王憲平，趙 江

（上海福伊特水電設備有限公司，上海市 200240）

可逆式抽水蓄能機組振動測量、評估和保護設定研究

王憲平，趙 江

（上海福伊特水電設備有限公司，上海市 200240）

中國已經(jīng)成為世界抽水蓄能大國。與常規(guī)機組相比，抽水蓄能機組具有轉(zhuǎn)速高、容量大（特別是2000年之后新建的電站）和機組軸線較長的特點，通常擔任負荷中心調(diào)峰（經(jīng)常在部分負荷運行）、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用的任務，機組運行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性就變得更加重要。但目前國際和國內(nèi)尚未針對可逆式抽水蓄能機組制定專用的機械振動評估標準。現(xiàn)有的標準多是根據(jù)常規(guī)機組制定的，應用于可逆式抽水蓄能機組存在一些問題：首先，國際和國內(nèi)標準對于運行工況的規(guī)定不一致；其次，有些標準規(guī)定的數(shù)值與機組實際運行狀況存在較大差異。本文通過對現(xiàn)有國際和國內(nèi)振動標準進行分析和研究，結(jié)合國內(nèi)已建抽水蓄能電站的經(jīng)驗，給出了振動測量參數(shù)選擇、振動大小評估的方法和保護整定值的設定建議，以供相關設計院、建設單位、運行單位和設備供應商參考。

抽水蓄能電站；機組振動；測量、評估和保護設定

0 引言

中國的抽水蓄能電站，無論從裝機臺數(shù)、單機規(guī)模和技術(shù)難度（水頭、轉(zhuǎn)速和單機容量）都已經(jīng)達到世界先進水平。展望今后的發(fā)展趨勢，一大批大容量、高水頭和高轉(zhuǎn)速的可逆式抽水蓄能機組將逐步投入建設和運行。但目前國際和國內(nèi)尚未針對可逆式抽水蓄能機組制定專用的機械振動評估標準。 現(xiàn)有的標準多是根據(jù)常規(guī)機組制定的，應用于可逆式抽水蓄能機組存在一些問題。首先是國際和國內(nèi)標準對于運行工況的規(guī)定不一致，現(xiàn)有的國際和部分國內(nèi)標準給出的限值都是針對發(fā)電工況70%～100%額定出力范圍的“穩(wěn)態(tài)運行工況”的標準；而大多數(shù)國內(nèi)標準在考核機組穩(wěn)定性時是指“正常運行工況”（50%～100%額定出力，包括空載工況），也叫“穩(wěn)定運行工況”。其次，一部分指標與機組實際運行狀況存在較大差異。電站如果僅按照振動標準設定（50%～100%）的保護整定值則會造成頻繁跳機，為了避免頻繁誤跳機，保護整定值又設置偏大，某些情況下失去了保護機組的作用，給電站安全運行帶來隱患和風險。本文通過對現(xiàn)有國際和國內(nèi)振動標準進行分析和研究，參考部分國內(nèi)已建抽水蓄能電站的經(jīng)驗和實測結(jié)果，提出了有關振動測量參數(shù)選擇、振動大小評估方法和保護整定值設定的建議。

1 振動的定義

1.1 轉(zhuǎn)動部件的振動

轉(zhuǎn)動部件的振動系指機組主軸的徑向相對振動，俗稱主軸擺度，單位用微米（μm）或毫米（mm）。通常，主軸在水導處測得的擺度、在發(fā)電電動機上導處測得的擺度和在下導處測得的擺度，依次簡稱為水導擺度、上導擺度和下導擺度。

1.2 固定部件的振動

固定部件的振動主要指水輪機頂蓋的振動、發(fā)電電動機上機架和下機架的振動，測量單位有兩種，一種是速度量Vrms（速度均方根值），單位為mm/s，另一種是位移量，單位為μm。振動傳感器通常安裝在其軸承座（支架）上。國內(nèi)多采用位移量，國外多采用速度量。

在新的國際和國內(nèi)標準制定過程中，對采用速度量還是位移量存在爭議：原ISO國際標準速度量和位移量均采用，對300r/min轉(zhuǎn)速以下推薦測位移量，300r/min轉(zhuǎn)速及以上推薦測速度量； 新標準則全部采用速度量（從結(jié)構(gòu)受力和疲勞損傷角度）不再采用位移量。國內(nèi)和俄羅斯專家傾向采用位移量。

