沙坪水電站水輪機主軸密封漏水及頂蓋排水管破裂分析及解決方案

陳 良 平

(四川久隆水電開發(fā)有限公司，重慶 400051)

1 概 述

沙坪水電站位于雅礱江一級支流九龍河上，是該流域一庫五級開發(fā)中的第三級電站。電站安裝3臺單機容量為55 MW的混流式水輪發(fā)電機組。水輪機型號為HLA855-LJ-203，額定功率為55.67 MW，額定轉(zhuǎn)速為428.6 r/min，額定水頭為165 m,設計流量為36.67 m3/s,由重慶水輪機廠制造，于2008全部投產(chǎn)使用。自投運以來，3臺機組水輪機主軸密封漏水量很大，伴隨著頂蓋排水管經(jīng)常爆裂、水車室四周水珠飛濺，水導軸承進水，滲漏排水泵運行頻繁，存在水淹廠房安全隱患等問題；同時，在處理頂蓋排水管爆裂時，不但增加了電站維護人員的工作量，還損失了大量的發(fā)電量，嚴重影響機組的發(fā)電能力。筆者對水輪機主軸密封漏水及頂蓋排水管破裂原因進行了分析并提出了解決方案。

2 主軸密封、頂蓋排水管結(jié)構(gòu)介紹

該水輪機的主軸密封是由固定安裝在主軸上的密封套和安裝在頂蓋上的密封體組合使用，密封體隨運行的發(fā)電機組主軸旋轉(zhuǎn)，其與固定的密封體采用間隙式梳齒密封形式，分別在密封座對稱方向裝有2根直徑51 mm的排水管，密封體一側(cè)裝有2根豎排、直徑為32 mm的排水管且均至集水井。它是水輪機轉(zhuǎn)動軸與固定部件之間的封水裝置，在較高水頭混流式水輪機中，其還與水輪機轉(zhuǎn)輪其它止漏部件配合，以達到減少水流損失和保護水輪機安全運行的目的，主軸密封結(jié)構(gòu)見圖1。

1.密封套;2.密封體;3.密封;4.排水管;5.主軸圖1 主軸密封結(jié)構(gòu)圖

水輪機頂蓋排水是由4根、直徑90 mm的普通無縫鋼管完成的，其直接利用管路上的法蘭盤與機坑預埋排水管連接，通過環(huán)管排向尾水，其頂蓋結(jié)構(gòu)見圖2。

1.鋼板;3.排水管;4.檔板;5.法蘭;6.外環(huán);7.法蘭圖2 頂蓋結(jié)構(gòu)圖

3 主軸密封漏水和頂蓋排水管爆裂原因分析

沙坪水電站在未找到有效解決水輪機出現(xiàn)的問題時，電站只能以加強視頻監(jiān)視和頂蓋水位監(jiān)測等手段保障運行。為了從根本上解決主軸密封漏水和爆管問題，技術(shù)人員通過對發(fā)電機組在不同工況運行時所表現(xiàn)出的各種現(xiàn)象、結(jié)合發(fā)電機組日常運行時的相關(guān)數(shù)據(jù)深入分析后得出：(1)主軸密封漏水量與工況有關(guān)，空載及滿負荷情況下運行最為嚴重，通過主軸密封的漏水從軸承座觀察孔中甩出直至水車室四周地板。(2)頂蓋排水管壓力大，頂蓋止漏環(huán)后壓力較高，排水管振動很大，進而引起頂蓋排水管爆裂。(3)通過對轉(zhuǎn)輪泵板密封計算得知，泵板本身排水能力滿足要求。(4)漏水與現(xiàn)有主軸密封間隙的大小無關(guān)。

通過以上分析得出沙坪水電站3臺機組主軸密封漏水和頂蓋排水管爆裂產(chǎn)生的根本原因為頂蓋止漏環(huán)后水壓力大，頂蓋排水不能滿足轉(zhuǎn)輪泵板排出的水量，而剩余部分的水只能從主軸密封排出，因此，運行時頂蓋排水管中的水壓力和管路脈動振動均偏大，導致頂蓋排水管發(fā)生破裂。經(jīng)綜合考慮后認為，減小頂蓋止漏環(huán)后的水壓為主要解決方案，配以主軸密封和頂蓋排水管結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的改造為輔予以解決處理，需要處理的部位見圖3。

1.主軸密封;2.頂蓋排水管;3.轉(zhuǎn)輪;4.主軸補氣孔;5.止漏環(huán);6.泵板圖3 水輪機導水機構(gòu)圖

4 主軸密封漏水和頂蓋排水管爆裂的處理

根據(jù)分析得到的漏水、爆管原因和日常運行數(shù)據(jù)，分別從頂蓋止漏環(huán)、轉(zhuǎn)輪泄水錐的結(jié)構(gòu)設計方面著手控制密封出水量以減小止漏環(huán)處的壓力。從頂蓋排水管直徑、材質(zhì)、流道和安裝著手，進一步解決爆管問題。

