皂市水電站主軸密封漏水分析及處理方法

◎張旭杰 澧水公司江埡水電站

1.引言

水輪機進行主軸密封最關鍵的部分在于，確保轉環和密封膠條可以順利結合，根據水輪機的密封原理來看，主軸密封主要是依靠機組內轉輪和其他組件的配合，以達到水輪機的密封效果。通過對水輪機主軸密封的故障原因進行分析，明確影響水輪機主軸密封的因素。

目前，在我國立式水輪機的應用中，大部分的主軸密封采用的都是平面交鋒式的原理，水輪機經過長時間的運轉，供水管道內很可能會被異物堵塞，導致主軸密封的效果減弱，從而導致水輪機出現漏水的情況，漏水情況較嚴重的話，很有可能到導致水輪機的軸承被水浸透，這樣會影響到機組的正常運轉，導致水電站的非計劃停運[1]。本文分析了可能導致主軸密封漏水的因素，對主軸密封進行受力分析，明確了導致主軸密封漏水的因素。針對漏水因素，對主軸密封進行改造，通過觀察改造后的機組運轉情況，得出結論，本文的改造方案是合理的。

2.皂市水電站概述

皂城水電站地處洞庭湖河系中澧水下游的I型支流渫水運輸，距湖南石門縣19公里，距皂城鎮2公里。樞紐工作以防洪為主，兼有發電、航運、供電、灌溉、旅游等綜合利用。皂市水電廠內建有二個混流式水輪發電機組,每臺單機容量為60MW,總裝機120MW；最高水頭65.6米，最低水頭36.4米，額定水頭50米；采用天津阿爾斯通型號為HLF161A0-LJ-400的半傘式混流發電機組。

3.機組運行情況及初步分析

3.1 主軸密封漏水情況

皂市水電站自2008年投產發電以來，運行值班人員發現滲漏集水井水泵啟動頻繁。根據運行日志統計：2臺機停機時水泵平均10分鐘啟動一次，運行50分鐘；1臺機開機時水泵平均15分鐘啟動一次，運行22分鐘；2臺機開機時水泵平均30分鐘啟動一次，運行12分鐘。從上述統計數據可以分析出：停機時水泵啟動頻繁且運行時間較長，開機后間隔時間變長且運行時間變短。說明滲漏集水井水位的變化來自于機組，與機組狀態有關。由此可以初步推斷為主軸密封漏水量較大。在2018年大修過程中發現，轉環無任何磨損痕跡，說明主軸密封橡膠活塞與轉環無接觸，是造成滲漏集水井漏水量大的主要原因。

3.2 主軸密封漏水偏大造成的不良后果

（1）如果機組的運轉的情況下，主軸密封突然損壞，將會導致水輪機出現大量漏水的情況，失去了主軸密封對水道內水的約束作用，導致水無法正常進入集水井內，如果水量較大還有可能出現噴射情況，從而燒毀水車室內的電子元件。

（2）機組如果在運行過程中出現水流噴射的情況，很有可能導致水珠濺射到水導軸承油盆內，機組內的潤滑油如果遇見水將會發生乳化現象，會對軸承的潤滑效果和散熱效果造成一定程度上的影響，很可能導致機組出現燒瓦的情況。

（3）如果主軸密封裝置的損壞情況比較嚴重，機組的漏水情況比較嚴重，無法采取一定的措施來控制，導致機組停機，不僅會導致經濟受到一定程度的影響，還很有可能導致其他安全事故的發生。

機組停機后，很多設備無法正常運轉，會導致主軸密封徹底失效，水道內的水失去了主軸密封的約束后，無法順利流到集水井內，集水井的水泵啟停次數將會增多。如果情況比較嚴重的話，將會導致集水井內的水位不斷上升，水位溢出后，將會導致廠房被水淹。

3.3 主軸密封漏水的原故解析

根據水輪機密封裝置的結構特點，水輪機的密封效果主要與密封塊和轉動抗磨片有關，如果兩者間存在間隙，將會導致密封裝置出現漏水的情況，以下幾點將會導致密封裝置漏水。

（1）由于水輪機供水管道的管徑都比較小，水流受到密封塊的影響，管道內的水流速度會更小，如果水流的壓力較小，不能將密封塊頂起，密封塊和轉環之間就會存在間隙，這樣就會導致主軸密封出現漏水的情況。

（2）機組在正常運行的情況下，一般不會出現密封塊和轉換之間存在間隙的情況，但是如果供水管道內有異物，導致密封塊無法在水壓的作用下被頂起，使密封塊和轉環無法正常結合，都會導致主軸密封裝置失效。

（3）在轉動環上每一個速率方位都是在繞圈運動的和圓相切的直線角度，但是這物體接觸和移動的方位是相反的，密封塊在運作中的受力和重力、水壓力、摩擦力有關，這樣不停工作，因為定位銷的束縛，常常會出現密封塊的定位銷孔和定位銷合體，從而使得密封塊損壞。

4.主軸密封的結構及運行原理

水輪機設計主軸密封是水輪機的一個重要保護，布置在水導軸承的底部。水輪機轉輪止漏環會產生少量滲漏，這種漏水會順著主軸部分和固定元件間的縫隙滲漏進機坑，淹沒水導軸承，損害水導軸承的工作，阻礙其他裝置的正常工作，危害發電機的運轉，所以需要在主軸部分上設有止漏密封裝置，簡稱主軸部件密封[2]。

