無接觸泵板主軸密封在水電站的應用

陳良勇，胡小剛

(1.三峽金沙江川云水電開發有限公司向家壩水力發電廠，四川 宜賓 644612；2.重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶 408506)

沙灣水電站位于四川省木里河，工程開發任務為發電，兼顧下游生態環境用水，電站采用低閘引水式開發，具有日調節性能，共安裝4臺單機容量為60 MW立軸混流式水輪發電機組。水輪發電機組由東風電機有限公司制造安裝。電站于2012-10-20日建成投產，并通過220 kV線路接入四川電網。水輪機型號為HLA351-LJ-305，最高水頭257.6 m，最低水頭218 m，額定水頭220 m，額定轉速333.3 r/min，水輪機最大吸出高程為-4 m，額定流量35.82 m3/s，河流多年平均流量103 m3/s，年平均含沙量0.854 kg/m3，多年汛期(6～10月)平均含沙量1.10 kg/m3，年平均過機含沙量0.561 kg/m3，中數粒徑為0.033 mm，過機泥沙中莫式硬度大于或等于5的硬礦物含量為1.0～2.0%。沙灣水電站年平均過機懸移質顆粒級配研究成果見表1。

表1 年平均過機懸移質顆粒級配成果表

根據沙灣水電站的泥沙資料可以看出本電站的過機泥沙含量較重。水電站運行水頭為218.00～257.60 m，處于大中型混流式水輪機的典型運用水頭范圍內。

1 水輪機主軸密封裝置簡介

水輪機作為能量轉換的重要載體，是水電站水輪發電機組的核心設備，水導軸承的運行工況是檢驗水輪機運行穩定性能的關鍵性指標之一。水輪機轉輪與上冠之間存在一個低壓水腔，俗稱轉輪上腔，其水源為上止漏環的漏水，為防止轉輪上腔壓力水通過主軸與頂蓋(或支持蓋)間的縫隙滲入機坑，淹沒頂蓋及水導軸承，破壞水導軸承的正常工作，在軸承下方設置了主軸密封裝置，密封裝置的運行效果決定了水輪機是否能夠安全、穩定運行。按工作性質可將水輪機主軸密封分為工作密封和檢修密封。

1.1 工作密封結構原理

水輪機工作密封按照密封結構型式可以分為：平板密封、徑向密封、盤根密封、端面密封以及迷宮環密封。迷宮環密封是近年來出現的一種新式密封，其工作原理是在水輪機轉輪頂部設有泵板裝置，由于泵板的吸出作用，主軸法蘭始終處于大氣之中，軸與軸封間不接觸并只有一層空氣，該密封有極長的壽命。這種新型密封已逐步被推廣，在多個電站中被應用，且運行效果較好。

大多數工作密封需要清潔水，而清潔水主要來自機組技術供水，對橡膠密封潤滑水的要求較高，一般主軸密封供水管路中設有減壓或加壓設備、濾水器等[1]。為了保證供水水質，機組的供水管路上需要裝設兩級水過濾裝置。第一級為粗過濾，第二級為精過濾。對主軸密封的潤滑水需要增加主軸密封過濾器，加壓泵等。而泵板密封無需清潔水也不需要技術供水管道閥門及濾水器。但選用哪種工作密封需要根據水電站的具體情況，對水質，機組型式，轉速等因素進行分析，選擇最為科學的密封結構，并在設計中考慮穩定性和科學性，使密封安裝和維護更加簡便，提高水輪機運行效率，從而保證水電站的安全穩定運行。

1.2 檢修密封工作原理

檢修密封是水輪機長時間停機時或工作密封檢修時投入的密封，是主軸密封的輔助程序，當水輪機停止運行或檢修水輪機工作密封和水導軸承時使用的一種密封技術，以防止在尾水位較高時倒灌進入機坑內。檢修密封型式常分為空氣圍帶式、機械式和抬機式檢修密封等。其中空氣圍帶式是最為常見的密封?？諝鈬鷰z修密封結構簡單，操作方便，密封效果好，大多數機組檢修密封都用此結構。

2 無接觸泵板密封的結構特點

沙灣水電站過機泥沙含量較多，對水輪機過流部件危害較大，選用一般形式的主軸密封不利于機組穩定運行。所以采用了無接觸泵板主軸密封作為工作密封(見圖1)，選用空氣圍帶式密封作為檢修密封。

