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)濟研究院，北京100761；2.浙江國貿(mào)集團東方機電工程股份有限公司，杭州310016；3.南瑞集團 （國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，南京210003；4.天津水利電力機電研究所，天津301900）

0 前言

水電機組振動監(jiān)測與評價是以信息技術(shù)為載體，以保障水電機組運行安全為目標，利用傳感器對水電機組關(guān)鍵部件振動進行監(jiān)測，采用振動特征值分析以實現(xiàn)機組狀態(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)測與評價提供了水電機組運行的動態(tài)信息，是狀態(tài)監(jiān)測、健康評價、征兆預(yù)警和決策支撐的重要基礎(chǔ)，是實現(xiàn)計劃檢修（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)，同時也是實現(xiàn)水電資產(chǎn)價值提升和水電機組全壽命周期管理的有效措施。因此，水輪發(fā)電機振動監(jiān)測與評價在現(xiàn)代水電廠中占有重要的地位。

水電機組振動監(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－薩揚事件后水電機組監(jiān)測進入了快速發(fā)展階段。2009年國家電監(jiān)會發(fā)出通知要求加強機組狀態(tài)監(jiān)測，大中型水電站應(yīng)當安裝機組在線監(jiān)測裝置，加強機組振動、擺度等運行參數(shù)的監(jiān)測、記錄和分析，對振動異常應(yīng)立即停機檢查，查明原因和處理合格后方可按規(guī)定程序恢復(fù)機組運行。國家能源局在2014年出版的 《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》中對上述要求進行了明確。

目前水電機組振動監(jiān)測已基本實現(xiàn)標準化，但是對測量結(jié)果的評價標準化卻存在諸多問題［2］。由于水電機組屬于定制化產(chǎn)品，每座電站的水頭和單機容量均存在差異，即使是同一類型的機組，其安裝也存在差異，這導(dǎo)致機組振動特征值各異。即使同一臺機組，在不同的運行工況點其振動數(shù)值也明顯存在差異。因而，振動測試結(jié)果定值化評價對具體機組而言存在較大困難。現(xiàn)階段，各標準評價方案均是基于已有機組的運行經(jīng)驗、現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)等，經(jīng)統(tǒng)計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，造成某些機組根據(jù)標準不能運行而實際運行情況良好的矛盾，以及一些機組根據(jù)標準設(shè)置定值導(dǎo)致運行困難的問題。同時，有必要看到世界上已經(jīng)投運多臺變速抽水蓄能機組，一些常規(guī)混流式水輪機也正在進行變速化改造，機組的轉(zhuǎn)速變化范圍可以達到額定轉(zhuǎn)速的40%［3］，而目前相關(guān)標準中振動多以轉(zhuǎn)速為依據(jù)、對70%～100%額定負荷的穩(wěn)態(tài)工況進行評價，這是難以滿足變速機組運行需求的。

綜上，無論從技術(shù)層面還是管理層面，強化水電機組振動監(jiān)測與評價符合我國現(xiàn)階段能源生產(chǎn)要求?，F(xiàn)代狀態(tài)檢修體系的構(gòu)建對水電機組振動監(jiān)測與評價提出了新的要求，振動監(jiān)測與評價的目標是實現(xiàn)機組性能評價與劣化評估，異常判斷與報警停機，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)測對象涉及標準多而不統(tǒng)一，同一監(jiān)測點不同特征值 （振動位移峰峰值與速度有效值）評價之間存在沖突等?；诖?，本文以立軸式水輪發(fā)電機組振動為研究對象，對振動監(jiān)測所涉及的問題進行了梳理，從學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)兩個角度闡明了未來需要發(fā)展的方向，以期能夠?qū)λ姍C組振動監(jiān)測與評價起到指引作用。

1 振動監(jiān)測

1.1 測點布置

水電機組部件分為旋轉(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)電機基本技術(shù)條件［4］和水輪機 （水泵）基本技術(shù)條件［5，6］的標準中分別給出了相應(yīng)測點，在機組振動或狀態(tài)監(jiān)測標準［7－9］中則給出了機組的測點布置。各標準所涵蓋的測點一致，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，下文敘述時按工程習(xí)慣敘述。

