水轮发电机组振动和摆度标准分析和应用探讨

王宪平

(上海福伊特水电设备有限公司，上海200240)

水轮发电机组振动和摆度标准分析和应用探讨

王宪平

(上海福伊特水电设备有限公司，上海200240)

现行的水轮发电机组的振动和摆度ISO国际标准已在国际上广泛采用多年。近年来，ISO和IEC也在将ISO7919—5和ISO10816—5合并成为一个新标准ISO 20816—5:2016以取代旧标准并同时成为ISO和IEC的共同标准。同时，国内也有若干国家标准和行业标准都对机组的振动和摆度有一些规定。针对这些标准编制的背景和应用范围进行了详细介绍，指出了这些标准之间的异同点，给出了在实际工程应用上的建议，并为下一步标准的修订和完善提供参考。

振动和摆度；国际国内标准；稳定性试验：振动和摆度评定；水轮发电机组

0 引 言

近二十年来，中国已经成为世界水电大国，特别是大型、巨型机组和可逆式抽水蓄能机组，都已经达到世界先进水平，并且逐步走向国际市场并在“一带一路”沿线国家和地区开展国际合作和工程总承包业务。在编制招、投标文件、合同谈判、机组调试和进行稳定性试验过程中都要应用相关的标准。然而，这些标准都有各自的适用范围，还有一些矛盾和冲突的地方，在实际工程应用上还有一定的局限性。了解和掌握这些标准的技术背景和适用范围，对合理评估机组的稳定性具有十分重要的意义。同时，也对这些标准的进一步修订和完善奠定基础。

1 国际标准ISO

1997年国际标准化组织ISO(International Organization for Standardization)颁布了ISO 7919—5:1997[1]简称ISO“主轴摆度标准”，提出了以A、B、C、D 4个区进行分区的主轴摆度限制值曲线，如图1所示；2000年又颁布了ISO 10816—5:2000[2]简称ISO”固定部件振动标准”，以表格的方式给出了振动速度均方根和位移两种量的评价标准，也是按照4个分区进行评价的。

2005年ISO7919—5:1997改版为ISO7919—5:2005[3]，1997版随机废止，其中最大的变化就是把老标准的4个小分区A、B、C、D改为了A—B(阴影部分)和C—D(非阴影部分)2个大分区，如图2所示。但是ISO 10816—5:2000并没有改版，还是A、B、C、D 4个区以表格的方式给出。

图1 ISO 7919—5:1997主轴摆度标准评价分区

图2 ISO 7919—5:2005主轴摆度标准评价分区

从2007年开始，国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)联合着手将两个标准合并，成为ISO 20816—5:2016[4]，以替代ISO 7919—5:2005和ISO 10816—5:2000，合并后的标准给出了3个分区，即A—B区(可以无限制长期运行)，C区和D区，不再单独分A区(原标准指新投产机组通常在该区域)。该标准近期(预计2017年)即将颁布。该标准历经长达10年时间，在世界各地总共召开了15次国际会议，其中两次在中国。

1.1 ISO标准修订的依据和原则

新标准强调评价机组振动应该考虑两个准则：①测量的振动幅值;②测量的振动幅值的变化和相位。

新标准中的振动幅值限值是基于收集到的现有机组“振动摆度数据库”中数据进行数理统计计算得出的。标准建议的振动幅值限制不宜作为合同保证值的一个硬性指标。评价机组振动特性的好坏应结合主轴的摆度、固定部件机座的振动、主轴摆度相对于轴承冷态安装总间隙的百分数、轴瓦的温度等进行综合分析。

