热电厂水泵机械密封冷却水供水形式与其损坏关系分析

刘宪民

摘 要：机械密封这种动静密封形式在转动机械密封中，由于其渗漏量小、设备寿命长等特点得到了广泛的采用。热电厂转动设备众多，各种润滑油油泵、密封油泵、给水泵泵、凝结水泵、热网循环水泵、补水泵、闭式冷却水泵等大多采用机械密封形式密封。其中绝大多数是以水为工质的水泵机械，在给水泵系统、凝结水系统、闭式、开式冷却水系统、凝结水补水系统等都是水泵机械。只有少数设备，例如真空泵等由于工作特性要求或压力、温度参数等级较低的，才采用盘根密封或毛毡等其他密封方式，但这些密封方式的泄漏量都要多余机械密封。当前电厂现场无渗漏工作标准的提高及现场文明生产的需要，很多场合机械密封已经取代了其他密封方式，在电厂的众多转动机械中，机械密封是应用最广泛的一种密封方式，尤其是在核电领域，对渗漏量控制特别严格的地方。鉴于此情况，分析机械密封冷却水的供水方式在生产实际中的优劣，帮助工程实践人员合理选择供水方式是有实际意义的。文章对机械密封较为常见的三种冷却水供水方式作简要分析，并以实际问题为例作讲解，讲述这3种方式在实践中的优劣，以帮助工程人员在今后的工作中分析类似问题。

关键词：机械密封；机封；冷却水；供水方式；水泵；机械密封冷却水超温；动环；静环

中图分类号：TH136 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）17-0073-03

机械密封为动静密封，其动环与水泵的泵轴固定在一起，形成一个整体，与泵轴一同做高速转动；其静环与静环压盖用定位销等方式固定在一起，再由紧固螺栓固定在泵壳上静止不动。动环、静环由动环上的压力弹簧预先压缩顶在一起，由一定的预紧力，其预紧力大小于转速和其密封液体的工作压力有关。当水泵工作时，水泵泵轴高速转动，将电机的电能经由水泵叶轮转换成流体的机械能。这时工质水获得高压力、高速度，将会从水泵的动静间隙处泄漏出去，而在机械密封处，水泵的动环在静环上高速旋转，会建立其一个高压的水膜，阻止内部工质水继续向外泄漏，只有少量的水蒸发而散失到空气中去。在这个过程中，由于动环与静环之间有着高速的转动摩擦，会产生大量的热量，使动环、静环密封面处温度身高。这时必须动环与静环必须得到有效的冷却，使其温度不会持续升高，才能保证其持续可靠工作。同时机械密封对工质中固体颗粒物杂质要求较高，如果水中固体杂质较多，且其硬度较大，杂质进入动环和静环之间的密封面处，将会划伤密封面，产生沟痕，破坏密封，导致泄漏。因此，合理选择机械密封冷却水供水方式直接关系到机械密封的使用情况。

1 直接冷却

机械密封动环、静环摩擦产生的热量依靠泵内的工质水自然冷却，没有任何外部强制冷却。此种冷却方式对泵内水的清洁度要求较高，水中杂质应很少。水温比较低，水泵转速不高的情况下，可以采用这种冷却方式。电厂闭式冷却水泵有采用此种冷却方式的。水泵水温比较低，在30～40 ℃之间，电机转速在1 000 r/min，闭式水水质良好，每次循环都在入口滤网处得到过滤，这种冷却方式能够保证水泵机械密封的正常工作。内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司，一期两台600 MW机组，共六台闭式冷却水泵机械密封就采用这种冷却方式，机组2010年11月份投产之间，机械密封使用正常。

需要注意的是，这种冷却方式的机械密封在安装时一定要注意调整好动环与静环之间的压缩量。如果压缩量不够，则无法密封泵腔内的压力水。如果压缩量过大，则由于这种直接冷却方式的冷却效果有限，可能导致机械密封动环、静环摩擦副摩擦产生的热量过多，不能得到有效的冷却，使机械密封动环、静环温度升高，炸裂动环或静环，使机封损坏报废。

