水輪發電機組振動和擺度標準分析和應用探討

王憲平

(上海福伊特水電設備有限公司，上海200240)

水輪發電機組振動和擺度標準分析和應用探討

王憲平

(上海福伊特水電設備有限公司，上海200240)

現行的水輪發電機組的振動和擺度ISO國際標準已在國際上廣泛采用多年。近年來，ISO和IEC也在將ISO7919—5和ISO10816—5合并成為一個新標準ISO 20816—5:2016以取代舊標準并同時成為ISO和IEC的共同標準。同時，國內也有若干國家標準和行業標準都對機組的振動和擺度有一些規定。針對這些標準編制的背景和應用范圍進行了詳細介紹，指出了這些標準之間的異同點，給出了在實際工程應用上的建議，并為下一步標準的修訂和完善提供參考。

振動和擺度；國際國內標準；穩定性試驗：振動和擺度評定；水輪發電機組

0 引 言

近二十年來，中國已經成為世界水電大國，特別是大型、巨型機組和可逆式抽水蓄能機組，都已經達到世界先進水平，并且逐步走向國際市場并在“一帶一路”沿線國家和地區開展國際合作和工程總承包業務。在編制招、投標文件、合同談判、機組調試和進行穩定性試驗過程中都要應用相關的標準。然而，這些標準都有各自的適用范圍，還有一些矛盾和沖突的地方，在實際工程應用上還有一定的局限性。了解和掌握這些標準的技術背景和適用范圍，對合理評估機組的穩定性具有十分重要的意義。同時，也對這些標準的進一步修訂和完善奠定基礎。

1 國際標準ISO

1997年國際標準化組織ISO(International Organization for Standardization)頒布了ISO 7919—5:1997[1]簡稱ISO“主軸擺度標準”，提出了以A、B、C、D 4個區進行分區的主軸擺度限制值曲線，如圖1所示；2000年又頒布了ISO 10816—5:2000[2]簡稱ISO”固定部件振動標準”，以表格的方式給出了振動速度均方根和位移兩種量的評價標準，也是按照4個分區進行評價的。

2005年ISO7919—5:1997改版為ISO7919—5:2005[3]，1997版隨機廢止，其中最大的變化就是把老標準的4個小分區A、B、C、D改為了A—B(陰影部分)和C—D(非陰影部分)2個大分區，如圖2所示。但是ISO 10816—5:2000并沒有改版，還是A、B、C、D 4個區以表格的方式給出。

圖1 ISO 7919—5:1997主軸擺度標準評價分區

圖2 ISO 7919—5:2005主軸擺度標準評價分區

從2007年開始，國際標準化組織ISO和國際電工委員會IEC(International Electrotechnical Commission)聯合著手將兩個標準合并，成為ISO 20816—5:2016[4]，以替代ISO 7919—5:2005和ISO 10816—5:2000，合并后的標準給出了3個分區，即A—B區(可以無限制長期運行)，C區和D區，不再單獨分A區(原標準指新投產機組通常在該區域)。該標準近期(預計2017年)即將頒布。該標準歷經長達10年時間，在世界各地總共召開了15次國際會議，其中兩次在中國。

1.1 ISO標準修訂的依據和原則

新標準強調評價機組振動應該考慮兩個準則：①測量的振動幅值;②測量的振動幅值的變化和相位。

新標準中的振動幅值限值是基于收集到的現有機組“振動擺度數據庫”中數據進行數理統計計算得出的。標準建議的振動幅值限制不宜作為合同保證值的一個硬性指標。評價機組振動特性的好壞應結合主軸的擺度、固定部件機座的振動、主軸擺度相對于軸承冷態安裝總間隙的百分數、軸瓦的溫度等進行綜合分析。