当振动幅值较大时应采取相应的若干诊断措施，测量和进一步分析造成振动幅值大的原因及其可能会造成的影响，采取必要措施以保证机组可以无限制长期运行。

1.2 新标准的评价分区

新标准ISO 20816—5:2016分为3个区A—B、C和D，不再按照转速细分，全部一个数值。

A—B区:通常认为振动在此区域内的机器可以无限制地长期运行，不再说明新交付使用的机组的振动通常应在A区内;大致相当于老B区的一半左右。

C区：需要进一步调查研究或采取一些措施减少振动幅值。

D区：振动幅值在这个区或主轴摆度超过70%轴承冷态间隙需要立即查明原因并采取必要措施减小振动幅值避免对机组造成损坏的可能性。

1.3 振动摆度数据库存在的问题

现有机组的“振动摆度数据库”为讨论方便可以分为ISO的“国际振动摆度数据库”和国内自己收集的“中国振动摆度数据库”。

最新版的“国际振动摆度数据库”涵盖了全世界不同国家、不同时期、不同机型、不同结构的机组，其中绝大部分是欧美国家机组的7 000多组测量数据，集中在200 MW左右或以下的机组，200～700 MW的机组数量有限；也包括了“中国振动摆度数据库”的数据，500～700 MW的巨型机组主要集中在中国。而“中国振动摆度数据库”，截至2014年9月19日，收集了国内共计122个水电站(泵站)、306台机组的振动数据。其中混流式机组共计77个电站、185台机组；可逆式机组共计15个电站、61台机组；轴流式机组共计10个电站、22台机组；灯泡贯流式机组共计9个电站、15台机组；冲击式机组共计5个电站、3台立式机组、2台卧式机组2；泵站6个、共18台机组。

受ISO标准修改起草委员会的委托，瑞典工作组负责对上面提到的数据库进行“数理统计分析”，先是E版，后又是F版(当时没有“中国振动摆度数据库”的数据，而是国外厂商统计供货的中国机组的部分数据)，最后是J版，机组稳态正常运行范围为：混流式，70%～100%额定负荷；轴流式，50%～100%额定负荷；贯流式，0～100%额定负荷。

值得一提的是，最后的J版数据库虽然包含部分中国机组的数据，但由于一些填报数据与国际数据有差异不符合要求，比如固定部件振动只有位移值um没有速度均方根值mm/s，部件名称不是轴承而是其他顶盖、机架等无法按照轴承来统一，因而基本没有被采纳。

标准里面规定的振动和摆度限值就是基于瑞典工作组数理统计的结果给出的建议值。由于数据库本身和统计方法存在的局限性，包括：一些机组的数据库样本量有限，填报数据仅仅是某个工况的一个点的数据，统计分类是否合理，有没有找到关键参数，比如按照出力大小或轴承间隙大小分段统计而不是混到一起统计，欧美中小机组数据多则掩盖了中国数据少的大型和巨型机组的特殊性，再加上数据库本身的问题，比如轴承间隙混乱或没有数据的问题，统计结果自然得不到一个合理的相关性，从工程实践上看明显不合理。中国工作组按照“中国振动摆度数据库”采用同样的方法则得出了不同的结果“混流机组和轴流转桨机组摆度国内统计结果大于国外统计结果并略大于现行的国家标准”。原因是国内大型和巨型机组多，轴承间隙自然大，统计结果就比国际数据库的统计结果大。可见，对测量数据进行合理分类和分段再做数理统计分析才能够得出合理的符合逻辑的结果。

1.4 关于摆度大小和轴承间隙的问题

“国际振动摆度数据库”虽然也列出了轴承间隙的统计要求，但是填报的数据非常混乱，既有理论设计间隙(dv-design value)，也有测量间隙(mv-measured value)，还有热态间隙(h-hot)和冷态间隙(c-cold)，很多数据无法了解到底是什么数据，而且很多电站并没有填写任何数据或有明显的错误；理论上，设计间隙一定是热态间隙，而测量间隙一定是机组安装时或停机以后测量的冷态间隙。热态间隙是无法测量的。数据库大多是mv-测量间隙值，也有一些dv-设计间隙，还有一些热态测量间隙，等等。“中国振动摆度数据库”则没有任何轴承间隙的数据，全部空白。

