钠冷快堆气体加热风机密封性能探究

□和 丹 肖常志 吕明宇 余华金

一、背景

快堆堆本体预热系统是快堆的一个重要系统，通过本系统将快堆堆本体加热至200～250℃，作为充钠前的先决条件，然后才可以充入钠冷却剂，启动钠泵后运行。它的稳定运行直接影响到堆本体进钠，乃至后续整个反应堆的调试。

气体加热风机是快堆堆本体预热系统的主要设备之一，主要是为堆本体预热系统提供气体循环的动力和气体加热的主要热源，氩气通过风机及系统管道循环加热堆本体，最终达到反应堆充钠前的指标要求。由于整个系统要求极低的泄漏率，而气体加热风机为整个系统中最大的外泄露点，因此密封技术的研究对气体加热风机是至关重要的一项技术。

本文是在中国实验快堆(CEFR)气体加热风机应用的经验基础上，对大型钠冷快堆用气体加热风机的密封结构进行改进研究设计，为后期大型快堆堆本体预热系统的稳定运行奠定基础。

二、气体加热风机密封性能探究

快堆气体加热风机组主要由风机本体、增速箱、电动机、变频器、润滑油系统和仪表控制系统等组成。气体加热风机的密封涉及静密封(如机壳进出口的法兰联接处的密封)和动密封(如轴端处主轴与机壳间的密封)，主要是尽量减少机壳内的氩气向外界泄漏，节省运行时间和成本。静密封根据密封件材质又可以分为金属密封和非金属密封，有O型橡胶密封圈、橡胶垫片、石墨缠绕垫和金属垫圈等，其密封效果可以做得很好，且造价相对动密封来说也不高。动密封通常采用的密封形式主要有梳齿密封、碳环密封、机械密封和干气密封等，而近阶段又出现了磁流体密封和螺旋密封技术。在风机用轴密封设计与选型时，要综合考虑主轴转速、介质的压力、温度及介质的清洁度、介质的物理化学性质、轴密封成本等多方面因素来选取最佳的密封型式。当采用单一轴封型式不能满足使用要求时，也可以考虑多种密封型式组合使用。

(一)CEFR风机的轴密封运行经验。CEFR气体加热风机的轴密封由两组成对配置的分块式石墨环和弹簧钢丝环组成，安装在后盖板内的孔腔内，并经外侧轴封压板压住，石墨环在腔内可随轴作径向浮动，两侧面和环内孔保持与腔壁及主轴接触，由于两侧面装有定位销，因此防止了石墨环在风机运行时的转动。这种密封结构称为径向自紧式联合接触式密封。此气体加热风机的轴密封结构在CEFR堆本体预热系统的调试与运行中都没有达到密封效果，并且成为最大的外泄漏点。调试与运行过程中，平均每日补气次数7次，每次从0．5kPa到3kPa，根据计算得出泄漏率为23．3m3/h，泄漏量比较大，这不但降低运行效率，同时浪费资源，因此在大型快堆气体加热风机的密封结构上需要进行改进设计。

(二)大型快堆风机轴密封研究。对于大型快堆气体加热风机，由于转速较高，适合的动密封主要有梳齿密封、碳环密封、干气密封及其组合结构。梳齿密封造价最低，但由于其泄漏量太大，单独使用不合适。碳环密封和干气密封的密封效果明显好于梳齿密封，干气密封的泄漏量最小，但造价也最高。根据大型钠冷快堆用气体加热风机的设计参数，对密封结构进行专业设计和计算，给出以下两种方案设计和比较，其结构原理如图1所示。

1．方案A。密封结构:碳环+单端面干气密封。密封原理:机组温度较高，故采用外部常温的氩气作为密封气，控制密封气压力高于机组0．5～1 bar，通入的氩气经碳环限流后，大部分回流到风机内，只有极少部分沿干气密封端面泄漏至大气侧。气源要求:外部常温氩气压力不低于3barG，建议3～5barG连续供应。消耗量:≈16Nm3/h。

2．方案B。密封结构:冷却系统+双端面干气密封。密封原理:机组温度较高，故采用单独的冷却水对密封腔进行冷却降温，外部常温的氩气作为密封气，控制密封气压力高于机组0．5～1bar，通入的氩气进入双端面密封，一部分回流到风机内，只有极少部分沿干气密封端面泄漏至大气侧。气源要求:外部常温氩气压力不低于3barG，建议3～5barG连续供应。消耗量:≈1．5Nm3/h。

从以上两种方案比较分析，方案B(冷却系统+双端面密封)的泄漏量要明显小于方案A，同时造价要增加约30%，但该方案适用于大型快堆堆本体预热系统的性能要求。大型快堆气体加热风机泄漏量指标的提出需根据机组现场运行的频繁程度、检修时间等因素综合考虑，确定其最终的泄漏率参数。

三、结语

轴密封性能是气体加热风机一项重要的技术，而干气密封的出现是密封技术的一次革命，它具有使用寿命长、介质零泄漏、能耗低、摩擦损失小等优点，因此得到广泛应用。根据大型钠冷快堆用气体加热风机的设计参数，对轴密封结构进行设计和计算，最终确定冷却系统+双端面干气密封的风机轴密封结构。

图1 两种不同密封结构图

［1］成心德．离心通风机［M］．北京:化学工业出版社，2006

［2］杨富来．干气密封技术及实际应用［J］．石油化工设备技术，2004