特高压换流阀内冷主泵机械密封渗漏原因及对策

陈 俞

（国网四川电力送变电建设有限公司，四川成都 610051）

0 引言

特高压输电已经成为配电网建设的重要发展方向，我国也投入了较大精力进行特高压系统建设。在特高压输电系统中，换流阀是最主要的设备之一，但是受到高电压影响，换流阀运行过程中会产生较多的热量，对于换流阀的正常使用造成较大影响，特别是换流阀中的阀冷系统更是容易受到外部因素的影响而发生故障，从而造成换流阀无法正常工作，因此确保阀冷系统的稳定性非常关键。主泵是阀冷系统中最关键的设备，是确保整个系统能够正常运行的基础。但是主泵的结构较复杂，对于精度的要求较高，所以应用不当或者长期运行容易产生磨损而发生机械渗漏，从而对阀冷系统甚至整个换流阀造成影响。基于此，需要对换流阀内冷主泵机械密封渗漏的原因进行分析，同时采取有针对性的对策进行处理，避免对换流站造成影响。

1 特高压换流阀内冷主泵概述

特高压输电系统中换流阀的阀冷系统能够确保阀体温度始终处于正常状态，按照结构和功能的差异可以将阀冷系统分成外冷系统和内冷系统。其中内冷系统属于密封循环系统，主要包括主循环冷却回路、氮气稳压系统、去离子系统、补水系统、换流阀冷却水回路等部分，内冷系统利用主泵可以将循环水输送到换流阀内部，吸收阀内热量之后经过外冷系统冷却，进行再次的冷却循环[1]。

1.1 主泵的类型

换流阀内冷主泵主要采用是叶片泵，叶片泵可以分为轴流泵、斜流泵、离心泵等。不同类型的泵具有不同特点，例如，轴流泵具有较高的转速和较大的流量，但其扬程相对有限（＜15 m），同时运行效率较低，所以应用场合有限；斜流泵需要较深的吸水井才能够运行，所以很难安装在主厂房内；离心泵体积较小且扬程较高，可以在较小流量情况下运行，具有较强的抗气体腐蚀性，更便于维护保养，使用寿命较长，完全可以达到内冷主泵的应用标准，因此，内冷主泵更多采用离心泵。

1.2 内冷主泵机械密封结构

换流阀内冷系统主泵采用的机械密封结构主要是通过一对或者多对静环和动环组成，动环相对于静环进行滑动，受到流体压力和补偿机构弹力作用始终保持良好的端面贴合，再加上辅助元件的作用最终实现密封。

其中，静环固定在设备的壳体、压盖、法兰等位置，通过密封端面来阻止冷却水的渗漏，而动环则随着主泵的旋转轴共同旋转，在冷却水压力和弹簧力的作用下确保动环和静环密封端面的贴合以及相对滑动。为了避免冷却水在动环和静环的间隙渗漏，动环和静环都设置有密封圈。同时，为了避免由于运行时磨合面温度上升以及冷却水腐蚀的影响而造成渗漏，需要在内冷主泵的出口导出一根水管，主要用于对机械密封面进行冲洗降温[2]。主泵属于动力设备行列，所以其密封主要采取接触密封的方式。不同类型接触密封措施如表1所示。

表1 不同类型接触密封措施

2 含冲洗管内冷主泵机械密封渗漏研究

2.1 含冲洗管内冷主泵机械密封渗漏的危害

从现阶段来看，为了避免高温的影响，换流阀内冷主泵往往会采取自冲洗的方式来对机械密封面进行清洗，同时也能够起到降温的作用。冲洗水体主要是利用连接管从主泵出口处导入泵体的密封腔进行冲洗。具体采用多大的冲洗量进行机械密封清洗是很难直接计算的，因此，在实际应用时往往利用经验法进行预估，确保冷却水工作在层流以及湍流的临界状态下，但是此种方式往往会由于流速设定不合理而造成内冷主泵机械密封发生渗漏。一旦机械密封发生渗漏就会产生非常严重的危害，主要包括以下5个方面。

