張 飛，劉興華，潘偉峰，潘羅平

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京100761；2.浙江國貿(mào)集團(tuán)東方機(jī)電工程股份有限公司，杭州310016；3.南瑞集團(tuán) （國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，南京210003；4.天津水利電力機(jī)電研究所，天津301900）

0 前言

水電機(jī)組振動監(jiān)測與評價(jià)是以信息技術(shù)為載體，以保障水電機(jī)組運(yùn)行安全為目標(biāo)，利用傳感器對水電機(jī)組關(guān)鍵部件振動進(jìn)行監(jiān)測，采用振動特征值分析以實(shí)現(xiàn)機(jī)組狀態(tài)參數(shù)量化并為檢修決策提供支撐的工程技術(shù)方法。振動監(jiān)測與評價(jià)提供了水電機(jī)組運(yùn)行的動態(tài)信息，是狀態(tài)監(jiān)測、健康評價(jià)、征兆預(yù)警和決策支撐的重要基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)計(jì)劃檢修（Scheduled Maintenance）或故障檢修（Fail-fix Maintenance）向預(yù)防性檢修（Preventive Maintenance）、狀態(tài)檢修（Condition-based Maintenance）等新型檢修模式過度的基礎(chǔ)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)水電資產(chǎn)價(jià)值提升和水電機(jī)組全壽命周期管理的有效措施。因此，水輪發(fā)電機(jī)振動監(jiān)測與評價(jià)在現(xiàn)代水電廠中占有重要的地位。

水電機(jī)組振動監(jiān)測與我國狀態(tài)檢修工作的發(fā)展緊密相關(guān)［1］，在俄羅斯舒申斯克－薩揚(yáng)事件后水電機(jī)組監(jiān)測進(jìn)入了快速發(fā)展階段。2009年國家電監(jiān)會發(fā)出通知要求加強(qiáng)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測，大中型水電站應(yīng)當(dāng)安裝機(jī)組在線監(jiān)測裝置，加強(qiáng)機(jī)組振動、擺度等運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測、記錄和分析，對振動異常應(yīng)立即停機(jī)檢查，查明原因和處理合格后方可按規(guī)定程序恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行。國家能源局在2014年出版的 《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中對上述要求進(jìn)行了明確。

目前水電機(jī)組振動監(jiān)測已基本實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，但是對測量結(jié)果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化卻存在諸多問題［2］。由于水電機(jī)組屬于定制化產(chǎn)品，每座電站的水頭和單機(jī)容量均存在差異，即使是同一類型的機(jī)組，其安裝也存在差異，這導(dǎo)致機(jī)組振動特征值各異。即使同一臺機(jī)組，在不同的運(yùn)行工況點(diǎn)其振動數(shù)值也明顯存在差異。因而，振動測試結(jié)果定值化評價(jià)對具體機(jī)組而言存在較大困難?，F(xiàn)階段，各標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)方案均是基于已有機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)等，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后所獲得的成果，未能充分考慮結(jié)構(gòu)材料本身的特點(diǎn)，造成某些機(jī)組根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不能運(yùn)行而實(shí)際運(yùn)行情況良好的矛盾，以及一些機(jī)組根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置定值導(dǎo)致運(yùn)行困難的問題。同時(shí)，有必要看到世界上已經(jīng)投運(yùn)多臺變速抽水蓄能機(jī)組，一些常規(guī)混流式水輪機(jī)也正在進(jìn)行變速化改造，機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化范圍可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的40%［3］，而目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中振動多以轉(zhuǎn)速為依據(jù)、對70%～100%額定負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行評價(jià)，這是難以滿足變速機(jī)組運(yùn)行需求的。

綜上，無論從技術(shù)層面還是管理層面，強(qiáng)化水電機(jī)組振動監(jiān)測與評價(jià)符合我國現(xiàn)階段能源生產(chǎn)要求。現(xiàn)代狀態(tài)檢修體系的構(gòu)建對水電機(jī)組振動監(jiān)測與評價(jià)提出了新的要求，振動監(jiān)測與評價(jià)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)機(jī)組性能評價(jià)與劣化評估，異常判斷與報(bào)警停機(jī)，故障識別與壽命預(yù)估等，這一領(lǐng)域中仍有一些問題需要解決，如：監(jiān)測對象涉及標(biāo)準(zhǔn)多而不統(tǒng)一，同一監(jiān)測點(diǎn)不同特征值 （振動位移峰峰值與速度有效值）評價(jià)之間存在沖突等。基于此，本文以立軸式水輪發(fā)電機(jī)組振動為研究對象，對振動監(jiān)測所涉及的問題進(jìn)行了梳理，從學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)兩個(gè)角度闡明了未來需要發(fā)展的方向，以期能夠?qū)λ姍C(jī)組振動監(jiān)測與評價(jià)起到指引作用。

