可逆式抽水蓄能机组振动测量、评估和保护设定研究

王宪平，赵 江

（上海福伊特水电设备有限公司，上海市 200240）

可逆式抽水蓄能机组振动测量、评估和保护设定研究

王宪平，赵 江

（上海福伊特水电设备有限公司，上海市 200240）

中国已经成为世界抽水蓄能大国。与常规机组相比，抽水蓄能机组具有转速高、容量大（特别是2000年之后新建的电站）和机组轴线较长的特点，通常担任负荷中心调峰（经常在部分负荷运行）、调频、调相和事故备用的任务，机组运行的安全性、可靠性和稳定性就变得更加重要。但目前国际和国内尚未针对可逆式抽水蓄能机组制定专用的机械振动评估标准。现有的标准多是根据常规机组制定的，应用于可逆式抽水蓄能机组存在一些问题：首先，国际和国内标准对于运行工况的规定不一致；其次，有些标准规定的数值与机组实际运行状况存在较大差异。本文通过对现有国际和国内振动标准进行分析和研究，结合国内已建抽水蓄能电站的经验，给出了振动测量参数选择、振动大小评估的方法和保护整定值的设定建议，以供相关设计院、建设单位、运行单位和设备供应商参考。

抽水蓄能电站；机组振动；测量、评估和保护设定

0 引言

中国的抽水蓄能电站，无论从装机台数、单机规模和技术难度（水头、转速和单机容量）都已经达到世界先进水平。展望今后的发展趋势，一大批大容量、高水头和高转速的可逆式抽水蓄能机组将逐步投入建设和运行。但目前国际和国内尚未针对可逆式抽水蓄能机组制定专用的机械振动评估标准。 现有的标准多是根据常规机组制定的，应用于可逆式抽水蓄能机组存在一些问题。首先是国际和国内标准对于运行工况的规定不一致，现有的国际和部分国内标准给出的限值都是针对发电工况70%～100%额定出力范围的“稳态运行工况”的标准；而大多数国内标准在考核机组稳定性时是指“正常运行工况”（50%～100%额定出力，包括空载工况），也叫“稳定运行工况”。其次，一部分指标与机组实际运行状况存在较大差异。电站如果仅按照振动标准设定（50%～100%）的保护整定值则会造成频繁跳机，为了避免频繁误跳机，保护整定值又设置偏大，某些情况下失去了保护机组的作用，给电站安全运行带来隐患和风险。本文通过对现有国际和国内振动标准进行分析和研究，参考部分国内已建抽水蓄能电站的经验和实测结果，提出了有关振动测量参数选择、振动大小评估方法和保护整定值设定的建议。

1 振动的定义

1.1 转动部件的振动

转动部件的振动系指机组主轴的径向相对振动，俗称主轴摆度，单位用微米（µm）或毫米（mm）。通常，主轴在水导处测得的摆度、在发电电动机上导处测得的摆度和在下导处测得的摆度，依次简称为水导摆度、上导摆度和下导摆度。

1.2 固定部件的振动

固定部件的振动主要指水轮机顶盖的振动、发电电动机上机架和下机架的振动，测量单位有两种，一种是速度量Vrms（速度均方根值），单位为mm/s，另一种是位移量，单位为µm。振动传感器通常安装在其轴承座（支架）上。国内多采用位移量，国外多采用速度量。

在新的国际和国内标准制定过程中，对采用速度量还是位移量存在争议：原ISO国际标准速度量和位移量均采用，对300r/min转速以下推荐测位移量，300r/min转速及以上推荐测速度量； 新标准则全部采用速度量（从结构受力和疲劳损伤角度）不再采用位移量。国内和俄罗斯专家倾向采用位移量。