4.1 更換頂蓋止漏環(huán)

通過計算，將原水輪機導水機構(gòu)上止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪配合間隙由原來的1～1.2 mm減小為0.8～1 mm，以減少容積損失，該處改造需新加工一止漏環(huán)與原有的止漏環(huán)進行更換，所以，在加工中要與轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)尺寸配合加工,并保證其配合尺寸達到新的設計間隙要求。轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)結(jié)構(gòu)圖

4.2 改造轉(zhuǎn)輪泄水錐結(jié)構(gòu)

根據(jù)運行工況和對轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的分析認為：轉(zhuǎn)輪本體上12個直徑為12.6 mm均布的卸荷孔在水輪機運行過程中沒有完全起到卸荷作用，而且存在泵水效應，增加了止漏環(huán)處的壓力。為了消除轉(zhuǎn)輪卸荷孔的泵水效應，同時不影響水輪發(fā)電機組大軸中心孔補氣，技術(shù)人員按轉(zhuǎn)輪泄水錐尺寸設計一個接管，從泄水錐穿過，插入與大軸中心孔相連的補氣通道中，阻斷轉(zhuǎn)輪的泵水效應，減小上止漏環(huán)處的壓力。新增加的接管與轉(zhuǎn)輪使用沉孔螺栓把合，在把合法蘭圓周上選擇對稱的四個方向與泄水錐焊接以防止其在運行中脫落，固定用的螺體和法蘭材料均使用0Cr18Ni9,法蘭采用厚30 mm的鋼板制作，轉(zhuǎn)輪泄水錐結(jié)構(gòu)改造部件和安裝情況見圖5。

圖5 接管安裝圖

4.3 改造頂蓋排水管

由于原埋入水車室機坑混凝土中的4根管路通徑為80 mm的排水管管徑不能改變，通過對已埋設管路的通過能力進行計算得知，可以將頂蓋排水管通徑改成90 mm，厚6 mm，將從頂蓋引出的排水管通過外環(huán)后的管路法蘭與之焊接固定，使其與頂蓋成為一整體，防止管路振動。在頂蓋外環(huán)至混凝土埋管之間使用一偏心變徑管和直徑為100 mm的柔性軟連接進行配管來消除該段排水管的壓力脈振動，防止排水管破裂。對于頂蓋內(nèi)的出水孔，沿轉(zhuǎn)輪施轉(zhuǎn)方向修磨成斜面倒角并修圓，使之形成導流通道。改造后的排水管除柔性連接外，其它所用的設備材質(zhì)均為1Cr18Ni9的無縫不銹鋼管，頂蓋排水管改造情況見圖6。

1.頂蓋排水管;2.柔性連接;3.偏心變徑管;4.預埋排水管;5.法蘭; 6.外環(huán)圖6 頂蓋排水管改造示意圖

4.4 主軸密封改造

采用在主軸密封座背面堆焊不銹鋼ER309L焊層、以縮小泵板內(nèi)側(cè)與主軸密封的間隙在1.4～1.7 mm的方式以減小泵板與密封座間的漏水量，同時封堵密封座上的兩根排水管用以減小主軸密封漏水(圖7)。

圖7 主軸密封座改造示意圖

5 結(jié)構(gòu)改進后取得的效果

針對沙坪水電站3臺機組主軸密封和頂蓋排水管存在的問題，技術(shù)人員在發(fā)電機組A修時對水輪機實際結(jié)構(gòu)進行了分析，對各部位間隙的密封尺寸進行了測量，結(jié)合水輪機結(jié)構(gòu)原理和日常記錄的運行參數(shù)，通過咨詢專業(yè)設計人員，對水輪機可能存在問題的部位進行了重新計算，對該機組結(jié)構(gòu)不合理的地方進行了改造，經(jīng)過多年運行驗證，取得了很好的效果，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)對水輪機上止漏環(huán)、轉(zhuǎn)輪泄水錐、主軸密封座背部與泵板間隙實施的改造，有效減小了止漏環(huán)處的壓力，主軸密封漏水得到了徹底解決。

(2)頂蓋排水管在經(jīng)過流道、排水管徑、增加柔性連接改造、安裝方式的變化，加之止漏環(huán)處壓力減小的綜合處理后，沙坪水電站3臺水輪發(fā)電機組頂蓋排水管在改造后再未發(fā)生過爆裂。

6 結(jié) 語

水輪發(fā)電機組主軸密封漏水和頂蓋排水管爆裂問題在水電站中的發(fā)生頻率較高，特別是頂蓋排水管爆管問題，嚴重影響到水電站安全生產(chǎn)和機組發(fā)電量，給電站造成較大的經(jīng)濟損失。沙坪水電站對機組進行了一系列的技術(shù)改造，從根本上解決了主軸密封漏水和頂蓋排水管爆裂的問題，電站安全生產(chǎn)工作得到了很好地保障，機組安全穩(wěn)定性和發(fā)電量得到了極大地提高。