天荒坪抽水蓄能电站主轴密封改造

电力18讯：    
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安全稳定运行的隐患，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最终得以解决。
     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），最高飞逸转速为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，最高切向线速度约为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（设计最小淹没深度为-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，P