2 出口高压水冷却

在水泵叶轮出口，工质水压力升高，引一路水至水泵机械密封处。水泵机械密封与水泵叶轮入口很近，压力低于水泵出口压力。这样水泵出口的水就会向水泵机械密封处流动，有一部分工质水在做“再循环”，将机械密封处摩擦产生的带走。

例如，内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司一期供热改造工程，其机组原本是2×600 MW直接空冷汽轮发电机组，后经供热改造，从中压缸至低压缸抽出部分排汽送至热网换热器换热，其配套的热网循环泵4台，热网循环泵的机械密封冷却方式就是采用从叶轮出口因一路高压水冷却机械密封的。其高压水压力在0.56～0.70 MPa左右，水泵入口压力在0.41～0.43 MPa左右。高压水经管路引入机械密封处，冷却机械密封后，又回到叶轮入口，实现再循环的同时，将机械密封动环、静环摩擦产生的热量带走，降低摩擦副的温度，达到保护机械密封的作用。

这种冷却方式对泵的转速适应型较高，对于低转速和高转速同样适用。但是对水质要求较高。由于叶轮出口水直接引回到机械密封处，如果水质杂质较多，将会破坏机械密封密封面，导致泄漏。

固体颗粒物破坏机械密封密封面的机理是：当固体颗粒物杂质进入机械密封密封面，就会划伤机械密封的密封面，或者加快机械密封密封面的磨损，这时工质水中的水垢和油污、油泥等在轴、轴套表面的堆积速度超过动环、静环这对摩擦副的磨损速度，就会使动环不能够补偿磨耗位移，致使动环与静环之间的间隙增大，水从间隙向外渗漏，造成泄漏，机封失效。选择硬对石墨的摩擦副作动环、静环，因为固体颗粒物杂质会嵌入到石墨密封环里面，不如硬对硬的摩擦副做动环、静环配合的寿命长。在杂质较多的场合，建议选择硬对硬的摩擦副作动环、静环配合的机械密封，但不是解决问题的根本方法。

通常对于水质良好、清洁度高的，叶轮出口水可以直接引到机械密封处；对于水稍差的，可以在“再循环”管路上增设一个Y形滤网，过滤水中杂质，提高水的清洁度，延长机械密封工作寿命。根据现场实际情况，可以选择只有一路或一用一备设两路密封水。但是对于水质不好，清洁度较低的情况，不建议使用这种冷却方式。

内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司一期供热改造工程选用的热网循环水泵即是采用这种冷却方式。热网循环水泵工质水经升压后输送到市区供热，在这一过程中，水质得不到很好的控制。市区换热站、热网主管道、分支管道中水质都有可能降低。尤其是在热用户处，散热器种类质量各有不同，市民根据自身经济条件、个人需求选择不同的散热设备，从而向供热水中引入了不同量的杂质。热网水在回到供热首站后，虽经自动反冲洗滤水器过滤，但是由于过滤器本身就不是精过滤器，导致水中较为细小的颗粒杂质没有得到全部过滤。尤其是在供暖初期，市区散热器经过一个夏天的腐蚀，杂质脱落进入水中，水中杂质较多。

在这种情况下，水中杂质进入机械密封密封面，就会划伤密封面，产生沟痕，使机械密封无法密封内部压力水，导致其泄漏失效。

针对此种情况，建议从外部引用电厂中水质较好的凝结水或凝结水补水（除盐水）等。应注意的是：外部引用的机械密封冷却水的压力必须高于机械密封处的水压，这样才能够冷却机械密封。这样在机械密封的周围就建立起一个“小环境”。在这个小环境里面，水质良好，杂质很少，机械密封密封面不会受到划伤。这些外部冷却水同时可以向热网补充少量的水，可以作为补水的一部分，减少补水泵的启停次数。

但是这种外部供水冷却方式，需要引管、布置截止阀、减压阀及压力表等设备，较为复杂，增加了投入，维护量也增加了，但提高了机械密封工作的可靠性。只适应于水质不好的场合。实际应用中，需要结合现场实际，根据热网水杂质情况，合理选择直接“再循环”冷却或外部引水强制冷却。

