水輪機主軸密封水壓異常波動原因分析及處理

李 軍，朱曉東，王 申，徐東升，成 安，宋紅麗

(安康水力發電廠，陜西省安康市 725000)

0 前 言

安康聯營電站是在安康水電站無發電任務時，為了保障下游18 km處安康城市生產生活需要，利用壩體右岸排沙洞，設計安裝的1臺混流式水輪發電機組(0號機組)，機組設計容量52.5 WM，水輪機主軸密封采用的是水壓端面密封形式[1-6](如圖1所示)，主軸密封主要由供水管、密封底座、密封橡膠塊、轉環、密封塊定位銷組成。

主軸密封的作用是在機組正常運行中，阻止頂蓋與主軸間的水大量涌出，防止淹沒水導油槽和水車室。其工作原理為：安裝在密封底座密封槽內的密封橡膠塊，下端通入0.05～0.098 MPa之間的壓力水，壓力水推動密封橡膠塊在密封槽內上浮，頂住固定在主軸上的轉環，封住頂蓋與主軸之間的滲漏水。密封槽內有4個?16 mm定位銷，作用是限制密封橡膠塊跟隨轉環轉動，密封橡膠塊有8個?6 mm通流孔，連通密封橡膠塊上端面與下端面，主要是給密封橡膠塊上端面提供潤滑冷卻水。

圖1 安康聯營電站機組主軸密封結構圖

為了保證主軸密封持續可靠，安康聯營電站采用2路水源給主軸密封提供壓力水：一路取自機組技術供水系統；一路取自電站消防水系統。水源管路為?25 mm鍍鋅管，聯營電站機組水系統如圖2所示。

圖2 安康聯營電站機組水系統圖

1 主軸密封水壓存在的問題

圖3 主軸密封橡膠塊下腔水運行監測圖

圖3是對聯營電站機組主軸密封橡膠塊下腔水壓運行監測圖，從圖3中可以看出，在開停機過程中，主軸密封塊下腔水壓在0～0.5 MPa范圍內波動。有時0.3 MPa以上水壓持續1 min，嚴重超出主軸密封橡膠塊工作水壓要求范圍。當主軸密封橡膠塊下腔水壓低于設定值，密封橡膠塊沒有足夠的升力，無法密封住頂蓋與主軸之間的水，引起頂蓋水位過高，超過設定值。升力過大，會使主軸密封橡膠塊與轉環摩擦力過大，并且造成潤滑冷卻水水量不足，橡膠塊易磨損，甚至燒毀，機組被迫停機檢修。為了保證聯營電站機組主軸密封能夠在合理水壓下工作，我們也采取了一些措施，如：加派運行人員現場監護調整，在主軸密封供水管路上增設排水設施等手段，但效果都不理想。主要是人員反應不及時、調整效果差、增加電站運行成本。主軸密封水壓不穩，始終是電站運行的一大安全隱患。

2 原因分析

通過對安康水電站、聯營電站機組運行過程各部位水壓觀測、分析后發現，這兩個電站機組在開停機過程中，各部位水壓受水錘影響比較明顯，主軸密封水壓都不穩定，安康水電站在0.05～0.2 MPa之間，聯營電站在0.00～0.5 MPa之間，同時還發現各自的機組頂蓋運行水壓也不同。

2.1 機組水錘對技術供水系統的影響

從聯營電站機組供水系統圖(圖2)上可以看出，供水系統是一個相對密閉的管路結構，系統中沒有設置水壓穩定裝置，主軸密封水源雖然有2路供給，但都會受工作水頭變化以及機組開停機水錘影響。開停機引起的水錘對整個供水系統影響比較大，也較頻繁。

安康水電站機組供水系統雖然與聯營電站機組供水系統結構形式相同，但其主軸密封水壓為何變化相對較小？主要是安康水電站供水系統母管接有6個取水口，(4個取自機組引水鋼管、2個取自壩前)，供水系統母管管路長，相對容量大，對機組開停機引起的水錘消納能力強。

2.2 頂蓋運行水壓影響

安康水電站機組頂蓋水壓開停機過程在0～0.2 MPa之間，正常運行在0.08 MPa左右，而聯營電站機組頂蓋水壓在開停機過程在0～0.59 MPa，正常運行在0.25 MPa左右。從圖1可以看出，這兩個電站主軸密封都是采用的水壓端面密封形式，主軸密封橡膠塊上端一般寬度一致，尺寸略小于密封槽尺寸，而密封橡膠塊下端裙邊部分，尺寸略大于密封槽尺寸，主要作用是當密封塊下端通入壓力水，柔軟的裙邊與密封槽切合，起到密封作用，使密封橡膠塊能夠上浮。當頂蓋壓力水小于密封橡膠塊下端水壓時，密封橡膠塊正常工作。但頂蓋水壓大于密封水壓，就會推動密封橡膠塊裙邊內陷，頂蓋水進入密封橡膠塊下端，提高密封水壓，致使密封橡膠塊與轉環完全貼合，潤滑冷卻水排除受阻，主軸密封橡膠塊下腔水壓增大，直至與供水管路水壓或頂蓋水壓一致。

