張蕙峰,冷明全,楊世貴

(1.國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司哈密管理處,新疆維吾爾自治區(qū)哈密 839122; 2.廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司,廣州 510663)

特高壓直流換流閥水冷系統(tǒng)滲漏水問題的處理

張蕙峰1,冷明全2,楊世貴1

(1.國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司哈密管理處,新疆維吾爾自治區(qū)哈密 839122; 2.廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司,廣州 510663)

為了解決特高壓直流工程換流閥水冷系統(tǒng)滲漏水導(dǎo)致直流系統(tǒng)可用率降低及閉鎖問題,筆者根據(jù)水冷介質(zhì)在高壓高速下的流體特性和主泵機(jī)械構(gòu)造,分析了特高壓天山換流站軸封失效和特高壓金華換流站軸承破損的原因,提出了軸封采用抗沖擊性好、靜電吸附能力弱的集裝式軸封并配置相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化沖洗方案,軸承葉輪側(cè)采用滾子軸承和電機(jī)側(cè)采用角接觸球軸承的組合。運(yùn)行試驗(yàn)表明,換流閥水冷系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化沖洗方案、抗沖擊材質(zhì)的集裝式軸封、承受沖擊載荷的軸承組合,可以降低換流閥水冷系統(tǒng)滲漏水概率,提升直流系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

特高壓直流輸電;換流閥水冷系統(tǒng);滲漏水;直流閉鎖;軸封;軸承

目前,特高壓直流工程換流閥水冷系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱水冷系統(tǒng))普遍存在滲漏水問題,引起直流輸電系統(tǒng)閉鎖和可用率降低,影響直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。由于直流輸電領(lǐng)域缺乏水冷系統(tǒng)主泵軸封、軸承的標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)有文獻(xiàn)[5-7]還沒有對(duì)水冷系統(tǒng)主泵軸封和軸承比較詳細(xì)的研究,因此本文分析了特高壓天山換流站、金華換流站水冷系統(tǒng)發(fā)生的主泵滲漏水問題的原因,提出軸封采用抗沖擊性好、靜電吸附能力弱的集裝式軸封并配置相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化沖洗方案,軸承葉輪側(cè)采用滾子軸承和電機(jī)側(cè)采用角接觸球軸承的組合,經(jīng)過理論分析和實(shí)例驗(yàn)證,軸封軸承合理的配置方式可以解決軸封失效和軸承破損問題,從而降低水冷系統(tǒng)滲漏水發(fā)生的可能性。

1 換流閥水冷系統(tǒng)主泵結(jié)構(gòu)

特高壓換流站有4個(gè)換流閥組,分別為極1高端、極1低端、極2高端、極2低端,每個(gè)閥組配置1套水冷系統(tǒng),每套水冷系統(tǒng)有2臺(tái)水冷主泵,編號(hào)分別為P01、P02,1臺(tái)運(yùn)行,另1臺(tái)備用,輸送低電導(dǎo)率純水。當(dāng)運(yùn)行主泵出現(xiàn)故障時(shí),備用主泵開始工作。不同技術(shù)路線的換流閥采用不同的穩(wěn)壓技術(shù),目前應(yīng)用的有氮?dú)夥€(wěn)壓、高位水箱穩(wěn)壓。

換流閥水冷系統(tǒng)主泵向水循環(huán)提供動(dòng)力,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主泵工作時(shí),泵軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),對(duì)葉輪葉片間的流體做功,將流體高速拋出。同時(shí)在葉輪中心形成低壓,將液體源源不斷地吸入。

1-沖洗方式;2-軸封;3-葉輪側(cè)軸承;4-電機(jī)側(cè)軸承

2 天山換流站軸封失效原因分析及改進(jìn)

天山換流站極1高、低端采用氮?dú)夥€(wěn)壓,極2高、低端采用高位水箱穩(wěn)壓。從2013年7月到2015年8月,天山換流站共發(fā)生20次滲漏水,其中極1高、低端發(fā)生5次,極2高、低端發(fā)生15次,滲漏速率在0.05～3 mL/min。經(jīng)多次排查,確認(rèn)軸封存在問題。

2.1 軸密封方式

直流換流閥水冷系統(tǒng)主泵用軸封裝置密封。軸封是一對(duì)或數(shù)對(duì)垂直于軸做相對(duì)滑動(dòng)的端面,在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力或磁力作用下保持貼合,并配以輔助密封達(dá)到阻漏效果,可保證主泵在運(yùn)行和停止?fàn)顟B(tài)下不發(fā)生介質(zhì)外泄。軸封又稱為端面密封,動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的端面組成一對(duì)磨擦面,動(dòng)環(huán)端面依靠密封腔內(nèi)液體和彈簧的壓力緊貼在靜環(huán)端面上,兩環(huán)端面產(chǎn)生一定的比壓,保持一層極薄的液體膜而達(dá)到密封的效果。在主泵不運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下,動(dòng)環(huán)、靜環(huán)也能保持端面貼合,使密封介質(zhì)不外漏[8]。