因此，据此进行的统计分析自然无法找到主轴摆度与轴承间隙之间任何规律性的东西。

作为机组导轴承设计的间隙选择通用原则，图3给出了参考范围。

图3 各种导轴承设计总间隙和轴领直径的关系

图中冷态安装调整间隙，按照轴领直径10 μm/(m·℃)膨胀量、温差10 ℃估算，通常由厂家给定标注在图纸上，安装期间初步设定，根据调试时轴承温度测量结果最终决定是否调整轴承间隙。

从图中还可以看出，老标准给出的A区摆度限制值在水轮机最优运行工况附件按照转速大小不同大致在130～160 μm之间(约70%×200=140 μm)，B区则大致在220～280 μm( 约70%×320=224 μm)之间，新标准的A—B区则为180～220 μm。

因此，这主要是中小机组、轴领直径约1.6～2.0 m以下的机组适用，这即和安装时的冷态间隙有关，也和实际轴瓦运行温度有关。对于大型和巨型机组，轴领直径1.6～2.0 m以上甚至达到3.5 m，轴承的设计间隙特别是冷态的安装间隙本身就很大，总间隙0.5～0.7 mm，个别情况下甚至达到0.8～1.0 mm，因此摆度值(对应70%～80%双边间隙)达到0.5～0.8 mm经常会遇到，特别是在空载和部分负荷(45%～70%)工况。

由此可见，ISO标准给出的机组的摆度限制值对大型、巨型机组和采用筒式瓦的机组偏小。因此，标准的最终版本采纳了中方的意见并在振动和摆度限值表下面给出了如下说明：“主轴相对振动限值不适用于筒式瓦轴承(总间隙大于0.8 mm)和轴领直径大于2.0 m的大型机组，因为现有的数据库缺乏足够的数据”。

另外，摆度大小是否合理还和轴承温度和机组轴线安装姿态有关。如果摆度大、轴承温度也高，可能是油循环系统设计问题和或冷却器容量不够，需要分析原因和调整。很多情况下，摆度虽然较大，但是温度较低，说明轴承间隙偏大，可以调整，但由于种种原因没有调整则较大的摆度值不应成为影响安全运行的一个关键要素，摆度检测系统的报警跳机整定值就需要重新考虑，避免带来不必要的频繁报警和跳机故障。

2 国内标准[5]

国内关于机组振动和摆度的标准分为两大类。一类是翻译后等同采用ISO的标准，包括①GB/T 11348.5—2008《旋转机械转轴径向振动的测量和评定 第5部分：水力发电厂和泵站机组》；②GB/T 6075.5—2002《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动 第5部分：水力发电厂和泵站机组》；③GB/T 32584—2016《水力发电厂和蓄能泵站机组机械振动的评定》，但该标准主要参照前期正在讨论中的ISO 20816—5:2016并结合国内机组安装标准和运行实际统计数据情况后成文的。该标准急需尽快修订，以便与ISO 20816—5:2016保持基本一致以及完善其他方面的问题。

第二类标准则是国内相关单位编制的标准，包括：①GB/T 8564—2003《水轮发电机组安装技术规范》；②GB/T15468—2006《水轮机基本技术条件》；③GB/T22581—2008《混流式水泵水轮机基本技术条件》；④GB/T7894—2009《水轮发电机基本技术条件》；⑤GB/T7894—2009《水轮发电机基本技术条件》国家标准第1号修改单XG1—2015；⑥GB/T 18482—2010《可逆式抽水蓄能机组启动试运行规程》；⑦DL/T 507—2014 《水轮发电机组启动试验规程》；⑧GB/T 17189—2007《水力机械(水轮机、蓄能泵和水泵水轮机)振动和脉动现场测试规程》，等。