圖1 無接觸泵板主軸密封結構

沙灣水電站主軸工作密封泵板材質為不銹鋼，泵板由螺栓把合在轉輪上冠上，工作中將由上止漏環流入的泄漏水通過泵板作用壓入頂蓋上排泄腔，經頂蓋排泄腔上均勻分布的4根直徑為DN100的排水管排走，以保持密封作用。無接觸間隙密封由轉動軸套及主軸密封箱組成，無需潤滑和冷卻。轉動軸套采用不銹鋼材料，其表面附有一層軟金屬巴氏合金材料，可防止因接觸固定部分而造成的事故。轉動軸套分二瓣，由不銹鋼螺栓把合并固定在水輪機主軸上。主軸密封箱采用低碳鋼板焊接而成，分成二瓣，利用螺栓固定在頂蓋上。主軸密封箱分成上下二室，上室接有2根直徑為DN40排水管，可將開停機過程中的泄漏水以及正常運轉中剩余的少量泄漏水匯集至直徑為DN65主軸密封排水管，通過自流方式排至滲漏集水井。

無接觸泵板密封的特點是，軸封的靜止部分和轉動部分不接觸，密封使用壽命較長。密封免檢修免維護，在機組正常運行時不需要冷卻或潤滑清潔水，轉輪上的泵板裝置可防止水和固體進入主軸密封，通常軸密是干的，頂蓋卸壓系統可防止泥沙或固體物質積存在水機頂蓋下，機組旋轉產生的離心作用可使軸密封不接觸水中的沙和其他固體物質。

3 無接觸泵板密封工作原理及優點

沙灣水電站安裝的高水頭混流式水輪機，具有運行水頭高、額定轉速大、水流速度大、過機泥沙重等特點。沙灣水電站水輪機采用非接觸密封結構，這種結構的主軸密封主要由間隙式密封、轉輪上冠處的泵板、頂蓋排水管等組成。當機組運行時，轉輪開始轉動，同時帶動泵板轉動裝置，由泵板帶動泵板內腔的水轉動，使泵板進出口的水產生壓差，再由排水管將水排向集水箱，作為機組冷卻水或者直接排向尾水管。機組剛起動時，間隙密封處的水是不能完全靠泵板全部排干的，極少量的水通過間隙密封處的排水管直接排至集水井，當機組轉速繼續上升后，間隙密封處的水將全部被排出，達到密封效果。機組額定轉速運行時此密封裝置的密封性能非常好。由于這種密封型式為非接觸性密封，因而完全適應高水頭機組主軸密封區域高速度的要求。間隙式密封靜止部分與運動部件不接觸，運行時無需密封潤滑冷卻水，密封件也不存在磨損現象，無需維護和更換。

4 對無接觸泵板密封的運行思考

沙灣水電站4臺機組于2012年10月并網投入運行以來，未發生過無接觸泵板主軸密封故障，在2015年3號機組A修時[2]，因擺度超標，過流部件磨損空蝕嚴重，在對主軸密封泵板解體檢查發現間隙式密封有輕微空蝕發生。分析出現空蝕的原因為：水輪機擺度超標，轉動軸套和主軸密封本體運行間隙不均勻，機組運行時轉動軸套和主軸密封箱產生間隙空蝕。由于間隙空蝕的破壞一般較小，后來檢修人員對空蝕進行補焊打磨，并嚴格按照標準將裝配單邊間隙調整為0.25～0.35 mm，有效減輕了水流對無接觸間隙密封的沖蝕[3]。

經過多年的運行實踐，無接觸泵板主軸密封機組在運行中應注意檢查：①頂蓋壓力指示和擺動情況是否較平時增大；②機坑內的排水管是否暢通；③管路接頭，法蘭連接處有無漏水；④密封座與密封轉環間所構成的密封間隙處是否漏水及漏水變化情況；⑤該泵板密封裝置在低轉運行時封水不好，機坑內漏水較大，所以建議開停機時應注意水輪機頂蓋的漏水情況，并盡可能減少機組在低轉速時的運行時間。

5 結 語

水輪機主軸密封對水電機組的安全運行起著極其重要的作用，主軸密封也是水輪機最容易發生故障的部件之一，水電站檢修維護人員不僅要及時掌握主軸密封的實際工作狀況，還要不斷對出現的故障進行分析和總結，以減少由于水輪機主軸密封發生故障造成的停機事故，提高設備運行的可靠性，改善機組運行工況，增加水電站的發電量。無接觸泵板密封在多泥沙、高水頭、高轉速水電站的成功應用，并經過多年的運行實踐，其安全可靠性得到了進一步驗證，可以為同類型水電站水輪機工作密封的選型或技術改造提供借鑒和參考。