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天荒坪抽水蓄能电站主轴密封改造
摘要：本文介绍天荒坪抽水蓄能电站的主轴密封在投产初期出现问题，分析了原因，以及改造方案，消除了投产以来一直困扰电站**稳定运行的隐患，提高了机组的运行可靠性。同时希望本文能够给在建的高水头、高转速、高水位变幅的抽水蓄能电站的主轴密封设计提供参考。
关键词：天荒坪　抽水蓄能　主轴密封
     1　概述
     天荒坪抽水蓄能电站是一座高水头，高水位变幅、高转速的纯抽水蓄能电站，水泵水轮机由GE Norway公司制造，而其大轴密封则由分包商英国的Sterling Mechanical Seal 制造，首台机组于1998年9月投入运行。由于厂家设计原因，自投产以来，主轴密封一直是影响天荒坪电站机组启动成功率和不稳定因素。2002年以前，厂家虽经过对主轴密封多次改造，但仍不能完全解决主轴密封的运行中温度突升造成密封磨损较快等问题。2002年，经过制造厂和天荒坪电站有关技术人员对主轴密封再次共同研究，重新设计主轴密封，并经过有限元分析和模型试验后，2003年在机组上安装试验取得了成功，主轴密封的稳定运行问题*终得以解决。
     2　主轴密封运行条件
     2.1　水头条件
     电站设计水头为526米，水轮机淹没深度为-70米，电站运行水头范围为526~610米，其中供主轴密封水源的下库运行变化水位在295~345米之间变化，即主轴密封工作水压变化达50米。
     2.2　速度条件
机组设计转速为500RPM（转/分），*高飞逸转速为720RPM，为顺时针和逆时针双向旋转，大轴直径为940mm，主轴密封处的运行切向线速度为30m/s，*高切向线速度约为43 m/s。
     2.3　工况条件
本电站机组设计运行工况有发电、抽水、发电调相、抽水调相，停机等五种工况，有停机-发电-停机、发电-发电调相-发电、停机-抽水调相-抽水-停机（抽水调相）等工况转换，每天开停机按10次设计。每种工况主轴密封转轮侧（密封腔）压力差异悬殊。
     2.4　水力条件
由于上述三种的条件的综合影响，在主轴密封处就形成了复杂的水力条件，由于旋转离心力的作用和尾水动、静态真空的影响以及气和水的粘滞作用的差异，机组在工况转换时将造成主轴密封处的水压力的变化，当机组在停机时，主轴密封处的水压力为下库静水压力，在下库水位变幅范围内约在0.7~1.2MPa之间变化（设计*小淹没深度为-70米）。当机组在调相工况运行时，因机组在压缩空气中旋转，对主轴密封处的压力影响不大，基本与停机状态相同。但当机组以500RPM的转速在水中旋转时，将使主轴密封处的压力降低约一半，即在0.3~0.65MPa内变化，这就要求主轴密封在工况转换的短时间内必须适应此水压力的变化，既要防止主轴密封压得过紧而影响润滑水膜厚度而烧损，又要防止主轴密封向上抬起造成水淹厂房发生。因主轴密封的另一侧为大气压力，上述的压力变化也将造成密封结构件的不均匀变形，将影响动密封的接触面，进而影响主轴密封的冷却润滑水流量、水膜的形状及其内部压力降，同时也将影响主轴密封处的水压平衡，对主轴密封的运行造成负面影响。
     3　历年主轴密封故障分析
由于天荒坪电站机组的主轴密封工作环境恶劣，投运后，运行一直不稳定，从历年的统计情况看，除2003年主轴密封已改造外，主轴密封引起的故障占全厂故障的20%左右，是影响机组稳定运行的重要因素。历年来主轴密封的故障特征也不相同，在2000年以前，主轴密封的缺陷主要特征是因在调相工况下，主轴密封处的压力较高，造成其外环变形较大，从而主轴密封在调相运行时，压缩空气进入主轴密封的操作腔，而影响主轴密封的压紧力，造成温度升高而烧损。2000年后，对主轴密封的外环进行了改进，增加了材料的强度和加强筋，从而增加了结构刚度，减小其变形，此时主轴密封的故障特征已表现为调相工况能正常运行，但工况转换时需要人工调整操作腔的压力，以适应主轴密封稳定运行的需要。此外，由于机组合为双向旋转，在主轴密封的上下可移动压环上安装有双向防转动键，经过多次双向运行撞击后形成的凹坑影响主密封移动环的上下移动，造成主轴密封在运行时出现温度突升的异常现象。2003年后，经过整体更换，上述缺陷基本消失，从而使主轴密封的运行性能大大提高，消除了长期困扰机组运行的隐患。