这些标准均源于GB/T 8564—2003《水轮发电机组安装技术规范》规定的振摆要求。新近修订出版的DL/T 507—2014标准在“表1水轮发电机组各部位振动允许值(双振幅)”中则给出了固定部件的振动限值，并在括号内特意指出了是通频值还是转频值，相对于之前的其他标准，振动限值略微进行了修改。

这些标准主要是根据已建电站的工程经验总结归纳的实用性标准，30多年来对我国的水电建设起到了非常重要的技术规范作用。

关于摆度，《水轮发电机组安装技术规范》的9.5.7中“表13机组轴线的允许摆度值(双振幅)”给出了机组在安装盘车时的摆度值，并在注4特别注明了“以上均指机组盘车摆度，并非运行摆度”。

机组在运行时的振动和摆度又是如何规定的呢？GB/T 8564—2003在第15章“水轮发电机组试运行”的15.3“机组空载试运行”里面的15.3.1里面给出了以下规定：“d)测量机组摆度(双振幅)，其值应不大于75%的轴承总间隙。”；“e)测量机组振动，其值不应超过表41的规定，如果机组的振动超过表41的规定，应进行动平衡试验。”显然，这里的文字说明规定的是“机组空载试运行”时的振动和摆度标准。

对于摆度，这里的75%轴承总间隙，原则上是正确的。但是，实际上轴承的间隙是和轴承温度(包括轴系安装质量、轴承冷却系统设计和冷却器容量)密切相关的。机组安装有记录的安装冷态总间隙，空载调试时，轴承温度较低，间隙较大，大轴摆度就大；当温度升高稳定以后，间隙变小，接近设计热态间隙，取决于轴承的温度和摆度大小，间隙可能需要再调整，最终运行时的热态间隙具体数值是多少则又无法测量，可按热态设计间隙附近粗略估算。通常，75%的轴承总间隙理解为冷态安装总间隙，也即标准给出的摆度值是机组调试期间空载运行的最大值。有些情况下，机组调试时由于瓦温高，轴瓦间隙调整就大，造成摆度大。

对于振动，表41最后一行“注：”里面又提到了“振动值系指机组在除过速运行以外的各种稳定运行工况下的双振幅值”，可以理解为正常稳定运行(含空载)及在50%～100%负荷下的限制值。但机组全工况实测的振摆特性显示，这些限值有些不适用于空载运行工况和低负荷运行工况。用于满负荷附近基本上没有问题。

与最新的ISO 20816-5:2016相比，国内这些标准均没有固定部件振动的速度量均方根限值，“中国的振动数据库”没有速度量，与国际不接轨，无法与“国际振动数据库”进行数理统计，因此，很遗憾未被采纳。国内这些标准都是按照额定转速大小分档给出的固定部件的振动限值，还有垂直振动限制和定子机座水平和垂直振动限制，而国际标准则不再按照转速分档，也没有这些垂直振动和定子振动的限值。

GB/T 15468—2006《水轮机基本技术条件》和GB/T 22581—2008《混流式水泵水轮机基本技术条件》在5.5.3另外给出了摆度值按照ISO标准“B区上限线，且不超过轴承间隙的75%”。如前所述，如果机组在稳态正常运行工况，则这里便是热态总间隙，取决于轴承的温度，具体数值是多少则无法测量；如果采用冷态总间隙，则数值非常大，实际上就是按照B区上限线(大致就是热态设计间隙的75%)，而该值在原标准里面是指70%～100%负荷的数值，不含45%(混流式)～50%(水泵水轮机)～70%区间，也不包括空载运行工况。

