李振寻
锦龙电力集团奎屯水电分公司 新疆省奎屯市 833200
摘要：
本文以奎屯河一号水电站密封系统为研究对象，针对一号站机组的特点，主要研究了机组的主轴密封系统和水导密封系统的技术改造，并对两种密封进行了详细讲解阐述：详细介绍了技改的原因、技改的过程、技改的结果以及技改完成前后的各项对比并且分析了技改完成的产生的缺陷及今后继续技改的方向。
关键字：技术改造 主轴密封 水导密封 检修维护
一.简介：
奎屯河位于天山北麓，发源于乌苏市境内的依连哈比尔尕山，流经乌苏、独山子、奎屯等地与四棵树河汇合。目前奎屯河已建成并运行发电的水电站有：奎屯河三级水电站、奎屯河六级水电站、奎屯河七级水电站、奎屯河九级水电站、奎屯河十级水电站、奎屯河一号水电站、奎屯河二号水电站、奎屯河三号水电站等，目前规划在建的水电站有奎屯河一级水电站、奎屯河二级水电站。
因奎屯河属于季节性河流，其中七八九月为丰水期，其水量能保证各站满负荷运行，又因奎屯河河水含沙量大，各站沉砂池正常投入运行不能彻底排沙，水流带着巨大的势能冲击过流部件会造成机组各过流部件、密封系统磨损加速，日常可切换机组运行，检修问题机组，丰水期期间停机检修往往会造成巨大的发电量损失。
其中一号水电站隶属于新疆锦龙电力集团奎屯水电分公司，位于312国道乌苏大桥西侧。共有三台卧式贯流式水轮发电机组（水导轴承位于压力管内部）机组额定水头12米、额定转速300r/min、额定功率1330KW、额定流量12.14m3/s。
本文以一号站为例，主要讲述了主轴密封和水导密封技改的原因、改造的原理过程以及改造的结果和今后技改的方向，并对两种密封进行了详细讲解阐述。
二．技改的原因
针对一号站来说机组密封系统的密封性、完好性往往会成为这一年度丰水期发电量的关键因素，而丰水期的发电量基本决定了本年度的发电量，是决定能否能完成本年度发电任务的关键因素。
一号站密封系统主要有两方面：机组的主轴密封和水导密封两大块。
主轴密封的主要作用:机组运行时会产生少量漏水，这些漏水会沿着主轴与固定部件之间的间隙流出压力管，妨碍其他设备的正常运行，因此必须在主轴上设置止漏密封装置。以防止水乱泚乱溅起，损坏设备。
水导密封的主要作用：水导密封是安装在压力管内水导前部的一种主轴密封，它是水轮机水导轴承的一项重要保护，防止压力水从主轴和支持盖之间渗漏进入水导轴承，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。
一号站经过多年运行，水导密封和主轴密封磨损比较厉害且漏水严重，已对机组正常运行发电产生严重影响，尤其是丰水期发电，机组满负荷运行时已产生严重的安全隐患。更换盘根不能从根本上解决问题，更无法保证丰水期期间的发电。因此水电公司经过多次开会讨论决定对一号站的密封进行升级改造，一次性解决密封漏水问题。
三．技改的过程：
为更好的保障一号站在丰水期期间的正常发电，提高发电量，增产增效，水电公司技术人员对主轴密封和水导密封做了一下改造：
3.1 主轴密封
一号站机组的主轴密封原设计为盘根密封：盘根密封是由底封环、盘根和压盖等部件组成,它主要是靠底封环和压盖压紧套在中间的盘根起到密封作用。盘根依靠外力作用下产生的压缩变形，消除了需要密封的间隙，从而达到密封目的。
特点：盘根密封是一种最常用的水轮机主轴密封型式，结构简单、安装方便、性能可靠，缺点是易损坏，特别是在较高转速或水质较差电站，使用填料密封结构时应经过充分论证。
在实际运行过程中盘根因水质、机组震动等因素损失量较大，造成密封失效且不能有效封水，漏水量增大，集水室（密封体）不能及时有效的排水，造成水流顺着大轴泚出，影响设备的正常运行。针对这一情况，水电公司技术人员根据机组运行状况首先对主轴密封系统进行了一定的升级改造。
主轴密封工作排水过程：密封外部采用甩水环反击阻水和内部使用盘根密封封水，在机组正常运行，从甩水环处流出的泄漏水，通过盘根密封沿大轴进入集水室，集水室上接有排水管。从而将机组运行过程中流出的水排至集水井里面。
改造前的运行情况：机组在改造前的运行中，在每天的巡检中往往要根据密封漏水情况去压紧盘根压板，减少漏水，防止漏水量增大，集水室排水管不能及时排水，造成水花四溅，影响机组正常运行。当压紧盘根不能止水时，就需要停机更换盘根，造成一定的发电量损失。
