基于特高壓換流站閥內冷主泵機械密封滲漏原因及對策研究

常東旭，吳 寧，劉辛裔

(國網河南省電力公司直流運檢分公司，河南 鄭州 450052)

隨著我國用電量的迅猛增長以及發電資源和用電負荷逆向分布的現狀，給具有大容量、遠距離、低損耗等輸電優勢的特高壓建設帶來了重大機遇[1-2]。特高壓成為我國建設堅強智能電網的重要發展方向，目前已投運或在建的特高壓輸電線路總長度已超3萬km，其對整個電力系統安全、可靠、經濟運行的作用日趨重要[3-4]。

換流閥作為特高壓輸電的關鍵設備，其運行功率大、額定電流高，產生熱量大，導致電抗器、晶閘管等器件溫度急劇上升，若不能及時對閥體進行降溫，將直接影響換流閥的電氣特性和使用壽命，甚至造成整個輸電系統故障[5]。運行經驗表明，閥冷系統是換流閥的薄弱環節，超過25%的換流閥故障是由閥冷系統故障造成的。故障時閥冷系統能夠直接給出閉鎖指令[6-7]。因此，閥冷系統穩定運行對保障特高壓輸電系統可靠運行起著至關重要的作用。

在閥冷系統中，主循環泵(簡稱主泵)是唯一保持持續運行的設備，其作用是保證內水冷冷卻介質的壓力恒定和提供持續介質流量，一旦發生故障將會直接影響換流閥的冷卻效果，甚至會導致直流系統強迫性停運[8]。由于主泵軸封結構復雜，制造安裝精度要求高，因此其使用不當會出現磨損嚴重、機械端面泄漏等問題。文獻[9]、[10]研究了非接觸式機械密封(簡稱機封)因端面形貌的改變而產生熱彈流效應對密封性能的影響；文獻[11]通過影響系數考慮了熱彈結構變形與流體流動的耦合變形，對力變形、熱力變形的影響進行了比較，更準確描述了機封特性；文獻[12]考慮副密封的影響，通過對動環組件建模分析、將螺釘預緊力等效為分布力，得到泄漏率隨著螺釘預緊力的增大而增加的結論；文獻[13]指出螺釘預緊力對密封性能的影響規律與密封環和環座之間接觸關系有著密切的聯系，環座結構及邊界條件的不同是導致動、靜環功能差異的重要原因。上述文獻從不同角度對機封進行了深入研究，但針對換流站采用自沖洗式主泵長時間運行時出現滲漏問題的研究還比較少。

本文在分析換流閥水冷系統和內冷主泵的基礎上，重點研究帶沖洗管的自沖洗式內冷主泵機封滲漏原因，并提出相應對策，通過工程實例對所提對策進行驗證。

1 換流閥水冷系統分析

特高壓輸電系統中，換流閥冷卻系統主要將換流閥運行時產生的熱量帶走，以保障閥體等相關元件溫度在正常范圍內[14-15]。目前閥冷系統廣泛采用空氣絕緣-水循環冷卻方式，根據其功能和構成特點，又進一步分為外水冷系統和內水冷系統，整體架構如圖1所示。

圖1 換流閥水冷系統整體架構示意圖

外水冷系統是一個開放式的水循環系統，由冷卻塔、噴淋泵、平衡水池、水處理單元等構成。內水冷系統是一個密閉的循環系統，由主循環冷卻回路、去離子系統、氮氣穩壓系統、補水系統和換流閥冷卻水回路等構成，通過主泵將經外水冷系統冷卻后的循環水送至換流閥內，吸收閥運行時產生的熱量，內冷水又經外冷系統冷卻后，再開始下一個冷卻循環[16]。

2 換流閥內冷主泵分析

2.1 主泵分類介紹

換流閥內冷主泵為葉片泵，葉片泵又分為離心泵、軸流泵和斜流泵。軸流泵轉速較高、流量較大，但揚程僅為1～15 m，且高效率區窄，如今已基本被淘汰；斜流泵泵前尺寸較長，吸水井深度較大，因而在主廠房內難以安裝；離心泵具有體積較小、揚程較高、能在小流量運行、高效率范圍廣、抗汽蝕性能好、維修保養容易和使用壽命長等優點，較好地滿足了閥冷主泵的使用要求，因此閥冷主泵多選用離心泵。