當振動幅值較大時應采取相應的若干診斷措施，測量和進一步分析造成振動幅值大的原因及其可能會造成的影響，采取必要措施以保證機組可以無限制長期運行。

1.2 新標準的評價分區

新標準ISO 20816—5:2016分為3個區A—B、C和D，不再按照轉速細分，全部一個數值。

A—B區:通常認為振動在此區域內的機器可以無限制地長期運行，不再說明新交付使用的機組的振動通常應在A區內;大致相當于老B區的一半左右。

C區：需要進一步調查研究或采取一些措施減少振動幅值。

D區：振動幅值在這個區或主軸擺度超過70%軸承冷態間隙需要立即查明原因并采取必要措施減小振動幅值避免對機組造成損壞的可能性。

1.3 振動擺度數據庫存在的問題

現有機組的“振動擺度數據庫”為討論方便可以分為ISO的“國際振動擺度數據庫”和國內自己收集的“中國振動擺度數據庫”。

最新版的“國際振動擺度數據庫”涵蓋了全世界不同國家、不同時期、不同機型、不同結構的機組，其中絕大部分是歐美國家機組的7 000多組測量數據，集中在200 MW左右或以下的機組，200～700 MW的機組數量有限；也包括了“中國振動擺度數據庫”的數據，500～700 MW的巨型機組主要集中在中國。而“中國振動擺度數據庫”，截至2014年9月19日，收集了國內共計122個水電站(泵站)、306臺機組的振動數據。其中混流式機組共計77個電站、185臺機組；可逆式機組共計15個電站、61臺機組；軸流式機組共計10個電站、22臺機組；燈泡貫流式機組共計9個電站、15臺機組；沖擊式機組共計5個電站、3臺立式機組、2臺臥式機組2；泵站6個、共18臺機組。

受ISO標準修改起草委員會的委托，瑞典工作組負責對上面提到的數據庫進行“數理統計分析”，先是E版，后又是F版(當時沒有“中國振動擺度數據庫”的數據，而是國外廠商統計供貨的中國機組的部分數據)，最后是J版，機組穩態正常運行范圍為：混流式，70%～100%額定負荷；軸流式，50%～100%額定負荷；貫流式，0～100%額定負荷。

值得一提的是，最后的J版數據庫雖然包含部分中國機組的數據，但由于一些填報數據與國際數據有差異不符合要求，比如固定部件振動只有位移值um沒有速度均方根值mm/s，部件名稱不是軸承而是其他頂蓋、機架等無法按照軸承來統一，因而基本沒有被采納。

標準里面規定的振動和擺度限值就是基于瑞典工作組數理統計的結果給出的建議值。由于數據庫本身和統計方法存在的局限性，包括：一些機組的數據庫樣本量有限，填報數據僅僅是某個工況的一個點的數據，統計分類是否合理，有沒有找到關鍵參數，比如按照出力大小或軸承間隙大小分段統計而不是混到一起統計，歐美中小機組數據多則掩蓋了中國數據少的大型和巨型機組的特殊性，再加上數據庫本身的問題，比如軸承間隙混亂或沒有數據的問題，統計結果自然得不到一個合理的相關性，從工程實踐上看明顯不合理。中國工作組按照“中國振動擺度數據庫”采用同樣的方法則得出了不同的結果“混流機組和軸流轉槳機組擺度國內統計結果大于國外統計結果并略大于現行的國家標準”。原因是國內大型和巨型機組多，軸承間隙自然大，統計結果就比國際數據庫的統計結果大。可見，對測量數據進行合理分類和分段再做數理統計分析才能夠得出合理的符合邏輯的結果。

1.4 關于擺度大小和軸承間隙的問題

“國際振動擺度數據庫”雖然也列出了軸承間隙的統計要求，但是填報的數據非常混亂，既有理論設計間隙(dv-design value)，也有測量間隙(mv-measured value)，還有熱態間隙(h-hot)和冷態間隙(c-cold)，很多數據無法了解到底是什么數據，而且很多電站并沒有填寫任何數據或有明顯的錯誤；理論上，設計間隙一定是熱態間隙，而測量間隙一定是機組安裝時或停機以后測量的冷態間隙。熱態間隙是無法測量的。數據庫大多是mv-測量間隙值，也有一些dv-設計間隙，還有一些熱態測量間隙，等等。“中國振動擺度數據庫”則沒有任何軸承間隙的數據，全部空白。

因此，據此進行的統計分析自然無法找到主軸擺度與軸承間隙之間任何規律性的東西。

作為機組導軸承設計的間隙選擇通用原則，圖3給出了參考范圍。

圖3 各種導軸承設計總間隙和軸領直徑的關系

圖中冷態安裝調整間隙，按照軸領直徑10 μm/(m·℃)膨脹量、溫差10 ℃估算，通常由廠家給定標注在圖紙上，安裝期間初步設定，根據調試時軸承溫度測量結果最終決定是否調整軸承間隙。

