600MW机组湿法脱硫进口侧进式搅拌器机械密封的改进
2023-10-15
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2011年11月 润滑与密封 NOV.2011 第36卷第11期 LUBRICATION ENGINEERING Vo1.36 No.11 DOI:10.3969/j.issn.0254—0150.2011.11.027 600 MW机组湿法脱硫进口侧进式搅拌器机械密封的改进 聂鹏飞 高 志 边东升 王志鹏 冯世路 (1.河北大唐国际王滩发电有限责任公司河北唐山063611;2.唐山学院河北唐山063020; 3.天津市联强机械密封技术有限公司天津300380) 摘要:分析某电厂600 MW机组湿法烟气脱硫系统进口侧进式搅拌器机械密封存在的泄漏问题,对该机械密封进 行改进。改进后的机械密封采用静止型弹簧、多弹簧、内藏式设计以及单端面、平衡型、零部件模块式设计。动环和静 环分别采用无压烧结碳化硅和无压微孔加碳碳化硅,利用静环蓄能孔隙的润滑油润滑密封端面,确保了机械密封端面的 有效润滑,延长了机械密封的使用寿命。该新型密封装置已成功应用于600 MW机组湿法脱硫进口侧进式搅拌器。 关键词:湿法烟气脱硫;侧进式搅拌器;机械密封 中图分类号:TH136文献标识码:B文章编号:0254—0150(2011)11—111—4 Improvement of Mechanical Seal of Imported Side Agitators f0r Wet Flue Gas Desulfurization of 600 MW Units Nie Pengfei Gao Zhi Bian Dongsheng Wang Zhipeng Feng Shilu (1.Hebei Datang International Wangtan Power Generation Co,Ltd,Tangshan Hebei 06361 1,China;2.Tangshan College, Tangshan Hebei 063020,China;3.Tianjin Lianqiang Mechanical Seals Technology Co,Ltd,Tianjin 300380,China) Abstract:The leakage problem of the impoaed side agitators of wet flue gas desulfurization system in some power plant for 600 MW units was analyzed,the mechanical seal was improved by using stationary springs and multi-spring,conceal de— sign and a single face,balanced,modular design of the components.The sintered silicon carbide,pressureless microporous silicon carbide plus carbon were applied on the dynamic and static ring of the mechanical seal respectively,the lubrication oil in the energy storage pores of static ring can lubricate the seal face.which ensures the effective lubrication of mechani- cal seal face,extends the life of mechanical sea1.The new mechanical seal device has been applied on the side agitators in wet flue gas desulfurization of 600 MW units successfully. Keywords:wet flue gas desu1phurization;side agitators;mechanical seal 某发电公司2 X600 MW石灰石一石膏湿法脱硫 能满足现场要求。为了提高进口侧进式搅拌器的可靠 装置于2006年6月投产。