值得一提的是，如果采用速度量的話，需要對動靜干涉造成的頂蓋振動速度值大的問題進行濾波處理。因為，對于高水頭、高轉(zhuǎn)速水泵水輪機而言，無葉區(qū)的壓力脈動（也即葉片過流頻率及其倍頻）造成頂蓋振動的速度值大（有些遠大于標準給出的數(shù)值）、頻率高，經(jīng)分頻處理，可以看出通常是單一的2倍或3倍的葉片過流頻率（取決于葉片數(shù)和導葉數(shù)的組合），但位移值小，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應力低，它不是由于轉(zhuǎn)輪徑向水推力造成的對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大應力的振動，在機組的壽命周期內(nèi)不會產(chǎn)生由動靜干涉高頻振動引起的疲勞破壞問題。反之，對于中、低水頭混流式水輪機而言，活動導葉和轉(zhuǎn)輪葉片之間的距離相對較大，動靜干涉的影響較小，無葉區(qū)壓力脈動造成的頂蓋振動速度值較小，但由于結(jié)構(gòu)剛度相對較低，實測位移值較大。

因此，為便于分析，現(xiàn)階段還是應同時考慮輸出速度量和位移量。對異常情況，經(jīng)頻譜分析后進行診斷和處理。可以按分頻后的優(yōu)勢頻率（fi，Hz）將速度量峰峰值（Vi，mm/s）換算成位移量峰峰值（Sp-p，um）[1]。通常采用ISO 20816-1：2016附錄A.4的公式。

這對分析和處理采集到的中高速機組由于轉(zhuǎn)輪葉片動靜干涉頻率及其倍頻引起的頂蓋水平振動速度量非常重要。

2 振動的測量

振動大小的評定依賴測量，測量的關鍵是傳感器的參數(shù)選擇和產(chǎn)品的可靠性問題。振動標準一般均指通頻值（混頻值），它包括所有的相關的頻率成分。對測得的通頻信號經(jīng)傅里葉變化（FFT）后可以得到單一頻率頻譜。對較高頻率需要分析其動態(tài)響應大小或幅值大小，以便決定某一頻率是否為引起高動態(tài)應力（振幅）的相關頻率。

傳感器頻響范圍應覆蓋被測部件需要關注的頻率范圍，也即“感興趣的頻率”范圍，也可簡稱“物理頻率”。如果太窄，則難以準確測得所關注的頻率。通常選擇傳感器的頻響范圍較大，有些情況下會包括了不相關的高頻信號，經(jīng)分頻分析研究后，可以采取濾波的方法去除這些不相關的高頻信號?？紤]到傅里葉變換的需要，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率應至少為2.56倍的被測部件的最大“物理頻率”，一般按照3倍考慮。

傳感器其他要求應按GB/T 11348.1[2]、GB/T 17189[3]和其他相關標準給出的基本準則。

2.1 主軸擺度的測量

主軸擺度采用非接觸式位移傳感器測量，通常選用電渦流傳感器，輸出量是振動位移量的通頻值。

ISO-IEC 20816-5[4]給出了如下的“物理頻率”估算范圍（通用于各種機組型式，燈泡式、軸流式、混流式和水泵水輪機）：

式中fn——轉(zhuǎn)頻，Hz；

ZG——活動導葉數(shù)。

左側(cè)部分旨在包含尾水管大渦帶的頻率，通常范圍約為（0.2～0.4）fn，右側(cè)部分則是理論上預測的最大“物理頻率”。工程實踐表明，除了軸承間隙之外，對水導擺度影響較大的是機組啟動和空載工況下的葉道渦以及部分負荷下的尾水管大渦帶，對上導擺度和下導擺度影響較大的是機組轉(zhuǎn)頻（由轉(zhuǎn)動部件動不平衡引起），動靜干涉一般情況下對擺度影響不大。因此，“物理頻率”采用（0.1～1）fn即可。目前市場上電渦流傳感器的頻響范圍都可以滿足擺度測量的需要。

2.2 固定部件的振動的測量

固定部件的振動采用接觸式傳感器測量。通常選用速度傳感器或加速度傳感器，輸出量可以是位移也可以是速度。

對于振動位移測量，通常采用速度傳感器（為慣性式磁電傳感器，帶硬件積分功能、輸出振動位移）測量，得到振動位移峰—峰值Sp-p，單位為μm。

ISO-IEC 20816-5[4]給出了如下的“物理頻率”估算范圍：

式中fn——轉(zhuǎn)頻，Hz；

ZR——轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)。

左側(cè)部分也是旨在包含尾水管大渦帶的頻率，右側(cè)部分則也是理論上預測的最大“物理頻率”。工程實踐表明，對固定部件振動影響較大的是水輪機轉(zhuǎn)輪的徑向力和無葉區(qū)的動靜干涉，而尾水管渦帶對固定部件的振動影響不大。

對于振動速度測量，通常采用速度傳感器，一般為慣性式磁電傳感器，直接輸出振動速度，得到振動速度（均方根）V（Vrms），單位為mm/s，或用加速度傳感器（壓電式或其他），輸出經(jīng)一次積分后為振動速度量，單位為mm/s。

