及主軸密封潤滑供水管路堵塞等，將使主軸密封潤滑水中斷或長期低于規定值。那么，流道內含泥沙的河水在約0.1 MPa的靜壓力下（尾水水位和機組安裝高度差約10 m）可通過徑向間隙進入主軸密封系統，將密封材料與轉動支架之間的潤滑效果惡化為泥沙磨損。這種情況在河水攜帶大量泥沙的汛期將會更加突出。

情況二：機組監控系統啟、停機流程順序設定有缺陷。檢查機組監控流程動作情況發現，開機流程中先退出空氣圍帶密封，經10～20 s延時后方才開啟主軸密封供水電動蝶閥向A、B腔供給清潔密封水，隨后開導葉沖動轉子啟機；在停機流程中機組轉速到零，先關閉主軸密封供水電動蝶閥，再經2 min后才投入空氣圍帶密封。這樣，在每次機組啟、停過程中都將分別有10～20 s和超過2 min的時間，A、B腔的清潔密封水中斷，而此時檢修空氣圍帶還未投入。這時流道含泥沙河水在約0.1 MPa的靜壓力下大量竄入密封系統，從而破壞了密封系統的潔凈，在機組運轉后造成密封磨損，并且在汛期河水混濁時期影響更嚴重。

泥沙侵入過程：機組運行中，挾帶大量泥沙的流道水，首先從20 mm寬的轉輪體與導流錐動靜間隙進入，通過已退出工作狀態的空氣圍帶與轉動支架之間的間隙進入GFO纖維編織盤根（初次安裝賽斯德爾），泥沙嵌入盤根體，磨損與轉動支架的接觸面，隨其發展，造成纖維編織盤根與轉動支架之間間隙增大。若清潔水壓力過低或中斷，將使泥沙侵入第一道“L”型密封與轉動支架接觸面，逐漸磨損使間隙擴大，致使更大量的泥沙水進入A腔，污染了A腔，并入侵第二道“L”型密封，直至污染了B腔，泥沙水進入B腔后將嵌入平板橡膠密封與抗磨環接觸面之間，形成泥沙磨損，很快破壞了抗磨環和橡膠平板，至此主軸密封處漏水量逐漸增大，并隨以上各個部位磨損的發展不斷增大，惡性循環，其發展速度與河水含泥沙量多少成遞增關系。

4.2 設計安裝方面

河口水電站機組主軸密封是設備廠家針對多泥沙電站推出的新型優化組合結構，具有不設聯軸螺栓保護罩、磨損可補償功能及抗泥沙磨損性強的優點。但裝設轉動支架較傳統結構增大了密封工作面的半徑，雖然后期在轉動支架懸空側增設法蘭面以加強結構強度和剛度，防止運行中受力變形，可在加工安裝中難免存在轉動支架安裝與主軸不同心，固定支架安裝與轉動支架不同心，相應的密封環Ⅰ、Ⅱ與轉動支架也不同心的情況。在機組運轉中轉動支架擺度過大，其與“L”型密封之間的摩擦力隨轉動頻率間歇性增減，自身交變受力增加，導致轉動支架把合螺栓受力超限損壞，在系統侵入泥沙時造成轉動支架磨損嚴重，破壞密封效果。4號機組后期檢修就發生轉動支架把合螺栓部分斷裂，造成轉動支架與主軸法蘭面松脫，該處大量漏水的危險情況。后經檢查分析是因導流錐與前錐體法蘭連接下沉移位，致使轉動支架與固定支架嚴重不同心，轉動中發生圓周面碰磨，并使多次拆裝的把合螺栓因疲勞損傷而斷裂。

4.3 運行方面

因主軸密封供水系統出現異常及運行人員調整失誤等造成主軸密封供水不正常，或機組長期在不穩定工況運行，振動、擺度值超標，致使轉動支架擺度過大從而損傷密封裝置。

5 采取的措施

針對以上分析，我們制定了“守住第一道防線”原則的主軸密封處理方案，即把攜帶泥沙的流道水一定要阻擋在賽斯德爾密封圈（后改用纖維編織盤根）之前。具體措施如下：

（1）改進和完善了監控系統啟、停機流程順序步驟。在開機流程中設置為先開啟主軸密封供水電動蝶閥，并經延時確保A、B腔已通水建壓后再撤出空氣圍帶密封，待確定空氣圍帶密封撤出后再開啟導葉沖動轉子啟機；在停機流程中設置為機組轉速到零后，先投入空氣圍帶密封正常，然后再關閉主軸密封供水電動蝶閥。

（2）對機組主軸密封供水管路進行了技術改進，在機艙內連接A、B密封腔的供水管段上增設控制調節閥，并分別裝設顯示A、B密封腔內水壓的精密壓力表計，以利于運行中監視和調整A、B腔內清潔水壓在規定范圍內，且維持A腔壓力略大于B腔壓力運行，保證良好的密封效果。

（3）在機組檢修裝配轉動支架和固定支架時，對其與主軸的同心度進行精確檢測調整，修磨和改進“L”型密封形狀，并確保裝配后與轉動支架的同心度，接觸面松緊合適。調整好橡膠平板密封的壓緊量，使其與壓蓋抗磨環面的間隙達到設計要求（0.5～1 mm）。按照設計圖紙要求，嚴格對裝配后各部件的同心度進行調整并緊固定位。

（4）加強運行管理。尤其在水質渾濁的汛期，做好機組主軸密封清潔水系統的定期清污和維護，保證系統運行壓力、流量正常穩定，監督主軸密封供水水質清潔、管路通暢，監視機組振動、擺度值不超標，確保機組在最優工況運行。

6 結語

機組投運以來主軸密封裝置磨損導致漏水嚴重的問題一直困擾著河口水電站。通過探討分析，采取改進機組監控流程和有針對性的提高檢修工藝，完善主軸密封系統并加強運行管理，從近2年的運行狀況看取得了理想的效果。在歷經2個年度汛期后的各機組維護性檢修中，檢查主軸密封裝置磨損量輕微，機組運行中密封裝置漏水量正常。就此機組能夠實現長周期安全可靠運行，并降低了設備檢修費用。

[1]魏秀峰.河口水電站燈泡機組主軸密封結構設計[C]//水電站機電技術研討會論文集.蘭州：甘肅省水利發電工程學會，2010.

[2]劉國選.燈泡貫流式水輪發電機組運行與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

TK730.3+25

B

1672-5387（2017）01-0012-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.003

2016-05-12

唐錄山（1974-），男，工程師，從事水力、火力發電廠設備運行管理和安全技術管理工作。