     4　旧主轴密封工作原理
旧密封结构如图1所示。移动环垂直方向受力如图2所示。


技术供水系统供给主轴密封操作腔7一稳定压力P0，该压力只能人工调整，而不能随尾水压力变化。P2为密封腔压力，随机组运行工况、转速、下库水位等变化。P1为技术供水系统提供给密封面的冷却润滑水压力，随冷却润滑水膜厚度和系统供水压力变化而变化。正常情况下，P0、P1、P2以及不锈钢移动环的自重达到平衡，在不锈钢移动环与密封环之间形成稳定的冷却润滑水膜和足够的冷却水流量，主轴密封保持稳定的温度运行。
     5　旧主轴密封存在问题
     5.1原理问题
旧主轴密封的采用固定水压力提供密封的压紧力，这样将导致工况转换时，由于主轴密封处水压力的变化可能打破密封移动环的水压力平衡，造成的直接后果就可能是冷却水流量的不足或中断，密封发生干摩擦、运行温度高而烧损，或者是移动环向上被抬起，而造成密封失效，生水淹厂房的情况。
原密封环随大轴一起旋转，密封环被磨损后，移动环将嵌入密封环，机组旋转造成的大轴摆度将影响移动环与密封环的间隙，进而影响主轴密封的冷却水流量和效果，甚至造成密封环的碎裂。
     5.2结构变形问题
作为主轴密封的基座的水轮机顶盖、内顶盖、检修密封以及主轴密封外环等水轮机流道内的水压力作用下，相当于一个悬臂梁的受力结构，各部件在水压力的作用下产生的变形将积累至终端的主轴密封外环，因主轴密封的外环为分半组合结构，此变形过大将影响外环的组合面间隙，造成主轴密封固定压力腔（操作腔7）与尾水之间的泄漏，从而影响主轴密封的操作腔的压力，使主轴密封的水压平衡被打破。
     5.3防转动键损坏问题
为防止主轴密封的移动环随着密封环旋转，在移动环上安装有防止转动键，因为机组有两种旋转方向，移动环又要适应密封环被磨损后跟随压紧的移动要求，防转动键与键槽之间必然存在一定的间隙，当机组改变旋转方向时，防转动键与键槽壁将发生撞击，撞击多次后，将产生凹坑、毛剌和键连接螺栓的断裂，影响移动环的上下移动。虽然厂家把防转动键改成了类环氧树脂的材料，但由于该材料强度不高容易碎裂而效果不佳。
     5.4指示装置损坏
原主轴密封为了监测密封环的磨损情况，安装有密封磨损指示杆，该指示杆穿过操作腔而连接到移动环上，运行中移动环的上下移动、机组的振动、特别是移动环的向上抬起极易造成指示杆断裂而冲出，造成操作腔的泄压而密封失效。
     6　新型主轴密封
     6.1结构形式


新型主轴密封结构如图3所示，其设计参数如下：
运行介质：    水   
设计额定转速：   500rpm
设计*大瞬时飞逸转速： 720rpm   
设计稳态飞逸转速：  680rpm
设计运行压力范围：  0.3~1.2Mpa
压力调节气缸数：  6只（均布）  
气压调节范围：   0-1.0MPa
     6.2新型主轴密封的工作原理
新型主轴密封取消了原主轴密封的固定压力操作腔，利用移动环及密封环的受力面积和压力降使密封在压力变化范围内自动平衡，移动环上的压紧力将随尾水压力自动变化，只要移动环上受压面积选择合理，就可使密封能够自动适应工况转换而运行稳定。具体描述如下：正常运行条件下，主轴密封的外环1、移动环2、支撑环7、密封环3（合成纤维脂材料，抗变形能力较弱）和抗磨环4等形成的压力腔内充满着尾水压力，该压力随下库水位、机组转速、运行工况等变化而变化，如图4所示P0，就天荒坪电站而言，它的变化范围为0.3~1.2MPa。同时机组技术供水系统供一路冷却水在主轴密封密封环3与抗磨板4处形成压力P2，该压力沿里侧方向泄至零，沿外侧方向泄至尾水压力P0，P2既受机组技术供水压力影响，也受机组密封环与抗磨板之间的液态冷却膜厚度的影响，事实上，移动环（包括密封环）在水压作用下的变形和移动环上所受的竖直方向的力都将影响其液态冷却膜的厚度和压力分布，从而影响移动环的平衡。因此主轴密封能否稳定运行取决于主轴密封上的移动环的受力情况及其抗变形能力，如果移动环所受向上的合力过大，则主轴密封移动环将向上抬起，造成主轴密封泄漏；如果移动环所受的向下的合力过大，则将导致密封环与抗磨板之间的液态冷却膜过薄或冷却水中断而发生干摩擦，主轴密封温度高而烧损或机组跳机。主轴密封的结构设计应主要考虑控制移动环所受的力和变形，也就是密封环的厚度、高度，位置以及移动环上的受力面积。为了保证主轴密封稳定运行，并补偿密封环长期运行的不均匀磨损，在移动环上均匀布置有六只压力调节气缸，以便正常运行时进行调节。