2.3 振擺在線監(jiān)測系統(tǒng)及其應用

新建電站大部分都安裝了新的振擺在線監(jiān)測系統(tǒng)，其功能日臻完善。有些系統(tǒng)，主要是一些老系統(tǒng)，由于其獨立于監(jiān)控系統(tǒng)之外，往往需要的一些參數(shù)未能接入，還需要逐步完善或更新改造。目前存在的主要問題是可靠性有待提高，實用性有待改進。

振擺在線監(jiān)測目前存在重測量輕分析和評估的問題。造成這些問題的根源是目前國際和國內(nèi)還沒有成熟的用于全工況評價振擺大小的標準，并且已經(jīng)頒布的標準存在應用上的局限性，實用性不高和存在相互矛盾和容易誤解的地方。

3 振動的評估

如何對機組振動的大小進行合理的評估，目前主要有以下兩種方式：一是在招、投標階段以及在合同談判、簽署的技術(shù)規(guī)范里面大都是引用各種已經(jīng)頒布的標準所規(guī)定的振動和擺度幅值，在此暫稱之為“評價準則Ⅰ”；二是電站調(diào)試期間和投產(chǎn)以后較多采用的是實測的振動幅值過程線作為基準，并以相對于基準的變化量大小來評價實際振動幅值，稱之為“評價準則Ⅱ”。

機組調(diào)試期間和投產(chǎn)以后，嚴格采用“評價準則Ⅰ”的案例是很少的，這是由于嚴格遵循“評價準則Ⅰ”往往與機組實際運行狀況存在較大差異，其中既有運行范圍的矛盾（如究竟負荷范圍是70%～100%還是50%～100%，是否包括空載工況等），也有現(xiàn)有標準所規(guī)定振動幅值不合理的問題，這些問題對于可逆式抽水蓄能機組尤其突出。

現(xiàn)實的情況則是機組調(diào)試期間和投產(chǎn)以后大多采用的是“評價準則Ⅱ”的原則，但往往僅是結(jié)合機組的實測數(shù)值，同時參照類似電站的實踐，對水輪機的“穩(wěn)定運行范圍（50%～100%負荷）” 整定其報警和跳機值，并延時后用于機組的保護，而對特殊工況就沒有設置保護。

客觀地講，對機組振動的評估不像機組的效率、功率、溫度、空蝕那樣可以作為一個目標參數(shù)，根據(jù)理論分析計算、模型試驗以及生產(chǎn)制造工藝、安裝工藝和嚴格的質(zhì)量控制等技術(shù)手段進行預測和量化的具體參數(shù)。它是一個涉及設備的設計、制造、安裝、調(diào)試和運行的綜合因素的結(jié)果，是一個尚無法準確預測而只能采用統(tǒng)計分析的方法給出參考值并結(jié)合機組實際情況進行的評價。標準里的振擺數(shù)值是基于對收集到的機組振動數(shù)據(jù)庫進行數(shù)理統(tǒng)計后給出的結(jié)果，類似于人的血壓和心率的統(tǒng)計分析結(jié)果。所以標準規(guī)定的振擺限值是不宜作為強制性要求的，其宗旨是對振擺大小進行合理地評估以便采取必要的檢查和處理措施。

值得一提的是，機組振動幅值偏大與短路、過電流、過電壓、斷水、定子繞組、軸承溫度升高等故障不一樣，不會對機組立即造成損壞。所以，振動幅值超標一般還算不上故障。只要不引起機組和廠房結(jié)構(gòu)的共振，從而不影響機組和廠房的安全（國內(nèi)外都出現(xiàn)過此類嚴重的共振問題，最終不得不通過機組改造來解決），均可根據(jù)機組的統(tǒng)計規(guī)律允許在相對合理的范圍內(nèi)長期運行。

對于振動幅值相對較大的案例，特別是在振動數(shù)據(jù)庫之外的機組或數(shù)量很少的機組，由于缺少足夠的數(shù)據(jù)，無法進行統(tǒng)計分析，這就需要進行專業(yè)地分析和檢查，找到原因，采取必要的措施進行處理。

振動是否會造成部件的疲勞破壞，需要具體問題具體分析。疲勞破壞是在設計壽命周期內(nèi)由高于材料疲勞強度的交變大荷載或高頻低荷載造成的。除共振外，通常情況下高頻振動引起的動應力幅值較小，其對室溫環(huán)境下材料的疲勞強度影響有限，不足以成為機組壽命周期內(nèi)疲勞破壞的主要原因。

4 振動的有關標準綜述

4.1 國外情況

1997年之前，國際上還沒有頒布一個可供使用的水輪發(fā)電機組振動評估的標準。ISO于1993年著手收集并建立振動數(shù)據(jù)庫，對代表不同類型水輪機（水斗式、軸流式、混流式等）的1000多臺機組的振動數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，隨后提出了以A、B、C、D四個區(qū)進行分區(qū)的振動限制值曲線和評估標準。這就是1997年ISO頒布的第一版的ISO 7919-5：1997第5部分（用于軸振動）[6]。之后于2000年又頒布了第一版ISO 10816：2000第5部分（用于軸承座振動）[7]。