值得一提的是，如果采用速度量的话，需要对动静干涉造成的顶盖振动速度值大的问题进行滤波处理。因为，对于高水头、高转速水泵水轮机而言，无叶区的压力脉动（也即叶片过流频率及其倍频）造成顶盖振动的速度值大（有些远大于标准给出的数值）、频率高，经分频处理，可以看出通常是单一的2倍或3倍的叶片过流频率（取决于叶片数和导叶数的组合），但位移值小，产生的结构应力低，它不是由于转轮径向水推力造成的对结构产生较大应力的振动，在机组的寿命周期内不会产生由动静干涉高频振动引起的疲劳破坏问题。反之，对于中、低水头混流式水轮机而言，活动导叶和转轮叶片之间的距离相对较大，动静干涉的影响较小，无叶区压力脉动造成的顶盖振动速度值较小，但由于结构刚度相对较低，实测位移值较大。

因此，为便于分析，现阶段还是应同时考虑输出速度量和位移量。对异常情况，经频谱分析后进行诊断和处理。可以按分频后的优势频率（fi，Hz）将速度量峰峰值（Vi，mm/s）换算成位移量峰峰值（Sp-p，um）[1]。通常采用ISO 20816-1：2016附录A.4的公式。

这对分析和处理采集到的中高速机组由于转轮叶片动静干涉频率及其倍频引起的顶盖水平振动速度量非常重要。

2 振动的测量

振动大小的评定依赖测量，测量的关键是传感器的参数选择和产品的可靠性问题。振动标准一般均指通频值（混频值），它包括所有的相关的频率成分。对测得的通频信号经傅里叶变化（FFT）后可以得到单一频率频谱。对较高频率需要分析其动态响应大小或幅值大小，以便决定某一频率是否为引起高动态应力（振幅）的相关频率。

传感器频响范围应覆盖被测部件需要关注的频率范围，也即“感兴趣的频率”范围，也可简称“物理频率”。如果太窄，则难以准确测得所关注的频率。通常选择传感器的频响范围较大，有些情况下会包括了不相关的高频信号，经分频分析研究后，可以采取滤波的方法去除这些不相关的高频信号。考虑到傅里叶变换的需要，数据采集系统的采样频率应至少为2.56倍的被测部件的最大“物理频率”，一般按照3倍考虑。

传感器其他要求应按GB/T 11348.1[2]、GB/T 17189[3]和其他相关标准给出的基本准则。

2.1 主轴摆度的测量

主轴摆度采用非接触式位移传感器测量，通常选用电涡流传感器，输出量是振动位移量的通频值。

ISO-IEC 20816-5[4]给出了如下的“物理频率”估算范围（通用于各种机组型式，灯泡式、轴流式、混流式和水泵水轮机）：

式中fn——转频，Hz；

ZG——活动导叶数。

左侧部分旨在包含尾水管大涡带的频率，通常范围约为（0.2～0.4）fn，右侧部分则是理论上预测的最大“物理频率”。工程实践表明，除了轴承间隙之外，对水导摆度影响较大的是机组启动和空载工况下的叶道涡以及部分负荷下的尾水管大涡带，对上导摆度和下导摆度影响较大的是机组转频（由转动部件动不平衡引起），动静干涉一般情况下对摆度影响不大。因此，“物理频率”采用（0.1～1）fn即可。目前市场上电涡流传感器的频响范围都可以满足摆度测量的需要。

2.2 固定部件的振动的测量

固定部件的振动采用接触式传感器测量。通常选用速度传感器或加速度传感器，输出量可以是位移也可以是速度。

对于振动位移测量，通常采用速度传感器（为惯性式磁电传感器，带硬件积分功能、输出振动位移）测量，得到振动位移峰—峰值Sp-p，单位为µm。

ISO-IEC 20816-5[4]给出了如下的“物理频率”估算范围：

式中fn——转频，Hz；

ZR——转轮叶片数。

左侧部分也是旨在包含尾水管大涡带的频率，右侧部分则也是理论上预测的最大“物理频率”。工程实践表明，对固定部件振动影响较大的是水轮机转轮的径向力和无叶区的动静干涉，而尾水管涡带对固定部件的振动影响不大。

对于振动速度测量，通常采用速度传感器，一般为惯性式磁电传感器，直接输出振动速度，得到振动速度（均方根）V（Vrms），单位为mm/s，或用加速度传感器（压电式或其他），输出经一次积分后为振动速度量，单位为mm/s。

