黄河河口水电站机组主轴密封装置运行磨损问题探讨

唐录山

（甘肃电投炳灵水电开发有限责任公司，甘肃 永靖 731600）

黄河河口水电站机组主轴密封装置运行磨损问题探讨

唐录山

（甘肃电投炳灵水电开发有限责任公司，甘肃 永靖 731600）

简述了河口水电站机组主轴密封装置结构特点和运行检修情况。针对长期困扰机组安全可靠运行的主轴密封装置运行磨损严重的问题，从设计、安装和运行等方面进行了分析及探讨，采取了应对措施并取得实际效果。

河口水电站；主轴密封；运行磨损；分析；应对措施；效果

1 电站简介

河口水电站是位于兰州市西郊黄河干流上的一座中型河床式水电站，安装了4台由天发重型水电设备制造有限公司设计制造的三叶片灯泡贯流式水轮发电机组，转轮直径7.2 m，单机容量18.5 MW，设计额定水头5.3 m，单机额定流量400 m3/s，电站正常蓄水位1 558.0 m。电站泥沙特性如下：

多年平均含沙量：1.97 kg/m3

多年平均推移质输沙量：12.9万t

汛期平均含沙量：3.69 kg/m3

悬移质平均粒径：dcp=0.033 mm

实测河道最大含沙量：3.06 kg/m3

中值粒径：d50=0.021 mm

2 主轴密封装置结构和工作过程介绍

灯泡贯流式水轮发电机组在运行中，流道中的水会沿着主轴转动部件与固定部件之间的间隙流至灯泡体机舱内并窜入水导轴承。故需要设置主轴密封装置，以阻止流道中的水进入机舱里。主轴密封分停机状态密封（俗称检修密封）和运行状态密封（俗称工作密封）。河口水电站机组主轴密封装置局部结构见图1。

电站机组的检修密封采用了橡胶空气围带式结构，用以在停机状态或检修工作密封时，向围带内通入0.7 MPa的压缩空气使围带橡皮膨胀扩张，紧密填充住转动支架与固定支架之间的径向间隙，从而可靠地止住间隙漏水。在机组启机工作密封投运后，排出空气围带里的空气，使其收缩并确保空气围带与转动支架之间1.5～2 mm的径向间隙，避免在机组运转中发生碰磨。

图1 主轴密封局部机构图

因电站位于泥沙含量高的黄河干流上，为了解决多泥沙电站容易出现的机组密封件严重磨损、寿命短、密封性能不可靠等问题，机组工作密封采用了在进口处装设可以与主轴随动从而减少磨损的具有迷宫环分半结构的赛斯德尔密封圈（填料密封）。它与固定在主轴法兰面上的转动支架形成1道间隙密封，起到降低密封水压力，且防止泥沙进入的作用。其后为2道“L”型密封和平板橡胶密封。密封装置的固定部分把合在灯泡体内导流锥体上，空气围带密封、密封圈、2道“L”型密封及平板橡胶密封的压盖均顺序安装在固定支架上，这些密封件依次排列与把合在主轴法兰面上的转动支架组成1道检修密封和4道工作密封及A、B两个密封压力水腔的组合结构。两个密封水腔单独通入压力为0.1～0.2 MPa的清洁水，与“L”型密封共同作用形成反压，阻止流道中含泥沙的水进入A、B密封水腔，同时在“L”型密封与转动支架间形成润滑水膜防止出现干摩擦。在通入B密封水腔清洁水压的作用下，将装在转动支架上的平板橡胶与装在固定支架上的压盖抗磨环压紧组成最外侧密封。当橡胶平板磨损后，可通过其压盖上的调节螺钉，调整平板密封的间隙进行补偿来保持密封作用。运行中调整程度以平板橡胶密封有少量漏水为宜，其漏水通过集漏水箱经排水管排出机舱。

3 主轴密封运行状况和检修改造情况

电站先期投产发电的3、4号机组不到半年时间，主轴密封装置先后出现漏水严重的现象，经采用调整橡胶平板密封间隙，在主轴加装防漏水窜入轴承的特制橡胶圈和挡水板等措施维持运行。随后坚持不到2个月，4号机组因主轴密封处严重漏水排不及，致使漏水窜入水导轴承的现象，被迫停机检修。对4号机主轴密封装置解体检查发现以下问题：

问题一：装在固定支架上的厚15 mm的压盖抗磨环与橡胶平板密封相接触工作面磨损严重，部分弧段已被磨穿，平板橡胶工作部分已全部磨损，基本起不到封水作用。

问题二：两道“L”型密封及赛斯德尔抗泥沙密封圈与转动支架接触部位磨损严重，转动支架光滑表面沿圆周方向被磨出3条宽约20 mm、深约5 mm的沟槽，尤其是在抗泥沙密封圈部位处的沟槽更深，而赛斯德尔材质的抗泥沙密封圈也被整体磨损1/2厚度，2道聚氨酯材料的“L”型密封圈磨损变形。