3 外部换热器冷却

热电厂的给水泵给水温度高，依据内蒙古国华发电有限公司一期600 MW空冷发电机组，负荷在325 MW时，水温为157 ℃，负荷在360 MW时，水温为162 ℃，负荷在500 MW时，水温为176 ℃，远高于机械密封允许工作温度。机械密封报警温度为80 ℃，保护值为95 ℃，当机械密封冷却水水温达到95 ℃时，延迟3 s保护动作，给水泵就会跳泵。所以机械密封在工作时，必须严格控制其水温，否则会因为超温，而退出运行，甚至使机械密封密封面炸裂。

在水泵转动运转时，机械密封动环外部有一圈齿形泵，它与泵轴同转速转动。在机械密封外部有一个回路，其间有一个换热器。机械密封冷却水在齿形泵的驱动下，在回路内做循环流动，在外部换热器里面得到冷却降温，回到机械密封动静环摩擦处，冷却动静环，带走摩擦产生的热量，重新在齿形泵的驱动下，进入外部换热器换热冷却，从而完成一个循环。

在电厂由于负荷降低，给水泵停泵备用时，水泵停止运转。这时齿形泵随之停止运转，使机械密封冷却水停止循环，得不到外部换热器的有效冷却。同时，在给水泵停备时，为了保证给水泵筒体温差不超过规定值。在高压给水管道上引出一路给水，引入到给水泵内部，使其内部叶轮、壳体、筒体等温差，在合适的范围内，不致产生过大温差使内部零部件热膨胀不均，避免在启动时碰磨。

但这就引来了一个新的问题，暖泵的高温高压水流过水泵内部，将热量传递到机械密封处。而这时机械密封冷却水没有循环起来，得不到外部换热器的冷却。机械密封处水温持续升高，超过报警值。甚至与超过保护值，使水泵退出备用。

这时可以采取限制暖泵流量，或者暂时关闭暖泵门，使进入泵内的高温水流量减少，从而限制了向机械密封处传递的热量，以此来保证机械密封处水温不至超过保护值，水泵能够投入备用。

但是这种操作方法增加了人员的操作任务，同时暖泵门处工质水的压力为给水压力，为全厂最高压力，以内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司为例，其给水泵额定压力为32 MPa，温度在150～180 ℃之间，经常性开关阀门容易造成危险。

上述情况给机组可靠运行带来了隐患。根据上述情况，可以采取这样的措施。在给水泵正常运行时，其机械密封冷却水得到外部换热器的有效冷却，完全可以满足冷却机械密封，带走摩擦热量和泵体传递热量的要求。在给水泵停备期间，可以使用外部强制冷却方式，冷却机械密封，使机械密封处水温控制在较低的温度范围内，同时，暖泵水可以正常投入，保证筒体温差也在可控范围内。这时，要求外部机械密封冷却水的压力必须高于进过节流套的给水压力。只要外部强制冷却水压力稍高于经过节流套的给水压力，外部强制冷却水就可以进入泵内，冷却机械密封。内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司一期，锅炉电动调速给水泵就是这种外部换热器的机械密封冷却方式。在给水泵运行时，机械密封冷却水水温正常，能够满足冷却机械密封的需要，水泵运转正常。但是在停备时，其驱动端机械密封冷却水在20 min内快速上升超过报警值80 ℃，逼近保护值95 ℃。

一般情况下，就需要人员就地调整暖泵门开度，限制暖泵流量以降低机械密封水温度，同时需要兼顾给水泵筒体温差，增加了人员操作的工作量。

现根据就地实测，在给水泵停运时，经过节流套节流给水泵机械密封处水压只有0.6 MPa，这个压力值比较低，其凝结水泵出口压力3.5 MPa。完全可以进过节流减压后作为给水泵机械密封冷却水的外部强制冷却水源。

凝结水作为外部强制冷却水源的优点有：

①水压满足使用要求，凝结水泵工频运行时出口压力为3.5 MPa，高于给水泵节流套后机械密封腔室的0.6 MPa。即使对凝结水泵做变频改造后，其出口最低压力仍为1.15 MPa，同样满足冷却冷却机械密封供水需要。