1 振動監(jiān)測

1.1 測點(diǎn)布置

水電機(jī)組部件分為旋轉(zhuǎn)部件與固定部件，相應(yīng)監(jiān)測分為旋轉(zhuǎn)部件監(jiān)測和固定部件監(jiān)測。旋轉(zhuǎn)部件監(jiān)測主要是監(jiān)測主軸徑向振動 （擺度）與軸向振動，固定部件監(jiān)測以頂蓋振動、支架振動和機(jī)座、鐵芯振動為主，其中支架振動分為承受軸向力的支架振動 （推力軸承支架）和承受徑向力的支架振動 （導(dǎo)軸承支架）。在涉及發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件［4］和水輪機(jī) （水泵）基本技術(shù)條件［5，6］的標(biāo)準(zhǔn)中分別給出了相應(yīng)測點(diǎn)，在機(jī)組振動或狀態(tài)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)［7－9］中則給出了機(jī)組的測點(diǎn)布置。各標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的測點(diǎn)一致，綜合列于表1，分布如圖1所示。在本文敘述中，由于工程上稱“振動”意指固定部件，而常稱旋轉(zhuǎn)部件徑向振動為擺度，下文敘述時(shí)按工程習(xí)慣敘述。

圖1 水輪發(fā)電機(jī)振動監(jiān)測傳感器分布圖

表1 水輪發(fā)電機(jī)振動測點(diǎn)配置

分別在導(dǎo)軸承位置處測量旋轉(zhuǎn)軸兩個(gè)相互垂直方向的相對擺度；導(dǎo)軸承承受機(jī)組徑向力，定子鐵芯徑向承受磁拉力，因此導(dǎo)軸承位置處機(jī)架和定子機(jī)座以水平振動監(jiān)測為主、垂直振動監(jiān)測為輔；定子機(jī)座用于固定鐵芯等部件，同時(shí)有些機(jī)組定子機(jī)座承受軸向力，因此同時(shí)監(jiān)測水平和垂直振動。進(jìn)行測點(diǎn)布置時(shí)，為方便故障分析，水平振動傳感器與擺度傳感器放置在同一方向。

振動是作用力與結(jié)構(gòu)動力學(xué)剛度的比值。機(jī)組運(yùn)行過程中必然受疲勞、磨損、變形等影響，機(jī)組振動發(fā)生改變的原因在于兩個(gè)方面：一是受力情況發(fā)生改變，如隨運(yùn)行時(shí)間延長，主軸連接件配合出現(xiàn)松動，導(dǎo)致軸的不平行度增大、轉(zhuǎn)子不平衡加劇，對軸承產(chǎn)生附加動力載荷；二是結(jié)構(gòu)的動力學(xué)剛度發(fā)生變化，如隨著油溫升高，油膜剛度增大，由于長期運(yùn)行導(dǎo)致的基礎(chǔ)開裂、支撐剛度降低等。因而，振動監(jiān)測能夠反映機(jī)組相應(yīng)部件的受力情況或者結(jié)構(gòu)動力學(xué)剛度的變化，相應(yīng)的測點(diǎn)也應(yīng)該設(shè)置在對振動敏感的區(qū)域。然而，需要指出，由于不同機(jī)組其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在差異，標(biāo)準(zhǔn)所給出的測點(diǎn)位置實(shí)際可能并非機(jī)組振動最大位置處，相應(yīng)監(jiān)測部件的受力和動力學(xué)剛度變化反應(yīng)并非最為靈敏。受安裝位置限制，軸向位移與擺度測點(diǎn)設(shè)置在導(dǎo)軸承處是最為經(jīng)濟(jì)、合理的；固定部件振動測點(diǎn)的合理安放位置則有必要進(jìn)行適度優(yōu)化，具體電站宜做具體分析，以便為合理評價(jià)機(jī)組狀態(tài)奠定基礎(chǔ)。

隨著科技水平的提升，機(jī)組振動監(jiān)測成本不斷降低，機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)有融合其他參數(shù)同時(shí)監(jiān)測的趨勢，主要包括噪聲、壓力脈動、氣隙監(jiān)測等［10，11］。

1.2 傳感器類型

可以采用三種物理單位實(shí)現(xiàn)振動的量化：位移、速度和加速度，三者分別對應(yīng)了振動幅度、振動部件能量和振動部件所受的沖擊力。理論上，三者可以相互轉(zhuǎn)化，位移的一階導(dǎo)數(shù)為速度，速度的一階導(dǎo)數(shù)為加速度，然而受限于傳感器實(shí)現(xiàn)原理的不同，各物理單位對應(yīng)傳感器的頻率響應(yīng)范圍存在差異，因而實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不同傳感器各有其應(yīng)用范圍。其次，理論上雖可對某一種傳感器的輸出進(jìn)行積分或微分得到所需的振動參數(shù)，但是傳感器的輸出會不可避免地存在偏移現(xiàn)象，同一信號源不同的積分／微分方法導(dǎo)致結(jié)果不同，當(dāng)采用積分或者微分方法獲取信號時(shí)可能引發(fā)意外誤差，特別是在過渡過程工況下。因而，各振動量 （位移、速度、加速度）應(yīng)分別采用專門型式的傳感器測量，不建議采用軟件積分或微分方式獲取振動信號。

不同的物理量適用的機(jī)組故障型式存在明顯差異。同一部件，相同位移幅值時(shí)，頻率高則交變應(yīng)力大，危害也越大，因此故障頻率越高，對其位移幅值的控制應(yīng)越嚴(yán)格。振動速度幅值是振動位移乘以振動頻率，同時(shí)反映了振動頻率與振動位移的影響，因而比單一的振動位移全面。振動加速度幅值能反映系統(tǒng)受到?jīng)_擊力的變化，是振動速度幅值與振動頻率的乘積，適用于主要故障頻率高于1kHz的振動分析。