其后，收集到的機組的數(shù)據(jù)逐步增加，數(shù)據(jù)庫不斷擴大，2005年ISO 7919-5進行了改版成為第二版，其中最大的變化就是把老標準的四個小分區(qū)A、B、C、D改為了A-B和C-D兩個大分區(qū)；

此后從2007年開始，ISO和IEC聯(lián)合又著手將兩個標準合并，在世界各地總共召開了15次國際會議，其中兩次在中國（2010年10月在三峽工地，2016年10月在成都三峽大廈）。發(fā)展情況匯總見表1。

表1 ISO標準發(fā)展情況匯總

4.2 國內(nèi)情況之一

（1）2002年，國內(nèi)頒布了根據(jù)ISO 7919-5：1997和ISO 10816-5：2000翻譯的完全等同的標準。

1）GB/T 11348.5—2002[8]《旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》

2）GB/T 6075.5-2002[9]《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動 第 5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》

（2）2005年第二版的ISO 7919-5頒布后，國內(nèi)標準GB/T 11348.5也于2008年相應進行了改版。GB/T 11348.5—2008《旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》[8]。原2002年標準隨即廢止。相應地，其中最大的變化也就是把老標準的四個小分區(qū)A、B、C、D改為了A-B和C-D兩個大分區(qū)。

（3）2016年11月1日，頒布了最新的國家標準GB/T 32584—2016《水力發(fā)電廠和蓄能泵站機組機械振動的評定》。該標準主要參照前期正在討論中的ISOIEC 20816：2016，并結(jié)合國內(nèi)機組安裝標準和運行實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)情況成文。該標準亟需盡快修訂，以便與ISO-IEC 20816 ：2016 保持基本一致以及完善其他方面的問題。

4.3 國內(nèi)情況之二

（1）1988年，國內(nèi)獨立編制了GB 8564—1988《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》強制性標準。2003年對此進行了修訂，并改為推薦性標準 GB/T 8564—2003，已取代原標準。

該標準主要是由國內(nèi)電站建設單位、安裝單位和部分制造廠根據(jù)已建電站的工程經(jīng)驗總結(jié)歸納形成實用性標準，30余年來，已經(jīng)成為其他設計標準和工程啟動驗收的依據(jù)，對我國的水電建設起到了非常重要的技術(shù)規(guī)范作用。

該標準的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”。

那么，機組在運行時的振動和擺度又是如何規(guī)定的呢？GB/T 8564—2003[10]在15.3.1中給出了以下規(guī)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（見表2）的規(guī)定，如果機組的振動超過表41的規(guī)定，應進行動平衡試驗?！?/p>

表2（原表41） 水輪發(fā)電機組各部位振動允許值 mm

顯然，這里規(guī)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75%的軸承總間隙，原則上是正確的。但是，實際上軸承的間隙是和軸承溫度密切相關的。機組安裝有記錄的安裝冷態(tài)總間隙，空載調(diào)試時，軸承溫度較低，間隙較大，大軸擺度就大；當溫度升高穩(wěn)定以后，間隙變小，接近設計熱態(tài)間隙，取決于軸承的溫度和擺度大小，間隙可能需要再調(diào)整，最終運行時的熱態(tài)間隙具體數(shù)值是多少則又無法測量，可按熱態(tài)設計間隙附近粗略估算。通常，75%的軸承總間隙理解為冷態(tài)安裝總間隙，也即標準給出的擺度值是機組調(diào)試期間空載運行的最大值。

對于振動，表41（本文表2）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(wěn)定運行工況下的雙振幅值”，可以理解為正常穩(wěn)定運行（含空載）及在50%～100%負荷下的限制值。

（2）GB/T 15468—2006《水輪機基本技術(shù)條件》[11]在5.5.2給出了“水輪機頂蓋水平和垂直振動應不大于表5（見圖1）”的規(guī)定。

圖1 節(jié)選自GB/T 15468—2006Fig. 1 Excerpt from GB/T 15468—2006

該規(guī)定沿用了機組安裝標準的數(shù)值，并且在5.5.3另外給出了擺度值按照“B區(qū)上限線，且不超過軸承間隙的75%”。如前所述，如果機組在穩(wěn)態(tài)正常運行工況，則這里便是熱態(tài)總間隙，取決于軸承的溫度，具體數(shù)值是多少則無法測量；如果采用冷態(tài)總間隙，則數(shù)值非常大，實際上就是按照B區(qū)上限線（大致就是熱態(tài)設計間隙的75%），而該值在原標準里面是指70%～100%負荷的數(shù)值，不含50%～70%區(qū)間，也不包括空載運行工況。