问题主要原因：简单来说，造成问题的主要原因就是压紧盘根已无法控制漏水量，导致漏水量远大于集水室的排水量，造成集水室压力过大，水流沿着大轴乱泚乱窜。
解决问题的关键在于如何控制减小漏水量或增大出水量，在如何解决问题上我们做了以下努力和尝试：
1．如何减小进水量：
1）调整甩水环间隙从源头控制漏水量
2） 使用大一号、不同材质的盘根
优点：增长了检修周期，有一定的效果。
缺点：1.不能扛过丰水期
2.对主轴有一定的磨损
3.仍然需要压紧盘根，不定时需要更换
2．如何增大出水量：
1）加大加粗集水室排水管，另开一定数量的排水孔
优点：加大了排水量，减小了集水室的压力。有一定的效果，增长了检修周期。
缺点：1）虽然增大了检修周期，但不能扛过丰水期。
2) 漏出的水都排到了集水井，增大了集水井泵的工作压力，增加了厂用电，造成了一定损耗。
经过了一系列改造，虽然都有一定效果，但是漏水问题不能得道根本的解决，技术改造还有很大的空间。
既然增大出水量会给集水井造成一定的压力，并增加厂用电。那么我们就把问题回归到如何控制减小漏水量，从问题源头想方设法解决。如此我们的主要问题就变成了如何控制减小漏水量：
首先我们已经调整了甩水环的间隙，在整个密封体外部已无在控制减小漏水量的方法。甩水环漏水量理论上已经恒定。密封体内部使用合适型号的盘根控制漏水量，可减小漏入集水室的水。
最后能控制漏水量的位置只有集水室（密封座），根据水轮发电机组主轴密封结构，我们最终做出了如下改造：
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改造的说明：
1.根据集水室的大小分割出合适数量的仓室，采用隔板焊接分离。以一号站为例：根据一号站的集水室的尺寸，我们加了两块隔板分割出三个仓室用于改造，隔板的厚度为3mm左右，以满焊的形式焊接在集水室内部。（可根据集水室大小调整密封仓个数，以3-5道为优）
2.在集水室内部每个隔舱增加了密封件，密封件以丁腈橡胶为原料制成抗磨性较好，增长使用寿命，提高密封的止水效果。我们才用了10X10mm的密封件。密封件的长度根据轴选取合适的长度，密封件抱轴后两端不接触，距离控制在3-5mm为优。
3.使用弹性圈（弹簧圈）将密封件固定在主轴上，并根据集水式的宽度调整密封固件的间隙，保证密封件在运行中不剐蹭集水室或少量剐蹭集水室，用于控制漏水量。
4.集水室载装的形式固定在密封壳体，并选用合适的密封圈防止漏水。
5.在实际安装过程中注意控制有一下几个点需要着重注意
1）密封件与集水室的间隙
2) 集水室与主轴的间隙（居中）
3）密封件和弹簧圈涂满黄油
安装完成后，经过经过试运实验发现，主轴密封漏水量明显减少，改造效果明显。
3.2 水导密封的改造：
水导密封是水轮机的一项重要保护，防止压力水从主轴和支持盖之间渗漏进入水导轴承，破坏水导轴承的工作，影响机组的运行。按水轮机水导密封的工作性质可以分为检修密封和工作密封。
检修密封：
检修密封是水轮机在进行检修时候工作的一种密封，在停机或检修水轮机工作密封和水导轴承时需要的一种轴承密封。它防止在尾水位较高或停机时水倒灌进入水导轴承内。
检修密封按其结构型式可以分为空气围带式、机械式和抬机式检修密封。
一号站运用空气围带检修密封。它主要由固定环和橡胶空气围带组成，在工作时向空气围带充入0.7Mpa的空气压力，使空气围带橡皮膨胀，报紧主轴，防止水进入；当开机时，排出空气围带里的压缩气体，使其收缩，让空气围带与主轴之间保持1.5～2mm的间隙。该检修密封结构简单、操作容易、密封效果好。
因在一号实际运行检修工程中，检修密封表现良好，此次不做改造。
一号站水导工作密封属于端面密封。端面密封有机械式和水压式两种。一号站为水压式端面密封它是依靠水压将装有圆形橡胶块的圆盘拖起，使圆形橡胶块和固定在主轴上的不锈刚圆环紧贴起到密封作用。橡胶密封环固定在水机的支持盖上，该种密封结构简单，好调整，但弹簧受力不均匀，容易发生偏卡，磨损，密封性能不稳定。