根據安裝方式和構成，離心泵又進一步分為立式泵和臥式泵，其功能特點等見表1，外觀如圖2和3所示。

2.2 含沖洗管內冷主泵機封結構分析

換流站閥內冷主泵大多為臥式離心泵，其機封主要由動環和靜環構成，是一對或數對垂直于泵軸作相對滑動、在流體壓力和補償機構的彈力作用下保持貼合的端面，配以輔助元件實現阻漏的裝置。動環隨主泵旋轉軸一起旋轉，靜環固定不動，依靠介質壓力和彈簧力使動靜環之間的密封端面緊密貼合并相對滑動，組成密封端面以防止介質泄漏；靜環安裝在設備的殼體、壓蓋、法蘭等靜止部位，靠密封端面來防止介質泄漏。為了防止介質通過間隙泄漏，動環和靜環均裝有密封圈。為防止因介質腐蝕、磨合面溫度升高所造成的泄漏，含沖洗管內冷主泵從泵出口引出一根水管，用于對機封密封面沖洗降溫。其結構如圖4所示。

表1 立式離心泵和臥式離心泵對比

圖2 立式離心泵外觀示意圖

圖3 臥式離心泵外觀示意圖

由于主泵是動力設備，因此主泵的密封一般采用動密封中的接觸密封，各種接觸密封措施對比見表2。

圖4 主泵機械密封結構示意圖

表2 各種接觸密封措施對比

3 含沖洗管內冷主泵機封滲漏研究

3.1 含沖洗管內冷主泵機封滲漏危害分析

目前，換流閥內冷主泵常采用自沖洗方式對自身機械密封面進行沖洗降溫，沖洗介質由泵的出口端通過連接管引入泵體密封腔。由于機封沖洗量在工程應用上很難通過直接計算得到，因此工程中一般采用經驗法，讓流體工作在層流和湍流的臨界狀態，但該方法常因流速選取不當導致內冷主泵機封滲漏。

含沖洗管內冷主泵機封滲漏產生的危害如下：

1)導致主泵故障頻繁，嚴重影響閥冷系統正常運行，造成換流閥運行工況惡化。

2)加速被沖洗管長期沖洗的靜環表面坡口損傷，使得動環和靜環之間摩擦系數增大，影響主泵性能。

3)雜質進入水冷系統，可能造成水質不能滿足運行規定，進而影響冷卻效果。

4)易在機封面堆積污物，使密封性能下降，機封過早失效。

5)機封面不能有效降溫，造成機封過早磨損失效。

3.2 含沖洗管內冷主泵機封滲漏原因研究

含沖洗管內冷主泵機封滲漏原因如下：

1)沖洗管進出口壓差較大，靜環表面產生持續高壓沖擊水流。如果主泵出水水壓較高，沖洗管出口水壓較低，則沖洗管進出口壓差較大，會在機封冷卻水管安裝處產生較高壓力的沖洗水流，水流不斷沖擊靜環表面，出現損傷坡口，造成機封滲漏。

2)冷卻水不規則且具有較高能量壓力流態。當冷卻水壓力過高、流量過大時，冷卻水流態將是湍流形態，具有較高的能量。機封在冷卻水不規則且具有較高能量壓力流態作用下，機封表面會被緩慢破壞。

3)顆粒雜質的沉淀。泵在運轉過程中，冷卻介質如果不純，會導致靜環密封腔中沉積或形成雜質過多，使機封動、靜環失去浮動性，嚴重時雜質進入動靜環加劇磨損，導致機封迅速失效。

4)離心泵的振動。由于制造和安裝精度等原因，離心泵存在垂直、水平和軸向方面的振動。當振動加劇時，動靜環之間會發生瞬間分離，在液膜壓力作用下使密封面開啟，出現大量泄漏。

4 含沖洗管內冷主泵機封防滲漏對策

為使主泵在運行過程中動靜環密封面間能維持一層潤滑液膜，且機封冷卻介質得到充分循環將熱量帶走，防止機封出現滲漏，主要采取以下對策：

1)在沖洗水管上安裝壓力調節裝置，降低冷卻水進口壓力，減小沖洗管進出口壓差，降低在機封冷卻水管安裝處沖洗水流的壓力，減小水流對靜環表面的沖擊，避免靜環表面因沖洗而損傷，造成機封滲漏。

2)在沖洗管減壓裝置上安裝壓力表，監測沖洗管內水流壓力，使沖洗管內冷卻水流從湍流變成層流，降低冷卻水能量，減少冷卻水對機械密封造成的損害。

3)冷卻系統使用純水，并安裝過濾器過濾水中顆粒雜質，保持水質純凈。

4)定期檢查主泵的地腳螺栓是否緊固、泵中心是否符合標準規定、轉子與定子是否同心等。

5 工程驗證

5.1 工程概況

以特高壓直流輸電工程中州換流站為例，對所給主泵機封滲漏對策進行驗證。該站換流閥內冷系統用的是MCPK系列主泵、集裝式機械密封，在泵出口處設置了冷卻水管，將主泵出口的高壓水引至主泵機封內部，對動、靜環進行冷卻和沖洗，如圖5所示。