（3）GB/T 22581—2008《混流式水泵水輪機基本技術(shù)條件》[12]給出了如圖2的規(guī)定。

圖2 節(jié)選自GB/T 22581Fig. 2 Excerpt from GB/T 22581

（4）GB/T 7894—2009《水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件》[13]在9.8中給出了如圖3的規(guī)定。

與水輪機和水泵水輪機基本技術(shù)條件一樣，該規(guī)定也沿用了機組安裝標準的數(shù)值。該標準對于擺度值只是提到了75%軸承總間隙值，并沒有提及B區(qū)上限線的問題。

圖3 節(jié)選自GB 7894Fig. 3 Excerpt from GB 7894

（5）GB/T 18482—2010《可逆式抽水蓄能機組啟動試運行規(guī)程》[14]給出了表3（原表1）的振動限值，相對于之前的其他標準，對振動限值略微進行了修改。

表3（原表1） 可逆式抽水蓄能機組各部位振動允許值（雙幅值） mm

（6）DL/T 507—2014 《水輪發(fā)電機組啟動試驗規(guī)程》[15]給出了表4（原表1）的振動限值，并在括號內(nèi)特意指出了是通頻值還是轉(zhuǎn)頻值，相對于之前的其他標準，振動限值略微進行了修改。

表4（原表1） 水輪發(fā)電機組各部位振動允許值（雙幅速）

4.4 國內(nèi)外各種標準應用范圍分析

仔細分析這些標準，對相關標準的應用范圍進行分析（見圖4），可以歸納出以下幾個主要特點：

（1）新國際標準ISO-IEC 20816—2016和國家標準GB/T 32584—2016僅僅給出了70%～100%額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下的統(tǒng)計分析參考值；原標準ISO 7919-5：2005和ISO 10816-5：2000以及等同翻譯的GB/T 11348.5—2008和GB/T 6075.5—2002給出了80%～100%額定流量下的統(tǒng)計分析參考值。兩者均不包括空載運行工況。

（2）國內(nèi)的《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》和其他標準給出了機組安裝后盤車時的擺度限值和調(diào)試時機組空載運行的擺度限值（75%軸承總間隙，沒有明確是冷態(tài)還是熱態(tài)總間隙，通常理解為冷態(tài)總間隙?？蛰d下的擺度基本符合這個規(guī)律。但若按照冷態(tài)總間隙計算50%～100%負荷運行工況的擺度值就非常大，似乎應該按照設計熱態(tài)總間隙計算，具體數(shù)值不確定）；固定部件振動則理解為全工況限值（包括空載工況）和在正常穩(wěn)定運行50%～100%額定負荷范圍的振動限值，并且都是位移量沒有速度量。一般情況下，電站實踐上作為正常運行工況限值使用和交接驗收機組。

（3）水輪機和水泵水輪機的基本技術(shù)條件則將安裝標準和ISO的評價分區(qū)B區(qū)上限線應用作為水泵水輪機穩(wěn)定運行范圍（50%～100%）內(nèi)的標準，而該值在原標準里面是指70%～100%負荷的數(shù)值，不含50%～70%區(qū)間，也不包括空載運行工況。

圖4 相關標準的應用范圍分析Fig. 4 Analysis of application scope of relevant standards

（4）新國際標準ISO-IEC 20816—2016對固定部件振動全部采用速度量，不再采用位移量；GB/T 32584—2016 也是在表B.1～表B.4采用速度量，沒有位移量，但在表B.5又附加給出了基于國內(nèi)《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》中的表41給出的固定部件振動位移限值，沒有速度限值。

5 可逆式抽水蓄能機組全工況振動特點、振動大小評定和保護設定

5.1 建議的振擺測量輸出方式

為便于分析和評定機組在全工況下的振擺大小，同時，也為了便于進行趨勢分析，建議將機組轉(zhuǎn)速、出力、所有軸承的溫度分別或分組與主軸擺度或固定部件振動放到一張圖上（見圖5～圖10），將實測結(jié)果作為基準值，從而制定報警和跳機整定值。另外，也可以將振擺數(shù)據(jù)按照功率（發(fā)電和抽水工況）為橫坐標分別顯示出各個振擺測點的變化范圍，從而可以分析正常情況下的振擺“外包絡線”，將其作為基準值，為調(diào)整和優(yōu)化報警和跳機整定值奠定基礎。

5.2 全工況振動擺度評定建議

抽蓄機組通常運行工況較多、機組開停機和工況轉(zhuǎn)換頻繁。其主要的運行工況還是發(fā)電工況和抽水工況。這里的全工況特指：機組發(fā)電時從啟動到帶滿負荷的過程，包括啟動后升速過程、空載運行、帶負荷至滿負荷過程（包括帶部分負荷運行），不包括甩負荷和過速過程；抽水時指啟動后升速過程、零流量工況運行、滿載抽水工況，也不包括水泵斷電和過速過程；各種工況轉(zhuǎn)換過程。在此以某抽水蓄能機組為例進行分析。