2.3 振摆在线监测系统及其应用

新建电站大部分都安装了新的振摆在线监测系统，其功能日臻完善。有些系统，主要是一些老系统，由于其独立于监控系统之外，往往需要的一些参数未能接入，还需要逐步完善或更新改造。目前存在的主要问题是可靠性有待提高，实用性有待改进。

振摆在线监测目前存在重测量轻分析和评估的问题。造成这些问题的根源是目前国际和国内还没有成熟的用于全工况评价振摆大小的标准，并且已经颁布的标准存在应用上的局限性，实用性不高和存在相互矛盾和容易误解的地方。

3 振动的评估

如何对机组振动的大小进行合理的评估，目前主要有以下两种方式：一是在招、投标阶段以及在合同谈判、签署的技术规范里面大都是引用各种已经颁布的标准所规定的振动和摆度幅值，在此暂称之为“评价准则Ⅰ”；二是电站调试期间和投产以后较多采用的是实测的振动幅值过程线作为基准，并以相对于基准的变化量大小来评价实际振动幅值，称之为“评价准则Ⅱ”。

机组调试期间和投产以后，严格采用“评价准则Ⅰ”的案例是很少的，这是由于严格遵循“评价准则Ⅰ”往往与机组实际运行状况存在较大差异，其中既有运行范围的矛盾（如究竟负荷范围是70%～100%还是50%～100%，是否包括空载工况等），也有现有标准所规定振动幅值不合理的问题，这些问题对于可逆式抽水蓄能机组尤其突出。

现实的情况则是机组调试期间和投产以后大多采用的是“评价准则Ⅱ”的原则，但往往仅是结合机组的实测数值，同时参照类似电站的实践，对水轮机的“稳定运行范围（50%～100%负荷）” 整定其报警和跳机值，并延时后用于机组的保护，而对特殊工况就没有设置保护。

客观地讲，对机组振动的评估不像机组的效率、功率、温度、空蚀那样可以作为一个目标参数，根据理论分析计算、模型试验以及生产制造工艺、安装工艺和严格的质量控制等技术手段进行预测和量化的具体参数。它是一个涉及设备的设计、制造、安装、调试和运行的综合因素的结果，是一个尚无法准确预测而只能采用统计分析的方法给出参考值并结合机组实际情况进行的评价。标准里的振摆数值是基于对收集到的机组振动数据库进行数理统计后给出的结果，类似于人的血压和心率的统计分析结果。所以标准规定的振摆限值是不宜作为强制性要求的，其宗旨是对振摆大小进行合理地评估以便采取必要的检查和处理措施。

值得一提的是，机组振动幅值偏大与短路、过电流、过电压、断水、定子绕组、轴承温度升高等故障不一样，不会对机组立即造成损坏。所以，振动幅值超标一般还算不上故障。只要不引起机组和厂房结构的共振，从而不影响机组和厂房的安全（国内外都出现过此类严重的共振问题，最终不得不通过机组改造来解决），均可根据机组的统计规律允许在相对合理的范围内长期运行。

对于振动幅值相对较大的案例，特别是在振动数据库之外的机组或数量很少的机组，由于缺少足够的数据，无法进行统计分析，这就需要进行专业地分析和检查，找到原因，采取必要的措施进行处理。

振动是否会造成部件的疲劳破坏，需要具体问题具体分析。疲劳破坏是在设计寿命周期内由高于材料疲劳强度的交变大荷载或高频低荷载造成的。除共振外，通常情况下高频振动引起的动应力幅值较小，其对室温环境下材料的疲劳强度影响有限，不足以成为机组寿命周期内疲劳破坏的主要原因。

4 振动的有关标准综述

4.1 国外情况

1997年之前，国际上还没有颁布一个可供使用的水轮发电机组振动评估的标准。ISO于1993年着手收集并建立振动数据库，对代表不同类型水轮机（水斗式、轴流式、混流式等）的1000多台机组的振动数据进行统计分析，随后提出了以A、B、C、D四个区进行分区的振动限制值曲线和评估标准。这就是1997年ISO颁布的第一版的ISO 7919-5：1997第5部分（用于轴振动）[6]。之后于2000年又颁布了第一版ISO 10816：2000第5部分（用于轴承座振动）[7]。