軸封可以分成組件式和集裝式兩類。天山換流站采用組件式,靜、動(dòng)環(huán)均為碳化硅材質(zhì)。組件式軸封的靜環(huán)依靠O形圈緊貼密封蓋,并通過止銷保持靜止。動(dòng)環(huán)通過O形圈緊貼固定軸,彈簧座用螺釘與軸固定,動(dòng)環(huán)密封面與靜環(huán)密封面緊貼,動(dòng)環(huán)上有兩個(gè)卡口與彈簧座驅(qū)動(dòng)栓相連。

2.2 沖洗方案選擇

換流閥水冷系統(tǒng)主泵的動(dòng)環(huán)、靜環(huán)端面在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生熱量,通常采用沖洗方式進(jìn)行散熱,以防止其高溫?fù)p壞。軸封結(jié)構(gòu)可分為單端面密封、雙端面密封、干氣密封、急冷密封。不同軸封結(jié)構(gòu)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化沖洗方案,直流工程水冷系統(tǒng)主泵均采用單端面密封沖洗方案。天山換流站水冷系統(tǒng)改造前后單端面沖洗方案如圖2所示,這2套沖洗方案可以在API 682中找到對(duì)應(yīng)模型[9-11]。

方案1:常用于沒有沖洗液循環(huán)且密封腔完全封閉的場(chǎng)合,用于輸送低溫度潔凈的介質(zhì),以防止漩渦的作用侵蝕密封部件?？紤]到輸送介質(zhì)在密封腔內(nèi)或密封端面產(chǎn)生閃蒸,所以需要正確計(jì)算輸送介質(zhì)汽化的溫度裕量。

圖2 天山換流站水冷系統(tǒng)改造前后單端面沖洗方案

方案2:帶沖洗液循環(huán)的單端面沖洗方案,輸送介質(zhì)通過流量受限的管道,經(jīng)過密封腔對(duì)軸封進(jìn)行冷卻,然后再流回到輸送介質(zhì)。常用于輸送潔凈、潤(rùn)滑的介質(zhì),如純水。

天山換流站軸封采用沖洗方案2。主泵出口的純水源源不斷地沖洗密封端面。若沖洗流量沒有限制,則存在沖洗不完全或者沖洗壓力難以控制的問題。沖洗不完全會(huì)導(dǎo)致散熱過慢,端面處在長(zhǎng)期高溫中,各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)會(huì)下降;沖洗壓力過大,會(huì)造成主泵啟動(dòng)時(shí)氣濁嚴(yán)重,熱量無(wú)法快速擴(kuò)散而損壞端面。軸封損壞與沖洗有關(guān),為了控制流量,在沖洗管道上增加了一個(gè)減壓閥。

2.3 軸封安裝工藝

換流閥水冷系統(tǒng)主泵的軸封結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造安裝精度要求高,使用不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、使用壽命短等問題。不同的軸封結(jié)構(gòu)對(duì)安裝工藝的要求不同[12]。集裝式軸封可在現(xiàn)場(chǎng)快速裝配,安裝簡(jiǎn)單;組件式軸封安裝工藝高,安裝誤差超標(biāo)會(huì)造成軸封損壞。

為了保證密封面貼合,要求確定合理的接觸壓力和端面比壓,其中端面比壓取決于面積比、膜壓系數(shù)、介質(zhì)壓力和彈簧產(chǎn)生的比壓。在換流閥水冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中,面積比、膜壓系數(shù)、介質(zhì)壓力相對(duì)固定,而彈簧壓緊力會(huì)發(fā)生變動(dòng)。

對(duì)于組件式軸封,假設(shè)軸端到動(dòng)環(huán)面長(zhǎng)度為L(zhǎng)1、到密封蓋端面為L(zhǎng)2,當(dāng)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間產(chǎn)生一個(gè)合適的壓緊力時(shí),L1、L2為確定數(shù)值。若L1過大,則壓緊力很大,從而產(chǎn)生一個(gè)較大的靜摩擦力,主泵啟動(dòng)時(shí)需要克服的靜摩擦力變大,承受較大沖擊力;若軸封抗沖擊力較弱,則必然造成損壞。