5.2.1 發(fā)電工況

圖5、圖6是某抽水蓄能電站某一臺機組發(fā)電工況的振擺全工況記錄。

從圖5可以看出，機組從開機至空載過程中上導擺度最大值為202μm，下導擺度最大值為156μm，水導擺度最大值為466μm；隨著機組負荷快速增加到200MW附近（約70%負荷），各部軸承溫度逐步上升，軸承間隙逐步變小，主軸擺度均出現(xiàn)了明顯下降，但水導擺度波動較大；當機組負荷增加至280～300MW（約93%～100%負荷）后，軸承溫度逐步穩(wěn)定，上導、下導擺度均穩(wěn)定在40μm附近，水導擺度穩(wěn)定在100μm附近。可以看出，在70%～100%負荷穩(wěn)態(tài)運行范圍，各處擺度均低于原ISO標準A區(qū)的上限線（140μm），在50%～70%負荷范圍，則在B區(qū)上限線（240μm）附近。發(fā)電電動機上、下導擺度對軸承溫度和間隙大小較敏感。

圖5 機組在發(fā)電全工況的主軸擺度過程線Fig. 5 Main shaft runouts in generation mode

從圖6可以看出，機組從開機至空載過程中上導振動最大值為2mm/s，下導振動最大值為3.1mm/s，水導振動最大值為10mm/s；隨著機組負荷增加到200MW（70%負荷）附近，上導、下導振動均出現(xiàn)了明顯下降，水導振動波動較大；但當機組負荷增加至280～300MW（93%～100%負荷）后，上導振動穩(wěn)定在0.45mm/s附近，下導振動穩(wěn)定在1.86mm/s附近，水導振動穩(wěn)定在7.7mm/s附近遠遠超過一些標準給出的振動速度A-B區(qū)上限線，如何解讀這個現(xiàn)象成為一個爭議的焦點。經(jīng)分析，盡管水導振動速度較大，但是經(jīng)分頻處理可知其優(yōu)勢頻率為150Hz，是2倍的轉(zhuǎn)輪葉片過流頻率，換算成位移峰—峰值只有21μm。即便考慮混頻以后的峰—峰值也在30μm附近。該高頻振動沒有對頂蓋結(jié)構(gòu)造成較大的動應力和疲勞損傷問題。因此，有些系統(tǒng)則將這個葉片過流頻率的倍頻經(jīng)過了濾波處理，之后，振動速度明顯下降。

5.2.2 抽水工況

圖7、圖8是某抽水蓄能電站的某一臺機抽水工況的全工況記錄：

從圖7可以看出，機組從開機至抽水過程中上導擺度最大值為112μm，下導擺度最大值為136μm，水導擺度最大值為558μm；隨著機組在滿負荷抽水工況運行時，各部軸承主軸擺度均出現(xiàn)了明顯下降，其中上導擺度穩(wěn)定在62μm附近，下導擺度穩(wěn)定在42μm附近，水導擺度穩(wěn)定在113μm附近。

圖6 機組在發(fā)電全工況下的固定部件振動過程線Fig. 6 Vibration of non-rotating parts in generating mode

圖7 機組在抽水全工況下的主軸擺度過程線Fig. 7 Main Shaft runouts in pumping mode

從圖8可以看出，機組從開機至抽水過程中上導振動最大值為2.6mm/s，下導振動最大值為2.3mm/s，水導振動最大值為7.7mm/s；隨著機組在滿負荷抽水工況運行時，各部軸承處軸承座振動均出現(xiàn)了明顯下降，其中上導振動穩(wěn)定在0.49mm/s附近、下導振動穩(wěn)定在1.5mm/s附近，水導振動穩(wěn)定在3.77mm/s附近。

5.2.3 調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況

圖9、圖10是某抽水蓄能電站的某一臺機調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況的全工況記錄：

從圖9可以看出，機組在調(diào)相運行過程中上導擺度穩(wěn)定在37μm附近，下導擺度穩(wěn)定在31μm附近，水導擺度穩(wěn)定在120μm附近；當機組從調(diào)相運行轉(zhuǎn)到抽水工況的過程中，各部軸承處的主軸擺度均出現(xiàn)了明顯增大，其中上導擺度的最大值為117μm，下導擺度的最大值為100μm，水導擺度的最大值為597μm；當機組進入滿負荷抽水工況運行后，各部軸承處的主軸擺度均出現(xiàn)了明顯下降，其中上導、下導擺度均穩(wěn)定在50μm附近，水導擺度穩(wěn)定在210μm附近。

