水电机组工作密封烧损的分析与解决
2015-12-06杜永
杜 永
(国网新源丰满电厂,吉林省吉林市 132108)
水电机组工作密封烧损的分析与解决
杜 永
(国网新源丰满电厂,吉林省吉林市 132108)
本文简要介绍了小孤山电站2号机组空负荷启动过程中,出现水轮机主轴密封烧损问题,通过对该问题进行现场分析,找出了故障的主要原因,并采取行之有效的措施,从根本上解决了水轮机主轴密封烧损问题,为水电机组的运行、维护积累了经验。
水轮机;主轴密封;烧损;分析;改进
1 概述
小孤山电站位于辽宁蒲石河蓄能有限公司(以下简称蒲蓄)下水库,为蒲蓄公司厂用电的备用电源,对于合理利用水资源和保护生态环境起到重要作用。小孤山电站2号机组启动试验时,空负荷开机约2min水车室出现橡胶烧损的焦臭味,被迫紧急停机。工程技术人员对该问题进行现场分析,找出了故障的主要原因,通过采取行之有效的措施,从根本上解决了水轮机主轴密封烧损问题,为水电机组的运行、维护积累了经验。
2 橡胶焦臭味的查找与原因分析
2.1 故障现象
小孤山电站2号机组安装首次启机试验前,检查水压符合设计要求,各动静密封点无异常。水轮机工作密封活塞式橡胶密封环已顶起,密封严密,无漏水现象。启机约2min后,产生非常浓烈橡胶焦臭味,被迫停机检查分析原因。
2.2 橡胶焦臭味的查找
转轮室内除电气设备、元件外,其余都是机械构件以及为数极少的橡胶密封材料(如盘根、围带和密封环)。在排除电气设备、元件故障的可能后,能在发热后冒烟并散发橡胶焦臭味的就只能是这些橡胶制品。
机组停机切断密封环冷却水源后,对照2号机组安装图纸,从上到下逐一排查机组各个动静密封点,检查到水轮机工作密封时发现活塞式橡胶密封环未下落,水压仍保持0.2MPa,密封环与抗磨环零间隙。抗磨板表面温度较高,橡胶焦臭味源初步判定为是由主轴密封烧损发出的。
2.3 原因分析
2.3.1 主轴密封工作原理
根据机组的结构、水头、轴径、转速、水质及使用频率等数据综合考虑,小孤山电站主轴密封形式为端面接触式主轴密封。其主体为空气围带、活塞式橡胶密封环(以下统称密封环)、密封座和抗磨环。装配图如图1所示。
主轴密封紧靠水轮机主轴下法兰端面,在水导轴承下方由顶盖支撑,作用是有效地阻挡水流从大轴与顶盖之间的间隙上溢,控制机组旋转部分和固定部分的漏水量,防止水导轴承和顶盖被淹。由运行状态下的工作密封和静止状态下的检修密封组成。其工作原理是:
图1 密封装配示意图
图2 烧损的橡胶密封环
(1)当机组由停机转运行状态时,密封环在水压的推力作用下,沿密封座内导向杆向上滑动与抗磨环间形成一水膜(设计水膜厚度0.03~0.08mm),其作用相当于流体静水压轴承将旋转抗磨环与静止密封环分开,使它们不发生直接摩擦从而减少磨损量,并带走摩擦产生的热量。此时,切断检修密封气源,打开排气阀排气,空气围带内在弹力的作用下与主轴彻底分离(设计间隙为1mm),从而退出运行。
(2)当机组由运行转停机状态时,检修密封空气围带在压缩空气的作用下,其非约束部分受压鼓起,与主轴环紧密接触,从而阻断尾水窜入水轮机顶盖的通道,而起到密封作用;工作密封环此时在密封座内靠自重沿导向杆自由下落到底部,从而退出运行。
2.3.2 原因判定
将0.50mm塞尺强行插入密封环与抗磨环接触面后,先后有热水蒸气、热水溢出,水压开始下降,水压下降为0MPa时抽出塞尺,发现塞尺上粘有一层橡胶。
根据以上情况可以判定,小孤山电站2号机组在首次空负荷开机时,由于压力水开启后密封环首先被水压顶紧,通流孔被抗磨环封堵,使得密封环摩擦面在开机的空负荷阶段不能产生流动水膜,开机时转动环与密封环之间出现干摩擦或临界干摩擦,造成密封环严重发热冒烟,并散发出橡胶焦臭味。
图3 抗磨环上粘连的橡胶
2.3.3 密封烧损情况
分解工作密封,拆下抗磨环,发现密封环与抗磨环的接触部分融化。融化的橡胶粘在抗磨环表面,密封环上平面有严重焦化现象,主轴和密封座间存在大量橡胶烧损形成的胶颗粒,烧损情况如图2、图3所示。
密封环沿导向杆上下移动阻力较大,导向杆无弯曲、无变形。塞尺检查检修密封空气围带与主轴间间隙符合设计要求的1mm,密封空气围带无磨损。
2.3.4 原因分析
这些作为水轮机密封用的橡胶密封制品全都安装在水上。机组开机前,空气围带排气退出,密封环润滑冷却水投入,密封环顶起,此时空气围带和密封环都浸泡在水中。可想而知,浸泡在水中的空气围带即使与金属物体发生运动摩擦,也不可能发热冒烟。换句话说,这些橡胶密封如果发热冒烟,一定存在干性或临界干性的相对运动摩擦。
针对小孤山电站水轮机主轴密封的具体结构,在水轮机各种密封装置中,存在相对摩擦运动可能的只有检修密封和工作密封两种。
