水輪機主軸密封水平臺的研制

謝 俊，郭躍川，葛少鋒，權君宗

(東方電機有限公司，四川省德陽 618000)

0 引言

水輪機主軸密封是水輪機的一項重要保護，它裝在水導軸承的下面，以防止壓力水從主軸和頂蓋(或支持蓋)之間滲漏到機坑內(nèi)，淹沒水導軸承，破壞水導軸承的工作，影響機組的運行。按水輪機主軸密封的工作性質可以分為檢修密封和工作密封。檢修密封是水輪機停機、檢修時使用，現(xiàn)大多數(shù)檢修密封運用空氣圍帶檢修密封。工作密封是水輪機運行時使用，按其密封結構型式可分為平板密封、徑向密封、盤根密封和端面密封等，無論以上哪種密封結構型式，其工作的首要條件是必須為其提供可靠的壓力恒定的清潔水。

如何為水輪機工作密封提供可靠的壓力恒定的清潔水成為水輪機自動化控制系統(tǒng)的關鍵技術之一，該系統(tǒng)在工程上簡稱為主軸密封水控制系統(tǒng)。目前主軸密封水控制系統(tǒng)均為發(fā)散件到工地組裝，因其控制理念、元器件質量、工地加工、裝配、試驗的局限性等諸多原因將無法保證主軸密封水控制系統(tǒng)的整體質量，也不能滿足用戶對控制系統(tǒng)越來越高的要求。針對這一現(xiàn)狀，我公司開發(fā)研制了一種新型的集成式水輪機主軸密封水控制系統(tǒng)-主軸密封水平臺，其與原有控制系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點:

1)先進的控制理念，獨立控制主軸軸向密封水和徑向密封水，即獨立提供潤滑水和壓力水，而原有控制理念僅控制一路密封水供軸向密封和徑向密封共同使用。

2)控制系統(tǒng)所有的控制元件、測量元件和接線端子箱集裝于一個平臺并進行相應的密封試驗和調試，無需工地加工、裝配、試驗，最大限度減少工地安裝工作及時間，并提升了整體控制性能以及經(jīng)濟性能。

3)平臺可實現(xiàn)漏水收集、排出功能，并可實現(xiàn)平臺整體接地功能。

4)平臺尺寸僅長2 450 mm、寬1 150 mm，結構緊湊，工地所需的安裝布置空間少，而且廠內(nèi)嚴格按圖紙集裝，可保證平臺的統(tǒng)一性、美觀性。

本文將對用于國外某大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的主軸密封水平臺的組成、功能等進行介紹。

1 主軸密封水平臺的組成

主軸密封水平臺由雙聯(lián)過濾器、調壓閥、二位二通電磁閥、節(jié)流閥、單向閥、電磁流量計、壓力變送器、壓力開關、壓力表、蝶閥、電接點式差壓表、端子箱等組成。所有元器件集裝于一個長2 450 mm、寬1 150 mm的平臺上。其主要部件將在下文詳述。

在布置上，主軸密封水平臺的左右側共設置了3對成對法蘭用于用戶外接管，并在雙聯(lián)過濾器下部為用戶提供了2對成對法蘭接口，用于外接用戶自購的全自動過濾器或其他形式過濾器。在平臺上設置有漏水收集功能，可對檢修，維護時的漏水進行收集，并可操作排水閥排出積水。在該平臺上還設置有接地連接器，用于將平臺可靠接地以保護人員安全。該平臺布置圖如圖1所示。

圖1 主軸密封水平臺布置圖

1.1 雙聯(lián)過濾器

為保證進入水輪機工作密封的壓力水清潔，除了保證平臺供水的清潔度以外，還必須保證平臺上的最后一道過濾處理，因為大多數(shù)水輪機密封供水來自機組技術供水，其過濾精度低，如果不作處理直接使用，將加速密封的磨損，大大縮短密封的使用年限。為滿足要求，選擇了國外質量上乘的雙聯(lián)過濾器，該過濾器共兩個工作腔，每個工作腔內(nèi)均設置有不銹鋼濾網(wǎng)，其過濾精度高、工作可靠、壓力損失小、阻塞報警可靠、結構緊湊，并可實現(xiàn)無擾動切換，即在不影響過濾器后的流量的情況下，過濾器的工作腔可自由的由左腔切換至右腔，或者由右腔切換至左腔，可實現(xiàn)在線式更換濾網(wǎng)，即在不影響機組運行的情況下，將工作腔切換至無阻塞的腔，更換或清洗已阻塞腔的濾網(wǎng)。

雙聯(lián)過濾器主要技術參數(shù):

