趙國(guó)欽

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司， 廣東揭陽 515223)

?

單流環(huán)4瓦塊式發(fā)電機(jī)密封瓦回油問題研究

趙國(guó)欽

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司， 廣東揭陽 515223)

火電廠發(fā)電機(jī)采用的單流浮動(dòng)環(huán)、4瓦塊密封瓦在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)、停運(yùn)時(shí)，常出現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油現(xiàn)象，為此對(duì)該類型密封瓦的密封原理及回油狀況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油主要因密封瓦氫側(cè)回油管路發(fā)生氣堵，通過消除回油系統(tǒng)的氣堵解決發(fā)電機(jī)定子的進(jìn)油問題。

發(fā)電機(jī)； 密封瓦； 定子進(jìn)油； 氣堵

目前絕大部分火電廠發(fā)電機(jī)機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)為氫氣，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的動(dòng)密封主要依靠密封瓦來完成，密封瓦的結(jié)構(gòu)特性決定發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)對(duì)氫氣和空氣的隔離效果。發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油和氫氣外漏是一對(duì)很微弱的平衡關(guān)系，很容易被密封瓦自身和密封油系統(tǒng)等外圍設(shè)備所打破，造成發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油、氫氣外漏等問題。比較而言，發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油對(duì)發(fā)電機(jī)的影響更為深刻，易導(dǎo)致定子內(nèi)部線圈及轉(zhuǎn)子槽隙的污染，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)匝間短路故障。筆者對(duì)單流浮動(dòng)環(huán)、4瓦塊結(jié)構(gòu)型式發(fā)電機(jī)密封瓦結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其氫側(cè)回油系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 密封瓦及其回油系統(tǒng)運(yùn)行狀況

1.1 密封油系統(tǒng)及工作原理

某超臨界600 MW機(jī)組密封瓦及回油系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。密封油系統(tǒng)主要由回油擴(kuò)大槽、浮子油箱、真空油箱、空氣抽出槽、密封油泵等組成。密封油來油主要為潤(rùn)滑油系統(tǒng)供油，進(jìn)入密封油系統(tǒng)后由密封油泵通過油氫壓差調(diào)節(jié)閥維持穩(wěn)定的油壓進(jìn)入密封瓦內(nèi)進(jìn)行密封。

圖1 密封油系統(tǒng)主要設(shè)備及流程圖

密封油氫側(cè)回油通過密封瓦回油至密封瓦回油腔體，密封瓦回油腔體底部設(shè)置6個(gè)回油孔，每個(gè)孔直徑32 mm；回油孔與回油擴(kuò)大槽形成連通，密封油自流進(jìn)入回油擴(kuò)大槽；依靠回油擴(kuò)大槽內(nèi)部高位回油管自流入浮子油箱(回油擴(kuò)大槽、浮子油箱頂部均與發(fā)電機(jī)定子相連，與發(fā)電機(jī)定子內(nèi)氫氣壓力相同)；浮子油箱通過內(nèi)部浮球閥控制浮子油箱內(nèi)一定的油位高度，依靠浮子油箱和空氣抽出槽之間的壓差進(jìn)入空氣抽出槽(空氣抽出槽為微負(fù)壓狀態(tài))；在高差作用下密封油由空氣抽出槽自流回主機(jī)潤(rùn)滑油箱。

1.2 密封瓦回油裝置主要組件

密封瓦回油主要組件有：發(fā)電機(jī)端蓋、內(nèi)擋油環(huán)、密封瓦組件等組成。密封瓦殼與發(fā)電機(jī)端蓋、內(nèi)擋油環(huán)組成的底部腔體為密封瓦回油腔體(見圖2A區(qū)域)，回油腔體底部排列6個(gè)回油孔，6個(gè)回油孔在發(fā)電機(jī)端蓋內(nèi)匯流成一個(gè)回油腔室，回油腔室與外部回油管道連接。

1—密封瓦；2—密封瓦殼；3—卡緊彈簧；4—?dú)鋫?cè)擋油環(huán)。

密封瓦回油腔體轉(zhuǎn)軸直徑為482.78 mm。密封瓦氫側(cè)回油箱體為半圓柱型結(jié)構(gòu)(見圖2)，腔體寬度為100 mm，直徑為999.28 mm。油擋密封齒內(nèi)徑為558 mm。密封瓦氫側(cè)回油腔體(A區(qū)域)的理論最大油容量為14.89 L(回油腔體底部至油擋齒空間的容積)，淹沒6個(gè)回油孔的有效容積為0.92 L。