圖5 帶沖洗管的主泵實例

圖4中，主泵揚程為55 m、入口壓力為0.25 MPa、出口壓力為0.80 MPa；沖洗管采用直徑為10 mm的直通鋼管，出口水壓為0.25 MPa、入口壓力和出口壓力壓差為0.55 MPa。此工況實際的冷卻水流速和一般控制的冷卻水平均流速分別為4.4 m/s和2.3 m/s。

5.2 問題分析

該站投運以來，閥內冷主泵長時間運行后在機封處靜環表面沖洗出損傷坡口，頻繁出現水滲漏的情況，如圖6所示。

圖6 機封靜環沖刷坡口實例

靜環表面出現坡口后，機封出現滲水現象，只能在線更換機封。更換機封時需將故障主泵停運，此時閥內水冷僅有一臺主泵運行，系統失去冗余能力，當運行主泵再發生故障而停機時，將發生直流系統停運事故。

5.3 內冷水流動特性分析

為確定內冷水的流動特性，通過計算雷諾數確定當前沖洗量下冷卻水的流動狀態。

雷諾數計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Re為雷諾數；ρ為冷卻水密度，25 ℃時為996 kg/m3；v為冷卻水流速，m/s；d為沖洗管直徑，m；μ為冷卻水黏性系數，25 ℃時水的黏度為0.000 894 N·s/m2。

由式(1)可得雷諾數為：

圓管內液體雷諾數與液體流態之間的對應關系如下：1)層流,Re<2 400；2)過渡流,2 400≤Re≤4 000；3)湍流,Re>4 000。由計算結果可知，冷卻水當前雷諾數遠大于4 000，處于湍流狀態，具有很高的水頭能量。

5.4 解決方案

由上述分析可知，目前冷卻水流態不合適是機封滲漏的主要原因，根據本文所提對策對沖洗管進行以下改造：

1)在沖洗管管路上安裝節流閥，用于調節管內冷卻水壓力。

2)在沖洗管上安裝流體流線調節器，吸收湍流水頭的能量，使流體流線具有很好的一致性，攜帶的能量變小，降低對機封造成的損害，如圖7所示。

圖7 流線調節示意圖

3)壓力調節閥和流線調節器兩端采用卡套接頭，方便對其進行更換。流線調節器安裝直讀式壓力指示表，作為調節壓力時的監視器，如圖8所示。

圖8 改進效果示意圖

為了確定調節壓力，取雷諾數為2 400～4 000，即流體處于層流和湍流的臨界狀態，計算冷卻水流速和流體壓差。

流體溫度為25 ℃、雷諾數為2 400時，由式(1)可得冷卻水流速v為：

流體介質為水時，管壓差、流速、管徑之間的關系式如式(2)所示：

(2)

式中：Δp為沖洗管進出口壓差，kPa 。

由式(2)可得流體壓差為：

同理，流體溫度為25 ℃、雷諾數為4 000時，可得冷卻水流速為0.359 m/s，流體壓差為3.628 kPa。

通過上述計算，將流線調節器壓差范圍設定為1.306～3.628 kPa，如果主泵入口壓力為250 kPa，則流線調節器顯示壓力值范圍為251.306～253.628 kPa,因此理論上能夠通過節流閥將主泵入口壓力調整為251.306～253.628 kPa。實際工程中，一般控制機械密封水壓力比進口水壓力高0.1～0.2 MPa，可以根據一般控制的冷卻水流量，通過節流閥將流線調節器上的壓力顯示值調節到(主循環泵入口壓力+0.1 MPa)～(主循環泵入口壓力+0.2 MPa)的范圍內，既能保證沖洗量，又能使冷卻水經過流線調節器時釋放能量，實現保護機封的目的。

經過改造后，該站主泵機封滲漏次數和運行維護成本大大減少，主泵使用壽命延長，備件更換頻率大幅降低，閥內冷系統運行更加可靠。

6 結束語

本文在分析換流閥水冷系統架構、含沖洗管閥內冷主循環泵機械密封結構的基礎上，重點研究了機械密封滲漏的原因，提出了相關對策，通過實際工程驗證，得到以下結論：

1)在含沖洗管閥內冷主循環泵沖洗管上增加減壓裝置后，能夠減少主循環泵機械密封滲漏次數，大幅降低備件更換頻率和運行維護成本，閥內冷系統運行更加穩定。

2)沖洗管增加管內水流監測壓力表后，更便于精確調節沖洗管內水流壓力，及時掌握水流狀態，降低對機械密封面靜環的沖擊壓力，避免靜環受損。

3)主循環泵沖洗管改造后，延長了換流閥內冷系統主循環泵機械密封的使用壽命，降低了因機械密封滲漏而造成直流系統強迫性停運的風險。