②凝结水水温低于给水泵机械密封报警值。600 MW空冷机组电动给水泵组给水温度通常在150～180 ℃之间，而凝结水的水温在30～50 ℃之间，凝结水完全可以作为冷却机械密封的水源。

③凝结水泵提供的是机组凝结水，凝结水虽然没有经过化学精处理及除氧器处理。但是由于汽轮发电机组，工质水绝大部分是循环使用，即使少量补充水，也是经过严格处理的除盐水。凝结水本身的固体颗粒物杂质极少，完全可以满足冷却给水泵机械密封的要求。虽然其没有经过精处理处理和除氧器除氧，但是可以通过限制其供水压力，减少供给流量，使极少量的凝结水进入给水系统，而且只是在给水泵停运时才提供外部强制冷却水，所以不会对给水品质产生影响。

外部强制冷却供水方式的设置方式：

①凝结水取水点应在凝结水再循环管道阀门前，不便在凝结水主管道上取点。

②在取水支管上应设置截止阀和减压阀。设置截止阀可以可靠隔离给水与凝结水，在发生意外事故时，能够及时可靠地隔断两个系统。设置减压阀，便于调整供水压力，使其匹配给水泵机械密封密封腔室压力，在凝结水压力变动时仍可满足给水泵机械密封冷却水供水压力的需要。

③在减压阀后设置过滤滤网。虽然凝结水水质较好，但仍设置磁性过滤器，增加一层保险。磁性过滤器即可吸附铁锈等磁性杂质，又可过滤污泥等，从而更加保证供水水质良好。此处可以设置双路，一用一备，在运行状态即可保证供水的同时清洗备用过滤器。

④在每台给水泵机械密封外部，使用三通接头，将外部强制供水与内部循环冷却水连接起来。同时应设置针型阀，便于切换：在给水泵运行时，关闭外部强制供水，使用水泵内部工质水冷却循环；在给水泵停止运行，开启暖泵门时，开启外部强制供水冷却机械密封。暖泵与冷却机械密封同时进行，互不干扰。针型阀处水的压力和温度都较低，操作风险性远小于暖泵门处。

4 三种冷却方式的处理

热电厂、发电厂及石油化工行业中，水泵设备众多，机械密封的使用极其广泛。仔细研究机械密封的冷却方式是有着实际意义的。本文论及的三种冷却方式，是较为常见的机械密封冷却方式。分别对三种方式的使用场合和实际中出现的一些问题做了简要的分析，并针对出现的问题提出了一些处理方法。

4.1 直接冷却方式

直接冷却方式使用方便，发电厂现场没有就地改造的必要，可以由制造厂制造好后直接安装使用，最为简便。但是其对于水质的要求最高，对工质参数的限制比较严格。在小型泵中应用较多，在大型水泵中应用较少。

4.2 出口高压水冷却使用方式

出口高压水冷却使用也较为方便，一般制造厂在水泵制造时，便将叶轮出口处钻好取水孔，在机械密封静环压盖上或机械密封腔室上部开设小孔，使用小管径管直接连接，或增设过滤。制造难度不大，现场维护量也不大。机械密封能够得到很好的冷却，适用范围较第一种直接冷却方式更为广泛。但其对水质要求较高，不适用于水质较差、固体颗粒物杂质较多的场合适用。

4.3 外部换热器

外部换热器适用于水温高的给水等场合。机械密封需要密封的工质水水温高，其冷却水必须有外部换热器（如螺旋管换热器、管壳式换热器等）强制冷却才能满足冷却要求。但是对于泵体内热量能够持续传递到机械密封处的，在自身冷却水停止循环时，建议增加外部强制供水冷却，以使机械密封时刻处于可靠状态。

机械密封的冷却方式有很多种，并不局限于以上三种。现场工作者可根据实际情况，合理选择机械密封冷却方式，以最大限度延长机械密封使用寿命，提高设备的可靠性。

参考文献：

[1] 李必祥，王牛.如何提高石化用泵机械密封的性能及寿命[J].石油化工设备技术，1994，（6）.

[2] JB/T 4127.3-2011，机械密封（第3部分）：产品验收技术条件[S].