1.3 密封瓦組件結(jié)構(gòu)

密封瓦為單流浮動(dòng)環(huán)式結(jié)構(gòu)，成對(duì)組裝；4塊密封瓦組成一周，共有兩圈密封瓦成對(duì)組裝(見圖3)，依靠密封瓦外側(cè)的彈簧固定在密封瓦殼內(nèi)，各瓦塊的對(duì)接部位依靠卡緊彈簧的拉力使瓦塊壓緊貼合，并由定位銷限位放置密封瓦周向隨轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)?？ňo彈簧的周向緊固作用使密封瓦可以隨轉(zhuǎn)軸有一定的徑向浮動(dòng)，且保持密封瓦與轉(zhuǎn)軸之間的密封間隙不發(fā)生變化。

圖3 浮動(dòng)密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

單側(cè)密封瓦寬度為19.05 mm，密封直徑間隙為0.21 mm，密封瓦環(huán)內(nèi)徑為482.99 mm。

1.4 發(fā)電機(jī)進(jìn)油狀況

在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的啟、停階段(由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于轉(zhuǎn)速變化、轉(zhuǎn)子振動(dòng)狀態(tài)持續(xù)發(fā)生變化的階段)或轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)瞬間變化(如振動(dòng)波動(dòng)時(shí))時(shí)，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油現(xiàn)象。但在轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)完全穩(wěn)定后，發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油現(xiàn)象會(huì)消失。發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系密切。

2 密封瓦及回油系統(tǒng)的運(yùn)行原理

2.1 工作原理

單流環(huán)4瓦塊式結(jié)構(gòu)的密封瓦從設(shè)計(jì)理論上可以解決密封瓦環(huán)與轉(zhuǎn)軸的同心問題。由于該密封瓦環(huán)是依靠?jī)蓷l半周布置的彈簧將密封瓦塊彈性均勻地分配在轉(zhuǎn)軸的周圍，彈簧的作用力抵消密封瓦的重力作用，并使密封瓦環(huán)隨轉(zhuǎn)軸一同發(fā)生徑向移動(dòng)。

當(dāng)轉(zhuǎn)軸發(fā)生徑向位移時(shí)，由于密封瓦與轉(zhuǎn)軸之間形成一定的油膜壓力可以使徑向移位的密封瓦一同發(fā)生移動(dòng)，同時(shí)彈簧的拉力作用使其余的2個(gè)瓦塊同時(shí)向轉(zhuǎn)軸方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸與密封瓦的良好同心，保持密封瓦與轉(zhuǎn)軸之間間隙的穩(wěn)定，使密封瓦的回油量也相對(duì)穩(wěn)定。

由于彈簧力的作用，可以抵消密封瓦自重的影響，不需要考慮密封瓦的偏心距和相對(duì)偏心，可以近似認(rèn)為密封瓦與轉(zhuǎn)軸在任何狀態(tài)下處于同心位置。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在升速至3 000 r/min過程中，密封瓦部位油的流動(dòng)雷諾數(shù)最大為248.8，小于1 000[1]；油在密封瓦內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)整個(gè)過程均為層流狀態(tài)，密封瓦泄漏量為：

(1)式中：d為轉(zhuǎn)軸直徑，m；l為單個(gè)密封瓦的長(zhǎng)度，m；Δp為氫油壓差，Pa；h為密封瓦與轉(zhuǎn)軸的半徑間隙，m；ε為偏心率;η為密封油的動(dòng)力黏度,Pa·s。

2.2 密封瓦的回油核算

由于該類型的密封瓦設(shè)計(jì)為浮動(dòng)環(huán)隨轉(zhuǎn)軸移動(dòng)而同步發(fā)生移動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的偏心現(xiàn)象，轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定后其理論偏心為0，偏心率也為0。該類型的密封瓦回油量計(jì)算不考慮浮動(dòng)環(huán)與轉(zhuǎn)軸的偏心問題，氫側(cè)回油量按式(1)計(jì)算為1.76 L/min[2]。