過濾精度 50 μm

公稱壓力 1.6 MPa

額定流量 9 m3/h

通徑 DN50 mm

壓力損失 0.008 MPa

設計溫度 50℃

1.2 調壓閥

因主軸密封水進水壓力一致，大約為0.7 MPa，而分配給水輪機工作密封的潤滑水和壓力水壓力不一致，該處水輪機要求的潤滑水壓力＞0.3 MPa，壓力水為0.2 MPa，這就需要對潤滑水和壓力水分別進行壓力調節(jié)，而且因壓力水受供水壓力的波動和供水管道壓力損失的影響，實際到主軸密封水平臺的進水壓力可能與要求的進水壓力有波動，如果采用傳統(tǒng)的節(jié)流閥，對壓力水僅進行單純的恒定的節(jié)流來調節(jié)壓力，將不能滿足要求。

為滿足水輪機工作密封對密封水壓力的要求，在平臺上設置了兩個調壓閥，分別調節(jié)潤滑水和壓力水的壓力。該處調壓閥采用國外進口先導式自動控制調壓閥，無論如何改變閥前壓力或所需流量，均能保證其閥后的壓力恒定，而且壓力值設定完后，自動靠水介質本身的能量調節(jié)，無需電源。該調壓閥采用先進，獨特的Y型閥體設計過流量比其它閥門大25%，壓力損失小;設計結構具有較強抗汽蝕能力，無運動磨損，噪音低，且無需潤滑;Y型的閥體使其對泥沙淤積不敏感，由特殊材質密封，保證零泄漏;一點定位，無支撐桿，避免雜物纏繞;維護簡便，執(zhí)行機構可整體拆卸;獨特雙腔室設計提供優(yōu)良的緩閉性能使其在工作中能有效地防止水錘。

調壓閥主要技術參數(shù):

公稱壓力 1 MPa

通徑 DN40 mm

閥體 Y型與角型

工作溫度范圍 最高80℃

1.3 端子箱

為便于現(xiàn)場接線和控制，該平臺上安裝有端子箱，平臺上所有元器件電纜均通過電纜軟管或鍍鋅鋼管接線至該端子箱，用戶僅需將控制和信號電纜通過電纜橋架接至端子箱，而不用接至各個元器件，可大大縮短現(xiàn)場的接線和調試工期，并保證了現(xiàn)場電纜布置的美觀、整潔。該端子箱內(nèi)配置了空氣開關、照明燈、門控開關、檢修維護插座、溫度控制器、除濕電加熱器、接地母排、接線端子等元器件，可實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境溫度自動啟動、停止電加熱器，以保護端子箱內(nèi)的電氣元器件，箱內(nèi)照明燈可根據(jù)箱門的開啟狀態(tài)點亮、熄滅。

1.4 其他控制元件

其他控制元件如二位二通電磁閥采用國外品牌產(chǎn)品，可實現(xiàn)快速啟閉并可靠復位;蝶閥采用國外對夾式蝶閥，該類閥門與法蘭式蝶閥相比，結構緊湊、安裝空間小、可雙向完全密封、特別適用于低壓系統(tǒng);節(jié)流閥和單向閥采用國內(nèi)優(yōu)質品牌，以保證平臺整體控制性能。

1.5 其他測量元件

其它測量元件如電磁流量計、壓力變送器、壓力開關、壓力表、電接點式差壓表均采用國外品牌產(chǎn)品，可實現(xiàn)對密封水的流量、壓力、過濾器阻塞的監(jiān)視及報警。其中流量監(jiān)視采用在線式電磁流量計，采用法拉利電磁感應原理設計，測量精度可達0.5%，帶數(shù)字顯示，可切換顯示瞬時流量、累積流量，帶4～20 mA電流輸出和開關繼電器報警輸出。

2 主軸密封水平臺的功能

該主軸密封水平臺應用于國外某大型燈泡貫流式水輪機主軸密封系統(tǒng)，為水輪機主軸工作密封提供潤滑水和壓力水。其系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 主軸密封水平臺系統(tǒng)圖

2.1 主軸工作密封潤滑水控制

主軸工作密封潤滑水控制組成，如圖2為雙聯(lián)過濾器WF2501、單向閥CV2501、節(jié)流閥TV2501、調節(jié)閥 PCV2501、電磁流量計 FIT/FSL2501、壓力表PI2501～03、電接點式差壓表PDSH/PDSHH2501及蝶閥、儀表閥。

在主軸密封水平臺投入使用前，將蝶閥V2502和V2503打開，關閉蝶閥V2504和V2505，將所有的儀表閥 V2501、TMV2501、V2506、V2507、V2509、V2510、V2511打開。

當機組開機繼電器動作時，由用戶提供壓力在0.7MPa的密封水，該密封水經(jīng)過雙聯(lián)過濾器WF2501精密過濾后，至單向閥CV2501，當進水壓力大于單向閥的開啟壓力打開單向閥CV2501，密封水進入節(jié)流閥TV2501，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降低密封水壓力后，密封水進入調壓閥PCV2501，調壓閥將密封水壓力調節(jié)至穩(wěn)定壓力，再進入電磁流量計FIT/FSL2501，最后進入水輪機主軸徑向密封(即為主軸密封提供潤滑水)，此時壓力表PI2501、PI2502、PI2503將指示相應壓力，電磁流量計FIT/FSL2501將實時顯示流量并遠傳給機組監(jiān)控系統(tǒng)。

