鈉冷快堆氣體加熱風(fēng)機(jī)密封性能探究

□和 丹 肖常志 呂明宇 余華金

一、背景

快堆堆本體預(yù)熱系統(tǒng)是快堆的一個重要系統(tǒng)，通過本系統(tǒng)將快堆堆本體加熱至200～250℃，作為充鈉前的先決條件，然后才可以充入鈉冷卻劑，啟動鈉泵后運(yùn)行。它的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到堆本體進(jìn)鈉，乃至后續(xù)整個反應(yīng)堆的調(diào)試。

氣體加熱風(fēng)機(jī)是快堆堆本體預(yù)熱系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，主要是為堆本體預(yù)熱系統(tǒng)提供氣體循環(huán)的動力和氣體加熱的主要熱源，氬氣通過風(fēng)機(jī)及系統(tǒng)管道循環(huán)加熱堆本體，最終達(dá)到反應(yīng)堆充鈉前的指標(biāo)要求。由于整個系統(tǒng)要求極低的泄漏率，而氣體加熱風(fēng)機(jī)為整個系統(tǒng)中最大的外泄露點(diǎn)，因此密封技術(shù)的研究對氣體加熱風(fēng)機(jī)是至關(guān)重要的一項(xiàng)技術(shù)。

本文是在中國實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)氣體加熱風(fēng)機(jī)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對大型鈉冷快堆用氣體加熱風(fēng)機(jī)的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)研究設(shè)計(jì)，為后期大型快堆堆本體預(yù)熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

二、氣體加熱風(fēng)機(jī)密封性能探究

快堆氣體加熱風(fēng)機(jī)組主要由風(fēng)機(jī)本體、增速箱、電動機(jī)、變頻器、潤滑油系統(tǒng)和儀表控制系統(tǒng)等組成。氣體加熱風(fēng)機(jī)的密封涉及靜密封(如機(jī)殼進(jìn)出口的法蘭聯(lián)接處的密封)和動密封(如軸端處主軸與機(jī)殼間的密封)，主要是盡量減少機(jī)殼內(nèi)的氬氣向外界泄漏，節(jié)省運(yùn)行時間和成本。靜密封根據(jù)密封件材質(zhì)又可以分為金屬密封和非金屬密封，有O型橡膠密封圈、橡膠墊片、石墨纏繞墊和金屬墊圈等，其密封效果可以做得很好，且造價(jià)相對動密封來說也不高。動密封通常采用的密封形式主要有梳齒密封、碳環(huán)密封、機(jī)械密封和干氣密封等，而近階段又出現(xiàn)了磁流體密封和螺旋密封技術(shù)。在風(fēng)機(jī)用軸密封設(shè)計(jì)與選型時，要綜合考慮主軸轉(zhuǎn)速、介質(zhì)的壓力、溫度及介質(zhì)的清潔度、介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、軸密封成本等多方面因素來選取最佳的密封型式。當(dāng)采用單一軸封型式不能滿足使用要求時，也可以考慮多種密封型式組合使用。

(一)CEFR風(fēng)機(jī)的軸密封運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。CEFR氣體加熱風(fēng)機(jī)的軸密封由兩組成對配置的分塊式石墨環(huán)和彈簧鋼絲環(huán)組成，安裝在后蓋板內(nèi)的孔腔內(nèi)，并經(jīng)外側(cè)軸封壓板壓住，石墨環(huán)在腔內(nèi)可隨軸作徑向浮動，兩側(cè)面和環(huán)內(nèi)孔保持與腔壁及主軸接觸，由于兩側(cè)面裝有定位銷，因此防止了石墨環(huán)在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)動。這種密封結(jié)構(gòu)稱為徑向自緊式聯(lián)合接觸式密封。此氣體加熱風(fēng)機(jī)的軸密封結(jié)構(gòu)在CEFR堆本體預(yù)熱系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行中都沒有達(dá)到密封效果，并且成為最大的外泄漏點(diǎn)。調(diào)試與運(yùn)行過程中，平均每日補(bǔ)氣次數(shù)7次，每次從0．5kPa到3kPa，根據(jù)計(jì)算得出泄漏率為23．3m3/h，泄漏量比較大，這不但降低運(yùn)行效率，同時浪費(fèi)資源，因此在大型快堆氣體加熱風(fēng)機(jī)的密封結(jié)構(gòu)上需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

(二)大型快堆風(fēng)機(jī)軸密封研究。對于大型快堆氣體加熱風(fēng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)速較高，適合的動密封主要有梳齒密封、碳環(huán)密封、干氣密封及其組合結(jié)構(gòu)。梳齒密封造價(jià)最低，但由于其泄漏量太大，單獨(dú)使用不合適。碳環(huán)密封和干氣密封的密封效果明顯好于梳齒密封，干氣密封的泄漏量最小，但造價(jià)也最高。根據(jù)大型鈉冷快堆用氣體加熱風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì)和計(jì)算，給出以下兩種方案設(shè)計(jì)和比較，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

1．方案A。密封結(jié)構(gòu):碳環(huán)+單端面干氣密封。密封原理:機(jī)組溫度較高，故采用外部常溫的氬氣作為密封氣，控制密封氣壓力高于機(jī)組0．5～1 bar，通入的氬氣經(jīng)碳環(huán)限流后，大部分回流到風(fēng)機(jī)內(nèi)，只有極少部分沿干氣密封端面泄漏至大氣側(cè)。氣源要求:外部常溫氬氣壓力不低于3barG，建議3～5barG連續(xù)供應(yīng)。消耗量:≈16Nm3/h。

2．方案B。密封結(jié)構(gòu):冷卻系統(tǒng)+雙端面干氣密封。密封原理:機(jī)組溫度較高，故采用單獨(dú)的冷卻水對密封腔進(jìn)行冷卻降溫，外部常溫的氬氣作為密封氣，控制密封氣壓力高于機(jī)組0．5～1bar，通入的氬氣進(jìn)入雙端面密封，一部分回流到風(fēng)機(jī)內(nèi)，只有極少部分沿干氣密封端面泄漏至大氣側(cè)。氣源要求:外部常溫氬氣壓力不低于3barG，建議3～5barG連續(xù)供應(yīng)。消耗量:≈1．5Nm3/h。

從以上兩種方案比較分析，方案B(冷卻系統(tǒng)+雙端面密封)的泄漏量要明顯小于方案A，同時造價(jià)要增加約30%，但該方案適用于大型快堆堆本體預(yù)熱系統(tǒng)的性能要求。大型快堆氣體加熱風(fēng)機(jī)泄漏量指標(biāo)的提出需根據(jù)機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行的頻繁程度、檢修時間等因素綜合考慮，確定其最終的泄漏率參數(shù)。

三、結(jié)語

軸密封性能是氣體加熱風(fēng)機(jī)一項(xiàng)重要的技術(shù)，而干氣密封的出現(xiàn)是密封技術(shù)的一次革命，它具有使用壽命長、介質(zhì)零泄漏、能耗低、摩擦損失小等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)大型鈉冷快堆用氣體加熱風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，對軸密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，最終確定冷卻系統(tǒng)+雙端面干氣密封的風(fēng)機(jī)軸密封結(jié)構(gòu)。

圖1 兩種不同密封結(jié)構(gòu)圖

［1］成心德．離心通風(fēng)機(jī)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006

［2］楊富來．干氣密封技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用［J］．石油化工設(shè)備技術(shù)，2004