特高壓換流閥內(nèi)冷主泵機(jī)械密封滲漏原因及對(duì)策

陳 俞

（國網(wǎng)四川電力送變電建設(shè)有限公司，四川成都 610051）

0 引言

特高壓輸電已經(jīng)成為配電網(wǎng)建設(shè)的重要發(fā)展方向，我國也投入了較大精力進(jìn)行特高壓系統(tǒng)建設(shè)。在特高壓輸電系統(tǒng)中，換流閥是最主要的設(shè)備之一，但是受到高電壓影響，換流閥運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，對(duì)于換流閥的正常使用造成較大影響，特別是換流閥中的閥冷系統(tǒng)更是容易受到外部因素的影響而發(fā)生故障，從而造成換流閥無法正常工作，因此確保閥冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。主泵是閥冷系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，是確保整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。但是主泵的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)于精度的要求較高，所以應(yīng)用不當(dāng)或者長期運(yùn)行容易產(chǎn)生磨損而發(fā)生機(jī)械滲漏，從而對(duì)閥冷系統(tǒng)甚至整個(gè)換流閥造成影響。基于此，需要對(duì)換流閥內(nèi)冷主泵機(jī)械密封滲漏的原因進(jìn)行分析，同時(shí)采取有針對(duì)性的對(duì)策進(jìn)行處理，避免對(duì)換流站造成影響。

1 特高壓換流閥內(nèi)冷主泵概述

特高壓輸電系統(tǒng)中換流閥的閥冷系統(tǒng)能夠確保閥體溫度始終處于正常狀態(tài)，按照結(jié)構(gòu)和功能的差異可以將閥冷系統(tǒng)分成外冷系統(tǒng)和內(nèi)冷系統(tǒng)。其中內(nèi)冷系統(tǒng)屬于密封循環(huán)系統(tǒng)，主要包括主循環(huán)冷卻回路、氮?dú)夥€(wěn)壓系統(tǒng)、去離子系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、換流閥冷卻水回路等部分，內(nèi)冷系統(tǒng)利用主泵可以將循環(huán)水輸送到換流閥內(nèi)部，吸收閥內(nèi)熱量之后經(jīng)過外冷系統(tǒng)冷卻，進(jìn)行再次的冷卻循環(huán)[1]。

1.1 主泵的類型

換流閥內(nèi)冷主泵主要采用是葉片泵，葉片泵可以分為軸流泵、斜流泵、離心泵等。不同類型的泵具有不同特點(diǎn)，例如，軸流泵具有較高的轉(zhuǎn)速和較大的流量，但其揚(yáng)程相對(duì)有限（＜15 m），同時(shí)運(yùn)行效率較低，所以應(yīng)用場(chǎng)合有限；斜流泵需要較深的吸水井才能夠運(yùn)行，所以很難安裝在主廠房內(nèi)；離心泵體積較小且揚(yáng)程較高，可以在較小流量情況下運(yùn)行，具有較強(qiáng)的抗氣體腐蝕性，更便于維護(hù)保養(yǎng)，使用壽命較長，完全可以達(dá)到內(nèi)冷主泵的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，因此，內(nèi)冷主泵更多采用離心泵。

1.2 內(nèi)冷主泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)主泵采用的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)主要是通過一對(duì)或者多對(duì)靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組成，動(dòng)環(huán)相對(duì)于靜環(huán)進(jìn)行滑動(dòng)，受到流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力作用始終保持良好的端面貼合，再加上輔助元件的作用最終實(shí)現(xiàn)密封。

其中，靜環(huán)固定在設(shè)備的殼體、壓蓋、法蘭等位置，通過密封端面來阻止冷卻水的滲漏，而動(dòng)環(huán)則隨著主泵的旋轉(zhuǎn)軸共同旋轉(zhuǎn)，在冷卻水壓力和彈簧力的作用下確保動(dòng)環(huán)和靜環(huán)密封端面的貼合以及相對(duì)滑動(dòng)。為了避免冷卻水在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的間隙滲漏，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)都設(shè)置有密封圈。同時(shí)，為了避免由于運(yùn)行時(shí)磨合面溫度上升以及冷卻水腐蝕的影響而造成滲漏，需要在內(nèi)冷主泵的出口導(dǎo)出一根水管，主要用于對(duì)機(jī)械密封面進(jìn)行沖洗降溫[2]。主泵屬于動(dòng)力設(shè)備行列，所以其密封主要采取接觸密封的方式。不同類型接觸密封措施如表1所示。