理論分析表明：振動部件疲勞與振動速度成正比，振動產(chǎn)生的能量正比于振動速度的平方，磨損疲勞等缺陷主要由能量傳遞導(dǎo)致，而振動速度有效值反映了振動強(qiáng)度，因此適宜采用速度值評價(jià)部件振動；對于低頻振動，主要考慮位移造成的破壞，其實(shí)質(zhì)是疲勞性破壞，而非能量性破壞。通常來說，低頻振動的頻率一般小于10Hz，中頻振動為10～1000Hz，高頻振動為1000Hz以上。這一劃分并不嚴(yán)格，低頻與中頻、中頻與高頻之間存在重疊。故障診斷時(shí)為突出故障頻率成分，對低頻采用位移、中頻采用速度、高頻采用加速度信號。

水電機(jī)組轉(zhuǎn)速范圍為60～1000r／min，對應(yīng)的轉(zhuǎn)頻為1～16.7Hz，尾水管低頻渦帶低至0.20～0.45倍轉(zhuǎn)頻［12］，考慮由活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片所引發(fā)的動靜干涉［13］及卡門渦現(xiàn)象［14］，其高頻約為數(shù)十倍的轉(zhuǎn)頻，為數(shù)百赫茲。因此，對于低轉(zhuǎn)速機(jī)組固定部件的振動監(jiān)測，傳感器應(yīng)覆蓋或者部分覆蓋比較低的頻率，受速度傳感器低頻響應(yīng)限制，需要對低頻特性做適當(dāng)調(diào)理。

主軸擺度以相對位移為主，采用非接觸式電渦流位移傳感器進(jìn)行測量，其結(jié)果反映了主軸相對于導(dǎo)軸承的位移，目前普遍電渦流位移傳感器的頻率響應(yīng)范圍均能實(shí)現(xiàn)0到數(shù)千赫茲。

固定部件振動方面，根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［7，8］：對應(yīng)轉(zhuǎn)速不大于300r／min的低速機(jī)組采用低頻速度傳感器，測量振動位移；對于大于300r／min的中高速機(jī)組采用加速度傳感器或速度傳感器，測量機(jī)組的振動速度。慣性式傳感器存在最低自振頻率，只有頻率較高時(shí)方可實(shí)現(xiàn)振動的有效測量。目前速度傳感器主要有兩種：低頻位移輸出型速度傳感器和速度輸出型速度傳感器，兩者多以動圈式傳感器為主。前者采用硬件調(diào)理電路對振動速度進(jìn)行積分，并在低頻段進(jìn)行補(bǔ)償后輸出與位移成正比的電壓或電流，適用于轉(zhuǎn)速較低的機(jī)組振動測量；后者直接輸出與振動速度成正比的電壓或電流，適用于轉(zhuǎn)速較高的機(jī)組振動測量。由于評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的欠缺，極少采用加速度傳感器測量并評價(jià)機(jī)組振動。

1.3 信號質(zhì)量

高質(zhì)量的測試信號是計(jì)算振動特征值的基礎(chǔ)。振動信號從被測對象至監(jiān)測系統(tǒng)需經(jīng)過一系列鏈條，如圖2所示。

圖2 信號鏈條

任何信號都不可避免被噪聲所干擾，噪聲在整個(gè)信號鏈條是廣泛存在的，從而給測量結(jié)果帶來一定程度的不確定性。傳感器感知被測部件的位移、速度或加速度會受到噪聲干擾，有信號調(diào)理過程中受到的供電干擾，導(dǎo)線傳輸信號過程受到的站內(nèi)電磁噪聲干擾，抗混疊濾波器帶來的濾波器噪聲，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化噪聲等。因而應(yīng)合理評估每個(gè)環(huán)節(jié)對信號質(zhì)量產(chǎn)生的影響，這包括：考慮量程、精度、響應(yīng)頻率等特性在內(nèi)的傳感器選型是否適合于被測對象，信號調(diào)理的方式方法是否正確，導(dǎo)線是否采用適當(dāng)?shù)钠帘未胧?，?shù)據(jù)采集儀器選型是否合理 （數(shù)據(jù)采集時(shí)混疊濾波器的參數(shù)是否適當(dāng)，采樣頻率是否滿足監(jiān)測需求，模數(shù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)是否合理等）等。目前尚未有研究人員對水電機(jī)組振動整個(gè)監(jiān)測環(huán)節(jié)的測試誤差進(jìn)行詳細(xì)報(bào)道，應(yīng)建立圖2中從被測對象至數(shù)字波形的噪聲評價(jià)方法，以實(shí)現(xiàn)對測試結(jié)果的可靠性評價(jià)。

對于擺度信號，需要特別注意機(jī)械擺度和電氣擺度對真實(shí)信號的影響。機(jī)械擺度是由于電渦流位移傳感器位置處存在軸表面缺陷、不光滑導(dǎo)致；電氣擺度則由電渦流位移傳感器位置處主軸非均勻材料磁導(dǎo)率導(dǎo)致磁場在某些區(qū)域存在不均勻的現(xiàn)象而產(chǎn)生。機(jī)械擺度和電氣擺度不是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，有時(shí)將造成擺度信號畸變，直接影響特征值的計(jì)算。