其后，收集到的机组的数据逐步增加，数据库不断扩大，2005年ISO 7919-5进行了改版成为第二版，其中最大的变化就是把老标准的四个小分区A、B、C、D改为了A-B和C-D两个大分区；

此后从2007年开始，ISO和IEC联合又着手将两个标准合并，在世界各地总共召开了15次国际会议，其中两次在中国（2010年10月在三峡工地，2016年10月在成都三峡大厦）。发展情况汇总见表1。

表1 ISO标准发展情况汇总

4.2 国内情况之一

（1）2002年，国内颁布了根据ISO 7919-5：1997和ISO 10816-5：2000翻译的完全等同的标准。

1）GB/T 11348.5—2002[8]《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》

2）GB/T 6075.5-2002[9]《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》

（2）2005年第二版的ISO 7919-5颁布后，国内标准GB/T 11348.5也于2008年相应进行了改版。GB/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》[8]。原2002年标准随即废止。相应地，其中最大的变化也就是把老标准的四个小分区A、B、C、D改为了A-B和C-D两个大分区。

（3）2016年11月1日，颁布了最新的国家标准GB/T 32584—2016《水力发电厂和蓄能泵站机组机械振动的评定》。该标准主要参照前期正在讨论中的ISOIEC 20816：2016，并结合国内机组安装标准和运行实际统计数据情况成文。该标准亟需尽快修订，以便与ISO-IEC 20816 ：2016 保持基本一致以及完善其他方面的问题。

4.3 国内情况之二

（1）1988年，国内独立编制了GB 8564—1988《水轮发电机组安装技术规范》强制性标准。2003年对此进行了修订，并改为推荐性标准 GB/T 8564—2003，已取代原标准。

该标准主要是由国内电站建设单位、安装单位和部分制造厂根据已建电站的工程经验总结归纳形成实用性标准，30余年来，已经成为其他设计标准和工程启动验收的依据，对我国的水电建设起到了非常重要的技术规范作用。

该标准的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”。

那么，机组在运行时的振动和摆度又是如何规定的呢？GB/T 8564—2003[10]在15.3.1中给出了以下规定：

“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（见表2）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。”

表2（原表41） 水轮发电机组各部位振动允许值 mm

显然，这里规定的是“机组空载试运行”时的振动和摆度标准。

对于摆度，这里75%的轴承总间隙，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。

对于振动，表41（本文表2）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。

（2）GB/T 15468—2006《水轮机基本技术条件》[11]在5.5.2给出了“水轮机顶盖水平和垂直振动应不大于表5（见图1）”的规定。

图1 节选自GB/T 15468—2006Fig. 1 Excerpt from GB/T 15468—2006

该规定沿用了机组安装标准的数值，并且在5.5.3另外给出了摆度值按照“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50%～70%区间，也不包括空载运行工况。

（3）GB/T 22581—2008《混流式水泵水轮机基本技术条件》[12]给出了如图2的规定。

图2 节选自GB/T 22581Fig. 2 Excerpt from GB/T 22581

（4）GB/T 7894—2009《水轮发电机基本技术条件》[13]在9.8中给出了如图3的规定。

与水轮机和水泵水轮机基本技术条件一样，该规定也沿用了机组安装标准的数值。该标准对于摆度值只是提到了75%轴承总间隙值，并没有提及B区上限线的问题。

图3 节选自GB 7894Fig. 3 Excerpt from GB 7894

（5）GB/T 18482—2010《可逆式抽水蓄能机组启动试运行规程》[14]给出了表3（原表1）的振动限值，相对于之前的其他标准，对振动限值略微进行了修改。

表3（原表1） 可逆式抽水蓄能机组各部位振动允许值（双幅值） mm

（6）DL/T 507—2014 《水轮发电机组启动试验规程》[15]给出了表4（原表1）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。