（1）会导致内冷主泵发生更多的故障，对于阀冷系统正常运行造成较大影响，最终影响换流阀的正常运行。

（2）由于静环的表层长时间受到冲洗，所以其表面的坡口容易造成损坏，从而导致动环和静环之间的摩擦系数有所增加，对主泵的性能造成影响。

（3）长期循环运行容易将某些杂质带到阀冷系统当中，这就会导致水质无法满足运行标准，最终对冷却效果造成较大影响。

（4）长期运行会在机械密封面产生污物堆积，影响密封性能以及使用寿命。

（5）机械密封面无法有效降温，过高的温度导致机械密封寿命缩短。

2.2 含冲洗管内冷主泵机械密封渗漏的原因

（1）冲洗管的进出口存在比较大的压力差，静环表层长时间受到高压水流的冲击。若是主泵出水的水压比较高并且冲洗管出口的水压较低，那么就会造成冲洗管进出口存在较大的压差，这样就在机械密封冷却水管安装位置形成高压冲洗水流，此高压水流对静环表层的长期冲击就会形成坡口损伤，从而引发机械密封的渗漏。

（2）冷却水并非规则性流动，同时存在较高的流态压力。随着冷却水压力升高以及流量的增加，冷却水就会变成湍流状态，此时会有比较高的能量，此种能量长期作用在机械密封表层必然会对其造成破坏。

（3）相应部件问题造成的密封失效。①机械密封圈失效。密封圈失效是造成渗漏最根本的问题之一，密封圈长期使用会造成橡胶的老化变形，其表面会产生疏松以及毛糙等情况，失去应有的弹性，无法正常工作，但是密封圈失效并不会造成快速的渗漏问题。②固定螺母发生松动。机械密封动环座需要通过螺母进行固定，在螺母安装初期需要对其进行必要的紧固，但是在主泵运行过程中受到水锤作用的影响会造成主泵内部压力远超外部压力，这就会造成主泵运行过程中机械密封动环座不平衡的情况，受到内外压力不均衡的影响而破坏水膜，从而引发渗漏问题[3]。③弹簧弹性不满足标准。机械密封的内部会设置弹簧来实现缓冲补偿，这些弹簧在主泵启动以及运行过程中受到较大压力，特别是在主泵启动过程中受到较大扭矩的影响而导致弹簧的弹力发生偏差，从而造成内外的压力不均衡而将水膜破坏，进而引发渗漏的问题。

（4）动环和静环平面磨损。动环和静环平面一旦发生磨损就会造成两者无法紧密贴合，从而产生渗漏问题。造成动静环平面磨损的原因较多，主要包括以下5个方面：①安装的问题。设备安装过程中容易产生过紧、过松或者不平的情况，或在安装过程中造成某些零部件的破损等，引发安装问题。此种情况下将机械密封拆除后都会发现磨损的情况，表现为发黑、烧焦、划痕等现象。②主泵基座的异常。主泵基座方面的问题（如基础固定螺栓松动、紧固力矩不平衡、支撑部件刚性不足等）会导致主泵运行中的振动，也可能因为基座振动异常而造成振动的扩散，从而导致机械密封发生渗漏。③主泵的进出口膨胀节补偿器安装不标准。膨胀节补偿器安装时不够标准，造成对角偏差较大，从而导致主泵启动以及运行过程中机械密封位置产生受力异常。④水质较差，含有颗粒造成磨损。水体中含有杂质颗粒，颗粒容易引发机械密封平面出现沟槽或者环沟等问题。⑤气蚀干磨。对主泵进行检修时容易在进水管以及泵腔内部引入空气，在主泵启动之后随着机械密封运转速度较高发生摩擦而产生高温，长久运行就会引发机械密封干磨失效的情况。主泵的进出水口主要采取的是“漏斗型管路+波纹管补偿器”的方式，主泵启动工作之后会造成漏斗型进出口水流量存在差异，这样就会在主泵的泵腔内部形成气腔，从而出现水泵气蚀的情况，导致主泵机械密封发生渗漏。因此要尽可能采取软启动的方式来启动主泵，在正常工况下尽量避免主泵工频启动，降低机封渗水的概率[4]。