從圖10可以看出，機組在調(diào)相運行過程中上導振動穩(wěn)定在0.42mm/s，下導振動穩(wěn)定在1.1mm/s，水導振動穩(wěn)定在0.82mm/s附近；當機組從調(diào)相運行轉(zhuǎn)到抽水工況的過程中，各部軸承處的軸承座振動均出現(xiàn)了明顯增大，其中上導振動的最大值為2.7mm/s，下導振動的最大值為4.1mm/s，水導振動的最大值為9.1mm/s；當機組進入滿負荷抽水工況運行后，各部軸承處的軸承座振動均出現(xiàn)了明顯下降，其中上導振動穩(wěn)定在0.73mm/s附近，下導振動穩(wěn)定在2.2mm/s附近，水導振動穩(wěn)定在3.0mm/s附近。

圖8 機組在抽水全工況下的固定部件振動過程線Fig. 8 Vibration of non-rotating parts in pumping mode

圖9 機組在調(diào)相轉(zhuǎn)抽水過程中的主軸擺度過程線Fig. 9 Main Shaft runouts in SCO to PO

圖10 機組在調(diào)相轉(zhuǎn)抽水過程中的固定部件振動過程線Fig. 10 Vibration of non-rotating parts in SCO to PO

5.3 振動大小評定和保護設定

從上面的分析可以看出，無論在發(fā)電工況還是抽水工況，全工況的振動特性可以大致劃分為三個級別：

（1）特殊工況，包括開停機、空載運行、發(fā)電工況50%以下負荷和工況轉(zhuǎn)換過程。這個階段的振動和擺度最大，軸承的溫度尚未穩(wěn)定或軸承溫度穩(wěn)定后機組運行在部分負荷50%附近。

（2）部分負荷工況；按照50%～70%負荷考慮。

（3）穩(wěn)態(tài)運行工況，按照70%～100%負荷考慮（包括滿負荷抽水工況）。

評定振動和擺度大小時，宜將現(xiàn)有的ISO-IEC和GB/T標準統(tǒng)計值（適用于70%～100%負荷范圍）、機組安裝GB/T標準和機組調(diào)試實測的全工況振動特性相結(jié)合，并參考類似機組的經(jīng)驗綜合分析后給出，建議如下：

（1）特殊工況：以實測結(jié)果為基礎，適當考慮一定的裕量，比如1.25和1.6倍，并考慮不同測點位置采取一定的報警邏輯和停機邏輯后設置報警和跳機保護整定值；根據(jù)機組的中長期運行狀況和檢修后的狀況還可以調(diào)整。

（2）部分負荷工況；以A-B區(qū)上限線為基礎，適當考慮一定的裕量，比如1.25倍和1.6倍，設置報警和跳機保護整定值；根據(jù)機組的中長期運行狀況和檢修后的狀況還可以調(diào)整。

（3）穩(wěn)態(tài)運行工況：以A-B區(qū)上限線為基礎，適當考慮一定的裕量，比如1.25倍和1.6倍，設置報警和跳機保護整定值；根據(jù)機組的中長期運行狀況和檢修后的狀況還可以調(diào)整。一般情況下，大部分機組也可以小于原A區(qū)上限線。為簡化保護整定值的設置，同時也為滿足50%～100%穩(wěn)定運行范圍的要求，不建議再為70%～100%另設A區(qū)上限線的保護整定值。簡化處理就是設置兩檔二級保護。

從目前掌握的有限資料看，上述工況的整定值基本上可以涵蓋所有工況的保護整定值，不宜再細分其他運行工況，從而簡化保護系統(tǒng)的設置。

由于制造質(zhì)量和安裝質(zhì)量的原因，機組軸線的姿態(tài)也可能各不相同。因此，不同的機組可以采用不同的數(shù)值。目前大部分電站只設置了穩(wěn)態(tài)運行工況（50%～100%額定負荷）的保護值，且考慮了一定的延時，以避開特殊工況。有的限值較大，有的延時過長，某些情況下起不到保護機組的作用。建議有條件的電站可以考慮設置以上三檔二級保護。

值得一提的是，近來國內(nèi)外一些招標文件和合同文件提出了很高的要求，規(guī)定在正常運行工況下（含空載），發(fā)電負荷在50%～100%穩(wěn)定運行范圍內(nèi)振動和擺度要低于原標準A區(qū)上限線；有的規(guī)定在所有運行工況下都要滿足低于A區(qū)上限線；也有的要求發(fā)電機低于A區(qū)上限線而水輪機則低于B區(qū)上限線。實際上，機組調(diào)試后，多數(shù)電站還是按照B區(qū)上限線為基礎根據(jù)調(diào)試結(jié)果修正以后設置的保護整定值。