2 振動特征值

振動信號分析涉及多種技術(shù)，主要包括時(shí)域技術(shù)、頻域技術(shù)及倒頻域技術(shù)，而用于水電機(jī)組振動標(biāo)準(zhǔn)體系的主要是時(shí)域技術(shù)和頻域技術(shù)。時(shí)域中，采用特征值對機(jī)組振動情況進(jìn)行量化以評定機(jī)組穩(wěn)定性，廣泛采用的特征值主要是振動位移峰峰值和速度有效值 （振動烈度）；頻域中，對振動信號進(jìn)行頻譜分析以判斷機(jī)組異常振動產(chǎn)生的原因。

時(shí)域中水電機(jī)組振動信號的有效值與常規(guī)信號有效值計(jì)算相同，本文不再贅述，峰峰值則有較大差異。正弦信號的峰峰值為單峰值的兩倍，振動信號中由于頻率成分豐富且受噪聲干擾，其峰峰值采用分位數(shù)法進(jìn)行定義，工程上稱為置信度法或置信區(qū)間法［15］，如圖 3所示。

圖3 振動峰峰值定義

以置信區(qū)間95%，上、下側(cè)分位數(shù)分別為2.5%和97.5%為例，其計(jì)算方法為：對一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)采樣信號進(jìn)行排序，刪除較大的2.5%序列和較小的2.5%序列，以刪除后序列最大值與最小值的差值作為峰峰值。采用置信度法時(shí)不需要對采集到的信號進(jìn)行濾波操作，噪聲敏感度低［15］。該方法能有效抑制信號中的沖擊性噪聲成分，對含其他類型噪聲的信號，會導(dǎo)致峰峰值與真實(shí)值之間略有差異。擺度峰峰值表明了軸在受約束情況下在瓦間隙內(nèi)的運(yùn)動情況。相同工況下，當(dāng)轉(zhuǎn)動部件不平衡、不對中等故障程度惡化時(shí)，其對應(yīng)的數(shù)值也增大。

除峰峰值和有效值外，特征值還包括轉(zhuǎn)頻幅值、轉(zhuǎn)頻相位、倍轉(zhuǎn)頻幅值、倍轉(zhuǎn)頻相位、主頻、軸心位置坐標(biāo)等，但目前來說，水電機(jī)組振動與擺度評價(jià)均是通過峰峰值和有效值實(shí)現(xiàn)。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動分析中重要的一倍頻矢量、二倍頻矢量等并未得到有效利用，導(dǎo)致單一的峰峰值和有效值并不能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)組異常狀態(tài)的準(zhǔn)確識別。

3 振動評價(jià)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)體系

涉及機(jī)組振動監(jiān)測評價(jià)相關(guān)的現(xiàn)行有效國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)列于表2，其中國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)包括國家標(biāo)準(zhǔn)、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 機(jī)組振動評級涉及的標(biāo)準(zhǔn)

上述標(biāo)準(zhǔn)中 GB／T 6075.5-2002［17］等同采用 ISO 10816.5-2000［30］，GB／T 11348.5-2008［19］等同采用 ISO 7919.5-2005［31］，ISO 10186.5-2000［30］與 ISO 7919.5-2005［31］已 合 并 到 新 版 ISO／IEC 20816.5-2018［16］中。GB／T 32584-2016［22］與 ISO／IEC 20816.5-2018［16］基本一致，因此本節(jié)對各標(biāo)準(zhǔn)限值梳理時(shí)均采用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，不對國際標(biāo)準(zhǔn)單獨(dú)區(qū)分。

表2中所列涉及的振動評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以分為四類：安裝技術(shù)規(guī)范、運(yùn)行與檢修技術(shù)規(guī)范、基本技術(shù)條件和試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范。安裝技術(shù)規(guī)范給出了新裝機(jī)組須滿足的振動限值，主要由安裝單位提出；運(yùn)行與檢修規(guī)范給出了水電機(jī)組在長期運(yùn)行或檢修后應(yīng)滿足的振動限值，主要由運(yùn)行維護(hù)單位制定；基本技術(shù)條件給出了現(xiàn)場試驗(yàn)及試運(yùn)行時(shí)的限值，主要由主機(jī)制造廠家主導(dǎo)制定；試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范則由科研院所主導(dǎo)制定，主要包含測試與評價(jià)兩個(gè)部分，給出了測什么、如何測、怎么評的方案?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)的適用性以及標(biāo)準(zhǔn)本身是妥協(xié)的過程，具體某一標(biāo)準(zhǔn)的制定均是由設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等多方共同參與的結(jié)果。

由于發(fā)電機(jī)振動分為固定部件振動與旋轉(zhuǎn)部件振動，因此各標(biāo)準(zhǔn)中也分別對固定部件和旋轉(zhuǎn)部件振動進(jìn)行評價(jià)。固定部件中，根據(jù)機(jī)架受力情況進(jìn)行區(qū)分，推力軸承機(jī)架軸向受力因而評價(jià)其垂直振動，導(dǎo)軸承機(jī)架徑向受力因而評價(jià)其水平振動，定子機(jī)座和鐵芯主要承受徑向作用力因而評價(jià)其徑向振動。但在GB／T 32584-2016［22］中并不區(qū)分機(jī)架的徑向與軸向振動，統(tǒng)一簡化為發(fā)電機(jī)驅(qū)動端和非驅(qū)動端振動。旋轉(zhuǎn)部件振動包括徑向振動與軸向振動，各標(biāo)準(zhǔn)中普遍對徑向振動進(jìn)行評價(jià)而不考慮軸向振動。