表4（原表1） 水轮发电机组各部位振动允许值（双幅速）

4.4 国内外各种标准应用范围分析

仔细分析这些标准，对相关标准的应用范围进行分析（见图4），可以归纳出以下几个主要特点：

（1）新国际标准ISO-IEC 20816—2016和国家标准GB/T 32584—2016仅仅给出了70%～100%额定负荷稳态工况下的统计分析参考值；原标准ISO 7919-5：2005和ISO 10816-5：2000以及等同翻译的GB/T 11348.5—2008和GB/T 6075.5—2002给出了80%～100%额定流量下的统计分析参考值。两者均不包括空载运行工况。

（2）国内的《水轮发电机组安装技术规范》和其他标准给出了机组安装后盘车时的摆度限值和调试时机组空载运行的摆度限值（75%轴承总间隙，没有明确是冷态还是热态总间隙，通常理解为冷态总间隙。空载下的摆度基本符合这个规律。但若按照冷态总间隙计算50%～100%负荷运行工况的摆度值就非常大，似乎应该按照设计热态总间隙计算，具体数值不确定）；固定部件振动则理解为全工况限值（包括空载工况）和在正常稳定运行50%～100%额定负荷范围的振动限值，并且都是位移量没有速度量。一般情况下，电站实践上作为正常运行工况限值使用和交接验收机组。

（3）水轮机和水泵水轮机的基本技术条件则将安装标准和ISO的评价分区B区上限线应用作为水泵水轮机稳定运行范围（50%～100%）内的标准，而该值在原标准里面是指70%～100%负荷的数值，不含50%～70%区间，也不包括空载运行工况。

图4 相关标准的应用范围分析Fig. 4 Analysis of application scope of relevant standards

（4）新国际标准ISO-IEC 20816—2016对固定部件振动全部采用速度量，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，没有位移量，但在表B.5又附加给出了基于国内《水轮发电机组安装技术规范》中的表41给出的固定部件振动位移限值，没有速度限值。

5 可逆式抽水蓄能机组全工况振动特点、振动大小评定和保护设定

5.1 建议的振摆测量输出方式

为便于分析和评定机组在全工况下的振摆大小，同时，也为了便于进行趋势分析，建议将机组转速、出力、所有轴承的温度分别或分组与主轴摆度或固定部件振动放到一张图上（见图5～图10），将实测结果作为基准值，从而制定报警和跳机整定值。另外，也可以将振摆数据按照功率（发电和抽水工况）为横坐标分别显示出各个振摆测点的变化范围，从而可以分析正常情况下的振摆“外包络线”，将其作为基准值，为调整和优化报警和跳机整定值奠定基础。

5.2 全工况振动摆度评定建议

抽蓄机组通常运行工况较多、机组开停机和工况转换频繁。其主要的运行工况还是发电工况和抽水工况。这里的全工况特指：机组发电时从启动到带满负荷的过程，包括启动后升速过程、空载运行、带负荷至满负荷过程（包括带部分负荷运行），不包括甩负荷和过速过程；抽水时指启动后升速过程、零流量工况运行、满载抽水工况，也不包括水泵断电和过速过程；各种工况转换过程。在此以某抽水蓄能机组为例进行分析。

5.2.1 发电工况

图5、图6是某抽水蓄能电站某一台机组发电工况的振摆全工况记录。

从图5可以看出，机组从开机至空载过程中上导摆度最大值为202µm，下导摆度最大值为156µm，水导摆度最大值为466µm；随着机组负荷快速增加到200MW附近（约70%负荷），各部轴承温度逐步上升，轴承间隙逐步变小，主轴摆度均出现了明显下降，但水导摆度波动较大；当机组负荷增加至280～300MW（约93%～100%负荷）后，轴承温度逐步稳定，上导、下导摆度均稳定在40µm附近，水导摆度稳定在100µm附近。可以看出，在70%～100%负荷稳态运行范围，各处摆度均低于原ISO标准A区的上限线（140µm），在50%～70%负荷范围，则在B区上限线（240µm）附近。发电电动机上、下导摆度对轴承温度和间隙大小较敏感。

