天荒坪抽水蓄能電站主軸密封改造

1、天荒坪抽水蓄能電站主軸密封改造天荒坪抽水蓄能電站主軸密封改造摘要：本文介紹天荒坪抽水蓄能電站的主軸密封在投產(chǎn)初期出現(xiàn)問題，分析了原因，以及改造方案，消除了投產(chǎn)以來一直困擾電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患，提高了機(jī)組的運(yùn)行可靠性。同時希望本文能夠給在建的高水頭、高轉(zhuǎn)速、高水位變幅的抽水蓄能電站的主軸密封設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：天荒坪抽水蓄能主軸密封1概述天荒坪抽水蓄能電站是一座高水頭，高水位變幅、高轉(zhuǎn)速的純抽水蓄能電站，水泵水輪機(jī)由GENway公司制

2、造，而其大軸密封則由分包商英國的SterlingMechanicalSeal制造，首臺機(jī)組于1998年9月投入運(yùn)行。由于廠家設(shè)計(jì)原因，自投產(chǎn)以來，主軸密封一直是影響天荒坪電站機(jī)組啟動成功率和不穩(wěn)定因素。2002年以前，廠家雖經(jīng)過對主軸密封多次改造，但仍不能完全解決主軸密封的運(yùn)行中溫度突升造成密封磨損較快等問題。2002年，經(jīng)過制造廠和天荒坪電站有關(guān)技術(shù)人員對主軸密封再次共同研究，重新設(shè)計(jì)主軸密封，并經(jīng)過有限元分析和模型試驗(yàn)后，2003年

3、在機(jī)組上安裝試驗(yàn)取得了成功，主軸密封的穩(wěn)定運(yùn)行問題最終得以解決。2主軸密封運(yùn)行條件2.1水頭條件電站設(shè)計(jì)水頭為526米，水輪機(jī)淹沒深度為70米，電站運(yùn)行水頭范圍為526~610米，其中供主軸密封水源的下庫運(yùn)行變化水位在295~345米之間變化，即主軸密封工作水壓變化達(dá)50米。2.2速度條件機(jī)組設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為500RPM（轉(zhuǎn)分），最高飛逸轉(zhuǎn)速為720RPM，為順時針和逆時針雙向旋轉(zhuǎn)，大軸直徑為940mm，主軸密封處的運(yùn)行切向線速度為30ms，

4、最高切向線速度約為43ms。2.3工況條件本電站機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行工況有發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相，停機(jī)等五種工況，有停機(jī)發(fā)電停機(jī)、發(fā)電發(fā)電調(diào)相發(fā)電、停機(jī)抽水調(diào)相抽水停機(jī)（抽水調(diào)相）等工況轉(zhuǎn)換，每天開停機(jī)按10次設(shè)計(jì)。每種工況主軸密封轉(zhuǎn)輪側(cè)（密封腔）壓力差異懸殊。2.4水力條件由于上述三種的條件的綜合影響，在主軸密封處就形成了復(fù)雜的水力條件，由于旋轉(zhuǎn)離心力的作用和尾水動、靜態(tài)真空的影響以及氣和水的粘滯作用的差異，機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換時將造成主軸

5、密封處的水壓力的變化，當(dāng)機(jī)組在停機(jī)時，主軸密封處的水壓力為下庫靜水壓力，在下庫水位變幅范圍內(nèi)約在0.7~1.2MPa之間變化（設(shè)計(jì)最小淹沒深度為70米）。當(dāng)機(jī)組在調(diào)相工況運(yùn)行時，因機(jī)組在壓縮空氣中旋轉(zhuǎn)，對主軸密封處的壓力影響不大，基本與停機(jī)狀態(tài)相同。但當(dāng)機(jī)組以500RPM的轉(zhuǎn)速在水中旋轉(zhuǎn)時，將使主軸密封處的壓力降低約一半，即在0.3~0.65MPa內(nèi)變化，這就要求主軸密封在工況轉(zhuǎn)換的短時間內(nèi)必須適應(yīng)此水壓力的技術(shù)供水系統(tǒng)供給主軸密封操作

6、腔7一穩(wěn)定壓力P0，該壓力只能人工調(diào)整，而不能隨尾水壓力變化。P2為密封腔壓力，隨機(jī)組運(yùn)行工況、轉(zhuǎn)速、下庫水位等變化。P1為技術(shù)供水系統(tǒng)提供給密封面的冷卻潤滑水壓力，隨冷卻潤滑水膜厚度和系統(tǒng)供水壓力變化而變化。正常情況下，P0、P1、P2以及不銹鋼移動環(huán)的自重達(dá)到平衡，在不銹鋼移動環(huán)與密封環(huán)之間形成穩(wěn)定的冷卻潤滑水膜和足夠的冷卻水流量，主軸密封保持穩(wěn)定的溫度運(yùn)行。5舊主軸密封存在問題5.1原理問題舊主軸密封的采用固定水壓力提供密封的壓緊

7、力，這樣將導(dǎo)致工況轉(zhuǎn)換時，由于主軸密封處水壓力的變化可能打破密封移動環(huán)的水壓力平衡，造成的直接后果就可能是冷卻水流量的不足或中斷，密封發(fā)生干摩擦、運(yùn)行溫度高而燒損，或者是移動環(huán)向上被抬起，而造成密封失效，生水淹廠房的情況。原密封環(huán)隨大軸一起旋轉(zhuǎn)，密封環(huán)被磨損后，移動環(huán)將嵌入密封環(huán)，機(jī)組旋轉(zhuǎn)造成的大軸擺度將影響移動環(huán)與密封環(huán)的間隙，進(jìn)而影響主軸密封的冷卻水流量和效果，甚至造成密封環(huán)的碎裂。5.2結(jié)構(gòu)變形問題作為主軸密封的基座的水輪機(jī)頂蓋、

8、內(nèi)頂蓋、檢修密封以及主軸密封外環(huán)等水輪機(jī)流道內(nèi)的水壓力作用下，相當(dāng)于一個懸臂梁的受力結(jié)構(gòu)，各部件在水壓力的作用下產(chǎn)生的變形將積累至終端的主軸密封外環(huán)，因主軸密封的外環(huán)為分半組合結(jié)構(gòu)，此變形過大將影響外環(huán)的組合面間隙，造成主軸密封固定壓力腔（操作腔7）與尾水之間的泄漏，從而影響主軸密封的操作腔的壓力，使主軸密封的水壓平衡被打破。5.3防轉(zhuǎn)動鍵損壞問題為防止主軸密封的移動環(huán)隨著密封環(huán)旋轉(zhuǎn)，在移動環(huán)上安裝有防止轉(zhuǎn)動鍵，因?yàn)闄C(jī)組有兩種旋轉(zhuǎn)方向，