表1 不同類型接觸密封措施

2 含沖洗管內(nèi)冷主泵機(jī)械密封滲漏研究

2.1 含沖洗管內(nèi)冷主泵機(jī)械密封滲漏的危害

從現(xiàn)階段來看，為了避免高溫的影響，換流閥內(nèi)冷主泵往往會(huì)采取自沖洗的方式來對(duì)機(jī)械密封面進(jìn)行清洗，同時(shí)也能夠起到降溫的作用。沖洗水體主要是利用連接管從主泵出口處導(dǎo)入泵體的密封腔進(jìn)行沖洗。具體采用多大的沖洗量進(jìn)行機(jī)械密封清洗是很難直接計(jì)算的，因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往利用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行預(yù)估，確保冷卻水工作在層流以及湍流的臨界狀態(tài)下，但是此種方式往往會(huì)由于流速設(shè)定不合理而造成內(nèi)冷主泵機(jī)械密封發(fā)生滲漏。一旦機(jī)械密封發(fā)生滲漏就會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的危害，主要包括以下5個(gè)方面。

（1）會(huì)導(dǎo)致內(nèi)冷主泵發(fā)生更多的故障，對(duì)于閥冷系統(tǒng)正常運(yùn)行造成較大影響，最終影響換流閥的正常運(yùn)行。

（2）由于靜環(huán)的表層長時(shí)間受到?jīng)_洗，所以其表面的坡口容易造成損壞，從而導(dǎo)致動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間的摩擦系數(shù)有所增加，對(duì)主泵的性能造成影響。

（3）長期循環(huán)運(yùn)行容易將某些雜質(zhì)帶到閥冷系統(tǒng)當(dāng)中，這就會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)無法滿足運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，最終對(duì)冷卻效果造成較大影響。

（4）長期運(yùn)行會(huì)在機(jī)械密封面產(chǎn)生污物堆積，影響密封性能以及使用壽命。

（5）機(jī)械密封面無法有效降溫，過高的溫度導(dǎo)致機(jī)械密封壽命縮短。

2.2 含沖洗管內(nèi)冷主泵機(jī)械密封滲漏的原因

（1）沖洗管的進(jìn)出口存在比較大的壓力差，靜環(huán)表層長時(shí)間受到高壓水流的沖擊。若是主泵出水的水壓比較高并且沖洗管出口的水壓較低，那么就會(huì)造成沖洗管進(jìn)出口存在較大的壓差，這樣就在機(jī)械密封冷卻水管安裝位置形成高壓沖洗水流，此高壓水流對(duì)靜環(huán)表層的長期沖擊就會(huì)形成坡口損傷，從而引發(fā)機(jī)械密封的滲漏。

（2）冷卻水并非規(guī)則性流動(dòng)，同時(shí)存在較高的流態(tài)壓力。隨著冷卻水壓力升高以及流量的增加，冷卻水就會(huì)變成湍流狀態(tài)，此時(shí)會(huì)有比較高的能量，此種能量長期作用在機(jī)械密封表層必然會(huì)對(duì)其造成破壞。

（3）相應(yīng)部件問題造成的密封失效。①機(jī)械密封圈失效。密封圈失效是造成滲漏最根本的問題之一，密封圈長期使用會(huì)造成橡膠的老化變形，其表面會(huì)產(chǎn)生疏松以及毛糙等情況，失去應(yīng)有的彈性，無法正常工作，但是密封圈失效并不會(huì)造成快速的滲漏問題。②固定螺母發(fā)生松動(dòng)。機(jī)械密封動(dòng)環(huán)座需要通過螺母進(jìn)行固定，在螺母安裝初期需要對(duì)其進(jìn)行必要的緊固，但是在主泵運(yùn)行過程中受到水錘作用的影響會(huì)造成主泵內(nèi)部壓力遠(yuǎn)超外部壓力，這就會(huì)造成主泵運(yùn)行過程中機(jī)械密封動(dòng)環(huán)座不平衡的情況，受到內(nèi)外壓力不均衡的影響而破壞水膜，從而引發(fā)滲漏問題[3]。③彈簧彈性不滿足標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械密封的內(nèi)部會(huì)設(shè)置彈簧來實(shí)現(xiàn)緩沖補(bǔ)償，這些彈簧在主泵啟動(dòng)以及運(yùn)行過程中受到較大壓力，特別是在主泵啟動(dòng)過程中受到較大扭矩的影響而導(dǎo)致彈簧的彈力發(fā)生偏差，從而造成內(nèi)外的壓力不均衡而將水膜破壞，進(jìn)而引發(fā)滲漏的問題。