前者有一种情况可能发生运动摩擦:开机时空气围带尚未排气卸压,机组就开机;对于检修密封来说,其摩擦面始终浸泡在水中,其结果虽然会损坏空气围带,却不可能因此产生浓烟。对于后者,它虽然被固定在密封座里,只能作上下运动,不能作圆周运动和径向运动,但是,抗磨环却是随主轴一起转动的。显然,密封环存在运动摩擦。但密封环是靠清洁水流作为其摩擦面的润滑介质的,因此必须对密封环的工况作进一步剖析。
活塞式橡胶密封环安装在密封座里,密封座中均布2根活φ16mm的定位销亦称导向杆(如图4所示),限制密封环只能作上下运动,不能作环向运动和径向运动。
图4 导向杆
在密封环上下端面之间有4个均布的φ5mm通流孔(如图5所示)。发开机令后,密封环上腔接通0.2MPa 的清洁水流,使密封环与转动环密封面紧密接触,当密封环与转动环接触后,接触面之间就产生了流动的水膜。这时如果机组开始运转,转动环与密封环的摩擦实质上就是与流动水膜的摩擦。流动水膜不仅保护了密封环,还将摩擦引起的热量带走。
图5 活塞式橡胶密封环
图6 密封座
但在密封环的工作过程中,由于机组首次空负荷开始时顶盖排水压力为负,即顶盖水是向下吸,如果压力水开启后密封环首先被水压顶紧,通流孔被抗磨环封堵,在摩擦面间就不能产生流动水膜。此时如果机组转动,那么在启动初期将出现短时的干性摩擦或临界干性摩擦的情况。橡胶密封环就会发生短暂烧损,机组就会出现焦臭味。
3 处理过程
3.1 零部件清扫检查
清除抗磨环上的橡胶,检查抗磨环下端面无沟痕、表面光滑。密封环密封面融化已破损,无法使用。导向杆表面光滑、平整,无毛刺。密封座环形槽内橡胶颗粒清扫干净,环形槽内表面光滑、平整,无毛刺。
3.2 零部件尺寸复核
仔细对照密封零件图纸,对备用密封环、导向杆、密封座进行尺寸复核。复核结果如下:密封环、导向杆、密封座尺寸符合设计,但发现密封环导向孔直径为φ5mm,导向杆直径为φ16mm,二者之间配合属于紧配合关系,不利于密封环的自由下落,也无法通过水压来调节密封环的起落高度。
3.3 主轴密封改进
由于密封环不能实现起落调节,无法满足机组安全运行要求,故需要进行密封改造。
结合起落试验,改造后要实现密封环可以靠自重沿导向杆自由下落。
为了确保水轮机主轴密封长期安全稳定运行,根据水轮机主轴密封的实际结构,对原主轴密封进行如下改进:
(1)增大密封环导向孔直径,由原来φ13mm增加到φ16mm,使密封环和导向杆由原来的紧配合改为松配合,避免密封环发卡,实现密封环的自由下落。
(2)封堵密封环导向孔上端口,减少清洁压力水从定位销、定位孔间流失,保证清洁水压紧密封环。
(3)增大密封环通流孔直径,由原来φ5mm增加到φ7mm解决润滑水初期投入(小压力)时密封环不顶升,使润滑水经密封环通流孔与抗磨环间隙流出,即增大压力时,密封环逐渐被顶升至距抗磨环0.03~0.08mm,有微量水沿密封面渗出,在摩擦面间形成流动水膜,最终实现通过调节阀门开度调节密封环起落高度和水膜厚度。
3.4 效果
经过以上技术改进后,主轴密封通水试验有微量水沿密封面渗出,在摩擦面间形成流动水膜,密封环起落顺畅,起落高度可调。当机组重新启动运转后,不会再出现干摩擦,从根本上解决了主轴密封烧损问题,确保了机组长期安全稳定运行。
4 结束语
工作密封在使用过程中,首先应保证密封环能在密封供水作用下灵活移动,这样才能保证密封环磨损时能够提供补偿。其次,密封供水的压力应当可调节并保持与漏水压力相适应:压力太低时将导致密封环与抗磨环脱离,漏水量过大;压力太高将导致密封环与抗磨环贴合过紧,出现长时间的干摩擦而损坏密封环。另外,抗磨环表面的损伤将造成密封环的磨损或损坏,势必缩短密封结构的使用寿命或起不到密封作用。
[1] 江涛.水轮机主轴密封故障原因分析与处理.江西电力,1006-348X(2004)04-32-03.
[2] 张诚,陈国庆.水轮发电机组检修.北京:中国电力出版社,2011.10.
杜 永(1982—),男,本科,工程师,从事水轮发电机组安装、调试、维护及检修,主要研究方向:水轮发电机组新技术、新材料、新工艺的应用。E-mail:1005015966@qq.com
Hydroelectric Generating Work Sealed Burning Analysis and Solution
DU Yong
(State Grid Xinyuan Fengman Power Plant,Jilin 132108,China)
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