現(xiàn)場(chǎng)拆卸舊軸封時(shí),需要測(cè)量并記錄L1、L2數(shù)值,回裝新軸封時(shí)保持原數(shù)值。壓緊力無(wú)法測(cè)量,安裝不當(dāng)會(huì)造成軸封損壞。

天山換流站曾多次發(fā)生軸封更換后初次啟動(dòng)即破裂的情況,為安裝誤差或者輕度傾斜不能控制壓緊力所致。每臺(tái)主泵在鑄造上都有差別,L1、L2數(shù)值略有不同。隨著更換次數(shù)增加,安裝誤差累積,軸封損壞概率增大。

2.4 軸封失效處理

換流閥水冷系統(tǒng)主泵軸封是精密組件,對(duì)加工、安裝、維修有很高的要求。軸封失效的形式有4種,即腐蝕失效、熱裂失效、磨損失效以及安裝或運(yùn)轉(zhuǎn)等因素引起的失效[8-12]。

對(duì)天山換流站軸封進(jìn)行解體,發(fā)現(xiàn)有2種情況導(dǎo)致了滲漏,一種為靜環(huán)止口破損導(dǎo)致,另一種為端面破損導(dǎo)致。前一種原因?qū)е碌穆┧闆r達(dá)到15次。

第1種情況:主泵啟動(dòng)前,動(dòng)環(huán)與靜環(huán)緊密貼合,端面處有一層靜止的純水介質(zhì),徑向力很大。主泵啟動(dòng)時(shí),軟啟動(dòng)后切換為工頻方式,需要在短時(shí)間內(nèi)由靜止達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。靜環(huán)止口處承受了一定的沖量,沖量需要一段時(shí)間釋放,釋放時(shí)間越短,承受應(yīng)力越大,很大的應(yīng)力導(dǎo)致該處碎裂或損壞。碳化硅材質(zhì)軸封耐沖擊能力很差,稍有震動(dòng)就會(huì)破碎。

第2種情況:端面處液體介質(zhì)在主泵啟運(yùn)時(shí)的瞬時(shí)負(fù)壓會(huì)發(fā)生氣蝕,汽化形成氣泡,當(dāng)含有氣泡的液體流經(jīng)葉輪內(nèi)的高壓區(qū)時(shí),高壓液體致使氣泡急劇縮小以至破裂,在瞬間產(chǎn)生水擊作用,破壞軸封表面的水膜,導(dǎo)致密封面局部過熱,從而損壞端面。

除了軸封材質(zhì)抗沖擊能力、沖洗方案的原因,碳化硅軸封的端面在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中可能積聚靜電,吸附離子形成微小顆粒,造成端面磨損。天山換流站極2高位水箱方式更容易引入空氣中的離子。建議選擇碳化鎢(TC-Ni8%)軸封,雖然其硬度比碳化硅(SIC、SSIC)差,但抗沖擊性更好,靜電吸附能力較弱,不同材質(zhì)軸封的參數(shù)如表1所示。從減小安裝誤差的角度出發(fā),盡量選擇集裝式軸封。

表1 不同材質(zhì)軸封的參數(shù)對(duì)比

2014年8月,天山換流站將極1高端P01主泵軸封更換為碳化鎢組件式,極2高端P01主泵軸封更換為碳化硅集裝式,累計(jì)運(yùn)行180d,均未發(fā)生軸封滲漏現(xiàn)象。在2015年10月年度檢修期間,根據(jù)試驗(yàn)性解決方案的運(yùn)行結(jié)果,將在運(yùn)主泵的軸封由碳化硅材質(zhì)組件式換型為碳化鎢材質(zhì)組件式,換流閥水冷系統(tǒng)的主泵未至今發(fā)生滲漏水現(xiàn)象。

3 金華換流站軸承破損原因分析及處理措施

3.1 軸承受力特征

換流閥水冷系統(tǒng)主泵軸承主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn),降低其運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦,并保證回轉(zhuǎn)精度。

軸承支撐承擔(dān)徑向載荷,固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)同時(shí)伴有軸向和徑向的移動(dòng)。為降低電機(jī)工作時(shí)軸向運(yùn)動(dòng),在高速軸承上必須有良好的潤(rùn)滑,有的軸承本身已經(jīng)有潤(rùn)滑,而大多數(shù)軸承要外加潤(rùn)滑油。

水冷系統(tǒng)主泵前、后軸承需要根據(jù)端口受力方向進(jìn)行配置。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量,實(shí)靠近葉輪側(cè)位置,徑向載荷力要遠(yuǎn)大于軸向載荷力;靠近電機(jī)側(cè)位置,徑向載荷力和軸向載荷力在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)。各個(gè)方向的載荷合成聯(lián)合載荷,不同軸承能夠承受的聯(lián)合載荷不同,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選擇。