     7　新主轴密封的特点
     新型主轴密封有以下几个特点（与旧密封相比）：
     7.1　取消了操作腔，结构简单，安装方便。移动环压紧力随尾水变化而自动调整，运行稳定可靠，工况转换时不需要人员调整压力，可节省运行人员的人力。
     7.2　更换后安装磨合期短，经**开机约10分钟磨合就可投入运行，且温度不高（磨合期比冷却水温高5℃左右）。
     7.3　防转动装置安装在主轴密封外部，更换方便，不用拆卸外环而重新打压,同时磨损指示装置不再穿过操作腔，因而不会造成泄压而密封抬起。
     7.4　END SEAL 被磨损后，对其冷却润滑水回路不构成影响，而旧的主轴密封的END SEAL 被磨损后，移动环进入END SEAL的槽内将恶化其冷却润滑效果，造成主轴密封END SEAL的恶性循环磨损，且大轴的摆动将加剧END SEAL的破裂，导致主轴密封的使用寿命降低。
     7.5　新型主轴密封的End seal 高度降低，将意味着可磨损量的减小，但将明显提高其刚度，如密封面保持良好地液体摩擦，end seal的磨损将保持在较低的水平。另外，旧的End seal中间开有冷却水沟，将削弱其结构强度，且当End seal 被磨损后，不锈钢移动环将嵌入End seal，机组旋转时大轴摆动将对其进行不停的撞击，导致其破裂。而新型的密封内采用水孔通水，且End seal被磨损后仍将处于自由状态而不受大轴摆动的影响。因此主轴密封的寿命不但不会缩短，反而将得到延长。
     7.6　主轴密封外环在水压作用下应会有少量的变形，从1#机组、3#机组的主轴密封运行经验来看，其变形应为长期的和微量的，旧的主轴密封的外环也同样存在外环在水压作用下变形的可能性，其变形造成的漏水、漏气等、以及主轴密封的操作腔的调压节流片堵塞也将对主轴密封操作腔的压力产生较大的影响，从而影响机组的运行性能，而新型主轴密封的变形产生的把合面漏水、漏气将不会对主轴密封的密封性能产生影响，也不会造成主轴密封的运行温度升高而烧损，仅增加主轴密封的漏水、漏气。 而内环是一个受压的圆柱体，抗变形能力应更好。
     7.7　移动环压力调节采用压紧弹簧的形式，容易造成各弹簧的受力不均匀，且调整压紧力时需要作较多的防转动隔离措施，采用调节气缸后，供气压力取自同一压力源，保证了移动环六个方向受力均匀，同时压力调整装置可以放在水车室外，因而调整方便。
     8　新型主轴密封改造后的运行情况和调试情况
     主轴密封经改造后，运行稳定性比旧的密封有很大提高，经过了发电、发电调相、抽水、抽水调相等工况的6小时热运行试验及工况转换试验，各种工况下，密封运行温度比冷却水温约高2~3℃，同时也经过了夏季高温天气的考验，2003年夏季冷却进口水温*高达到33℃（设计*高水温为28℃），而主轴密封在各工况下的运行温度也未超过36℃，也未出现温度突升的情况。
在抽水调相工况下，转轮室补气间隔达到3分半钟以上，补气时间约为半分钟，发电调相工况补气时间也约3分钟，而补气间隔达到16分钟，大大减小了调相用气量，也减小了空压机的运行小时数，而旧的密封发电调相工况不能正常运行。
经过约一年的运行，主轴密封的磨损量小于1mm/1000小时，达到了原技术要求。
     9　改造体会
     9.1　现在国内已建或在建的高水头、高转速的抽水蓄能电站越来越多，上下库的水位变幅也大，在选择主轴密封时，应主轴密封的结构和原理尽量简单，并应随着主轴密封处的尾水压力变化而自动变化，而不宜采用固定操作压力的方式。
     9.2　密封环如刚度不高，可磨损部分就不能太高，否则将导致密封环在不同水压作用下变形不均匀，影响密封效果。
     9.3　密封设计应考虑在水压作用下变形的影响。
     9.4　密封磨损率应作为考核密封性能的重要指标。
     10　结束语
     天荒坪抽水蓄能电站主轴密封经过多次改造，终于获得成功，达到了有关技术规范的要求，提高了机组的启动成功率、运行可靠性、稳定性和可用率，降低了设备故障率，为天荒坪电站的生产目标完成提供了可靠的保障。目前在建和拟建的抽水蓄能电站越来越多，希望天荒坪机组的主轴密封改造能够为他们提供参考。
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