2.3 瓦座回油孔的回油能力核算

回油腔體底部設(shè)計(jì)6個(gè)直徑為32 mm回油孔(當(dāng)量回油孔徑為78.3 mm，為回油系統(tǒng)的最小回油孔徑位置)，回油孔下部連接回油腔體(腔體當(dāng)量直徑大于200 mm)和回油母管(母管直徑100 mm)。密封油的氫側(cè)回油完全依靠重力自流方式，落差不超過1 035 mm(回油孔的最高高度為35 mm，回油孔至回油管道最底部高度1 000 mm)。不考慮流量系數(shù)狀況下核算該部分回油孔的理論正?；赜湍芰?1.72 L/min，大于正常工況下密封瓦的氫側(cè)回油量，密封瓦腔體回油孔的回油能力能夠滿足回油量的需求，在正常情況下不會(huì)出現(xiàn)回油不暢的情況。

3 密封瓦及回油系統(tǒng)異?，F(xiàn)象

3.1 密封瓦環(huán)運(yùn)行異常狀況分析

如果密封瓦在工作過程中出現(xiàn)異常，進(jìn)回油的平衡狀態(tài)會(huì)被打破，導(dǎo)致密封瓦環(huán)回油也出現(xiàn)異常。主要的現(xiàn)象為密封瓦進(jìn)油壓力波動(dòng)、密封瓦半徑間隙突變兩種狀況。根據(jù)式(1)，密封瓦回油量與密封瓦進(jìn)出油壓差成正比關(guān)系，而與半徑間隙成3次方比關(guān)系。因此密封瓦半徑間隙的變化對(duì)回油量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)出油壓差變化對(duì)回油量的影響；且進(jìn)出油壓差波動(dòng)主要受密封油系統(tǒng)設(shè)備的影響，可以通過外部設(shè)備的調(diào)整得到控制。

在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子升、降速過程中，由于支持軸承在該狀態(tài)下的油膜不是很穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸振動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)、軸頸跳動(dòng)現(xiàn)象。由于密封瓦環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間的微小間隙配合，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)在密封瓦環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間形成一層油膜；在轉(zhuǎn)軸變速過程中，該部分油膜的壓力處于持續(xù)變化過程，當(dāng)轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)跳動(dòng)時(shí)，由于密封瓦塊與轉(zhuǎn)軸間油膜的存在，轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)方向的密封瓦環(huán)會(huì)隨著發(fā)生徑向移位。

此時(shí)轉(zhuǎn)軸反方向的密封瓦塊由于受到緊固彈簧的作用會(huì)跟隨轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)方向移動(dòng)。由于密封瓦塊的側(cè)面在彈簧壓緊作用下緊貼在密封瓦殼上，與密封瓦殼之間有較大的摩擦力，該密封瓦環(huán)的位移會(huì)發(fā)生滯后作用或出現(xiàn)瞬時(shí)的卡澀，此時(shí)該半周密封瓦塊與轉(zhuǎn)軸就會(huì)存在突然增加的半徑間隙，該部位的密封油泄漏量會(huì)出現(xiàn)急劇增加(見圖4)。當(dāng)密封瓦塊恢復(fù)至正常位置后，密封瓦的泄漏量才能恢復(fù)正常狀態(tài)。

圖4 轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)時(shí)密封瓦環(huán)的單邊間隙分布圖

3.2 密封瓦環(huán)運(yùn)行異常時(shí)的回油量核算

轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)較大的相對(duì)跳動(dòng)量時(shí)，密封瓦環(huán)的單側(cè)半圓部位出現(xiàn)半徑間隙瞬間增大，另半側(cè)的半圓部位半徑間隙維持不變。此時(shí)根據(jù)式(1)計(jì)算密封瓦環(huán)的半圓部位半徑間隙發(fā)生突變時(shí)的瞬態(tài)回油量見表1。

表1 轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)時(shí)密封瓦環(huán)回油量

密封瓦氫側(cè)回油腔體的最大油容量為14.89 L；淹沒6個(gè)回油孔的有效容積為0.92 L。當(dāng)轉(zhuǎn)子的相對(duì)跳動(dòng)量達(dá)到0.30 mm(由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子跳動(dòng)并加上密封瓦側(cè)面滑動(dòng)卡澀的影響，影響到的密封瓦局部半徑間隙會(huì)很容易達(dá)到該數(shù)值)時(shí)，密封瓦環(huán)的氫側(cè)回油會(huì)增加原來的29.19倍。此時(shí)由于密封瓦回油量的突然增加，瞬時(shí)回油量會(huì)超過回油腔體的回油能力21.72 L/min，且遠(yuǎn)超過回油腔體回油孔的有效容積0.92 L，密封油回油會(huì)快速淹沒6個(gè)回油孔，破壞穩(wěn)定工況下密封瓦回油與回油腔體回油孔回油的平衡。由于回油腔體的回油屬于小孔洞回油，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種工況：

