特高壓換流閥內冷主泵機械密封滲漏原因及對策

陳 俞

（國網四川電力送變電建設有限公司，四川成都 610051）

0 引言

特高壓輸電已經成為配電網建設的重要發展方向，我國也投入了較大精力進行特高壓系統建設。在特高壓輸電系統中，換流閥是最主要的設備之一，但是受到高電壓影響，換流閥運行過程中會產生較多的熱量，對于換流閥的正常使用造成較大影響，特別是換流閥中的閥冷系統更是容易受到外部因素的影響而發生故障，從而造成換流閥無法正常工作，因此確保閥冷系統的穩定性非常關鍵。主泵是閥冷系統中最關鍵的設備，是確保整個系統能夠正常運行的基礎。但是主泵的結構較復雜，對于精度的要求較高，所以應用不當或者長期運行容易產生磨損而發生機械滲漏，從而對閥冷系統甚至整個換流閥造成影響。基于此，需要對換流閥內冷主泵機械密封滲漏的原因進行分析，同時采取有針對性的對策進行處理，避免對換流站造成影響。

1 特高壓換流閥內冷主泵概述

特高壓輸電系統中換流閥的閥冷系統能夠確保閥體溫度始終處于正常狀態，按照結構和功能的差異可以將閥冷系統分成外冷系統和內冷系統。其中內冷系統屬于密封循環系統，主要包括主循環冷卻回路、氮氣穩壓系統、去離子系統、補水系統、換流閥冷卻水回路等部分，內冷系統利用主泵可以將循環水輸送到換流閥內部，吸收閥內熱量之后經過外冷系統冷卻，進行再次的冷卻循環[1]。

1.1 主泵的類型

換流閥內冷主泵主要采用是葉片泵，葉片泵可以分為軸流泵、斜流泵、離心泵等。不同類型的泵具有不同特點，例如，軸流泵具有較高的轉速和較大的流量，但其揚程相對有限（＜15 m），同時運行效率較低，所以應用場合有限；斜流泵需要較深的吸水井才能夠運行，所以很難安裝在主廠房內；離心泵體積較小且揚程較高，可以在較小流量情況下運行，具有較強的抗氣體腐蝕性，更便于維護保養，使用壽命較長，完全可以達到內冷主泵的應用標準，因此，內冷主泵更多采用離心泵。

1.2 內冷主泵機械密封結構

換流閥內冷系統主泵采用的機械密封結構主要是通過一對或者多對靜環和動環組成，動環相對于靜環進行滑動，受到流體壓力和補償機構彈力作用始終保持良好的端面貼合，再加上輔助元件的作用最終實現密封。

其中，靜環固定在設備的殼體、壓蓋、法蘭等位置，通過密封端面來阻止冷卻水的滲漏，而動環則隨著主泵的旋轉軸共同旋轉，在冷卻水壓力和彈簧力的作用下確保動環和靜環密封端面的貼合以及相對滑動。為了避免冷卻水在動環和靜環的間隙滲漏，動環和靜環都設置有密封圈。同時，為了避免由于運行時磨合面溫度上升以及冷卻水腐蝕的影響而造成滲漏，需要在內冷主泵的出口導出一根水管，主要用于對機械密封面進行沖洗降溫[2]。主泵屬于動力設備行列，所以其密封主要采取接觸密封的方式。不同類型接觸密封措施如表1所示。

表1 不同類型接觸密封措施

2 含沖洗管內冷主泵機械密封滲漏研究

2.1 含沖洗管內冷主泵機械密封滲漏的危害

從現階段來看，為了避免高溫的影響，換流閥內冷主泵往往會采取自沖洗的方式來對機械密封面進行清洗，同時也能夠起到降溫的作用。沖洗水體主要是利用連接管從主泵出口處導入泵體的密封腔進行沖洗。具體采用多大的沖洗量進行機械密封清洗是很難直接計算的，因此，在實際應用時往往利用經驗法進行預估，確保冷卻水工作在層流以及湍流的臨界狀態下，但是此種方式往往會由于流速設定不合理而造成內冷主泵機械密封發生滲漏。一旦機械密封發生滲漏就會產生非常嚴重的危害，主要包括以下5個方面。