從圖中還可以看出，老標準給出的A區擺度限制值在水輪機最優運行工況附件按照轉速大小不同大致在130～160 μm之間(約70%×200=140 μm)，B區則大致在220～280 μm( 約70%×320=224 μm)之間，新標準的A—B區則為180～220 μm。

因此，這主要是中小機組、軸領直徑約1.6～2.0 m以下的機組適用，這即和安裝時的冷態間隙有關，也和實際軸瓦運行溫度有關。對于大型和巨型機組，軸領直徑1.6～2.0 m以上甚至達到3.5 m，軸承的設計間隙特別是冷態的安裝間隙本身就很大，總間隙0.5～0.7 mm，個別情況下甚至達到0.8～1.0 mm，因此擺度值(對應70%～80%雙邊間隙)達到0.5～0.8 mm經常會遇到，特別是在空載和部分負荷(45%～70%)工況。

由此可見，ISO標準給出的機組的擺度限制值對大型、巨型機組和采用筒式瓦的機組偏小。因此，標準的最終版本采納了中方的意見并在振動和擺度限值表下面給出了如下說明：“主軸相對振動限值不適用于筒式瓦軸承(總間隙大于0.8 mm)和軸領直徑大于2.0 m的大型機組，因為現有的數據庫缺乏足夠的數據”。

另外，擺度大小是否合理還和軸承溫度和機組軸線安裝姿態有關。如果擺度大、軸承溫度也高，可能是油循環系統設計問題和或冷卻器容量不夠，需要分析原因和調整。很多情況下，擺度雖然較大，但是溫度較低，說明軸承間隙偏大，可以調整，但由于種種原因沒有調整則較大的擺度值不應成為影響安全運行的一個關鍵要素，擺度檢測系統的報警跳機整定值就需要重新考慮，避免帶來不必要的頻繁報警和跳機故障。

2 國內標準[5]

國內關于機組振動和擺度的標準分為兩大類。一類是翻譯后等同采用ISO的標準，包括①GB/T 11348.5—2008《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定 第5部分：水力發電廠和泵站機組》；②GB/T 6075.5—2002《在非旋轉部件上測量和評價機器的機械振動 第5部分：水力發電廠和泵站機組》；③GB/T 32584—2016《水力發電廠和蓄能泵站機組機械振動的評定》，但該標準主要參照前期正在討論中的ISO 20816—5:2016并結合國內機組安裝標準和運行實際統計數據情況后成文的。該標準急需盡快修訂，以便與ISO 20816—5:2016保持基本一致以及完善其他方面的問題。

第二類標準則是國內相關單位編制的標準，包括：①GB/T 8564—2003《水輪發電機組安裝技術規范》；②GB/T15468—2006《水輪機基本技術條件》；③GB/T22581—2008《混流式水泵水輪機基本技術條件》；④GB/T7894—2009《水輪發電機基本技術條件》；⑤GB/T7894—2009《水輪發電機基本技術條件》國家標準第1號修改單XG1—2015；⑥GB/T 18482—2010《可逆式抽水蓄能機組啟動試運行規程》；⑦DL/T 507—2014 《水輪發電機組啟動試驗規程》；⑧GB/T 17189—2007《水力機械(水輪機、蓄能泵和水泵水輪機)振動和脈動現場測試規程》，等。

這些標準均源于GB/T 8564—2003《水輪發電機組安裝技術規范》規定的振擺要求。新近修訂出版的DL/T 507—2014標準在“表1水輪發電機組各部位振動允許值(雙振幅)”中則給出了固定部件的振動限值，并在括號內特意指出了是通頻值還是轉頻值，相對于之前的其他標準，振動限值略微進行了修改。

這些標準主要是根據已建電站的工程經驗總結歸納的實用性標準，30多年來對我國的水電建設起到了非常重要的技術規范作用。

關于擺度，《水輪發電機組安裝技術規范》的9.5.7中“表13機組軸線的允許擺度值(雙振幅)”給出了機組在安裝盤車時的擺度值，并在注4特別注明了“以上均指機組盤車擺度，并非運行擺度”。