其中工艺水系统、石灰石 性,保证脱硫设备的正常运转,对吸收塔搅拌器专用 制浆系统、石膏脱水系统、石膏浆液罐、压缩空气系 机械密封进行国产改进是十分必要的。 统为公用系统,无GGH及球磨机系统。该脱硫装置 1 侧进式搅拌器密封存在的问题 吸收塔侧进式搅拌器为进口设备,投产5年来机械密 某发电公司脱硫系统采用单元制运行方式,每个 封多次出现泄漏的问题。 吸收塔配备4台侧进式搅拌器,介质为石膏浆液。吸 吸收塔侧进式搅拌器是脱硫系统中的重要设备, 收塔浆液池里的浆液为含有多种溶解盐的水溶液,其 也是火电厂脱硫系统保证环保指标的关键设备,吸收 中悬浮态维持在约15%(质量分数)的水平,侧进 塔搅拌器机械密封的性能和运转寿命直接决定了脱硫 式搅拌器主要是为了保证这些固态物质能够悬浮在浆 装置的正常运行和脱硫效果。吸收塔搅拌器机械密封 液中而不发生沉淀。 工况复杂,介质温度高、含固量大、腐蚀性强,进口 火力发电厂脱硫吸收塔搅拌器一般为侧进式,这 机械密封可靠性高,但采购价格昂贵,周期较长,不 种情况下机械密封处于受力状态,同时因为脱硫浆液 为石灰石和石膏的混合浆液,颗粒度和含固量大,温 基金项目:国家科技型中小企业技术创新基金项目 度高,这就要求机械密封必须尽量减少石膏浆液与机 (10C2621 1200166). 械密封主体元件——摩擦副的接触机会,同时采用硬 收稿日期:2011一o4—28 度高、润滑性能好的摩擦副材料,同时必须尽最大程 作者简介:聂鹏飞(1983一),男,工程师,从事火电厂脱硫技 度减少机械密封受力,从而延长机械密封使用寿命和 术监督与设备点检工作.E—mail:daniao433@163.corn. 增强机械密封的稳定性。 112 润滑与密封 第36卷 进口侧进式搅拌器机械密封的结构如图1所示。 该机械密封存在以下问题: (1)与机械密封配套的轴承设置在密封轴套处, 轴承通过轴套间接与轴接触,由于轴承、轴套内外径 在加工过程中存在偏差,偏差的累计叠加造成了轴承 不能最大限度地克服轴的摆动,使机械密封动静环经 常受到外力作用,严重影响了机械密封动静环工作的 2侧进式搅拌器机械密封的改进设计 2.1设计方案 根据侧进式搅拌器机械密封使用中存在的问题及 石膏浆液密封的要求,提出如下改进设计方案: (1)应减少机械密封摩擦副与石膏浆液接触机 会,从而延长机械密封使用寿命,增强机械密封运转 稳定性; 稳定性和使用寿命。 (2)动静环选用的碳化硅材质不能满足现场使 用要求,使得机械密封动静环在没有润滑的情况下, 运转一段时间后动静环端面出现均匀的细微龟裂,使 得机械密封的泄漏量不断增加,严重影响了设备的稳 定性和可靠性。 (3)机械密封弹簧设置在动环部位,不能很好 地克服由于轴摆或机械密封零部件加工偏差造成的动 静环端面贴合不好。 (4)结构部件选用的材质不能最大限度地克服 石膏浆液的腐蚀和冲刷,机械密封在没有达到设计寿 命的情况下,基体就会被冲刷或击穿,造成机械密封 失效。 (5)由于弹簧材质选用不当,造成了机械密封 端面受力不均匀,影响了机械密封的连续稳定性。 1.轴套2.动环3.静环4.密封座5.油封6.端盖7.轴承8.轴承压盖 9.定位板l0.紧定套l1.弹簧12.密封圈l3.泄漏导管l4.油封 图1 进口侧进式搅拌器机械密封的结构 Fig 1 The mechanical seal structure of the imported side entering agitator (2)对与石膏浆液接触部件材料进行严格选择, 增强其防腐、防冲刷性能; (3)将轴承与机械密封集装化设计,缩短轴承 与摩擦副之间的距离,最大程度上确保机械密封摩擦 副在自由状态下运转,从而优化摩擦副受力状态; (4)优化机械密封摩擦副材质,选用质地更加 均匀、强度更高、自润滑性好,同时具有蓄能作用的 无压烧结碳化硅材质和无压微孔加碳碳化硅; (5)机械密封的弹簧选用抗疲劳性能更加优异 的哈氏合金材质; (6)机械密封的0形密封圈选用耐腐蚀性能、 抗老化性能、耐温性能、抗磨损性能最优异的全氟橡 胶密封圈。 2.2结构设计 改进设计的搅拌器机械密封结构如图2所示。 1.轴承2.定位板3.油封4.法兰5.密封座6.静环7.动环 8.轴套9.传动套1O.传动销I1.隔套12.泄漏导管l3.