3.2 評價(jià)區(qū)域

各標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下或正常運(yùn)行工況的限值，然而關(guān)于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況和正常運(yùn)行工況的定義卻不一致。以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況為例，即使在同一標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，振動值所適用的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況也不一致。如：GB／T 15468-2006［6］表 4給出的混流式水輪機(jī)相應(yīng)水頭下的機(jī)組保證功率范圍為45%～100%額定出力，該標(biāo)準(zhǔn)5.5.2條規(guī)定 “在保證的穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)，立式水輪機(jī)頂蓋以及臥式水輪機(jī)軸承座的垂直方向和水平方向的振動值，應(yīng)不大于表5的規(guī)定要求”，而表5的備注則指明 “振動值系指在除過速運(yùn)行以外的各種運(yùn)行工況下的雙振幅值”。有些標(biāo)準(zhǔn)定值模糊，如：DL／T 293-2011［23］第 4.2.5條規(guī)定 “正常運(yùn)行工況下，主軸相對振動 （擺度）應(yīng)不大于GB／T 11348.5中相關(guān)規(guī)定的上限線，且不超過軸承總間隙的75%”，這 與 GB／T 15468-2006［6］和 GB／T 22581-2008［5］表述 “在正常運(yùn)行工況下，主軸相對振動（擺度）應(yīng)不大于GB／T 11348.5-2002圖A.2中所規(guī)定的B區(qū)上限線，且不超過軸承間隙的75%”不一致，同時(shí)，最新修訂的GB／T 11348.5-2008［19］只規(guī)定了報(bào)警值和跳機(jī)值的上限，對正常運(yùn)行工況下的上限線無明確規(guī)定。有些標(biāo)準(zhǔn)中 “穩(wěn)定運(yùn)行工況”和“正常運(yùn)行工況”均被提及，當(dāng) “穩(wěn)定運(yùn)行工況”有特指負(fù)荷范圍時(shí)，按特指的負(fù)荷范圍統(tǒng)計(jì)，當(dāng)穩(wěn)定運(yùn)行工況與正常運(yùn)行工況無特指時(shí)，按額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷隨機(jī) （0～100%）統(tǒng)計(jì)。振動和擺度涉及的各標(biāo)準(zhǔn)適用工況范圍分別如圖4和圖5所示，該圖對應(yīng)的機(jī)組型式為混流式機(jī)組。

圖5 擺度評價(jià)涉及的各標(biāo)準(zhǔn)適用工況范圍

從圖4和圖5中可見，同一標(biāo)準(zhǔn)中振動和擺度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)適用負(fù)荷范圍是有區(qū)別的，當(dāng)引用同一標(biāo)準(zhǔn)對振動和擺度同時(shí)進(jìn)行評價(jià)時(shí)，需明確區(qū)分其所適用的工況區(qū)域。該問題對應(yīng)的另一面是同一個(gè)評價(jià)限值在不同的標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)的工況不同，在3.3節(jié)將詳細(xì)闡述，這給評價(jià)帶來了很大困擾。因此，未來在各標(biāo)準(zhǔn)的修訂過程中關(guān)于振動與擺度的評價(jià)中應(yīng)明確限值的適用工況范圍，且應(yīng)注重相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間的銜接，以更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

近些年來，隨著新能源并網(wǎng)容量占比不斷提高，機(jī)組水力設(shè)計(jì)水平提升以及水電機(jī)組變速化發(fā)展，水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)范圍逐漸拓展，有些機(jī)組已能夠?qū)崿F(xiàn)全負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行，有些機(jī)組將實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速化運(yùn)行，現(xiàn)有的評價(jià)區(qū)域已難以覆蓋水輪機(jī)常規(guī)運(yùn)行區(qū)域，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要拓展。同時(shí)，對于過渡過程，包括開機(jī)帶負(fù)荷、甩負(fù)荷、抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換等過程，各標(biāo)準(zhǔn)均未規(guī)定。

3.3 振動與擺度評價(jià)

表2所列固定部件評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，除GB／T 6075.5-2002［17］、GB／T 32584-2016［22］和 DL／T 1904-2018［28］外，均依據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速建立了不同的評定限值。典型常規(guī)發(fā)電機(jī)評定見表3（引自 GB／T 8564-2003［18］），發(fā)電電動機(jī)評定見表4，表中單位均為mm。

表3 水輪發(fā)電機(jī)振動允許值

表4 發(fā)電電動機(jī)振動允許值

根據(jù)文獻(xiàn) ［32］記載，我國根據(jù)轉(zhuǎn)速對振動進(jìn)行評價(jià)始于原水利電力部編制的SDJ-79《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》，1988年，水利電力部、國家機(jī)械工業(yè)委員會頒布了GB 8564-88《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》正式取代了SDJ-79；2003年，國家質(zhì)檢總局頒布了 GB／T 8564-2003［18］，修訂了 GB 8564-88。這部標(biāo)準(zhǔn)是我國水電機(jī)組安裝的綱領(lǐng)性文件，有力地推動了我國水電機(jī)組安裝技術(shù)水平的進(jìn)步。該標(biāo)準(zhǔn)歷次均采用了表3所示的按轉(zhuǎn)速進(jìn)行振動評定的方法，隨著安裝技術(shù)水平的進(jìn)步，在軸承支架振動方面，GB／T 8564-2003較GB 8564-88相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的振動值均降低了0.02～0.03mm，而定子鐵芯部位機(jī)座水平振動則保持一致，同時(shí)增加了定子鐵芯水平振動。大型抽水蓄能機(jī)組由于轉(zhuǎn)速較高，涉及抽水蓄能機(jī)組的專用標(biāo)準(zhǔn)中只采用了兩檔轉(zhuǎn)速。