機組在運行時的振動和擺度又是如何規定的呢？GB/T 8564—2003在第15章“水輪發電機組試運行”的15.3“機組空載試運行”里面的15.3.1里面給出了以下規定：“d)測量機組擺度(雙振幅)，其值應不大于75%的軸承總間隙。”；“e)測量機組振動，其值不應超過表41的規定，如果機組的振動超過表41的規定，應進行動平衡試驗。”顯然，這里的文字說明規定的是“機組空載試運行”時的振動和擺度標準。

對于擺度，這里的75%軸承總間隙，原則上是正確的。但是，實際上軸承的間隙是和軸承溫度(包括軸系安裝質量、軸承冷卻系統設計和冷卻器容量)密切相關的。機組安裝有記錄的安裝冷態總間隙，空載調試時，軸承溫度較低，間隙較大，大軸擺度就大；當溫度升高穩定以后，間隙變小，接近設計熱態間隙，取決于軸承的溫度和擺度大小，間隙可能需要再調整，最終運行時的熱態間隙具體數值是多少則又無法測量，可按熱態設計間隙附近粗略估算。通常，75%的軸承總間隙理解為冷態安裝總間隙，也即標準給出的擺度值是機組調試期間空載運行的最大值。有些情況下，機組調試時由于瓦溫高，軸瓦間隙調整就大，造成擺度大。

對于振動，表41最后一行“注：”里面又提到了“振動值系指機組在除過速運行以外的各種穩定運行工況下的雙振幅值”，可以理解為正常穩定運行(含空載)及在50%～100%負荷下的限制值。但機組全工況實測的振擺特性顯示，這些限值有些不適用于空載運行工況和低負荷運行工況。用于滿負荷附近基本上沒有問題。

與最新的ISO 20816-5:2016相比，國內這些標準均沒有固定部件振動的速度量均方根限值，“中國的振動數據庫”沒有速度量，與國際不接軌，無法與“國際振動數據庫”進行數理統計，因此，很遺憾未被采納。國內這些標準都是按照額定轉速大小分檔給出的固定部件的振動限值，還有垂直振動限制和定子機座水平和垂直振動限制，而國際標準則不再按照轉速分檔，也沒有這些垂直振動和定子振動的限值。

GB/T 15468—2006《水輪機基本技術條件》和GB/T 22581—2008《混流式水泵水輪機基本技術條件》在5.5.3另外給出了擺度值按照ISO標準“B區上限線，且不超過軸承間隙的75%”。如前所述，如果機組在穩態正常運行工況，則這里便是熱態總間隙，取決于軸承的溫度，具體數值是多少則無法測量；如果采用冷態總間隙，則數值非常大，實際上就是按照B區上限線(大致就是熱態設計間隙的75%)，而該值在原標準里面是指70%～100%負荷的數值，不含45%(混流式)～50%(水泵水輪機)～70%區間，也不包括空載運行工況。

GB/T 17189—2007《水力機械(水輪機、蓄能泵和水泵水輪機)振動和脈動現場測試規程》以及2016年的修訂討論稿規定了現場的各種試驗工況，既有穩態運行工況也有空載工況和暫態過渡過程工況(如起動、停機、增減負荷、工況轉換、過速、在水輪機運行工況下甩負荷、在水泵運行工況下突然斷電等)；然而現有的ISO振動和擺度標準規定的數值則實際上是(70%～100%負荷)穩態工況的，沒有空載、部分負荷和過渡過程工況。ISO和國內標準還存在工況范圍等定義不一致、振擺限值有較大差異的問題。這對現場振擺測試結果出來以后如何評判是個需要研究的問題。一些穩定性試驗報告則誤將標準給出的在特定穩態工況范圍內的振擺限值應用到了機組的全工況，不合理地給出了所謂的“振動運行區”、“臨界運行區”和“穩定運行區”，擴大了振動區的范圍，不必要地人為限制了機組的運行區域。

3 結論和建議

概括起來講，新標準ISO20816—5:2016的適用范圍為：①混流式和水泵水輪機組滿負荷附近穩態運行工況，大致70%～100%額定出力；②軸流式機組50%～100%額定出力穩態運行工況；③200～300 MW以下機組，軸領直徑小于約2.0 m；④固定部件振動僅指水輪機頂蓋、發電機上下機架軸承座的水平振動，并且只有速度量沒有位移量，對高水頭水泵水輪機頂蓋的2或3倍葉片過流頻率引起的高頻分量需要過濾處理[5- 6]。