（4）動(dòng)環(huán)和靜環(huán)平面磨損。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)平面一旦發(fā)生磨損就會(huì)造成兩者無法緊密貼合，從而產(chǎn)生滲漏問題。造成動(dòng)靜環(huán)平面磨損的原因較多，主要包括以下5個(gè)方面：①安裝的問題。設(shè)備安裝過程中容易產(chǎn)生過緊、過松或者不平的情況，或在安裝過程中造成某些零部件的破損等，引發(fā)安裝問題。此種情況下將機(jī)械密封拆除后都會(huì)發(fā)現(xiàn)磨損的情況，表現(xiàn)為發(fā)黑、燒焦、劃痕等現(xiàn)象。②主泵基座的異常。主泵基座方面的問題（如基礎(chǔ)固定螺栓松動(dòng)、緊固力矩不平衡、支撐部件剛性不足等）會(huì)導(dǎo)致主泵運(yùn)行中的振動(dòng)，也可能因?yàn)榛駝?dòng)異常而造成振動(dòng)的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致機(jī)械密封發(fā)生滲漏。③主泵的進(jìn)出口膨脹節(jié)補(bǔ)償器安裝不標(biāo)準(zhǔn)。膨脹節(jié)補(bǔ)償器安裝時(shí)不夠標(biāo)準(zhǔn)，造成對(duì)角偏差較大，從而導(dǎo)致主泵啟動(dòng)以及運(yùn)行過程中機(jī)械密封位置產(chǎn)生受力異常。④水質(zhì)較差，含有顆粒造成磨損。水體中含有雜質(zhì)顆粒，顆粒容易引發(fā)機(jī)械密封平面出現(xiàn)溝槽或者環(huán)溝等問題。⑤氣蝕干磨。對(duì)主泵進(jìn)行檢修時(shí)容易在進(jìn)水管以及泵腔內(nèi)部引入空氣，在主泵啟動(dòng)之后隨著機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)速度較高發(fā)生摩擦而產(chǎn)生高溫，長久運(yùn)行就會(huì)引發(fā)機(jī)械密封干磨失效的情況。主泵的進(jìn)出水口主要采取的是“漏斗型管路+波紋管補(bǔ)償器”的方式，主泵啟動(dòng)工作之后會(huì)造成漏斗型進(jìn)出口水流量存在差異，這樣就會(huì)在主泵的泵腔內(nèi)部形成氣腔，從而出現(xiàn)水泵氣蝕的情況，導(dǎo)致主泵機(jī)械密封發(fā)生滲漏。因此要盡可能采取軟啟動(dòng)的方式來啟動(dòng)主泵，在正常工況下盡量避免主泵工頻啟動(dòng)，降低機(jī)封滲水的概率[4]。

2.3 含沖洗管內(nèi)冷主泵機(jī)械密封防滲漏措施

為了確保主泵在運(yùn)行時(shí)會(huì)在動(dòng)靜環(huán)密封面之間始終保持著良好的潤滑狀態(tài)，同時(shí)要確保機(jī)械密封所用的冷卻水可以進(jìn)行充分循環(huán)，能夠?qū)a(chǎn)生的熱量帶走，避免發(fā)生機(jī)械密封滲漏的情況，可以采取以下4個(gè)方面的防滲漏措施。

（1）為了有效減小冷卻水的進(jìn)口壓力，可以在沖洗水管上設(shè)置壓力調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行必要的壓力調(diào)節(jié)，從而降低沖洗管進(jìn)出口的壓力差，這樣就可以有效減小機(jī)械密封冷卻水管安裝位置沖洗水流的壓力，削弱水流對(duì)于靜環(huán)表面的沖擊，降低靜環(huán)表層的破損性，減緩機(jī)械密封滲漏的可能性。