目前，除等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)的 GB／T 6075.5-2002［17］、 GB／T 11348.5-2008［19］、 GB／T 32584-2016［22］和 DL／T 507-2014［25］，現(xiàn)行規(guī)范中的涉及機(jī)組振動評價(jià)的限值均引自 GB／T 8564-2003［18］。在評價(jià)定子鐵芯部位機(jī)座的水平振動時(shí)，同為安裝技術(shù)規(guī)范的 DL／T 507-2014［25］較 GB／T 8564-2003［18］值略大。一方面，由于壓電式加速度傳感器較動圈式速度傳感器具有價(jià)格低、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)；另一方面，定子鐵芯振動主要關(guān)注因電磁效應(yīng)導(dǎo)致的極頻振動，主頻為100Hz，對水電機(jī)組而言屬于高頻振動，因而定子鐵芯振動多采用加速度傳感器測量。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對定子鐵芯的振動評價(jià)均為測量位移量，此時(shí)需要用軟件或硬件積分兩次獲得位移值，這導(dǎo)致位移數(shù)值準(zhǔn)確性存疑。同時(shí)注意到，定子鐵芯振動監(jiān)測是近些年開展的，尚缺乏運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以支撐運(yùn)行機(jī)組的評價(jià)。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系下，在固定部件振動定值評價(jià)中，一個(gè)亟需解決的問題是同一個(gè)數(shù)值體系 （見表3）在不同的標(biāo)準(zhǔn)中適用工況不同的情況 （如圖4所示）。機(jī)組的壽命符合浴盆曲線，振動級別也符合同樣的浴盆曲線［33］。根據(jù)機(jī)組在壽命周期中所處的階段的不同，GB／T 8564-2003［18］、DL／T 507-2014［25］等安裝技術(shù)規(guī)范對于在適用于新裝機(jī)組或檢修機(jī)組啟動及試運(yùn)行階段的振動評價(jià)中，應(yīng)首先明確其數(shù)值適用的工況。對于長期運(yùn)行的商運(yùn)機(jī)組，應(yīng)按相應(yīng)基本技術(shù)條件或運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行評定，而這些規(guī)程允許值一是適用工況與安裝技術(shù)規(guī)范不同，二是允許值與安裝技術(shù)規(guī)程無差異，這是不科學(xué)的。引起這一問題主要有兩方面原因：一是在機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，限于基于振動分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析方法，不能有效提供機(jī)組長期運(yùn)行允許的振動限值；二是對已運(yùn)行的機(jī)組的振動仍缺乏長期跟蹤、分析，未能從運(yùn)行統(tǒng)計(jì)方面給出合理的限值。關(guān)于第一個(gè)問題尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，但從第二個(gè)問題著手的基于全世界水電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)所制定的標(biāo)準(zhǔn)GB／T 32584-2016［22］給出了部分機(jī)組的機(jī)架振動限值方案。該標(biāo)準(zhǔn)不區(qū)分機(jī)組轉(zhuǎn)速，統(tǒng)一采用速度有效值對機(jī)架振動進(jìn)行評價(jià)，由于振動速度幅值同時(shí)反映了振動頻率與振動位移的影響，較單一的振動位移全面?？紤]目前的振動速度傳感器已能實(shí)現(xiàn)對低至0.3Hz振動的有效測量，故采用速度有效值進(jìn)行評價(jià)是可行的。但是在這一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際執(zhí)行過程中也遇到了問題，隨著我國抽水蓄能機(jī)組的變轉(zhuǎn)速化，導(dǎo)致負(fù)荷范圍擴(kuò)大，常規(guī)混流式機(jī)組運(yùn)行范圍也不僅限于70%～100%額定負(fù)荷區(qū)間，因此其適用范圍受限。其次，同一類型機(jī)組不加區(qū)分的采用同一定值容易使得一些機(jī)組評價(jià)脫離實(shí)際情況。

由于機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、安裝及運(yùn)維各方面都會對機(jī)組振動產(chǎn)生影響，同一型式機(jī)組之間也存在很大差異，在滿足 GB／T 8564-2003［18］振動限值條件下，一個(gè)合理的途徑是采用基于趨勢分析的方法對機(jī)組振動情況進(jìn)行評價(jià)，這點(diǎn)同樣適用于擺度評價(jià)。在機(jī)組安裝或檢修基礎(chǔ)上設(shè)定機(jī)組振動基準(zhǔn)，按照振動特征值偏離基準(zhǔn)值的程度進(jìn)行評定，這一方式即GB／T 32584-2016［22］第6.3節(jié)所述的評價(jià)準(zhǔn)則Ⅱ，一個(gè)典型案例即Eduard E［34］等人所做的有益探索，其對西班牙21臺抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行了長達(dá)15年的持續(xù)監(jiān)測，在摸清機(jī)組振動特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測位置不同，采用差異化的頻帶監(jiān)測手段長期對機(jī)組振動情況進(jìn)行跟蹤，建立不同報(bào)警值，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)組性能劣化的研判。