2.3 含冲洗管内冷主泵机械密封防渗漏措施

为了确保主泵在运行时会在动静环密封面之间始终保持着良好的润滑状态，同时要确保机械密封所用的冷却水可以进行充分循环，能够将产生的热量带走，避免发生机械密封渗漏的情况，可以采取以下4个方面的防渗漏措施。

（1）为了有效减小冷却水的进口压力，可以在冲洗水管上设置压力调节设备进行必要的压力调节，从而降低冲洗管进出口的压力差，这样就可以有效减小机械密封冷却水管安装位置冲洗水流的压力，削弱水流对于静环表面的冲击，降低静环表层的破损性，减缓机械密封渗漏的可能性。

（2）为了能够对冲洗管内部水体压力进行有效监控，需要在冲洗管的减压设备上安设压力表，这样就可以确保控制冲洗管内部冷却水流，将其从湍流转变成为层流，从而减小冷却水的能量冲击，这样就能够减少冷却水对于机械密封产生的侵蚀。

（3）要对冷却系统用水进行必要的过滤，从而去除内部颗粒。也可以采用纯净水作为冷却系统用水，从而降低内部颗粒对于机械密封面的侵蚀。

（4）要对主泵地脚螺栓的紧固性、泵中心与相应标准的匹配性、转子和定子的同心性等关键指标进行定期检查，始终保持其满足标准规范。

3 换流阀内冷主泵机械密封措施应用

3.1 工程基本概况

某特高压直流输电工程换流阀内冷系统主泵采取的是集装式机械密封的形式。为了能够将主泵出口的水体引入主泵机械密封的内部，实现对动静环的冲洗以及冷却，因此在主泵的出口位置设置了冷却水管。自从换流阀应用以来整体运行良好，但是其内冷主泵在经过长期的运行之后在机械密封的静环表层产生了损伤坡口的情况，从而造成水体频繁发生渗漏。受制于具体工况，在机械密封发生渗漏情况后只能在线对机械密封进行更换。在更换机械密封时要确保故障主泵停止运行，这时阀冷系统只有一台主泵在运行，整个系统并不具有冗余性能，一旦运行中的主泵产生故障而造成停机就会直接造成整个电力系统故障停运[5]。

3.2 具体解决措施

经过分析得知此机械密封发生渗漏的根本原因在于冷却水的流体不合理，针对此情况需要对冲洗管实施必要的优化改造。

（1）需要在冲洗管管路上设置节流阀以便能够对管内冷却水压力进行调节。

（2）需要在冲洗管上设置流体流线调节器，以此来将湍流水头能量吸收，确保流体流线的一致性。通过对水体能量的控制能够减小对机械密封造成的危害。

（3）为了能够更加便利地更换相应部件，要通过卡套接头对压力调节阀以及流线调节器进行连接。为了能够监视调节压力，要在流线调节器上设置直读式压力表。为了明确调节的压力，将雷诺数设定为2400~4000（此时流体处在层流、湍流的临界状态）来进行冷却水流速以及压差的计算。

在经过上述优化改造后，此换流阀无论是在主泵机械密封渗漏频次还是在运维成本方面多有明显的下降，从而延长了主泵的使用寿命，也能够减少备件的更换次数，提升了阀冷系统运行的可靠性。

4 结语

特高压换流阀的阀冷系统非常关键，对于确保整个系统正常运行具有重要作用。本文主要对换流阀内冷主泵机械密封结构进行了阐述，并且分析了其机械密封渗漏的原因，在此基础上提出了有针对性的防渗漏措施，同时在实际工程中对其进行了验证，表明了措施的有效性。通过本文的介绍能够对特高压换流阀内主泵机械密封渗漏的防范起到参考作用，对于推动特高压发展具有现实意义。