黑河水电站水轮机主轴密封改造方案的研究

马艳丽， 周 强， 任江涛

(1.杨凌职业技术学院, 陕西 杨凌 712100; 2.西安水务(集团)黑河水力发电责任有限公司,陕西 西安 710401; 3.西安水务(集团)引乾济石管理有限公司, 陕西 安康 711400)

0 引言

西安黑河坝后水电站是西安水务(集团)西安黑河水利枢纽的配套工程。该工程是以西安市城市供水为主，兼顾农业灌溉，结合发电、防洪等综合效益的大型水利工程。电站于2004年建成并投产运行，装有3台HL(L2088439)-LJ-122水轮机及单机容量4 000 kW的发电机一台、8 000 kW发电机两台，总装机容量为2万kW。电站最大工作水头80.5 m，最小工作水头34 m，平均使用水头65.8 m。电站机组满发时最大过流量32.6 m3/s ，最小过流量8.27 m3/s。水轮机主轴密封采用端面水压式密封。这种形式的密封在电站运行初期，达到比较好的运行效果。随着运行年限的增长以及西安市用水量的增加，黑河水电站水轮机运行工况较设计初期量变化比较大，主轴密封磨损严重，机组漏水情况加剧，甚至出现了水满机坑、导轴承内进水等严重后果，直接影响了电站的正常发电。必须尽快研究黑河电站水轮机主轴密封的改造方案，确保电站的正常运行。

1 黑河水电站水轮机主轴密封漏水分析

1.1 黑河水电站水轮机主轴密封现状

黑河水电站三台水轮发电机组是克瓦纳(杭州)发电设备有限公司提供，主轴密封由工作密封和检修密封组成。其中工作密封采用水压式端面密封结构密封如图1所示。密封镜板用不锈钢制成，端面密封用清洁水润滑，水压为0.15～0.25 MPa。检修密封处于工作密封下，检修密封采用压缩空气压迫橡胶围带密封件密封，压缩空气为0.5～0.7 MPa。

图1 黑河水电站水轮机主轴密封结构图

1.2 黑河水电站水轮机主轴密封漏水原因分析

端面水压式主轴密封在中低水头混流式水轮机中比较常用，对于密封用水比较稳定、且水轮机运行水头、尾水位和出力变化不大的中低水头混流式水轮机，这种密封结构基本上可以达到比较好的效果。但这种结构的主轴密封，因密封用水的压力无法随着水轮机工况的变化而自动调整，随着密封磨损的增加等因素，使得密封效果大打折扣，有时甚至无法达到密封效果，从而出现水漫水轮机机坑、导轴承内进水等严重后果[1]。黑河水电站是以供水为主兼顾发电的水电站。电站目前的运行状况较运行初期变化较大，而目前电站采用的端面水压式主轴密封形式由于无法随着运行工况的变化进行调节，导致主轴密封漏水情况加剧。具体原因分析有以下几点：

(1)在2004年运行初期，电站水库给西安市供水量为5 m3/s，2019年电站水库的供水量为12 m3/s，由于供水量变化引起水库水位变化从而导致主轴密封的压力增大。其中1号机组长期处于低水头、大流量的工作状态。

