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火力發電廠煙氣脫硫系統用機械密封常見故障分析與對策

火力發電廠濕法煙氣脫硫工藝是采用石灰石或石灰作為吸收劑,與鍋爐尾部煙氣在噴淋塔內接觸反應,使石灰漿液中的鈣同煙氣中的SO2反應生成石膏,同時去除煙氣中的其它污染物。煙氣脫硫系統中使用的泵軸封全部為機械密封,且大部分是無沖洗水機械密封。此類機械密封能否可靠運行直接關系到泵的運轉,是泵至關重要的零部件。

1)煙氣脫硫裝置介質特點

鍋爐排放的煙氣溫度較高(180℃),相對濕度3%,含煤和各種腐蝕性成分,如SO2、NO2、HCl及鹽霧,漿液中含有20000~60000ppm的氯離子,漿液的PH值大約在4~9之間,漿液中含有石灰石、石膏的濃度為20%~35%,含固體量有時高達60%。固體最大顆粒粒徑為1mm,溫度最高可達70℃。

2)煙氣脫硫裝置用泵及機械密封現狀

脫硫系統用泵按其性能特點大致分為三類:一類是大型漿液循環泵,流量4000m3/h~9800m3/h,揚程18m~27m;一類是石灰紙漿系統及石膏排出用小型泵,流量15 m3/h~100 m3/h,揚程25m~70m;其它為輔助系統用工藝水泵,流量100 m3/h~300 m3/h,揚程30m~65m。前兩類為脫硫系統的核心設備,尤其是大型漿液循環泵,每臺機組裝置配備3~4臺,價格昂貴,無備用泵,可靠性要求較高。

3)脫硫泵用機械密封失效分析

脫硫系統泵采用的機械密封通常為彈簧推進式,依靠動環與軸、靜環與泵殼(壓蓋)之間的靜密封以及動靜環之間相對旋轉滑動摩擦的端面之間的接觸來實現密封。兩端面之間的泄漏是密封失效的主要原因。

機械密封的失效主要不是由于設計原理上的失誤,而是由于動靜環兩個端面間的摩擦損壞,端面的損壞包括黏附磨損、磨料磨損、磨蝕、表面磨損、沖刷磨損。這些現象在脫硫系統的機械密封中均有體現。

石灰石漿液工況  由于脫硫工藝的需要,石灰石漿液的密度為1230kg/ m3(固體含量30%),由于石灰石粉密度小,具有黏附性和荷電性,導致石灰石粉粒流通不暢(比如結塊)。在該工況下需要硫化風機向石灰石倉內鼓入一定壓力的氣體(氣體的壓力一般為0.2MPa~0.5MPa)攪拌石灰石粉,使石灰石粉呈流態化。

石膏漿液工況  吸收塔持液槽內是反應后的石膏漿液,為了便于石膏的形成(從亞硫酸鈣進一步氧化成硫酸鈣),通過氧化空氣風機向槽內鼓入足夠的氧氣(因為煙氣中所含的氧氣不足以滿足氧化的需要),這樣導致漿液中含有大量的氣泡。

石膏、石灰石這兩種漿液中含有大量的空氣,密封腔內機械密封的工作面附近壓力低,從而使氣泡體積膨脹,使密封端面得不到很好的冷卻、潤滑,甚至造成密封端面間潤滑膜汽化形成干摩擦,損壞了密封面的粗糙度、平面度,從而造成泄漏。一旦含顆粒的漿料從密封面間通過就會出現嚴重的磨料磨損,反過來又更加損害端面狀況,從而形成惡性循環以至完全失效。有時干摩擦產生高溫使O形圈碳化,使SiC環熱裂損壞出現龜裂紋。

   由于種種原因,例如為了節約投資和運行成本而省去沖洗水系統、監控設備、節約水資源等原因而要求的“無水密封”,絕不是指密封端面間可以干摩擦,而是指依靠介質本身來冷卻、潤滑端面,使介質中的液體成分在端面間形成一層既不同于軸承的完全液體潤滑,也不是干摩擦的所謂“邊界潤滑”狀態。因此充分地讓端面間摩擦面接觸液體介質十分重要。

4)采取的措施  針對以上惡劣的工況,分別針對機械密封設計、泵設計和泵現場運行采取措施。

(1)機械密封設計上采取的措施

a.機械密封摩擦副選材 

    根據統計,機械密封的泄漏大約有80%~95%是由于密封端面摩擦副造成的,出了要保持密封面平行之外,關鍵在于摩擦副的材料選取。

    摩擦副材料用于脫硫工況必須要具備足夠的強度、硬度、耐磨性、耐蝕性、耐沖擊性和疲勞強度等,且具有良好的耐干磨性、自潤滑性。其中,耐磨性、耐蝕性和抗熱裂性能是最主要的要求,綜合衡量摩擦副各種材料后,選擇了SiC材料。

b.機械密封的結構

    機械密封結構采用單端面、平衡型、外裝式,考慮運行過程中漿液不穩定,為防止沖擊摩擦副,動靜環采用整體式碳化硅,不采用鑲嵌式碳化硅。

    根據工況的性質,對于易結晶、易凝固和高粘度的介質,我們選用大彈簧靜止式結構,不選用小彈簧結構。因為小彈簧結構容易被固體堵塞,高粘度介質會使小彈簧彈力受損。大彈簧結構由原來裸露在外改為用夾套包住,防止外面的污物進入從而影響彈簧的補償能力,并正確選擇彈簧的剛度和數目,保持靜環的追隨性。

    計算合理的彈簧比壓,保持機械密封在投入運行后即能順利打開動靜環接觸面,能夠在動靜環之間有微小的間隙,形成一層水膜,不致于使摩擦副直接接觸而產生干磨。

(2) 脫硫泵設計上采取的措施

a.葉輪設計

    針對石灰石漿液和石膏漿液中存在的氣泡,采取在泵的葉輪上鉆排氣孔的方法,使得泵在運行過程中漿液從高壓區向低壓區循環,避免漿液中氣泡在動靜環周圍聚集,形成干摩擦。

b.間隙設計

    為了使漿液快速地大量進入機械密封腔體,使冷卻密封副達到理想的效果,在葉輪和后護板之間加大間隙,一般3mm ~8mm。

c.密封腔體設計

    摩擦副運轉后會產生大量的熱量,為保證有足夠的漿液進入冷卻循環以帶走摩擦副產生的熱量,可以將機械密封腔加大。

泵啟停前后采取的措施

    現場運行過程中,依據經驗,認為在啟動泵前首先將進口閥門打開5min,使漿液充分進入泵和機械密封的腔體之后才開啟泵,以防漿液未能達到摩擦副周圍就開啟泵造成干摩擦。

停泵后現場及時開啟反沖洗水,一般不小于0.8MPa,反沖時間不少于5min,以將黏附在摩擦副周圍的漿液顆粒沖洗干凈,確保下次啟動泵前無固體顆粒干巴在摩擦副上,并防止漿料在O形橡膠圈的間隙內停滯、板結。


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