(1) 在密封油淹沒回油孔后，由于密封油回油孔的回油能力達(dá)到21.72 L/min，回油腔體底部的回油孔回油正常，密封油會(huì)快速向下流動(dòng)；多余的密封瓦回油會(huì)緩慢增加回油腔體的油位，當(dāng)密封瓦塊在彈簧作用下復(fù)位后，回油腔體內(nèi)積存的回油會(huì)很快排泄掉，恢復(fù)到原有的平衡狀態(tài)，不出現(xiàn)回油不順暢的情況。

(2) 在密封油淹沒回油孔后，由于密封油液體表面張力的作用，回油將回油孔封閉，回油的重力無法克服回油孔下方的空氣的“正壓”作用力，導(dǎo)致回油無法流通，形成“氣堵”現(xiàn)象。此時(shí)該部分密封油回油不向下流動(dòng)，導(dǎo)致回油腔體內(nèi)的回油油位持續(xù)上升，如果超過最大油容量還無法破壞“氣堵”，就發(fā)生密封油沿內(nèi)擋油環(huán)向發(fā)電機(jī)定子內(nèi)進(jìn)油；直至外界的液流、氣體擾動(dòng)破壞回油孔部位的“氣堵”現(xiàn)象，回油孔實(shí)現(xiàn)快速回油，才能恢復(fù)到原有的平衡狀態(tài)[3]。

由于存在以上回油的狀態(tài)不確定性，也就出現(xiàn)了機(jī)組在啟停階段，有時(shí)會(huì)發(fā)生發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油，有時(shí)又不會(huì)發(fā)生發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油的情況。

4 回油異常的處理

4.1 處理方向

當(dāng)4瓦塊密封瓦出現(xiàn)以上回油異常時(shí)，集中處理以下兩個(gè)方面：

(1) 如何保持密封瓦環(huán)與轉(zhuǎn)軸的半徑間隙穩(wěn)定。

(2) 如何破壞回油異常時(shí)回油管口的“氣堵”現(xiàn)象，提高回油腔體的實(shí)際回油能力。

4.2 措施和機(jī)理

4.2.1 第一類

由于密封瓦環(huán)在發(fā)電機(jī)安裝后已經(jīng)基本確定，但仍可以采取以下處理措施：

(1) 保持密封瓦環(huán)側(cè)面與密封瓦殼之間配合表面良好的粗糙度，消除配合部位的尖角、毛刺；引流一部分密封油對(duì)配合表面進(jìn)行潤(rùn)滑，降低配合表面內(nèi)的摩擦系數(shù)，提高瓦環(huán)隨轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)的靈敏度。

(2) 選擇整圈固定的密封瓦環(huán)，由于該類型密封瓦環(huán)在結(jié)合面緊固后屬于整圈一體化結(jié)構(gòu)，隨轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)的靈敏度，保證整個(gè)瓦環(huán)的直徑間隙不發(fā)生變化，維持密封瓦回油的穩(wěn)定，從根本上解決密封瓦回油的不穩(wěn)定性問題。

4.2.2 第二類

在不改動(dòng)密封瓦結(jié)構(gòu)的前提下，提高回油腔體的回油能力，避免回油腔體回油孔產(chǎn)生“氣堵”現(xiàn)象，保持回油腔體回油的暢通：

(1) 將回油口與回油腔體接口的圓柱孔邊緣部位處理成圓弧過渡結(jié)構(gòu)(接觸邊緣部位不能形成直角，圓弧半徑盡量大)；并將回油孔邊緣處理成不規(guī)則形狀，所有不規(guī)則形狀的回油孔在回油腔體底部連接為一體溝槽，見圖5(a)。該種處理方式的機(jī)理為：由于回油口部位弧面作用，當(dāng)氣-液-固接觸部位形成分界線時(shí)，在液體重力作用下，分界線上部液體會(huì)沿弧面向下移動(dòng)，無法形成穩(wěn)定的氣-液-固分界線，液體就會(huì)很快滑落至弧面下方回油管道內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生“氣堵”現(xiàn)象。