擺度評價(jià)與振動評價(jià)存在的問題基本一致。但對有些機(jī)組而言，擺度較振動存在明顯的趨勢收斂問題，如圖6所示。圖6中給出了某抽蓄機(jī)組8次啟機(jī)至擺度穩(wěn)定過程中的上導(dǎo)擺度混頻幅值趨勢。機(jī)組在開機(jī)后調(diào)整至指定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)組運(yùn)行初期未達(dá)到熱穩(wěn)定，一方面，受溫度影響，油膜、導(dǎo)軸承、機(jī)架、基礎(chǔ)等構(gòu)件合成剛度偏小，另一方面，由旋轉(zhuǎn)不平衡造成的激振力具有較大的幅值，因而擺度混頻幅值比較大，而后隨溫度上升趨穩(wěn)，致使剛度增大并穩(wěn)定、不平衡激振力趨于穩(wěn)定，擺度混頻幅值逐漸收斂，這一發(fā)展是從限值上至限值下的動態(tài)過程。對于頻繁啟停的機(jī)組，這將是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過程，顯然不能評價(jià)為循環(huán) “合格－不合格”。

圖6 某抽水蓄能機(jī)組開機(jī)帶負(fù)荷過程擺度峰峰值參數(shù)趨勢

3.4 以支撐狀態(tài)檢修為核心的振動評價(jià)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)組檢修由計(jì)劃檢修向狀態(tài)檢修過渡是必然趨勢。國家能源局先后發(fā)布了兩項(xiàng)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T 1246-2013《水電站設(shè)備狀態(tài)檢修管理導(dǎo)則》［35］和 DL／T 1809-2018《水電廠設(shè)備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》［36］，明確要建設(shè)水電站狀態(tài)檢修技術(shù)支持系統(tǒng)，而水電機(jī)組的振動監(jiān)測與評價(jià)是狀態(tài)檢修決策支撐的重要系統(tǒng)之一，如何綜合利用現(xiàn)有振動監(jiān)測系統(tǒng)與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以支撐狀態(tài)檢修體系的建設(shè)是擺在當(dāng)前本專業(yè)科研人員面前的重要課題。

多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障會在振動信號中有所反應(yīng)，因此加強(qiáng)振動監(jiān)測是有效預(yù)防機(jī)組重特大安全事故的有效手段。目前，多家單位已建立了包含水電機(jī)組振動監(jiān)測與性能評估的狀態(tài)評價(jià)中心，積累了豐富的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了卓有成效的數(shù)據(jù)挖掘工作［37，38］。但整體來看仍存在以下四方面需要解決的問題：

（1）重集成輕應(yīng)用。當(dāng)前，很多電站的機(jī)組振動監(jiān)測與評價(jià)已集成到機(jī)組狀態(tài)在線評價(jià)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)通常涵蓋振動、氣隙、局放、空化等多維監(jiān)測。振動監(jiān)測與評價(jià)已成為機(jī)組狀態(tài)在線的一個(gè)子單元，從應(yīng)用效果來說，這可能并非最優(yōu)。強(qiáng)調(diào)開發(fā)大而全的系統(tǒng)，而不是專業(yè)程度高、故障反應(yīng)靈敏的系統(tǒng)，這導(dǎo)致很多情況下振動監(jiān)測并未實(shí)現(xiàn)機(jī)組異常狀態(tài)的有效識別，從而造成了機(jī)組 “故障未跳機(jī)，事后才追憶”的問題。

（2）重理論輕實(shí)踐。水電機(jī)組異常識別與評價(jià)模型不斷涌現(xiàn)，如采用小波變換［39］、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解［40］等各種方法實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組振動信號特征提取，采用基于專家系統(tǒng)［41］、混合智能［42］等方法實(shí)現(xiàn)故障診斷，這些方法一定程度上拓展了機(jī)組異常狀態(tài)識別和故障預(yù)測的研究領(lǐng)域，然而這并未從本質(zhì)上提升對于振動機(jī)組的性能評價(jià)。機(jī)組發(fā)生異常，首先應(yīng)做到可靠停機(jī)，將故障影響限制在可控范圍內(nèi)，其次是故障后的原因分析。目前，振動監(jiān)測系統(tǒng)仍不能向繼電保護(hù)一樣可靠地實(shí)現(xiàn)異常跳機(jī)，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，大多系統(tǒng)仍采取放大限值加延時(shí)以及多個(gè)振動特征值同時(shí)越限方式停機(jī)，這樣的方式實(shí)際上造成了故障的擴(kuò)大化。因此，目前亟需解決的課題是在有效提高自動化元件可靠性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組異常振動保護(hù)功能的繼電保護(hù)化，使振動異常保護(hù)能夠像電氣量保護(hù)一樣可靠動作停機(jī)。

