张河湾主轴密封结构浅析与技改建议

李永杰，徐 桅，钱 力

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

张河湾主轴密封结构浅析与技改建议

李永杰，徐 桅，钱 力

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

着重介绍了张河湾抽水蓄能电站主轴密封结构、工作原理、分析张河湾4号机组主轴密封甩水原因以及技改建议。

抽水蓄能；主轴密封；甩水；技改

张河湾抽水蓄能电站位于河北省井陉县境内。电站总装机容量1 000 MW，安装4台250 MW的单级混流可逆式机组，水轮机吸出高度设计为-47 m，以一回500 kV线路接入河北省南部电网，设计年发电量16.75亿kW·h。电站在华北电网中承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务。

1 主轴密封结构与工作原理

张河湾主轴密封分为检修密封和工作密封，主轴密封安装位置紧靠水轮机主轴下法兰端面。在水导轴承下方由内顶盖支撑，其形式为弹簧复位式流体静压平衡轴向机械密封，它的主要组成部件包括抗磨板、浮动环、浮动环压板、大水箱及其它供排水管与保护装置等，具体结构见图1、图2。

图1 主轴密封结构图

图2 主轴密封俯视图

主轴密封环采用高密度耐磨聚乙烯树脂制造，在机组运行期间，密封件应能适应下游水位变化和各种运行工况。密封环正常高度为15 mm，在密封环磨损量达8 mm时必须更换密封环。工作密封是通过8个预紧弹簧作为操作部件来进行压紧密封（弹簧自由长度为150 mm，预紧后长度为120 mm，螺旋内径为54 mm，弹性系数22.5N/mm）。弹簧的作用：1）平衡密封件；2）对密封件有一个预紧。主轴密封冷却润滑用水从压力钢管取水经减压环管减压后作为机组正常备用时的工作冷却水源，另外从低压供水总管取水通过增压泵增压作为机组运行时的工作水源，经水力旋流器和过滤器过滤后供水通过6根供水软管接入浮动环，过滤精度0.04 mm，正常情况下冷却与润滑水水压为1 MPa，下游压力0.5 MPa，供水量为18 m3/h，漏水量≤7.2 m3/h，浮动环上台量≤0.01 mm。

主轴密封的作用是：1）在机组停机和发电、抽水工况下，阻止机组尾水流向顶盖，造成水淹厂房事故。2）在机组调相工况运行时，阻止转轮室的压缩空气冒出，以减小机组的吸收功率。3）防止机组在停机或运行时，转轮室中的压力水越过上迷宫环反上顶盖。

主轴密封的工作原理是：主轴密封正常供水时，压力大于下游来水压力与密封座弹簧压力之和的冷却润滑水，通过金属软管送入浮动环内腔，在浮动环密封环与抗磨环结合面之间形成一层水膜，该水膜不仅起止水、润滑与冷却作用，而且还将旋转抗磨板与静止密封环分开，使它们不发生直接摩擦，从而达到减少密封环磨损量的目的。流经外环的润滑水直接通过抗磨板与检修密封之间间隙排至尾水管以封堵尾水，流经内环的润滑水则通过大轴溢流至密封座上部水箱中，然后通过管径DN80的排水管自流至厂内集水井（见图3）。

图3 主轴密封供水管路图

2 4号机主轴密封存在问题及技改建议

2015年11月17日，4号机组在抽水工况运行时，发现主轴密封漏水量较大，漏水从主轴与水箱盖之间甩出，在水位达到顶盖水位计CL412水位高动作值后，启动1台顶盖排水泵抽水，运行约1 min，顶盖水位计CL412水位高报警复归，顶盖排水泵运行约50 min后，仍未停泵，且现场检查主轴密封漏水量较大，手动启动备用泵排水，经调度同意将机组停机处理。11月17日利用4号机组定检，对主轴密封排水系统进行相关检查处理。11月18日在机组抽水并网运行后，现场观测到主轴密封在约20 min内，漏水量较大。后漏水量逐渐减少至不漏水，持续约30 min，再后基本保持漏水量不变。顶盖排水泵每隔约50 min启动一次，每次运行约1 min，机组运行基本平稳。通过对4号机组顶盖排水泵的启动次数和运行时间分析，目前主轴密封正常甩水量为0.16m3/h，（顶盖排水泵排水量为8 m3/h）。