圖5 回油腔體回油口及回油擴(kuò)大槽高位回油管管口處理結(jié)構(gòu)圖

(2) 將回油腔體底部有效容積加大，提高回油系統(tǒng)的回油能力。將底部?jī)蓚€(gè)邊緣回油孔的回油口擴(kuò)孔并沿周向打磨出與回油孔寬度相當(dāng)、深度約10 mm的溝槽，一直延伸至高于回油腔體的內(nèi)油擋齒，可以將有效回油容積擴(kuò)大至14.89 L，與最大回油容積相同，即在最大回油容積內(nèi)，回油孔下方由于氣堵作用升高的氣體壓力，更容易通過不規(guī)則的溝槽與液體上方的氣體形成一定聯(lián)通作用，比較有效地破壞“氣堵”作用。

(3) 將回油系統(tǒng)中所有高位油管回油的管口處理成不規(guī)則且高低相間形狀，見圖5(b)。不規(guī)則的液-固分界面可以使整個(gè)氣-液-固分界線被分割為多段，在回油量較大時(shí)在不規(guī)則回油口在同一個(gè)水平高度上不能形成連續(xù)的氣-液-固封閉線，減小水平面的表面張力。不規(guī)則的回油口將表面張力分割為多段，力的作用還沒有來得及傳遞至整個(gè)液體的表面，張力現(xiàn)象就被破壞，消除回油管口的“氣堵”現(xiàn)象。

4.3 處理后運(yùn)行效果

經(jīng)過以上處理，該類型的浮動(dòng)密封瓦環(huán)經(jīng)機(jī)組多次啟停及運(yùn)行，未再出現(xiàn)過發(fā)電機(jī)進(jìn)油的現(xiàn)象；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子解體檢查時(shí)也未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子表面有油污黏結(jié)的情況，說明已經(jīng)完全解決了由于密封瓦回油量不穩(wěn)定導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油問題。

5 結(jié)語

對(duì)于單流4瓦塊浮動(dòng)密封瓦環(huán)，需要考慮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)出現(xiàn)瞬態(tài)變化導(dǎo)致密封瓦環(huán)徑向間隙突變使其氫側(cè)回油量急劇增加的問題，在回油腔體回油孔、各高位回油管口等部位出現(xiàn)由于液體表面張力作用引起的“氣堵”現(xiàn)象，致使密封油出現(xiàn)回油不暢、發(fā)電機(jī)定子進(jìn)油等問題。解決時(shí)可以參照以下思路：

(1) 選擇整圈固定的浮動(dòng)密封環(huán)，固定的半徑間隙可以避免轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)瞬間變化時(shí)密封瓦徑向間隙的突變而導(dǎo)致的密封環(huán)回油量突增問題。

(2) 將各回油口處理成過渡半徑盡量大的圓弧過渡結(jié)構(gòu)；將回油孔、管口處理成不規(guī)則結(jié)構(gòu)。使這些部位密封油無法在同一個(gè)水平面形成穩(wěn)定連續(xù)的氣-液-固分界線，可以有效消除免回油的“氣堵”問題。

[1] 電機(jī)工程手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械工程手冊(cè)[M]. 2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1996: 74-79.

[2] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2002: 1895-1897.

[3] 唐修祥. 化工過程常見氣阻現(xiàn)象及其解決措施[J]. 化工技術(shù)與開發(fā),2013,42(1): 54-56.

Study on Sealing Tile Oil Return Problem in the Generator of Single-flow 4-tile Structure

Zhao Guoqin

(Guangdong Yuedian Jinghai Power Generation Co., Ltd., Jieyang 515223, Guangdong Province, China)

To solve the problem of oil leakage into the stator of a generator with single-flow 4-tile structure during start-up and shut-down period, an analysis was conducted to the sealing principle and oil returning status of the sealing tile. Results show that the oil leakage is found to be caused by the air blockage in the oil return line on hydrogen side, which can be solved by eliminating the air blockage.

generator; sealing tile; oil leakage to stator; air blockage

2016-07-01；

2016-07-26

趙國(guó)欽(1976—)，男，高級(jí)工程師，主要從事火力發(fā)電廠技術(shù)管理工作。

E-mail: 64276748@qq.com

TM621.3

A

1671-086X(2017)02-0132-05