圖1 水輪發(fā)電機振動監(jiān)測傳感器分布圖

表1 水輪發(fā)電機振動測點配置

分別在導(dǎo)軸承位置處測量旋轉(zhuǎn)軸兩個相互垂直方向的相對擺度；導(dǎo)軸承承受機組徑向力，定子鐵芯徑向承受磁拉力，因此導(dǎo)軸承位置處機架和定子機座以水平振動監(jiān)測為主、垂直振動監(jiān)測為輔；定子機座用于固定鐵芯等部件，同時有些機組定子機座承受軸向力，因此同時監(jiān)測水平和垂直振動。進行測點布置時，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。機組運行過程中必然受疲勞、磨損、變形等影響，機組振動發(fā)生改變的原因在于兩個方面：一是受力情況發(fā)生改變，如隨運行時間延長，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，由于不同機組其結(jié)構(gòu)設(shè)計存在差異，標準所給出的測點位置實際可能并非機組振動最大位置處，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設(shè)置在導(dǎo)軸承處是最為經(jīng)濟、合理的；固定部件振動測點的合理安放位置則有必要進行適度優(yōu)化，具體電站宜做具體分析，以便為合理評價機組狀態(tài)奠定基礎(chǔ)。

隨著科技水平的提升，機組振動監(jiān)測成本不斷降低，機組振動監(jiān)測系統(tǒng)有融合其他參數(shù)同時監(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，因而實際應(yīng)用時，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，當采用積分或者微分方法獲取信號時可能引發(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組故障型式存在明顯差異。同一部件，相同位移幅值時，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)越嚴格。振動速度幅值是振動位移乘以振動頻率，同時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度，因此適宜采用速度值評價部件振動；對于低頻振動，主要考慮位移造成的破壞，其實質(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。這一劃分并不嚴格，低頻與中頻、中頻與高頻之間存在重疊。故障診斷時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)范圍均能實現(xiàn)0到數(shù)千赫茲。

固定部件振動方面，根據(jù)我國標準規(guī)定［7，8］：對應(yīng)轉(zhuǎn)速不大于300r／min的低速機組采用低頻速度傳感器，測量振動位移；對于大于300r／min的中高速機組采用加速度傳感器或速度傳感器，測量機組的振動速度。慣性式傳感器存在最低自振頻率，只有頻率較高時方可實現(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行積分，并在低頻段進行補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)速較高的機組振動測量。由于評價標準的欠缺，極少采用加速度傳感器測量并評價機組振動。

1.3 信號質(zhì)量

高質(zhì)量的測試信號是計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?shù)钠帘未胧?，?shù)據(jù)采集儀器選型是否合理 （數(shù)據(jù)采集時混疊濾波器的參數(shù)是否適當，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組振動整個監(jiān)測環(huán)節(jié)的測試誤差進行詳細報道，應(yīng)建立圖2中從被測對象至數(shù)字波形的噪聲評價方法，以實現(xiàn)對測試結(jié)果的可靠性評價。

對于擺度信號，需要特別注意機械擺度和電氣擺度對真實信號的影響。機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)，有時將造成擺度信號畸變，直接影響特征值的計算。

2 振動特征值

振動信號分析涉及多種技術(shù)，主要包括時域技術(shù)、頻域技術(shù)及倒頻域技術(shù)，而用于水電機組振動標準體系的主要是時域技術(shù)和頻域技術(shù)。時域中，采用特征值對機組振動情況進行量化以評定機組穩(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，對振動信號進行頻譜分析以判斷機組異常振動產(chǎn)生的原因。

時域中水電機組振動信號的有效值與常規(guī)信號有效值計算相同，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，其計算方法為：對一定時間內(nèi)連續(xù)采樣信號進行排序，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。采用置信度法時不需要對采集到的信號進行濾波操作，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)的運動情況。相同工況下，當轉(zhuǎn)動部件不平衡、不對中等故障程度惡化時，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、軸心位置坐標等，但目前來說，水電機組振動與擺度評價均是通過峰峰值和有效值實現(xiàn)。由于旋轉(zhuǎn)機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)對機組異常狀態(tài)的準確識別。