密封圈 图2改进的侧进式搅拌器机械密封结构 Fig 2"ll ̄eimprovedmechanical seal structure of side entering aotator 其驱动装置采用抛开、螺丝锁紧式,驱动部分直 2011年第l1期 聂鹏飞等:600 MW机组湿法脱硫进口侧进式搅拌器机械密封的改进 113 接与轴间隙配合,当搅拌器电机、减速机等所有相 关部件安装到位后,将驱动环锁紧,使机械密封处于 正常的工作高度状态,这样有效地避免了机械密封在 使用过程中轴套与轴发生相对运动,大大提高了机械 密封的使用安全性。其中泄漏液导管的设计确保了机 械密封在失效或到使用年限的情况下发生泄漏时,石 膏浆液不会窜到轴承里面去,确保轴承不被损坏。 所有设计都要在模拟与试验相配合下完成,以保 证使用效果。根据使用效果,国产机械密封能克服火 力发电厂湿法脱硫复杂工况,使用寿命长,并且能实 现带浆在线更换。 2.3主要技术特点 2.3.1 采用静止型弹簧、多弹簧、内藏式设计 静止型弹簧设计确保了机械密封端面在搅拌轴突 然受到外力作用而发生弯曲时,仍能保持密封端面的 有效贴合。多弹簧设计确保了机械密封端面受力均 匀。内藏式结构设计能有效地将石膏浆液与弹簧隔 离,使弹簧的空气端在不受任何外力影响的最佳状态 下工作。这种组合设计最大限度地提高了机械密封自 身的抗轴摆动性能,有效地将机械密封弹簧与介质隔 离,确保了机械密封运转的稳定性和可靠性,确保了 搅拌设备的长周期稳定运转。 隔离套设计确保了机械密封在允许泄漏的范围值 内泄漏出来的石膏浆液不与弹簧接触,防止弹簧受浆 液填塞失弹,确保了弹簧的正常工作和机械密封在运 转过程中静环的浮动性,大大提高了动静环的有效 贴合。 通过对脱硫搅拌器机械密封O形圈阻力、腔体 温度、压力、端面摩擦状态等进行综合计算分析,最 小弹簧力的设定,需主要考虑O形圈阻力和端面反压 系数,并考虑到介质沉积物在弹簧和轴上的“挂起”, 在启动阶段存在大的轴位移时,O形圈阻力可能高的 情况下,保证密封具有良好的追随性能和适当的弹簧 比压。最小弹簧力必须克服密封的摩擦阻力和液膜的 反压系数,确保端面不出现开启现象,即端面的载荷 力在任何运行工况下都为正值,以确保搅拌器密封摩 擦副在正压和负压时都保持良好的贴合状态。 采用最小弹簧力,关键技术在于确定搅拌器实际 运行工况及摩擦副的状况。脱硫吸收塔侧进式搅拌器 工况通常为质量分数为15%一20%,温度为40~50 ℃,转速为109 r/min,含固体颗粒CaCO 和CaSO 。 在这种工况下运行时,摩擦副处于混合摩擦状态,液 膜相为固液混合相,液膜的反压系数r :0.3p(其中 P为机械密封所密封的流体压力,即脱硫吸收塔内搅 拌器安装位置处石膏浆液的压力)。经过反复的研究 与实践,最终确定弹簧比压处于0.10~0.15 MPa范 围内。 2.3.2采用无压烧结碳化硅、无压微孔加碳碳化硅 材料改进动静环 根据吸收塔搅拌器振动大、没有冲洗、没有润 滑、安装困难等特殊工况特点,对该机械密封材料进 行了优化选型。其中,动环选用无压烧结碳化硅,静 环采用国际最新的无压微孔加碳碳化硅材质,2种材 料的技术参数见表1。动环采用的无压烧结碳化硅具 有质密性好,耐腐蚀性和耐磨强度高,具有一定的自 修复性,机械强度高等优点;静环采用的无压微孔加 碳碳化硅密封端面的微孔能起到蓄能作用,即机械密 封不需要外部介质冲洗、润滑就能够连续正常工作, 使用寿命都在一年以上。 表1技术参数 Table 1 TechnicM paramete ̄ 其具体的工作原理:在机械密封组装前,先在静 环表面反复多次涂拭机械密封端面专用润滑油,使静 环密封端面的蓄能孔隙被润滑油填充满,然后进行组 装;当机械密封安装在吸收塔工作的时候,机械密封 工作的初期动静环靠涂拭在密封端面间的润滑油膜润 滑、冷却;在浆液压力、机械密封弹簧提供的初始闭 合力的共同作用下,机械密封端面被端面间的润滑油 很好地润滑,密封运转稳定;随着机械密封端面的连 续相对运转,密封端面间不断地产生热量,存储在静 环密封端面均匀孔隙间的润滑油受热膨胀不断地涌向 机械密封端面,向密封端面提供清洁可靠的润滑油, 机械密封动静环一直处于润滑油的润滑下连续稳定地 运转。 无压烧结碳化硅和无压烧结微孑L加碳碳化硅材质 的应用,使机械密封能够在没有辅助密封装置和密封 控制系统,以及没有冷却和润滑装置的环境下工作。 机械密封虽然深入到了吸收塔浆液中,但是不需要含 有颗粒的浆液润滑密封端面,而是用蓄tilL隙的润滑 114 润滑与密封 第36卷 油润滑密封端面,使机械密封一直处于优良、清洁 常见的问题之一。机械密封泄漏后一方面会污染周围 的润滑油中工作,因而使用寿命大大延长。根据经 环境,另一方面会造成搅拌器设备的退出运行,从而 验,存储于密封端面微孔的润滑油能够为机械密封正 降低脱硫系统的可靠性,甚至对脱硫效率等环保指标 常运转提供一年以上的润滑,可靠性很好。