图5 机组在发电全工况的主轴摆度过程线Fig. 5 Main shaft runouts in generation mode

从图6可以看出，机组从开机至空载过程中上导振动最大值为2mm/s，下导振动最大值为3.1mm/s，水导振动最大值为10mm/s；随着机组负荷增加到200MW（70%负荷）附近，上导、下导振动均出现了明显下降，水导振动波动较大；但当机组负荷增加至280～300MW（93%～100%负荷）后，上导振动稳定在0.45mm/s附近，下导振动稳定在1.86mm/s附近，水导振动稳定在7.7mm/s附近远远超过一些标准给出的振动速度A-B区上限线，如何解读这个现象成为一个争议的焦点。经分析，尽管水导振动速度较大，但是经分频处理可知其优势频率为150Hz，是2倍的转轮叶片过流频率，换算成位移峰—峰值只有21µm。即便考虑混频以后的峰—峰值也在30µm附近。该高频振动没有对顶盖结构造成较大的动应力和疲劳损伤问题。因此，有些系统则将这个叶片过流频率的倍频经过了滤波处理，之后，振动速度明显下降。

5.2.2 抽水工况

图7、图8是某抽水蓄能电站的某一台机抽水工况的全工况记录：

从图7可以看出，机组从开机至抽水过程中上导摆度最大值为112µm，下导摆度最大值为136µm，水导摆度最大值为558µm；随着机组在满负荷抽水工况运行时，各部轴承主轴摆度均出现了明显下降，其中上导摆度稳定在62µm附近，下导摆度稳定在42µm附近，水导摆度稳定在113µm附近。

图6 机组在发电全工况下的固定部件振动过程线Fig. 6 Vibration of non-rotating parts in generating mode

图7 机组在抽水全工况下的主轴摆度过程线Fig. 7 Main Shaft runouts in pumping mode

从图8可以看出，机组从开机至抽水过程中上导振动最大值为2.6mm/s，下导振动最大值为2.3mm/s，水导振动最大值为7.7mm/s；随着机组在满负荷抽水工况运行时，各部轴承处轴承座振动均出现了明显下降，其中上导振动稳定在0.49mm/s附近、下导振动稳定在1.5mm/s附近，水导振动稳定在3.77mm/s附近。

5.2.3 调相转抽水工况

图9、图10是某抽水蓄能电站的某一台机调相转抽水工况的全工况记录：

从图9可以看出，机组在调相运行过程中上导摆度稳定在37µm附近，下导摆度稳定在31µm附近，水导摆度稳定在120µm附近；当机组从调相运行转到抽水工况的过程中，各部轴承处的主轴摆度均出现了明显增大，其中上导摆度的最大值为117µm，下导摆度的最大值为100µm，水导摆度的最大值为597µm；当机组进入满负荷抽水工况运行后，各部轴承处的主轴摆度均出现了明显下降，其中上导、下导摆度均稳定在50µm附近，水导摆度稳定在210µm附近。

从图10可以看出，机组在调相运行过程中上导振动稳定在0.42mm/s，下导振动稳定在1.1mm/s，水导振动稳定在0.82mm/s附近；当机组从调相运行转到抽水工况的过程中，各部轴承处的轴承座振动均出现了明显增大，其中上导振动的最大值为2.7mm/s，下导振动的最大值为4.1mm/s，水导振动的最大值为9.1mm/s；当机组进入满负荷抽水工况运行后，各部轴承处的轴承座振动均出现了明显下降，其中上导振动稳定在0.73mm/s附近，下导振动稳定在2.2mm/s附近，水导振动稳定在3.0mm/s附近。