（1）會導致內冷主泵發生更多的故障，對于閥冷系統正常運行造成較大影響，最終影響換流閥的正常運行。

（2）由于靜環的表層長時間受到沖洗，所以其表面的坡口容易造成損壞，從而導致動環和靜環之間的摩擦系數有所增加，對主泵的性能造成影響。

（3）長期循環運行容易將某些雜質帶到閥冷系統當中，這就會導致水質無法滿足運行標準，最終對冷卻效果造成較大影響。

（4）長期運行會在機械密封面產生污物堆積，影響密封性能以及使用壽命。

（5）機械密封面無法有效降溫，過高的溫度導致機械密封壽命縮短。

2.2 含沖洗管內冷主泵機械密封滲漏的原因

（1）沖洗管的進出口存在比較大的壓力差，靜環表層長時間受到高壓水流的沖擊。若是主泵出水的水壓比較高并且沖洗管出口的水壓較低，那么就會造成沖洗管進出口存在較大的壓差，這樣就在機械密封冷卻水管安裝位置形成高壓沖洗水流，此高壓水流對靜環表層的長期沖擊就會形成坡口損傷，從而引發機械密封的滲漏。

（2）冷卻水并非規則性流動，同時存在較高的流態壓力。隨著冷卻水壓力升高以及流量的增加，冷卻水就會變成湍流狀態，此時會有比較高的能量，此種能量長期作用在機械密封表層必然會對其造成破壞。

（3）相應部件問題造成的密封失效。①機械密封圈失效。密封圈失效是造成滲漏最根本的問題之一，密封圈長期使用會造成橡膠的老化變形，其表面會產生疏松以及毛糙等情況，失去應有的彈性，無法正常工作，但是密封圈失效并不會造成快速的滲漏問題。②固定螺母發生松動。機械密封動環座需要通過螺母進行固定，在螺母安裝初期需要對其進行必要的緊固，但是在主泵運行過程中受到水錘作用的影響會造成主泵內部壓力遠超外部壓力，這就會造成主泵運行過程中機械密封動環座不平衡的情況，受到內外壓力不均衡的影響而破壞水膜，從而引發滲漏問題[3]。③彈簧彈性不滿足標準。機械密封的內部會設置彈簧來實現緩沖補償，這些彈簧在主泵啟動以及運行過程中受到較大壓力，特別是在主泵啟動過程中受到較大扭矩的影響而導致彈簧的彈力發生偏差，從而造成內外的壓力不均衡而將水膜破壞，進而引發滲漏的問題。

（4）動環和靜環平面磨損。動環和靜環平面一旦發生磨損就會造成兩者無法緊密貼合，從而產生滲漏問題。造成動靜環平面磨損的原因較多，主要包括以下5個方面：①安裝的問題。設備安裝過程中容易產生過緊、過松或者不平的情況，或在安裝過程中造成某些零部件的破損等，引發安裝問題。此種情況下將機械密封拆除后都會發現磨損的情況，表現為發黑、燒焦、劃痕等現象。②主泵基座的異常。主泵基座方面的問題（如基礎固定螺栓松動、緊固力矩不平衡、支撐部件剛性不足等）會導致主泵運行中的振動，也可能因為基座振動異常而造成振動的擴散，從而導致機械密封發生滲漏。③主泵的進出口膨脹節補償器安裝不標準。膨脹節補償器安裝時不夠標準，造成對角偏差較大，從而導致主泵啟動以及運行過程中機械密封位置產生受力異常。④水質較差，含有顆粒造成磨損。水體中含有雜質顆粒，顆粒容易引發機械密封平面出現溝槽或者環溝等問題。⑤氣蝕干磨。對主泵進行檢修時容易在進水管以及泵腔內部引入空氣，在主泵啟動之后隨著機械密封運轉速度較高發生摩擦而產生高溫，長久運行就會引發機械密封干磨失效的情況。主泵的進出水口主要采取的是“漏斗型管路+波紋管補償器”的方式，主泵啟動工作之后會造成漏斗型進出口水流量存在差異，這樣就會在主泵的泵腔內部形成氣腔，從而出現水泵氣蝕的情況，導致主泵機械密封發生滲漏。因此要盡可能采取軟啟動的方式來啟動主泵，在正常工況下盡量避免主泵工頻啟動，降低機封滲水的概率[4]。