6 結(jié)論

抽水蓄能機組的振動和擺度大小的評定問題是一個錯綜復雜的問題，就像人的血壓和心率的評價一樣，不宜作為強制性的要求。應按照不同的運行工況和負荷范圍進行不同的分區(qū)，不能不分運行工況和負荷范圍一概要求A區(qū)。應該在統(tǒng)計分析結(jié)果的基礎上結(jié)合每臺機具體的機組調(diào)試狀況進行分析和評估并設置合理的保護整定值。振擺監(jiān)測系統(tǒng)的實用性和可靠性需要不斷提高，以便于日常運行監(jiān)測和異常故障分析?，F(xiàn)有的標準存在一定的局限性，有些標準的實用性和應用范圍有待下一步修訂時完善。

致謝：本文在編寫過程中得到了水電技術(shù)專家付元初、魏炳漳、何少潤、陳順義、桂中華和朱玉良先生的審閱、支持和協(xié)助，提出了寶貴的意見和建議，在此一并表示感謝。

[1] 魏炳漳 .廣蓄二期工程抽水蓄能機組的振動評估. 水力發(fā)電，2001 （11）.Wei Bingzhang. Vibration Evaluation of Pumped Storage Power Units in Guangzhou II Plant. Journal of hydroelectric engineering，2001（11）.

[2] GB 11348.1—1999，旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定 第1部分：總則.GB 11348.1—1999，Mechanical vibration of non-reciprocation machines—Measurements on rotation shafts and evaluation criteria—Part 1： General guidelines.

[3] GB/T 17189—1997，水力機械振動和脈動現(xiàn)場測試規(guī)程.GB/T 17189—1997，Code for field measurement of vibrations and pulsations in hydraulic machines.

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

[5] GB/T 32584—2016，水力發(fā)電廠和蓄能泵站機組機械振動的評定.GB/T 32584—2016，Evaluation of mechanical vibration for machine sets in hydraulic power plants and pump-storage plants.

[6] ISO7919-5-2005 Mechanical vibration-Evaluation of machine vibration by measurements on rotating shafts-Part 5： Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants.

[7] ISO10816-5-2000 Mechanical vibration—Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts—Part 5：Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants.

[8] GB/T 11348.5—2002，旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組.GB/T 11348.5—2002，Mechanical vibration of nonreciprocating machines—Measurements on rotating shafts and evaluation criteria—Part 5：Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants.

[9] GB/T 6075.5—2002，在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動 第 5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組.GB/T 6075.5—2002，Mechanical vibration—Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts—Part 5：Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants.

[10] GB 8564—2003，水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范.GB 8564—2003，Specification installation of hydraulic turbine generator units.

[11] GB/T 15468—2006，水輪機基本技術(shù)條件.GB/T 15468—2006，F(xiàn)undamental technical requirements for hydraulic turbines.

[12] GB/T 22581—2008，混流式水泵水輪機基本技術(shù)條件.GB/T 22581—2008，F(xiàn)undamental technical requirements for francis pump-turbine.

[13] GB/T 7894—2009，水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件.GB/T 7894—2009，F(xiàn)undamental technical specifications for hydro generators.

[14] GB/T 18482—2010，可逆式抽水蓄能機組啟動試運行規(guī)程.GB/T 18482—2010，Specification for start-up test of reversible pumped-storage units.

[15] DL/T 507—2014，水輪發(fā)電機組啟動試驗規(guī)程.DL/T 507—2014，Start-up test code for hydraulic-turbine and generator units.

2017-02-25

2017-03-20

王憲平（1963—），男，副總裁，總工程師，主要研究方向：水電站動力設備和機組設計、制造，技術(shù)管理。E-mail：xianping.wang@voith.com

趙 江（1986—），男，高級工程師，主要研究方向：水電站動力設備和機組設計工作。E-mail：jiang1.zhao@voith.com

Investigation and Recommendation of Measurement，Evaluation and Protective Setting Values of Mechanical Vibrations for Pumped Storage Power Units

WANG Xian Ping，ZHAO Jiang
（Voith Hydro Power Generation Shanghai，Ltd.，Shanghai 200240，China）

China has become a top country with pumped storage power plants installed with reversible pump-turbines. Special features of the power units in comparison with the conventional power generation units are obvious as high speed，large capacity（those have been built since 2000）and longer shaft system. The units are usually playing more important roles in the grid as peak load adjustment，frequently operating in partial load，condense operations and standby. Operational safety，reliability and stability become more important and critical. The available international and domestic standards or codes are not made specially for the power units with reversible pump-turbines，in which the operation conditions are not aligned each other，obvious discrepancies between the given limit values and actual operational status are existing. Special investigations for the measurement，evaluation and protective setting values of the mechanical vibrations are made and recommendations based on actual status of the existing units are presented in this paper.

pumped storage power units；mechanical vibrations；measurement，evaluation and protective setting values

TK734

A學科代碼：470.3099

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.002