水轮机主轴密封水平台的研制

谢 俊，郭跃川，葛少锋，权君宗

(东方电机有限公司，四川省德阳 618000)

0 引言

水轮机主轴密封是水轮机的一项重要保护，它装在水导轴承的下面，以防止压力水从主轴和顶盖(或支持盖)之间渗漏到机坑内，淹没水导轴承，破坏水导轴承的工作，影响机组的运行。按水轮机主轴密封的工作性质可以分为检修密封和工作密封。检修密封是水轮机停机、检修时使用，现大多数检修密封运用空气围带检修密封。工作密封是水轮机运行时使用，按其密封结构型式可分为平板密封、径向密封、盘根密封和端面密封等，无论以上哪种密封结构型式，其工作的首要条件是必须为其提供可靠的压力恒定的清洁水。

如何为水轮机工作密封提供可靠的压力恒定的清洁水成为水轮机自动化控制系统的关键技术之一，该系统在工程上简称为主轴密封水控制系统。目前主轴密封水控制系统均为发散件到工地组装，因其控制理念、元器件质量、工地加工、装配、试验的局限性等诸多原因将无法保证主轴密封水控制系统的整体质量，也不能满足用户对控制系统越来越高的要求。针对这一现状，我公司开发研制了一种新型的集成式水轮机主轴密封水控制系统-主轴密封水平台，其与原有控制系统相比有如下优点:

1)先进的控制理念，独立控制主轴轴向密封水和径向密封水，即独立提供润滑水和压力水，而原有控制理念仅控制一路密封水供轴向密封和径向密封共同使用。

2)控制系统所有的控制元件、测量元件和接线端子箱集装于一个平台并进行相应的密封试验和调试，无需工地加工、装配、试验，最大限度减少工地安装工作及时间，并提升了整体控制性能以及经济性能。

3)平台可实现漏水收集、排出功能，并可实现平台整体接地功能。

4)平台尺寸仅长2 450 mm、宽1 150 mm，结构紧凑，工地所需的安装布置空间少，而且厂内严格按图纸集装，可保证平台的统一性、美观性。

本文将对用于国外某大型灯泡贯流式水轮发电机组的主轴密封水平台的组成、功能等进行介绍。

1 主轴密封水平台的组成

主轴密封水平台由双联过滤器、调压阀、二位二通电磁阀、节流阀、单向阀、电磁流量计、压力变送器、压力开关、压力表、蝶阀、电接点式差压表、端子箱等组成。所有元器件集装于一个长2 450 mm、宽1 150 mm的平台上。其主要部件将在下文详述。

在布置上，主轴密封水平台的左右侧共设置了3对成对法兰用于用户外接管，并在双联过滤器下部为用户提供了2对成对法兰接口，用于外接用户自购的全自动过滤器或其他形式过滤器。在平台上设置有漏水收集功能，可对检修，维护时的漏水进行收集，并可操作排水阀排出积水。在该平台上还设置有接地连接器，用于将平台可靠接地以保护人员安全。该平台布置图如图1所示。

图1 主轴密封水平台布置图

1.1 双联过滤器

为保证进入水轮机工作密封的压力水清洁，除了保证平台供水的清洁度以外，还必须保证平台上的最后一道过滤处理，因为大多数水轮机密封供水来自机组技术供水，其过滤精度低，如果不作处理直接使用，将加速密封的磨损，大大缩短密封的使用年限。为满足要求，选择了国外质量上乘的双联过滤器，该过滤器共两个工作腔，每个工作腔内均设置有不锈钢滤网，其过滤精度高、工作可靠、压力损失小、阻塞报警可靠、结构紧凑，并可实现无扰动切换，即在不影响过滤器后的流量的情况下，过滤器的工作腔可自由的由左腔切换至右腔，或者由右腔切换至左腔，可实现在线式更换滤网，即在不影响机组运行的情况下，将工作腔切换至无阻塞的腔，更换或清洗已阻塞腔的滤网。

双联过滤器主要技术参数:

过滤精度 50 μm

公称压力 1.6 MPa

额定流量 9 m3/h

通径 DN50 mm

压力损失 0.008 MPa

设计温度 50℃

1.2 调压阀

因主轴密封水进水压力一致，大约为0.7 MPa，而分配给水轮机工作密封的润滑水和压力水压力不一致，该处水轮机要求的润滑水压力＞0.3 MPa，压力水为0.2 MPa，这就需要对润滑水和压力水分别进行压力调节，而且因压力水受供水压力的波动和供水管道压力损失的影响，实际到主轴密封水平台的进水压力可能与要求的进水压力有波动，如果采用传统的节流阀，对压力水仅进行单纯的恒定的节流来调节压力，将不能满足要求。

为满足水轮机工作密封对密封水压力的要求，在平台上设置了两个调压阀，分别调节润滑水和压力水的压力。该处调压阀采用国外进口先导式自动控制调压阀，无论如何改变阀前压力或所需流量，均能保证其阀后的压力恒定，而且压力值设定完后，自动靠水介质本身的能量调节，无需电源。该调压阀采用先进，独特的Y型阀体设计过流量比其它阀门大25%，压力损失小;设计结构具有较强抗汽蚀能力，无运动磨损，噪音低，且无需润滑;Y型的阀体使其对泥沙淤积不敏感，由特殊材质密封，保证零泄漏;一点定位，无支撑杆，避免杂物缠绕;维护简便，执行机构可整体拆卸;独特双腔室设计提供优良的缓闭性能使其在工作中能有效地防止水锤。

调压阀主要技术参数:

公称压力 1 MPa

通径 DN40 mm

阀体 Y型与角型

工作温度范围 最高80℃

1.3 端子箱

为便于现场接线和控制，该平台上安装有端子箱，平台上所有元器件电缆均通过电缆软管或镀锌钢管接线至该端子箱，用户仅需将控制和信号电缆通过电缆桥架接至端子箱，而不用接至各个元器件，可大大缩短现场的接线和调试工期，并保证了现场电缆布置的美观、整洁。该端子箱内配置了空气开关、照明灯、门控开关、检修维护插座、温度控制器、除湿电加热器、接地母排、接线端子等元器件，可实现根据环境温度自动启动、停止电加热器，以保护端子箱内的电气元器件，箱内照明灯可根据箱门的开启状态点亮、熄灭。

1.4 其他控制元件

其他控制元件如二位二通电磁阀采用国外品牌产品，可实现快速启闭并可靠复位;蝶阀采用国外对夹式蝶阀，该类阀门与法兰式蝶阀相比，结构紧凑、安装空间小、可双向完全密封、特别适用于低压系统;节流阀和单向阀采用国内优质品牌，以保证平台整体控制性能。

1.5 其他测量元件

其它测量元件如电磁流量计、压力变送器、压力开关、压力表、电接点式差压表均采用国外品牌产品，可实现对密封水的流量、压力、过滤器阻塞的监视及报警。其中流量监视采用在线式电磁流量计，采用法拉利电磁感应原理设计，测量精度可达0.5%，带数字显示，可切换显示瞬时流量、累积流量，带4～20 mA电流输出和开关继电器报警输出。

2 主轴密封水平台的功能

该主轴密封水平台应用于国外某大型灯泡贯流式水轮机主轴密封系统，为水轮机主轴工作密封提供润滑水和压力水。其系统图如图2所示。

图2 主轴密封水平台系统图

2.1 主轴工作密封润滑水控制

主轴工作密封润滑水控制组成，如图2为双联过滤器WF2501、单向阀CV2501、节流阀TV2501、调节阀 PCV2501、电磁流量计 FIT/FSL2501、压力表PI2501～03、电接点式差压表PDSH/PDSHH2501及蝶阀、仪表阀。

在主轴密封水平台投入使用前，将蝶阀V2502和V2503打开，关闭蝶阀V2504和V2505，将所有的仪表阀 V2501、TMV2501、V2506、V2507、V2509、V2510、V2511打开。

当机组开机继电器动作时，由用户提供压力在0.7MPa的密封水，该密封水经过双联过滤器WF2501精密过滤后，至单向阀CV2501，当进水压力大于单向阀的开启压力打开单向阀CV2501，密封水进入节流阀TV2501，经过节流阀节流降低密封水压力后，密封水进入调压阀PCV2501，调压阀将密封水压力调节至稳定压力，再进入电磁流量计FIT/FSL2501，最后进入水轮机主轴径向密封(即为主轴密封提供润滑水)，此时压力表PI2501、PI2502、PI2503将指示相应压力，电磁流量计FIT/FSL2501将实时显示流量并远传给机组监控系统。