同时,由 构成影响。本文作者分析了某发电公司600 MW机组 于该碳化硅在密封端面加入了自润滑性能更加优良的 湿法脱硫进H吸收塔侧进式搅拌器机械密封存在的问 碳元素,使得该机械密封在运转一年以后或更长时间 题,对搅拌器机械密封结构进行了重新设计,对动静 之后蓄能孔隙润滑油用完时,密封端面依靠加入的碳 环等关键部位材料进行了优化选型,并成功应用于进 元素仍然能够很好地润滑密封端面,延长机械密封的 口搅拌器上。 使用寿命,使得该机械密封性能更加稳定可靠。 参考文献 2.3.3集装式设计 【1】母福生,文传顺,樊卫国 大型脱硫循环泵用新型机械密封 集装式设计确保了机械密封安装工作高度的准确 装置的设计[J].润滑与密封,2009,34(8):88—91. 性,降低了机械密封安装工作的难度,避免了机械密 Mu Fusheng,Wen Chuanshun,Fan Weiguo.The design of new 封在安装过程中的磕碰、工作高度偏差等因素对机械 type mechanical seal device of large—scale desulphurization eir- 密封性能的影响,确保了机械密封长周期运转的稳定 eulating pump[J].Lubrication Engineering,2009,34(8):88— 性和可靠性。 91. 集装外置式轴承设计,轴承内径直接与轴紧密配 I2】周至祥,段建中,薛建明.火电厂湿法烟气脱硫技术手册 合,将轴摆的幅度控制到最低(假如轴承安装在轴 [M].北京:化学工业出版社,2006. 【3】王乃华,鲁天毅.石灰石/石膏湿法烟气脱硫金属浆液循环 套上,轴套与轴间隙为0.I mm,那么轴摆就增加了 泵国产化研究及实践[J].中国环保产业,2005,21(2):10一 0.1 mm)。将轴摆动对机械密封的影响降到了最小, l2. 大大提高了机械密封的使用寿命和运转的稳定性。 Wang Naihua,Lu Tianyi.Research and application of home— 2.3.4单端面、平衡型、零部件模块式设计 made products on circulating pump of metal serous fluid by wet 在满足当前脱硫工况正常使用的前提下,最大程 process of FGD of limestone/gypsum[J].China Environmental 度地降低了机械密封运行操作难度和对机械密封操作 Protection Industry,2005,21(2):10—12. 控制系统的要求,同时大大降低了机械密封的成本和 I41宋鹏云,王志高.部分端面微孔机械密封端面间液膜压力分 维护费用。 布的理论研究[J].润滑与密封,2008,33(3):36—39; 通过对机械密封的结构优化,平衡型设计确保了 Song Pengyun,Wang Zhigao.Theory analysis of the liquid film pressure between the faces of the partila surface texturing me— 机械密封在浆液液位波动、浆液浓度变化的工况中都 chanical seals[J].Lubrication Engineering,2008,33(3):36— 能正常稳定运转,该设计大大提高了机械密封的使用 39. 寿命和运转的可靠性。 【5】曾庭华,杨华,马斌,等.湿法烟气脱硫系统的安全性及优化 零部件模块化设计确保了机械密封零部件的互换 [M].北京:中国电力出版社,2005. 性,最大程度上选用模块式零部件,有利于机械密封 【6】刘彦春,杜辉,曹金燕.火电厂烟气脱硫系统用泵的研制及 现场的修复,标准化的零部件降低了使用单位的备品 应用效果【】].机械研究与应用,2005,18(2):91—93. 库存。 Liu Yanchun,Du Hui,Cao Jinyan.Developed and application of 3结束语 pumps used in FGD system in power plant[J].Mechanical Re— 吸收塔侧进式搅拌器机械密封的泄漏是湿法脱硫 search&Application,2005,18(2):91—93. 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