(2)另外电站在空载时西安供水采用小弧门抬高了尾水位导致主轴密封排水不畅也引起机组漏水。

(3)在汛期时，运行水位增加到79 m，较平时运行增加了15～20 m，主轴密封的压力增大，而且这种运行状态一直持续到汛期末[2]。

2 黑河水电站主轴密封改造方案选择

2.1 非接触迷宫式联合泵板密封设计原理

黑河水电站主轴密封改造基于从尽可能节约成本，不对水轮机本体结构做大的修改并尽可能利用现有零部件为条件，针对目前在用的密封结构的弱点，提出了非接触迷宫式联合泵板改造设计思路。非接触迷宫式联合泵板密封的原理是转轮上冠新设置的泵板顶面和排水管。转轮上冠与顶盖之间的泄漏水一部分直接通过排水管排走，少量一部分通过转轮上冠新设置的泵板顶面与顶盖之间的间隙流入泵板内圈与转轮大轴法兰之间的空腔，随后由于径向设置的泵板随转轮一起转动使得进入上述空腔的水随即被抽至顶盖排水管口，并通过顶盖的排水管排走。转轮上冠新设置的泵板尺寸需要根据机组转速等因素确定，使得在机组以额定转速运行的情况下，没有水流到大轴法兰的上方区域，迷宫式密封区处于无水状态。由于密封区域没有直接接触的零部件，因而无需密封用水或冷却水。当机组低于额定转速一定值时或机组完全停机时，这时转轮上冠的泵板效应就不起作用了，通过转轮上冠与顶盖之间的漏水经过泵板区域，然后达到空气围带的下方区域，大部分被空气围带封住了，少量的水随后被迷宫式密封完全封住，引自迷宫密封的排水管接至座环固定导叶的排水腔，这些少量的漏水被排至集水井[3]。

2.2 非接触迷宫式联合泵板密封设计方案

经测算，每台机的密封排水总量约为3.9 m3/分钟，初步确定新密封结构需要在顶盖上设置四根2.5英寸的排水，这四根排水管引至机坑内新设置的一根5英寸的排水总环管，该总环管再穿过水轮机机坑接至下游排放。经过测算如果该总环管接至电站的集水井，则需要对原来集水井抽水水泵进行核算，加大水泵的容量，同时要考虑增加一台水泵备用，而且必须考虑现有的集水井抽水泵出口管道管径是否能满足上述密封排水总量的要求[4-8]。需要改造的部分：

(1)由于需要在转轮上冠上设置泵板结构，因而需要对原设计的转轮上冠进行少量的机加工(包括内外两圈小平台的加工和一定数量的螺孔的制作)；

(2)需要对与转轮上冠相对的顶盖下平面进行少量的改造；

(3)为了在顶盖上布置四根2.5英寸的排水管并引至排水总环管，需要对现有的顶盖和轴承支架进行少量的加工；

(4)取消现有的密封块、密封镜板和相关的密封水管路。

在改造过程中需要新增加的零部件：

(1)转轮上冠上的泵板组；

(2)迷宫式密封，包括大轴上的不锈钢套和固定部分的内侧为低硬度合金的迷宫密封，具体改造设计如图2所示；

(3)必要的排水管(2.5″和5″无缝钢管)。

另外为了尽可能缩短改造周期，减少停机时间、多发电，需要按改造方案制作一个备品转轮、泵板组及迷宫式密封；然后等水轮机拆开后对顶盖及轴承支架进行改造。这样可缩短改造时间[9-11]。另外为了尽可能缩短改造周期，减少停机时间、多发电，需要按改造方案制作一个备品转轮、泵板组及迷宫式密封；然后等水轮机拆开后对顶盖及轴承支架进行改造。这样可缩短改造时间[9-11]。

图2 黑河水电站非接触式泵板密封改造方案

2.3 主轴密封镜板改造简易方案

黑河水电站由于供水及其汛期等因素的影响，水轮机主轴的镜板水压过大。工作密封与镜板间没有任何间隙，润滑水无法润滑，导致工作密封干摩擦而烧焦，造成严重后果。改造的思路是在镜板的180度两个边分别加工一道0.5毫米宽1毫米深的水槽，这样，密封水压再大，工作密封与镜板直接存在间隙，润滑水得以排出，从而起到润滑作用。镜板经处理后，水压小时，调整水压，水压过大时在未来得及调整的情况下由水槽将水排出[12]。

3 改造方案的实施及效果

黑河电站于2004年6月投产运行至今，累计发电9.68亿度，发电效益1168万。根据电站实际条件和成本核算，黑河水电站水轮机主轴密封改造方案确定为先采取镜板改造方式，如果运行效果不好则后期采用非接触式泵板密封方式进行彻底改造。改造方案首先在1号水轮机进行试验。改造于2018年11月完成前期的改造。镜板处理后进行水压小时试验，并重新调整密封最大水压0.265MPa，经过改造后的主轴密封润滑良好，水导瓦温度控制在42℃，水温合适，而且大幅度减少了主轴密封块更换量。自2018年11月至今，经过两年的运行效果观测，目前没有出现主轴密封烧坏或者水淹事故的发生。