不適用范圍或僅供參考的情況：①混流式(水泵水輪機)機組的部分負荷工況45%(50%)～70%出力；②空載工況和小于45%出力超低負荷工況；③軸領直徑大于約2.0 m的大型和巨型機組，大致500～800 MW；④固定部件水輪機頂蓋、發電機上下機架軸承座的垂直振動；⑤定子機座的水平和垂直振動；⑥水泵水輪機的抽水工況和調相工況；⑦暫態運行工況如啟動、過速和飛逸、水泵水輪機的工況轉換等。

由此可見，新的ISO20816—5:2016在實際工程應用上還有很大的局限性，無法很好地用于機組實際運行需要的全工況的振動評定和保護設定，特別是對于國內大型和巨型機組以及大容量和高轉速的抽水蓄能機組。

國內的振動標準屬于根據工程經驗得出的實用性的標準與國際標準存在一些差異，其適用范圍(如空載和部分負荷工況)還需要進一步收集數據、分析和驗證。在工程應用上不宜不分適用范圍而將不同的標準體系混合在一起使用并采用最高要求。

現階段評定振動和擺度大小時宜以現有的ISO和GB/T標準統計值(混流式機組適用于70%～100%負荷范圍)、國內的機組安裝標準GB/T和機組調試試運行規程為基礎，結合機組調試實測的全工況振動特性并參考類似機組的經驗經專業的綜合分析后給出，建議如下：

(1)特殊工況。包括開機、空載運行、發電工況混流式45%(水泵水輪機50%)以下負荷和工況轉換過程；以實測結果為基礎，適當考慮一定的裕量。

(2)部分負荷工況。按照混流式45%(水泵水輪機50%)～70%負荷考慮。以A—B區上限線為基礎，適當考慮一定的裕量。

(3)穩態運行工況。按照70%～100%負荷考慮(包括滿負荷抽水工況)。這也是ISO標準和國標以及行標實際適用的范圍。以A—B區上限線為基礎，適當考慮一定的裕量。

一般情況下，大部分機組也可以小于原A區上限線和國內的機組安裝標準GB/T和機組調試試運行規程規定的限值。報警和跳機保護整定值可以按照上述結果，按照比如1.25和1.6倍設置；根據機組的中長期運行狀況和檢修后的狀況還可以調整。

[1] ISO 7919-5—1997 Mechanical vibration-Evaluation of machine vibration by measurements on rotating shafts-Part 5: Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants[S]．

[2] ISO 10816-5—2000 Mechanical vibration-Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts—Part 5: Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants[S]．

[3] ISO 7919-5—2005 Mechanical vibration-Evaluation of machine vibration by measurements on rotating shafts-Part 5: Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants[S]．

[4] ISO-IEC 20816-5 Mechanical vibration-Measurement and evaluation of machine vibration-Part 5: Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants[S]．

[5] 王憲平，趙江. 可逆式抽水蓄能機組振動測量、 評估和保護設定研究[J]. 水電與抽水蓄能， 2017， 3(3): 6- 16．

[6] 魏炳漳. 廣蓄二期工程抽水蓄能機組的振動評估[J]. 水力發電， 2001(11): 48- 49．

AnalysisofInternationalandChineseStandardsonMechanicalVibrationsofHydropowerUnitsandRecommendationofApplication

WANG Xianping

(Voith Hydro Power Generation Shanghai, Ltd., Shanghai 200240, China)

ISO 7919-5 (relative shaft vibration) and ISO 10816-5 (stationary part vibration) have been applied worldwide for many years. In recent years, ISO and IEC are working jointly to integrate ISO 7919-5 and ISO 10816-5 into a new standard called ISO 20816-5: 2016 which will replace them after then. Meanwhile, some Chinese standards have also stipulated the vibration limits. This paper will present their background and scope of applications, discrepancies and limitations of application. Recommendations are made for project application and for the next revisions of the standards．

vibration; international and Chinese standards; tests of operational stability; evaluation of vibration; hydropower unit

TK734

A

0559- 9342(2017)09- 0065- 05

2017- 06- 27

王憲平(1963—)，男，河北邯鄲人，副總裁，總工程師，主要從事水電站動力設備和機組設計、制造，技術管理工作．

(責任編輯高 瑜)