（3）重建設(shè)輕維護(hù)。在多方共同推動下，新建電站機(jī)組已實(shí)現(xiàn)振動監(jiān)測全覆蓋，改、擴(kuò)建機(jī)組也基本安裝了振動監(jiān)測系統(tǒng)，但是機(jī)組投入商運(yùn)后普遍存在振動監(jiān)測系統(tǒng)維護(hù)不完善的問題。對大型水電機(jī)組而言，振動監(jiān)測設(shè)備一次性投資成本在整個(gè)機(jī)組投資中占比一般不高于1%，因此振動監(jiān)測并不顯著影響投資預(yù)算，普遍能夠做到一次性投入。隨著時(shí)間延長，機(jī)組與振動監(jiān)測設(shè)備性能同時(shí)存在劣化問題，現(xiàn)階段機(jī)組普遍能夠被定期檢修維護(hù)，而振動監(jiān)測設(shè)備的維護(hù)則較為匱乏，這一定程度上弱化了機(jī)組異常振動保護(hù)。要解決這一問題，應(yīng)從制度上保障振動監(jiān)測設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行，根本上踐行 “防事故于未然”的思想。

（4）重設(shè)備輕人才。振動評價(jià)的主體是運(yùn)維單位，然而運(yùn)維單位普遍存在投入不足、缺乏專業(yè)化狀態(tài)評價(jià)人才的情況。通常機(jī)組性能劣化不是短期過程，這導(dǎo)致振動監(jiān)測必然是長期過程。同時(shí)注意到，振動監(jiān)測與評價(jià)是跨學(xué)科專業(yè)，需要技術(shù)人員熟悉水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及其相關(guān)輔機(jī)，對人員層次要求高。在現(xiàn)有職業(yè)發(fā)展體系下，如何實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測人才的培養(yǎng)是值得探討的問題。水電機(jī)組是有機(jī)的整體，目前運(yùn)維體系下，發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)分屬不同的專業(yè)，有些運(yùn)維單位將監(jiān)測劃歸電氣二次專業(yè)，如何實(shí)現(xiàn)有效銜接是擺在我們面前的重要課題之一。

解決上述問題并非一蹴而就，振動監(jiān)測與評價(jià)應(yīng)以安全為第一目標(biāo)，同時(shí)兼顧技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。目前，水電機(jī)組普遍采用考慮運(yùn)行工況以及延時(shí)策略的振動異常保護(hù)策略［43－45］，由于變速技術(shù)以及水輪發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰技術(shù)的應(yīng)用，這一方式已不能滿足電站實(shí)際運(yùn)行需要，應(yīng)研究全工況下機(jī)組振動異常保護(hù)問題，做到變轉(zhuǎn)速、變工況時(shí)機(jī)組振動異?？煽客C(jī)。具體而言：機(jī)組設(shè)計(jì)階段，研究借助現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析方法給出合理的振動限值，以指導(dǎo)不同工況下機(jī)組振動限值的設(shè)置；機(jī)組安裝調(diào)試階段，研究利用先進(jìn)的調(diào)整測試方法確保機(jī)組以最優(yōu)狀態(tài)投入運(yùn)行，同時(shí)建立機(jī)組振動狀態(tài)評價(jià)基準(zhǔn)；機(jī)組運(yùn)行階段，以趨勢分析為基礎(chǔ)研究不同機(jī)組振動的差異化評價(jià)方法。

4 結(jié)論

本文以立式混流式水電機(jī)組為例，綜述了振動和擺度監(jiān)測與評價(jià)過程中相關(guān)基本問題，包括測點(diǎn)布置、傳感器類型選擇、信號質(zhì)量、振動特征值等，梳理了振動與擺度評價(jià)涉及的標(biāo)準(zhǔn)體系和各標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)限值，提出了以狀態(tài)檢修為核心的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)中需要注意的問題，獲得以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)有振擺監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)位置存在優(yōu)化空間；機(jī)組振動宜采用速度型振動傳感器進(jìn)行監(jiān)測；應(yīng)建立振擺信號質(zhì)量的評價(jià)方法，并在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)；

（2）目前的水電機(jī)組振擺評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系不規(guī)范，同一定值在不同的標(biāo)準(zhǔn)中所對應(yīng)的工況區(qū)差異顯著，宜根據(jù)機(jī)組所處的安裝調(diào)試與商業(yè)運(yùn)行階段制定不同的評價(jià)限值，應(yīng)將現(xiàn)有的振擺評價(jià)編入同一標(biāo)準(zhǔn)中，以更有效指導(dǎo)水電機(jī)組振擺評價(jià)；宜在新機(jī)組安裝調(diào)試或檢修時(shí)建立評價(jià)基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組振擺特征值的趨勢評價(jià)；

（3）以狀態(tài)檢修為核心的商運(yùn)機(jī)組振擺評價(jià)應(yīng)解決 “重集成輕應(yīng)用、重理論輕實(shí)踐、重建設(shè)輕維護(hù)和重設(shè)備輕人才”的問題。

隨著我國水電技術(shù)的發(fā)展，我國已由水電大國走向水電強(qiáng)國，機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)維水平大幅提升，逐漸由技術(shù)引進(jìn)向技術(shù)引領(lǐng)方向發(fā)展，相關(guān)科技人員應(yīng)在水電機(jī)組振動與評價(jià)方面做出貢獻(xiàn)，以適應(yīng)我國的水電技術(shù)發(fā)展趨勢。