（2）為了能夠?qū)_洗管內(nèi)部水體壓力進(jìn)行有效監(jiān)控，需要在沖洗管的減壓設(shè)備上安設(shè)壓力表，這樣就可以確?？刂茮_洗管內(nèi)部冷卻水流，將其從湍流轉(zhuǎn)變成為層流，從而減小冷卻水的能量沖擊，這樣就能夠減少冷卻水對(duì)于機(jī)械密封產(chǎn)生的侵蝕。

（3）要對(duì)冷卻系統(tǒng)用水進(jìn)行必要的過濾，從而去除內(nèi)部顆粒。也可以采用純凈水作為冷卻系統(tǒng)用水，從而降低內(nèi)部顆粒對(duì)于機(jī)械密封面的侵蝕。

（4）要對(duì)主泵地腳螺栓的緊固性、泵中心與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的匹配性、轉(zhuǎn)子和定子的同心性等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行定期檢查，始終保持其滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3 換流閥內(nèi)冷主泵機(jī)械密封措施應(yīng)用

3.1 工程基本概況

某特高壓直流輸電工程換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)主泵采取的是集裝式機(jī)械密封的形式。為了能夠?qū)⒅鞅贸隹诘乃w引入主泵機(jī)械密封的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)靜環(huán)的沖洗以及冷卻，因此在主泵的出口位置設(shè)置了冷卻水管。自從換流閥應(yīng)用以來整體運(yùn)行良好，但是其內(nèi)冷主泵在經(jīng)過長期的運(yùn)行之后在機(jī)械密封的靜環(huán)表層產(chǎn)生了損傷坡口的情況，從而造成水體頻繁發(fā)生滲漏。受制于具體工況，在機(jī)械密封發(fā)生滲漏情況后只能在線對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行更換。在更換機(jī)械密封時(shí)要確保故障主泵停止運(yùn)行，這時(shí)閥冷系統(tǒng)只有一臺(tái)主泵在運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)并不具有冗余性能，一旦運(yùn)行中的主泵產(chǎn)生故障而造成停機(jī)就會(huì)直接造成整個(gè)電力系統(tǒng)故障停運(yùn)[5]。

3.2 具體解決措施

經(jīng)過分析得知此機(jī)械密封發(fā)生滲漏的根本原因在于冷卻水的流體不合理，針對(duì)此情況需要對(duì)沖洗管實(shí)施必要的優(yōu)化改造。

（1）需要在沖洗管管路上設(shè)置節(jié)流閥以便能夠?qū)軆?nèi)冷卻水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（2）需要在沖洗管上設(shè)置流體流線調(diào)節(jié)器，以此來將湍流水頭能量吸收，確保流體流線的一致性。通過對(duì)水體能量的控制能夠減小對(duì)機(jī)械密封造成的危害。

（3）為了能夠更加便利地更換相應(yīng)部件，要通過卡套接頭對(duì)壓力調(diào)節(jié)閥以及流線調(diào)節(jié)器進(jìn)行連接。為了能夠監(jiān)視調(diào)節(jié)壓力，要在流線調(diào)節(jié)器上設(shè)置直讀式壓力表。為了明確調(diào)節(jié)的壓力，將雷諾數(shù)設(shè)定為2400~4000（此時(shí)流體處在層流、湍流的臨界狀態(tài)）來進(jìn)行冷卻水流速以及壓差的計(jì)算。

在經(jīng)過上述優(yōu)化改造后，此換流閥無論是在主泵機(jī)械密封滲漏頻次還是在運(yùn)維成本方面多有明顯的下降，從而延長了主泵的使用壽命，也能夠減少備件的更換次數(shù)，提升了閥冷系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié)語

特高壓換流閥的閥冷系統(tǒng)非常關(guān)鍵，對(duì)于確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行具有重要作用。本文主要對(duì)換流閥內(nèi)冷主泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，并且分析了其機(jī)械密封滲漏的原因，在此基礎(chǔ)上提出了有針對(duì)性的防滲漏措施，同時(shí)在實(shí)際工程中對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，表明了措施的有效性。通過本文的介紹能夠?qū)μ馗邏簱Q流閥內(nèi)主泵機(jī)械密封滲漏的防范起到參考作用，對(duì)于推動(dòng)特高壓發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。