经过和设备生产厂家人员分析研究后，对4号机组主轴密封装置进行了以下优化处理：

（1）为了减轻材质过硬的赛斯德尔密封圈对转动支架表面的磨损，将其更换为耐磨性强、寿命长、材质较软的GFO纤维编织盘根密封。

（2）为了使转动支架结构在运行中受力不变形，具有足够的刚度和强度，保证密封效果，厂家加工制造的新的转动支架在靠平板橡胶密封端内侧增加一个法兰面，同时加宽转动支架内侧的筋板尺寸，并对转动支架与主轴法兰面的定位销进行了优化。

（3）全部更换安装新的“L“型密封材料，安装时通过修磨”L“型密封材料，确保其与转动支架的间隙小于0.05 mm。

（4）厂家将原来整圈套装在固定支架上的压盖优化设计分成两半加工，以便现场装配，并对平板橡胶密封的安装固定进行了优化，以保证装配牢固和密封严密性。

优化处理后投运4号机组，观察主轴密封运行状况正常。随后电站相继对主轴密封漏水发展扩散被迫停运的其他3台机组进行了解体检修，发现各机组主轴密封部件和密封材料磨损情况与4号机组相同，便采取以上检修优化方案进行了处理，各机组投运后主轴密封运行初期状况正常。但好景不长，经过一个黄河汛期，4台机组主轴密封漏水又逐渐增大，相继再次被迫停机检修……，经统计电站投运3年多，4台机组因主轴密封漏水问题轮番被迫停机检修都达到3次，其中4号机组已达5次之多，严重影响电站的安全、可靠、经济运行，并增加了检修维护工作量和材料损耗。

4 对主轴密封装置运行磨损的分析

通过对机组的运行观察，根据各机组多次实施检修处理的实际情况，结合厂家对此类型主轴密封装置的设计特点和工作原理，分析如下：

4.1 泥沙侵入

从运行监视和各机组主轴密封部件材料磨损痕迹看，没有发生金属部件之间的机械擦磨现象。是不是运行中密封水腔出现清洁水中断，造成密封材料与转动支架之间发生干性摩擦所致？若如此，运行中主轴密封处应出现发热冒烟的迹象，但未出现。况且密封材料的熔点远低于金属部件的熔点，其在对金属部件（压盖和转动支架表面）造成损伤前即已熔化了，换句话说即使发生干性摩擦，也只会损坏密封材料，而压盖抗磨环和转动支架等金属部件是不会受到磨损的。从各机组解体检查发现主轴密封集漏水箱底部和导流锥下壳体内淤积有大量泥沙，且金属压盖被平板橡胶密封磨穿，可以判断机组运行过程中携带大量泥沙的流道黄河水侵入了主轴密封系统，从而造成主轴密封装置磨损。经过运行观察分析，总结泥沙侵入主轴密封系统有两种情况：

情况一：运行中主轴密封A腔和B腔水室没有可靠形成规定的0.1～0.2 MPa的清洁密封水压。A、B腔清洁润滑水是从装设在1 553.5 m层，具有调节、过滤功能的主轴密封供水控制单元后分别引出的，设计上仅在控制单元总管上接有一压力表，其后再无压力监测点，在运行中无法监测和调整安装在1 542.4 m的A腔和B腔清洁密封水压力。机组运行中如工况变化，运行调整不及时或操作不当，以及主轴密封润滑供水管路堵塞等，将使主轴密封润滑水中断或长期低于规定值。那么，流道内含泥沙的河水在约0.1 MPa的静压力下（尾水水位和机组安装高度差约10 m）可通过径向间隙进入主轴密封系统，将密封材料与转动支架之间的润滑效果恶化为泥沙磨损。这种情况在河水携带大量泥沙的汛期将会更加突出。

情况二：机组监控系统启、停机流程顺序设定有缺陷。检查机组监控流程动作情况发现，开机流程中先退出空气围带密封，经10～20 s延时后方才开启主轴密封供水电动蝶阀向A、B腔供给清洁密封水，随后开导叶冲动转子启机；在停机流程中机组转速到零，先关闭主轴密封供水电动蝶阀，再经2 min后才投入空气围带密封。这样，在每次机组启、停过程中都将分别有10～20 s和超过2 min的时间，A、B腔的清洁密封水中断，而此时检修空气围带还未投入。这时流道含泥沙河水在约0.1 MPa的静压力下大量窜入密封系统，从而破坏了密封系统的洁净，在机组运转后造成密封磨损，并且在汛期河水混浊时期影响更严重。