当机组转速下降至零，用户切断进入主轴密封水平台的水源，从而切断密封水进入水轮机主轴径向密封(即切断主轴密封润滑水)，此时压力表PI2501、PI2502、PI2503指示消失，电磁流量计FIT/FSL2501动作给机组监控系统发出流量低报警信号。

2.2 主轴工作密封压力水控制

主轴工作密封压力水控制组成，如图2为双联过滤器WF2501、单向阀CV2502、调节阀PCV2502、电磁阀EV2501/02、电磁流量计FIT/FSL2502、压力变送器 PT2501、压力开关 PSH/PSL2501、压力表PI2501/02 PI2505、电接点式差压表 PDSH/PDSHH2501及蝶阀、仪表阀。

在主轴密封水平台投入使用前，将蝶阀V2502和V2503打开，关闭蝶阀V2504和V2505，将所有的仪表阀 V2501、TMV2501、V2506、V2507、V2509、V2510、V2511打开。

当机组开机继电器动作时，由用户提供压力在0.7MPa的密封水，由机组监控系统发出打开电磁阀EV2502的信号(该电磁阀为单线圈、常闭阀，要求:信号长时间闭合)，该密封水经过双联过滤器WF2501精密过滤后，至单向阀CV2502，当进水压力大于单向阀的开启压力打开单向阀CV2502，密封水进入电磁阀EV2502(调压阀PCV2502的旁通阀)和调压阀PCV2502，再进入常开电磁阀EV2501，经过电磁流量计FIT/FSL2502，最后进入水轮机主轴轴向密封(即为主轴密封提供压力水)，此时压力表PI2501、PI2502、PI2505将指示相应压力，电磁流量计FIT/FSL2502将实时显示流量并远传给机组监控系统，压力变送器PT2501输出与压力相应的电流信号给机组监控系统，压力开关PSH/PSL2501动作并发报警信号给机组监控系统;当机组转速上升至100%额定转速时，由机组监控系统发出关闭电磁阀EV2502的信号，即断开之前发出的打开信号，电磁阀EV2502复位至常闭位，此时主轴密封压力水由调压阀PCV2502调节至稳定压力。

当机组停机继电器动作时，由机组监控系统同时发出关闭电磁阀EV2501(该电磁阀为单线圈、常开阀，要求:信号长时间闭合)和打开主轴密封压力水排水电磁阀EV2503(该电磁阀安装于主轴密封压力水排水管，未安装于该平台上且为单线圈、常闭阀，要求:信号长时间闭合)的信号，切断密封水进入主轴轴向密封，并通过压力水排水电磁阀EV2503将主轴轴向密封压力水排出，压力表PI2505指示消失，电磁流量计FIT/FSL2502动作给机组监控系统发出流量低报警信号，压力开关PSH/PSL2501动作给机组监控系统发出压力低报警信号;当机组转速下降至0，用户切断进入主轴密封水平台的水源，压力表PI2501、PI2502指示均消失，当机组转速下降至0并延时一定时间后，由机组监控系统同时发出打开电磁阀EV2501(即断开之前发出的关闭信号，电磁阀EV2501复位至常开位)和关闭主轴密封压力水排水电磁阀EV2503(即断开之前发出的打开信号，电磁阀EV2503复位至常闭位)的信号。

该平台上安装的双联过滤器，可实现无扰动切换，当 WF2501的电接点式差压表 PDSH/PDSHH2501动作给机组监控系统发出过滤器阻塞报警信号时，可操作双联过滤器上的手柄实现工作腔切换，若左腔阻塞，可将手柄置于右位，过滤器后的流量无变化，不影响机组运行，并可直接拆洗左腔。过滤器手柄位置与工作腔关系:当手柄处于中间位置时，过滤器左右腔均工作，当手柄处于左位时，过滤器左腔工作，当手柄处于右位时，过滤器右腔工作。

3 结语

主轴密封水平台，集装了主轴密封润滑水和主轴密封压力水控制系统的所有控制元件、测量元件和接线端子箱，满足机组控制和安全运行的要求，安装、调试、维护均十分方便。

该主轴密封水平台将应用于国外某大型灯泡贯流式水轮发电机组，现该项目的1号～5号机的主轴密封水平台均已在工厂组装、实验、调试完成并通过用户验收。