3.2 軸承破損處理措施

2014年8月4日,金華換流站極1高端換流閥水冷系統(tǒng)主泵密封漏水導(dǎo)致閥組閉鎖。其事故原因?yàn)橹鞅幂S承箱近葉輪端部軸承摩擦發(fā)熱損壞,引起軸封破碎,用于冷卻軸封的介質(zhì)在密閉系統(tǒng)的壓力下,向外噴水,泄漏保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致直流閉鎖。

金華換流站主泵兩端軸承均為深溝球軸承,深溝球軸承具有深溝型連續(xù)無(wú)間斷滾道,滾道與鋼球之間有極好的密合度,可以承受雙向的徑向和軸向載荷。但這種軸承承受沖擊載荷能力較差,在高速重載載荷下壽命會(huì)縮短。水冷系統(tǒng)主泵啟動(dòng)時(shí)腔體內(nèi)有較大靜態(tài)壓力,需要克服很大的沖擊載荷,會(huì)造成深溝球軸承損壞。方案1:常用于沒有沖洗液循環(huán)且密封腔完全封閉的場(chǎng)合,用于輸送低溫度潔凈的介質(zhì),以防止漩渦的作用侵蝕密封部件?？紤]到輸送介質(zhì)在密封腔內(nèi)或密封端面可能產(chǎn)生閃蒸,需要正確計(jì)算輸送介質(zhì)汽化的溫度裕量。

金華換流站主泵軸承破損事故發(fā)生后,葉輪側(cè)采用滾子軸承,電機(jī)側(cè)采用角接觸球軸承,維護(hù)方式為添加潤(rùn)滑脂,運(yùn)行以來(lái)表現(xiàn)良好。滾子軸承帶保持架,只承受單純的徑向載荷,可應(yīng)用于承受重徑向載荷、快速加速度以及高速運(yùn)行的應(yīng)用場(chǎng)合,故選擇使用在主泵靠葉輪側(cè)。角接觸球軸承在內(nèi)、外圈上有滾道,接觸角為40°,內(nèi)、外圈在軸向作相對(duì)位移,能承受較大的徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷,使用在主泵靠電機(jī)側(cè)。

4 結(jié) 論

1) 特高壓天山換流站換流閥水冷系統(tǒng)主泵軸封采用的標(biāo)準(zhǔn)化沖洗方案和集裝式軸封,可以解決軸封抗沖擊性差、組件式軸封安裝精度難于控制等問題。

2) 特高壓金山換流站換流閥水冷系統(tǒng)主泵軸承葉輪側(cè)采用滾子軸承和電機(jī)側(cè)采用角接觸球軸承組合,可以解決軸承承受沖擊載荷能力弱的問題。

3) 直流換流站利用停電機(jī)會(huì)進(jìn)行主泵振動(dòng)測(cè)試、聯(lián)軸器同心度測(cè)試、軸封定期更換,同時(shí)在水冷系統(tǒng)主泵切換試驗(yàn)時(shí)控制每次切換時(shí)間間隔,可以提高水冷系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Treatment of water seepage and leakage in water cooling system of UHVDC converter valve

ZHANG Huifeng1,LENG Mingquan2,YANG Shigui1

(1.Hami Management Office,Grid Operation Branch of State Grid Corporation of China,Hami 839122,China; 2.Guangzhou Goaland Energy Conservation Tech Co.,Ltd,Guangzhou 510663,China)

In order to solve the problems of the decrease of DC system availability and the locking led by water seepage and leakage in water cooling system of UHVDC converter valve,the author analyzed the reasons of seal failure of UHV Tianshan converter station and bearing damage of UHV Jinhua converter station,according to the fluid characteristics of cooling medium in the high pressure and speed and the main pump mechanical structure.Also,the cartridge seal of good impact resistance and weak electrostatic adsorption ability was selected and corresponding standard irrigation scheme was put forward.The combination between bearing roller as impeller side and angular contact ball bearing as motor impeller side was proposed.The operation test shows that the water cooling system of converter valve using the standard irrigation scheme,anti-shock material container type seal and bearing combination of anti-impact load can reduce the permeability of water seepage and leakage in water cooling system of converter value and improve the reliability of the DC system operation.

HVDC; water cooling system of converter value; water seepage and leakage; DC locking; seal; bearing

2016-02-26。

張蕙峰(1984—),男,工程師,主要從事直流輸電技術(shù)研究與換流站設(shè)備運(yùn)維工作。

TM721.1

B

2095-6843(2016)06-0521-04