泥沙侵入过程：机组运行中，挟带大量泥沙的流道水，首先从20 mm宽的转轮体与导流锥动静间隙进入，通过已退出工作状态的空气围带与转动支架之间的间隙进入GFO纤维编织盘根（初次安装赛斯德尔），泥沙嵌入盘根体，磨损与转动支架的接触面，随其发展，造成纤维编织盘根与转动支架之间间隙增大。若清洁水压力过低或中断，将使泥沙侵入第一道“L”型密封与转动支架接触面，逐渐磨损使间隙扩大，致使更大量的泥沙水进入A腔，污染了A腔，并入侵第二道“L”型密封，直至污染了B腔，泥沙水进入B腔后将嵌入平板橡胶密封与抗磨环接触面之间，形成泥沙磨损，很快破坏了抗磨环和橡胶平板，至此主轴密封处漏水量逐渐增大，并随以上各个部位磨损的发展不断增大，恶性循环，其发展速度与河水含泥沙量多少成递增关系。

4.2 设计安装方面

河口水电站机组主轴密封是设备厂家针对多泥沙电站推出的新型优化组合结构，具有不设联轴螺栓保护罩、磨损可补偿功能及抗泥沙磨损性强的优点。但装设转动支架较传统结构增大了密封工作面的半径，虽然后期在转动支架悬空侧增设法兰面以加强结构强度和刚度，防止运行中受力变形，可在加工安装中难免存在转动支架安装与主轴不同心，固定支架安装与转动支架不同心，相应的密封环Ⅰ、Ⅱ与转动支架也不同心的情况。在机组运转中转动支架摆度过大，其与“L”型密封之间的摩擦力随转动频率间歇性增减，自身交变受力增加，导致转动支架把合螺栓受力超限损坏，在系统侵入泥沙时造成转动支架磨损严重，破坏密封效果。4号机组后期检修就发生转动支架把合螺栓部分断裂，造成转动支架与主轴法兰面松脱，该处大量漏水的危险情况。后经检查分析是因导流锥与前锥体法兰连接下沉移位，致使转动支架与固定支架严重不同心，转动中发生圆周面碰磨，并使多次拆装的把合螺栓因疲劳损伤而断裂。

4.3 运行方面

因主轴密封供水系统出现异常及运行人员调整失误等造成主轴密封供水不正常，或机组长期在不稳定工况运行，振动、摆度值超标，致使转动支架摆度过大从而损伤密封装置。

5 采取的措施

针对以上分析，我们制定了“守住第一道防线”原则的主轴密封处理方案，即把携带泥沙的流道水一定要阻挡在赛斯德尔密封圈（后改用纤维编织盘根）之前。具体措施如下：

（1）改进和完善了监控系统启、停机流程顺序步骤。在开机流程中设置为先开启主轴密封供水电动蝶阀，并经延时确保A、B腔已通水建压后再撤出空气围带密封，待确定空气围带密封撤出后再开启导叶冲动转子启机；在停机流程中设置为机组转速到零后，先投入空气围带密封正常，然后再关闭主轴密封供水电动蝶阀。

（2）对机组主轴密封供水管路进行了技术改进，在机舱内连接A、B密封腔的供水管段上增设控制调节阀，并分别装设显示A、B密封腔内水压的精密压力表计，以利于运行中监视和调整A、B腔内清洁水压在规定范围内，且维持A腔压力略大于B腔压力运行，保证良好的密封效果。

（3）在机组检修装配转动支架和固定支架时，对其与主轴的同心度进行精确检测调整，修磨和改进“L”型密封形状，并确保装配后与转动支架的同心度，接触面松紧合适。调整好橡胶平板密封的压紧量，使其与压盖抗磨环面的间隙达到设计要求（0.5～1 mm）。按照设计图纸要求，严格对装配后各部件的同心度进行调整并紧固定位。

（4）加强运行管理。尤其在水质浑浊的汛期，做好机组主轴密封清洁水系统的定期清污和维护，保证系统运行压力、流量正常稳定，监督主轴密封供水水质清洁、管路通畅，监视机组振动、摆度值不超标，确保机组在最优工况运行。

6 结语

机组投运以来主轴密封装置磨损导致漏水严重的问题一直困扰着河口水电站。通过探讨分析，采取改进机组监控流程和有针对性的提高检修工艺，完善主轴密封系统并加强运行管理，从近2年的运行状况看取得了理想的效果。在历经2个年度汛期后的各机组维护性检修中，检查主轴密封装置磨损量轻微，机组运行中密封装置漏水量正常。就此机组能够实现长周期安全可靠运行，并降低了设备检修费用。

[1]魏秀峰.河口水电站灯泡机组主轴密封结构设计[C]//水电站机电技术研讨会论文集.兰州：甘肃省水利发电工程学会，2010.

[2]刘国选.灯泡贯流式水轮发电机组运行与检修[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

TK730.3+25

B

1672-5387（2017）01-0012-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.003

2016-05-12

唐录山（1974-），男，工程师，从事水力、火力发电厂设备运行管理和安全技术管理工作。