在实际以运行中因密封性能不稳定，经常导致水导油盆进水，破坏水导轴承工作，影响机组运行，因此，水导工作密封作为此次技术改造的重点。
参考了主流的密封形式根据一号站水导密封的实际情况，我们采用径向密封的方式在改造水导密封。在内部去掉整个水压式端面密封用在安装新的密封
改造的说明：
1. 原理与主轴密封相同
2．集水室内分割为五个仓室，水导密封装有五道密封件
3. 因位置大小等方面因素限制，实际密封件为8X8mm的大小，共五道。
4. 共五道密封体，密封体与隔板的实际间隙一道比一道小，控制漏水量，最后漏出的水从排水管排出。
5.集水室载装的形式固定在密封壳体，并选用合适的密封圈防止漏水。
6.在实际安装过程中注意控制有一下几个点需要着重注意
1）密封件与集水室的间隙（间隙越来越小，控制漏水量）
2) 集水室与主轴的间隙（居中）
3）密封件和弹簧涂满黄油
7.取消了压力水管路。
通过试运行等试验，确认密封效果良好，具备运行条件，正常发电。
四．技改的效果
一号站的主轴密封系统、水导密封系统通过的升级改造与改造前相比提升效果显著，通过的丰水期的考验，与改造前相比：
1.丰水期发电期间漏水量明显减小。
2.漏水量减小，厂用电损耗减小 ，集水井泵压力减小。
3.检修周期延长，仅需非丰水期期间打开密封检查密封件磨损情况即可。
4.有效的减小了检修人员的工作量，提升的设备的完好率。
5.有效的减小了运行人员的工作量
6．月、年发电量提升效果明显。
对于水电站来说，发电量是硬道理。以下是一号站丰水期发电量对比：
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发电量比上年度丰水期提升21.3%,排除奎屯河年度水量、冲沙日期变化和其他设备检修等其他客观因素的影响，通过提升设备完好率，减少检修次数等条件影响，本次改造对发电量提升效果最少达到15%以上。
改造完成一个丰水期过后，检修维护人员明显感到本次丰水期在一号站的水导密封维护次数减少，可以有更多的精力投入到别的站工作中去，尽可能保障各个电站的设备在丰水期中正常运行。
过两年的试验对比，可以得出以下结论：
此次密封系统改造有效的提高了机组的发电量，并降低了密封检修频率。本次改造是成功有效的。
五．技改的不足与今后技改的方向
在运行和检修维护中我们也同样发现了以下问题与不足：
今年三月，我们对运行时间较长的一号机组的水导密封进行了拆解、检查维护。拆开后发现如下问题:
1.弹簧圈生锈，失去弹性。
2.密封件有一定的磨损。
3.隔板磨损严重。
4.主轴有一定的磨损。
5.集水室内泥沙较多。
虽然各部位磨损较为严重，导致水导密封漏水量增大，但漏水量并未超过密封排水的排出量，所以水导系统未进水，还能正常运行。在一号站正常情况下的排水量约为排水管的1/3。若发现排水管满管排水，即可判断水导油进水的风险。
本次维护检查的重点及改进的方法：
1.调整弹簧圈的长度，在保证弹性的情况下适当的加长弹簧圈，并保证密封件随着主轴一起转动。
2.根据漏水情况可适当放大密封件与隔板的间隙，减小密封件和隔板的磨损量。
3.修复磨损的主轴。
4.清理集水室内的泥沙。
5.更换黄油的型号
初步判断更换一次水导密封的固件可连续运行两个丰水期，待今年丰水期过后检查2号机的水导密封。若密封失效，则2#、3#机水导密封件一同更换，若密封完好，则更换2#机密封件，3#机继续运行，待下一年更换。
在检查维护的同时，我们也在不停地总结经验，升级改进密封系统。
六．结语
目前奎屯河还有奎屯河七级水电站、奎屯河九级水电站、奎屯河十级水电站、奎屯河二号水电站、奎屯河三号水电站等多个水电站均为卧式机组，面临同样的问题，待一号站密封技术经过多个丰水期的运行考验，进一步升级改造提升密封效果。此项技术可进一步在奎屯河各级水电站推广应用，为水电公司增产增效。
[1]水电机组发展历程中的若干力学问题[A]. 陈贵清,马弘达,杨雪梅.科学殿堂的力学之光——第五届全国力学史与方法论学术研讨会文集[C]. 2011
[2]水电机组故障诊断技术的应用现状与技术发展[A]. 潘罗平,唐波,周叶,唐澍.中国水力发电工程学会信息化专委会2009年学术交流会论文集[C]. 2009