枕头坝一级水电站满负荷工况下主轴密封漏水问题分析与处理

李佳楠，蒋巍巍，魏世全，李 宇

(国电大渡河检修安装有限公司，四川 乐山 614900)

枕头坝一级水电站位于四川省乐山市金口河区，电站装机4台立轴半伞式轴流转桨式水轮发电机组，型号为ZZ519.3-LH-875，单机容量180 MW，额定水头30 m，额定转速83.3 r/min，于2014年底投产发电[1]。2019年汛期，该站1号机组在满负荷工况下均出现主轴密封漏水量大的问题，威胁机组安全稳定运行，检修公司组织人员对此进行深入分析，找出了问题所在，对浮动环密封装置进行现场处理，解决了满负荷工况下主轴密封漏水问题，提高了设备可靠性。

1 主轴密封装置介绍

该机组主轴密封型式为浮动环密封，由抗磨环、密封块、浮动环及弹簧组成，如图1所示。此类密封装置是利用密封介质压力，使浮动环下方的密封块贴紧抗磨环，并在贴合面形成一种极薄的液膜，而达到密封效果。与传统的橡胶活塞式端面密封相比，这种密封结构具有运行稳定、受润滑水压力波动影响较小、安装调整方便、使用寿命长等优点，近年在大中型电站应用较多[2-4]。

图1 主轴密封结构图

2 缺陷现象及原因分析

2.1 缺陷现象及初期分析

2019年汛期，枕头坝水电站1号机组在带满负荷运行时，顶盖漏水量明显增大，顶盖排水泵启运时间较长，启泵间隔时间明显缩短。通过调研电厂运行数据，1号机组在170 MW负荷以下运行时，顶盖排水泵启动间隔时间约为12 min一次，主轴密封水压约为0.36 MPa，与其他机组水压接近，且主轴密封漏水量正常。当在170 MW负荷以上运行时，顶盖排水泵启动间隔时间缩短为5 min一次，主轴密封水压约为0.34 MPa，同时检查主轴密封运行情况，发现漏水量明显增大，如表1所示。

表1 满负荷及非满负荷工况下主轴密封漏水情况表

2.2 初期探究

枕头坝电站主轴密封是利用“压力水膜”封水，若主轴密封水压过低，则不足以封住顶盖漏水。检修人员分析后提出的解决思路是通过对润滑水孔进行增压改造，缩小其孔径，增大出水压力。经过试运行，满负荷下主轴密封漏水量大的问题仍然未得到有效解决，如表2所示。

表2 不同水压下主轴密封漏水情况表

结合表2可知，此时主轴密封漏水量已经与润滑水压无直接联系，极有可能是由于内嵌于浮动环下方的密封块与抗磨环之间的贴合面距离过大。推断密封块与抗磨环贴合面距离过大的原因可能是浮动环弹簧压紧力不够，通过给浮动环弹簧加装垫片，如图2所示，增加其压紧力，经过试运行发现，问题仍然存在。

图2 浮动环弹簧加装垫片图

经过上述两种方案试验后，采用特性要因排除法，结合漏水现象和拆下的主轴密封检查情况，基本可以判定在满负荷时，浮动环轴向运动存在一定卡阻且无法自行调节，导致浮动环下方的密封块和抗磨环之间的间隙过大，从而“封不住水”。

2.3 原因分析

机组运行时，受到轴向水推力的作用，转动部件存在一定的轴向下沉，导致固定在主轴上的抗磨环随转动部件一起下移，因此主轴密封的浮动环要求能够灵活地轴向移动，使密封块与抗磨环之间的贴合面水膜趋于稳定。

正常情况(非满负荷)，轴向水推力引起的下沉量较小，浮动环能够正常轴向移动，使得密封块和抗磨环之间的间隙满足设计要求，因此主轴密封漏水量趋于正常。

满负荷下，机组导叶和桨叶通过协联作用，输出一个大的流量冲击转轮，而当机组转速一定时，流量越大，轴向水推力也越大，转动部件及固定在主轴上的抗磨环的下移量也随之增大。当下移量超过浮动环的固有移动行程，使得浮动环无法继续伴随抗磨环一起同步下移，密封块与抗磨环之间的间隙就会突然变大，导致主轴密封漏水量在满负荷工况下较大[5]。

3 问题处理

枕头坝电站主轴密封浮动环上方设有显示密封块磨损量的导向板，如图3所示。通过测量其刻度线，可判断密封块磨损量，从而在密封块磨损失效之前及时更换。

图3 导向板图

检修人员推断是该导向板限制了满负荷下浮动环的轴向下移。为了印证推断，检修人员在主轴及浮动环上分别独立加装了测量轴向位移的表计，如图4所示，通过试运行，测量得出主轴的下沉量超出浮动环的下移量接近5 mm。

图4 装设测量轴向位移的表计图

导向板除了显示密封块磨损量，还有限制浮动环径向运动的作用，不能轻易拆除。因此，检修人员经过充分考虑，在满足经济及安全的前提下，在导向板下方加装了7 mm的垫片，增加了浮动环下移的固有行程，预期到达在满负荷下浮动环不被导向板限制轴向位移，使得密封块与抗磨环之间的间隙满足设计要求。经过试运行，在满负荷下，顶盖排水泵启动间隔时间恢复到约为12 min一次，主轴密封水压约为0.35 MPa，主轴密封漏水量正常。

4 结 语

本文探究了水轮机浮动式主轴密封的设计和工作原理，对枕头坝一级水电站满负荷工况下主轴密封漏水问题进行分析处理，通过检修现场增加润滑水压并延长浮动环动作行程，有效解决了主轴密封漏水量大的问题，切实提升了设备可靠性。后续可结合机组润滑水压力、流量，水泵运行特性曲线等数据，进一步量化主轴密封漏水量与润滑水压力及流量的关系，为今后设计制造及密封改型提供参考。