2.3 含沖洗管內冷主泵機械密封防滲漏措施

為了確保主泵在運行時會在動靜環密封面之間始終保持著良好的潤滑狀態，同時要確保機械密封所用的冷卻水可以進行充分循環，能夠將產生的熱量帶走，避免發生機械密封滲漏的情況，可以采取以下4個方面的防滲漏措施。

（1）為了有效減小冷卻水的進口壓力，可以在沖洗水管上設置壓力調節設備進行必要的壓力調節，從而降低沖洗管進出口的壓力差，這樣就可以有效減小機械密封冷卻水管安裝位置沖洗水流的壓力，削弱水流對于靜環表面的沖擊，降低靜環表層的破損性，減緩機械密封滲漏的可能性。

（2）為了能夠對沖洗管內部水體壓力進行有效監控，需要在沖洗管的減壓設備上安設壓力表，這樣就可以確保控制沖洗管內部冷卻水流，將其從湍流轉變成為層流，從而減小冷卻水的能量沖擊，這樣就能夠減少冷卻水對于機械密封產生的侵蝕。

（3）要對冷卻系統用水進行必要的過濾，從而去除內部顆粒。也可以采用純凈水作為冷卻系統用水，從而降低內部顆粒對于機械密封面的侵蝕。

（4）要對主泵地腳螺栓的緊固性、泵中心與相應標準的匹配性、轉子和定子的同心性等關鍵指標進行定期檢查，始終保持其滿足標準規范。

3 換流閥內冷主泵機械密封措施應用

3.1 工程基本概況

某特高壓直流輸電工程換流閥內冷系統主泵采取的是集裝式機械密封的形式。為了能夠將主泵出口的水體引入主泵機械密封的內部，實現對動靜環的沖洗以及冷卻，因此在主泵的出口位置設置了冷卻水管。自從換流閥應用以來整體運行良好，但是其內冷主泵在經過長期的運行之后在機械密封的靜環表層產生了損傷坡口的情況，從而造成水體頻繁發生滲漏。受制于具體工況，在機械密封發生滲漏情況后只能在線對機械密封進行更換。在更換機械密封時要確保故障主泵停止運行，這時閥冷系統只有一臺主泵在運行，整個系統并不具有冗余性能，一旦運行中的主泵產生故障而造成停機就會直接造成整個電力系統故障停運[5]。

3.2 具體解決措施

經過分析得知此機械密封發生滲漏的根本原因在于冷卻水的流體不合理，針對此情況需要對沖洗管實施必要的優化改造。

（1）需要在沖洗管管路上設置節流閥以便能夠對管內冷卻水壓力進行調節。

（2）需要在沖洗管上設置流體流線調節器，以此來將湍流水頭能量吸收，確保流體流線的一致性。通過對水體能量的控制能夠減小對機械密封造成的危害。

（3）為了能夠更加便利地更換相應部件，要通過卡套接頭對壓力調節閥以及流線調節器進行連接。為了能夠監視調節壓力，要在流線調節器上設置直讀式壓力表。為了明確調節的壓力，將雷諾數設定為2400~4000（此時流體處在層流、湍流的臨界狀態）來進行冷卻水流速以及壓差的計算。

在經過上述優化改造后，此換流閥無論是在主泵機械密封滲漏頻次還是在運維成本方面多有明顯的下降，從而延長了主泵的使用壽命，也能夠減少備件的更換次數，提升了閥冷系統運行的可靠性。

4 結語

特高壓換流閥的閥冷系統非常關鍵，對于確保整個系統正常運行具有重要作用。本文主要對換流閥內冷主泵機械密封結構進行了闡述，并且分析了其機械密封滲漏的原因，在此基礎上提出了有針對性的防滲漏措施，同時在實際工程中對其進行了驗證，表明了措施的有效性。通過本文的介紹能夠對特高壓換流閥內主泵機械密封滲漏的防范起到參考作用，對于推動特高壓發展具有現實意義。