GB/T 17189—2007《水力机械(水轮机、蓄能泵和水泵水轮机)振动和脉动现场测试规程》以及2016年的修订讨论稿规定了现场的各种试验工况，既有稳态运行工况也有空载工况和暂态过渡过程工况(如起动、停机、增减负荷、工况转换、过速、在水轮机运行工况下甩负荷、在水泵运行工况下突然断电等)；然而现有的ISO振动和摆度标准规定的数值则实际上是(70%～100%负荷)稳态工况的，没有空载、部分负荷和过渡过程工况。ISO和国内标准还存在工况范围等定义不一致、振摆限值有较大差异的问题。这对现场振摆测试结果出来以后如何评判是个需要研究的问题。一些稳定性试验报告则误将标准给出的在特定稳态工况范围内的振摆限值应用到了机组的全工况，不合理地给出了所谓的“振动运行区”、“临界运行区”和“稳定运行区”，扩大了振动区的范围，不必要地人为限制了机组的运行区域。

3 结论和建议

概括起来讲，新标准ISO20816—5:2016的适用范围为：①混流式和水泵水轮机组满负荷附近稳态运行工况，大致70%～100%额定出力；②轴流式机组50%～100%额定出力稳态运行工况；③200～300 MW以下机组，轴领直径小于约2.0 m；④固定部件振动仅指水轮机顶盖、发电机上下机架轴承座的水平振动，并且只有速度量没有位移量，对高水头水泵水轮机顶盖的2或3倍叶片过流频率引起的高频分量需要过滤处理[5- 6]。

不适用范围或仅供参考的情况：①混流式(水泵水轮机)机组的部分负荷工况45%(50%)～70%出力；②空载工况和小于45%出力超低负荷工况；③轴领直径大于约2.0 m的大型和巨型机组，大致500～800 MW；④固定部件水轮机顶盖、发电机上下机架轴承座的垂直振动；⑤定子机座的水平和垂直振动；⑥水泵水轮机的抽水工况和调相工况；⑦暂态运行工况如启动、过速和飞逸、水泵水轮机的工况转换等。

由此可见，新的ISO20816—5:2016在实际工程应用上还有很大的局限性，无法很好地用于机组实际运行需要的全工况的振动评定和保护设定，特别是对于国内大型和巨型机组以及大容量和高转速的抽水蓄能机组。

国内的振动标准属于根据工程经验得出的实用性的标准与国际标准存在一些差异，其适用范围(如空载和部分负荷工况)还需要进一步收集数据、分析和验证。在工程应用上不宜不分适用范围而将不同的标准体系混合在一起使用并采用最高要求。

现阶段评定振动和摆度大小时宜以现有的ISO和GB/T标准统计值(混流式机组适用于70%～100%负荷范围)、国内的机组安装标准GB/T和机组调试试运行规程为基础，结合机组调试实测的全工况振动特性并参考类似机组的经验经专业的综合分析后给出，建议如下：

(1)特殊工况。包括开机、空载运行、发电工况混流式45%(水泵水轮机50%)以下负荷和工况转换过程；以实测结果为基础，适当考虑一定的裕量。

(2)部分负荷工况。按照混流式45%(水泵水轮机50%)～70%负荷考虑。以A—B区上限线为基础，适当考虑一定的裕量。

(3)稳态运行工况。按照70%～100%负荷考虑(包括满负荷抽水工况)。这也是ISO标准和国标以及行标实际适用的范围。以A—B区上限线为基础，适当考虑一定的裕量。

一般情况下，大部分机组也可以小于原A区上限线和国内的机组安装标准GB/T和机组调试试运行规程规定的限值。报警和跳机保护整定值可以按照上述结果，按照比如1.25和1.6倍设置；根据机组的中长期运行状况和检修后的状况还可以调整。

[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] 王宪平，赵江. 可逆式抽水蓄能机组振动测量、 评估和保护设定研究[J]. 水电与抽水蓄能， 2017， 3(3): 6- 16．

[6] 魏炳漳. 广蓄二期工程抽水蓄能机组的振动评估[J]. 水力发电， 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

王宪平(1963—)，男，河北邯郸人，副总裁，总工程师，主要从事水电站动力设备和机组设计、制造，技术管理工作．

(责任编辑高 瑜)