當機組轉速下降至零，用戶切斷進入主軸密封水平臺的水源，從而切斷密封水進入水輪機主軸徑向密封(即切斷主軸密封潤滑水)，此時壓力表PI2501、PI2502、PI2503指示消失，電磁流量計FIT/FSL2501動作給機組監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出流量低報警信號。

2.2 主軸工作密封壓力水控制

主軸工作密封壓力水控制組成，如圖2為雙聯(lián)過濾器WF2501、單向閥CV2502、調節(jié)閥PCV2502、電磁閥EV2501/02、電磁流量計FIT/FSL2502、壓力變送器 PT2501、壓力開關 PSH/PSL2501、壓力表PI2501/02 PI2505、電接點式差壓表 PDSH/PDSHH2501及蝶閥、儀表閥。

在主軸密封水平臺投入使用前，將蝶閥V2502和V2503打開，關閉蝶閥V2504和V2505，將所有的儀表閥 V2501、TMV2501、V2506、V2507、V2509、V2510、V2511打開。

當機組開機繼電器動作時，由用戶提供壓力在0.7MPa的密封水，由機組監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出打開電磁閥EV2502的信號(該電磁閥為單線圈、常閉閥，要求:信號長時間閉合)，該密封水經(jīng)過雙聯(lián)過濾器WF2501精密過濾后，至單向閥CV2502，當進水壓力大于單向閥的開啟壓力打開單向閥CV2502，密封水進入電磁閥EV2502(調壓閥PCV2502的旁通閥)和調壓閥PCV2502，再進入常開電磁閥EV2501，經(jīng)過電磁流量計FIT/FSL2502，最后進入水輪機主軸軸向密封(即為主軸密封提供壓力水)，此時壓力表PI2501、PI2502、PI2505將指示相應壓力，電磁流量計FIT/FSL2502將實時顯示流量并遠傳給機組監(jiān)控系統(tǒng)，壓力變送器PT2501輸出與壓力相應的電流信號給機組監(jiān)控系統(tǒng)，壓力開關PSH/PSL2501動作并發(fā)報警信號給機組監(jiān)控系統(tǒng);當機組轉速上升至100%額定轉速時，由機組監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出關閉電磁閥EV2502的信號，即斷開之前發(fā)出的打開信號，電磁閥EV2502復位至常閉位，此時主軸密封壓力水由調壓閥PCV2502調節(jié)至穩(wěn)定壓力。

當機組停機繼電器動作時，由機組監(jiān)控系統(tǒng)同時發(fā)出關閉電磁閥EV2501(該電磁閥為單線圈、常開閥，要求:信號長時間閉合)和打開主軸密封壓力水排水電磁閥EV2503(該電磁閥安裝于主軸密封壓力水排水管，未安裝于該平臺上且為單線圈、常閉閥，要求:信號長時間閉合)的信號，切斷密封水進入主軸軸向密封，并通過壓力水排水電磁閥EV2503將主軸軸向密封壓力水排出，壓力表PI2505指示消失，電磁流量計FIT/FSL2502動作給機組監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出流量低報警信號，壓力開關PSH/PSL2501動作給機組監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出壓力低報警信號;當機組轉速下降至0，用戶切斷進入主軸密封水平臺的水源，壓力表PI2501、PI2502指示均消失，當機組轉速下降至0并延時一定時間后，由機組監(jiān)控系統(tǒng)同時發(fā)出打開電磁閥EV2501(即斷開之前發(fā)出的關閉信號，電磁閥EV2501復位至常開位)和關閉主軸密封壓力水排水電磁閥EV2503(即斷開之前發(fā)出的打開信號，電磁閥EV2503復位至常閉位)的信號。

該平臺上安裝的雙聯(lián)過濾器，可實現(xiàn)無擾動切換，當 WF2501的電接點式差壓表 PDSH/PDSHH2501動作給機組監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出過濾器阻塞報警信號時，可操作雙聯(lián)過濾器上的手柄實現(xiàn)工作腔切換，若左腔阻塞，可將手柄置于右位，過濾器后的流量無變化，不影響機組運行，并可直接拆洗左腔。過濾器手柄位置與工作腔關系:當手柄處于中間位置時，過濾器左右腔均工作，當手柄處于左位時，過濾器左腔工作，當手柄處于右位時，過濾器右腔工作。

3 結語

主軸密封水平臺，集裝了主軸密封潤滑水和主軸密封壓力水控制系統(tǒng)的所有控制元件、測量元件和接線端子箱，滿足機組控制和安全運行的要求，安裝、調試、維護均十分方便。

該主軸密封水平臺將應用于國外某大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，現(xiàn)該項目的1號～5號機的主軸密封水平臺均已在工廠組裝、實驗、調試完成并通過用戶驗收。