皂市水電站水輪機運行的時候，橡膠密封條上腔通0.1MPa～0.2MPa的壓力水，然后克服密封條的摩擦力和重量后將密封條壓下去，把其壓到主軸上的轉環上止水流。橡膠密封條則是安裝在活塞運動密封座里，該密封座安裝有四個長度為十九毫米的定位銷和二個長度為二十毫米供水銷，這樣使得密封條只能夠左右活動，而不能夠作環繞運行方向和按零點五徑范圍內的橫向移動。密封條上有二個直徑為二十四毫米的冷卻及潤滑孔[3]。工作密封供水管由?32mm變徑為?20mm的環管供水。供水環管布置在頂蓋外圓處，長9米。工作密封水濾網為油過濾器形式。具體結構如圖1所示。

圖1 主軸密封裝置結構圖

5.皂市水電站主軸密封的改造方案設計

為了改善水輪機主軸密封漏水的情況，本章對主軸密封裝置進行受力分析，計算目前水輪機供水管道內的水壓，對主軸密封的水量進行計算，計算內容包括，四個導向孔的漏水面積，兩個冷卻孔和潤滑水孔的排水面積，兩個供水孔的供水面積，從而分析導致水輪機主軸密封漏水的原因。針對目前的主軸密封提出改造方案，對改造后的主軸密封進行計算。

5.1 改造前受力分析

主軸密封動作需要克服橡膠密封條自身的重力和摩擦力：橡膠對不銹鋼最大的干摩擦因數是1.50～0.75，主軸密封主要是因為水摩擦，其因數是0.20～0.25。

對主軸密封在自身重力下產生的壓強進行計算：

P=(22.18×9.8）÷686.88÷10

=3.2KPa

因為想要保證密封塊被頂起，必須對密封塊施加足夠的壓強，按照正常情況來說，想要將密封塊頂起需要施加9.5KPa的壓強。

5.2 主軸密封的水量計算

（1）工作密封4個導向孔漏水面積（3.14×122-3.14×9.52）×4=675.1mm2。

（2）工作密封2個冷卻、潤滑水孔排水面積3.14×122×2=904.32mm2。

（3）2個?20mm供水孔供水面積3.14×102×2=628mm2。

（4）供水管路長，沿途流量損失大。

（5）工作密封水濾器精度過高，易堵塞，造成供水量減小。

可得結論：675.1mm2+904.32mm2＞628mm2加上沿途流量損失大，造成排水量大于供水量，主軸密封內無法建壓推動橡膠密封條向下運動止水密封。

5.3 改造處理方法及理論計算

根據以上計算可知橡膠密封條的開孔尺寸造成漏水量大，導致主軸密封無法正常工作，因此對橡膠密封條孔洞封堵并重新開孔。即封堵橡膠密封條上6個?24mm通孔并鉆4個?21mm導向孔和4個?8mm冷卻、潤滑水孔。

原設計主軸密封供水管管徑為?32mm變徑為?20mm長達9米的環管供水，管徑偏小且距離長沿程損失較大。因此將主軸密封供水管由?32mm變徑為?25mm的環管供水。供水環管布置在工作密封座內圓處，長2米。

圖2 主軸密封過濾器

原主軸密封水過濾器為油過濾器型式，過濾精度過高容易造成堵塞，水流阻力大。為了改善管道的過濾條件，解決供水管道容易堵塞的問題，本文設計重新更換為水過濾器，為了保證過濾器的過濾效果，并加裝?32的調節球閥。

改造后如圖3所示。

圖3 主軸密封供水管

5.3.1 受力分析

因未改變主軸密封的工作原理及結構，其受力未變化。

5.3.2 主軸密封的水量計算

①工作密封4個導向孔漏水面積（3.14×10.52-3.14×9.52）×4=251.2mm2。

②工作密封4個冷卻、潤滑水孔排水面積3.14×42×4=200.96mm2。

③2個?20 mm供水孔供水面積3.14×102×2=628mm2。

可得結論：251.2mm2+200.96mm2＜628mm2排水量小于供水量，進行主軸密封試壓試驗證明可以建立水壓正常推動橡膠密封條。

6.改造后機組運行情況

主軸密封2018年改造完成后，現主軸密封裝置運行正常。廠房滲漏集水井的水源主要來自#1、#2機組頂蓋處的滲漏水，而頂蓋滲漏水量的大小直接反應出主軸密封裝置的好壞。于2019年7月份對廠房滲漏排水泵的運行情況進行了統計，數據如表1所示。

表1 主軸密封改造前后效果對比

根據表1數據可知：頂蓋漏水量較以往減小1/2以上，改造效果顯著，經濟效益明顯。通過數據可以證明，本文所設計的改造方案是合理的，可以有效的改善主軸密封的漏水情況。

7.結論

水輪機的主軸密封效果對整個水電站的運轉來說，都是至關重要的，提高水輪機主軸密封的效果，不僅可以在極大程度上降低水電站的后期維護工作，還能保證水電站在長時間內保持安全穩定的運轉[4]。本文對皂市水電站主軸密封漏水的因素進行了分析，明確了影響水輪機主軸密封的因素，為了改善水輪機主軸密封效果，針對主軸密封裝置進行了改造，通過改變密封膠條的孔洞，改善供水管道的管徑和長度，來提升水輪機主軸密封的效果。根據試驗數據、試運行數據分析，本次主軸工作密封改造成功，主軸密封在改造后，極大程度上改善了軸密封漏水的現象，但是還是存在一定的漏水現象，沒有實現主軸密封完全不漏水的效果，本文的改造方案還需要進一步完善[5]。