2016年10月，為了消除其它水源因素對主軸密封水壓的影響，聯營電站對主軸密封管路進行改造，將原有的預埋管路封閉，重新用明管鋪設，從更改后的機組開機水壓波動曲線及運行人員描敘的情況(關閉主軸密封進水閥，主軸密封管路壓力表有壓力指示，排水管路有大量水流出)都可以證明，有頂蓋水倒灌到主軸密封橡膠塊下端。

在安康水電站3號機組改造后出現頂蓋運行水壓對主軸密封水壓的影響，與聯營機組相同的問題。機組帶100 MW以上負荷，頂蓋水壓0.25 MPa左右，主軸密封橡膠塊下腔水壓增大。

2.3 各種因素的疊加

以上2點是引起主軸密封水壓不穩的2個主要因素，從聯營電站機組技術供水系統中可以看出，系統中還接有其它設備，這些設備的取水斷水都會對主軸密封水源水壓產生影響，它們相互作用，或疊加或消融，應當盡量消除。

3 解決方法

為了消除頂蓋水倒灌主軸密封水源，引起主軸密封水壓升高，聯營電站在供水管路上加裝了1套排水裝置，目的是利用排水口，消減管路中水壓，滿足主軸密封對水壓運行要求。此方法優點：管路改造小，費用低，易于實現；缺點:主軸密封水壓受機組水錘、技術供水系統其它設備供、排水以及頂蓋水壓等因素影響較大；供水閥、泄壓閥需要根據不同工況進行及時調整，運行維護成本高。為了給主軸密封提供一個穩定可靠的水源水壓，經過分析討論提出采用開啟式水箱解決方案。

3.1 開啟式水箱運行原理

在聯營電站設置1個開啟式水箱作為水源，利用高程差，給主軸密封提供水壓相對穩定的水源，通過設置主軸密封供水管路上的供水閥開度，就能滿足主軸密封對水壓的要求，如圖4所示。

圖4 聯營電站開啟式主軸密封水源原理示意圖

3.2 結構特點

(1) 提供穩定的水源水壓

水箱采用開啟式，不會因進入水箱水量多少而產生較大的壓力波動，這樣就消除了聯營電站供水管路因工作水頭、開停機水錘以及其它設備運行狀態變化而影響主軸密封水源水壓波動。

水箱位置根據水位差來確定。水輪機主軸密封高程為240.93 m，而發電機層高程253.00 m有將近12 m的高程差，是一個理想的水源設置點。水箱位置設定后，主軸密封水壓基本保持一致。

水箱設計有溢流隔板，當浮球進水閥損壞或者頂蓋水倒灌水箱，多余的水會從溢流隔板進入水箱溢流管排出，保證水源水壓穩定。

(2) 提供清潔的水質

水箱設置有進水區與出水區，用隔板隔開，進水區與出水區通過通水孔連接，通水孔設置位置距離水箱底部有一定高度，可以將進入水箱中的絕大數質硬且大的雜質阻止在進水區，另一方面隔板還能將進入水箱內的輕質雜質隔離在進水區，這樣可進一步保證主軸密封水清潔。

安康地域水質、氣候都利于水生蚌殼生長，根據多年對供水管路及水輪機過流段面檢修的經驗，管道銹蝕部分及過流段面粗糙部位，極易寄生大量蚌殼。水生蚌殼生存的一個重要的前提條件就是，要有可靠的附著點。不銹鋼件表面比較光滑且不銹蝕，水生蚌殼很難附著在表面生長繁殖。所以，水箱管路設備全部采取不銹鋼材質制作，這樣既保證供水管路通暢，也使水質更清潔。

(3) 易于維護

在水箱進水區、供水區底部都設計有排污閥，可以在每年機組的小修中對水箱進行清掃，日常維護只需要檢查水箱上部是否有漂浮物，進水區與出水區水位是否一致就可以了。

4 預期效果

聯營電站加裝圖4所示的主軸密封水源裝置后，由于水箱溢流功效的作用，無論是因水錘還是頂蓋水倒灌，始終可以保證主軸密封水壓在0.1 MPa左右，滿足機組運轉與停機狀態需要，消除了影響機組運行的安全隱患，另運行人員不需要在機組開停機時，到現場進行人為調節，減輕了運行人員工作強度。

5 結 語

通過對安康聯營電站機組主軸密封水壓異常波動現象分析及處理，得出:第1，水電機組主軸密封水源應當設置一套與電站供水系統壓力獨立的供水系統；第2，機組頂蓋水壓超過0.2 MPa,就要在主軸密封供水管路上設置有效的減壓裝置。在改造機組時要同設計單位進行良好溝通，盡量降低頂蓋運行水壓，以便保證主軸密封水壓工作正常。

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