4号机组自投产以来，在机组抽水工况运行时，始终存在主轴密封外漏水量大，造成顶盖排水泵启动频繁的实际情况。经分析，4号机主轴密封只有在抽水启动初期漏水甩出顶盖，在其他工况时DN80自流排水管可满足排水要求，不会有水溢出至顶盖，针对以上情况个人分析原因和技改建议如下：

（1）4号机组主轴密封自流排水管DN80内部可能存在堵点，造成管路长期排水不畅。因在机组B级检修时，只能对排水管与主轴密封水箱相连的一段进行检查，其它部分未进行全面检查，结合3号机组技术供水管路拆除时发现内有杂物堵点情况，不排除4号机组主轴密封自流排水管DN80内部可能存在堵点。建议可结合4号机组A修用高压水枪清理自流排水管。

（2）调整主轴密封增压泵供水压力。4号机组主轴密封供水增压泵的供水压力为1.4 MPa，而1号、2号机组该处压力为1.2 MPa，增压泵出口压力大。在机组抽水工况下，会造成主轴密封环与抗磨环间的间隙增大，使主轴密封漏水量增加。建议将主轴密封增压泵供水压力降至1.2 MPa。

（3）调整主轴密封弹簧压紧量。根据设计要求，主轴密封弹簧压紧高度应在120±2 mm。在4号机组11月17日抽水漏水量加大后，为增大压紧量，弹簧高度由121 mm统一调整为120 mm。后经试验，主轴密封上抬量为0.07 mm，与弹簧调整前一致。建议可暂时将主轴密封弹簧高度调整至119.5 mm，不会对主轴密封造成损害。

（4）安装主轴密封回水排气系统。在调相工况和水泵工况启动过程中，机组需要进行压水或回水。机组压水时，转轮在空气中旋转，主轴密封平衡腔内会充满高温空气。机组回水时，为防止主轴密封平衡腔内积存空气造成水压振荡，在平衡腔顶部增加了一根排气管与顶盖尾水管均压管相连（此处借鉴惠蓄电站）。11月17日4号机组定检时发现主轴密封供水全停的情况下，听到主轴密封水箱内有气体渗漏的声音及少量的渗水。

（5）对称增加一根DN80排水管和自流排水管路相连。机组发电工况为顺时针旋转，抽水工况为逆时针旋转，而主轴密封自流排水管只安装在一个方向上，在机组漏水量较大时，主轴密封偏心轮会将水甩离主轴，而漏水不能及时从自流排水管流出，造成水箱内积水。增加一根自流排水管可使水水流对称排出，增加排水效率。

（6）抗磨板安装时可能存在水平度不够。我厂抗磨板由四瓣组合而成，安装工艺要求在各分瓣抗磨板安装组合好后，必须用框式水平仪（精度为0.02mm/m）测量抗磨板的水平波浪度，要求此值不大于0.10mm，若抗磨板水平度不够会造成抗磨板间隙和密封环间隙不均匀，造成一侧漏水量过大而不能及时排出，建议检修时测量抗磨板水平度，提高安装工艺。

3 结语

对于吸出高度为负几十米的抽水蓄能电站而言，尤其是库容较少、水位变化幅度较大的电站，主轴密封问题还没有得到彻底解决。本文介绍了张河湾蓄能电站主轴密封的结构与工作原理，对4号机组抽水过程中主轴密封的甩水问题做了重点分析，提出了几种针对性的技改建议。鉴于主轴密封目前情况，外方不久将对主轴密封结构进行一次较大改造，我厂亦已成立主轴密封QC小组，跟踪分析其运行情况，摸索规律。运行与检修人员应加强监视检查运行压力、温度、流量和磨损量，必要时应对其进行调整，加强检查主轴密封节流片堵塞情况和各水管接头松动情况。经过大家的共同努力，相信主轴密封问题一定会解决。

[1]刘博学.彭水水电站ALSTOM机组主轴密封浅析[J].轴承与市场，2013（2）.

[2]刘玉斌.广蓄A厂水泵水轮机主轴密封故障原因分析及改造[D].广州：华南理工大学，2006.

[3]李德武，胡济明，林 恺.惠州抽水蓄能电站主轴密封浅析[J].水力发电，2010，36（9）.

TV734

B

1672-5387（2016）12-0006-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.003

2016-08-29

李永杰（1990-），男，助理工程师，从事抽水蓄能电站生产运行维护管理工作。