图8 机组在抽水全工况下的固定部件振动过程线Fig. 8 Vibration of non-rotating parts in pumping mode

图9 机组在调相转抽水过程中的主轴摆度过程线Fig. 9 Main Shaft runouts in SCO to PO

图10 机组在调相转抽水过程中的固定部件振动过程线Fig. 10 Vibration of non-rotating parts in SCO to PO

5.3 振动大小评定和保护设定

从上面的分析可以看出，无论在发电工况还是抽水工况，全工况的振动特性可以大致划分为三个级别：

（1）特殊工况，包括开停机、空载运行、发电工况50%以下负荷和工况转换过程。这个阶段的振动和摆度最大，轴承的温度尚未稳定或轴承温度稳定后机组运行在部分负荷50%附近。

（2）部分负荷工况；按照50%～70%负荷考虑。

（3）稳态运行工况，按照70%～100%负荷考虑（包括满负荷抽水工况）。

评定振动和摆度大小时，宜将现有的ISO-IEC和GB/T标准统计值（适用于70%～100%负荷范围）、机组安装GB/T标准和机组调试实测的全工况振动特性相结合，并参考类似机组的经验综合分析后给出，建议如下：

（1）特殊工况：以实测结果为基础，适当考虑一定的裕量，比如1.25和1.6倍，并考虑不同测点位置采取一定的报警逻辑和停机逻辑后设置报警和跳机保护整定值；根据机组的中长期运行状况和检修后的状况还可以调整。

（2）部分负荷工况；以A-B区上限线为基础，适当考虑一定的裕量，比如1.25倍和1.6倍，设置报警和跳机保护整定值；根据机组的中长期运行状况和检修后的状况还可以调整。

（3）稳态运行工况：以A-B区上限线为基础，适当考虑一定的裕量，比如1.25倍和1.6倍，设置报警和跳机保护整定值；根据机组的中长期运行状况和检修后的状况还可以调整。一般情况下，大部分机组也可以小于原A区上限线。为简化保护整定值的设置，同时也为满足50%～100%稳定运行范围的要求，不建议再为70%～100%另设A区上限线的保护整定值。简化处理就是设置两档二级保护。

从目前掌握的有限资料看，上述工况的整定值基本上可以涵盖所有工况的保护整定值，不宜再细分其他运行工况，从而简化保护系统的设置。

由于制造质量和安装质量的原因，机组轴线的姿态也可能各不相同。因此，不同的机组可以采用不同的数值。目前大部分电站只设置了稳态运行工况（50%～100%额定负荷）的保护值，且考虑了一定的延时，以避开特殊工况。有的限值较大，有的延时过长，某些情况下起不到保护机组的作用。建议有条件的电站可以考虑设置以上三档二级保护。

值得一提的是，近来国内外一些招标文件和合同文件提出了很高的要求，规定在正常运行工况下（含空载），发电负荷在50%～100%稳定运行范围内振动和摆度要低于原标准A区上限线；有的规定在所有运行工况下都要满足低于A区上限线；也有的要求发电机低于A区上限线而水轮机则低于B区上限线。实际上，机组调试后，多数电站还是按照B区上限线为基础根据调试结果修正以后设置的保护整定值。

6 结论

抽水蓄能机组的振动和摆度大小的评定问题是一个错综复杂的问题，就像人的血压和心率的评价一样，不宜作为强制性的要求。应按照不同的运行工况和负荷范围进行不同的分区，不能不分运行工况和负荷范围一概要求A区。应该在统计分析结果的基础上结合每台机具体的机组调试状况进行分析和评估并设置合理的保护整定值。振摆监测系统的实用性和可靠性需要不断提高，以便于日常运行监测和异常故障分析。现有的标准存在一定的局限性，有些标准的实用性和应用范围有待下一步修订时完善。

致谢：本文在编写过程中得到了水电技术专家付元初、魏炳漳、何少润、陈顺义、桂中华和朱玉良先生的审阅、支持和协助，提出了宝贵的意见和建议，在此一并表示感谢。

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[8] GB/T 11348.5—2002，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.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.

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2017-02-25

2017-03-20

王宪平（1963—），男，副总裁，总工程师，主要研究方向：水电站动力设备和机组设计、制造，技术管理。E-mail：xianping.wang@voith.com

赵 江（1986—），男，高级工程师，主要研究方向：水电站动力设备和机组设计工作。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学科代码：470.3099

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