3 振動評價

3.1 標準體系

涉及機組振動監(jiān)測評價相關(guān)的現(xiàn)行有效國內(nèi)外標準列于表2，其中國內(nèi)標準包括國家標準、電力行業(yè)標準和水利行業(yè)標準。

表2 機組振動評級涉及的標準

上述標準中 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)對各標準限值梳理時均采用國內(nèi)標準，不對國際標準單獨區(qū)分。

表2中所列涉及的振動評價標準可以分為四類：安裝技術(shù)規(guī)范、運行與檢修技術(shù)規(guī)范、基本技術(shù)條件和試驗技術(shù)規(guī)范。安裝技術(shù)規(guī)范給出了新裝機組須滿足的振動限值，主要由安裝單位提出；運行與檢修規(guī)范給出了水電機組在長期運行或檢修后應(yīng)滿足的振動限值，主要由運行維護單位制定；基本技術(shù)條件給出了現(xiàn)場試驗及試運行時的限值，主要由主機制造廠家主導(dǎo)制定；試驗技術(shù)規(guī)范則由科研院所主導(dǎo)制定，主要包含測試與評價兩個部分，給出了測什么、如何測、怎么評的方案。考慮到標準的適用性以及標準本身是妥協(xié)的過程，具體某一標準的制定均是由設(shè)計、制造、運維等多方共同參與的結(jié)果。

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

3.2 評價區(qū)域

各標準均規(guī)定了穩(wěn)態(tài)運行工況下或正常運行工況的限值，然而關(guān)于穩(wěn)態(tài)運行工況和正常運行工況的定義卻不一致。以穩(wěn)態(tài)運行工況為例，即使在同一標準內(nèi)，振動值所適用的穩(wěn)態(tài)運行工況也不一致。如：GB／T 15468-2006［6］表 4給出的混流式水輪機相應(yīng)水頭下的機組保證功率范圍為45%～100%額定出力，該標準5.5.2條規(guī)定 “在保證的穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，立式水輪機頂蓋以及臥式水輪機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行以外的各種運行工況下的雙振幅值”。有些標準定值模糊，如：DL／T 293-2011［23］第 4.2.5條規(guī)定 “正常運行工況下，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，最新修訂的GB／T 11348.5-2008［19］只規(guī)定了報警值和跳機值的上限，對正常運行工況下的上限線無明確規(guī)定。有些標準中 “穩(wěn)定運行工況”和“正常運行工況”均被提及，當 “穩(wěn)定運行工況”有特指負荷范圍時，按特指的負荷范圍統(tǒng)計，當穩(wěn)定運行工況與正常運行工況無特指時，按額定轉(zhuǎn)速負荷隨機 （0～100%）統(tǒng)計。振動和擺度涉及的各標準適用工況范圍分別如圖4和圖5所示，該圖對應(yīng)的機組型式為混流式機組。

圖5 擺度評價涉及的各標準適用工況范圍

從圖4和圖5中可見，同一標準中振動和擺度的評價標準適用負荷范圍是有區(qū)別的，當引用同一標準對振動和擺度同時進行評價時，需明確區(qū)分其所適用的工況區(qū)域。該問題對應(yīng)的另一面是同一個評價限值在不同的標準中對應(yīng)的工況不同，在3.3節(jié)將詳細闡述，這給評價帶來了很大困擾。因此，未來在各標準的修訂過程中關(guān)于振動與擺度的評價中應(yīng)明確限值的適用工況范圍，且應(yīng)注重相關(guān)標準之間的銜接，以更好地指導(dǎo)工程實踐。

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

3.3 振動與擺度評價

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

表3 水輪發(fā)電機振動允許值

表4 發(fā)電電動機振動允許值

根據(jù)文獻 ［32］記載，我國根據(jù)轉(zhuǎn)速對振動進行評價始于原水利電力部編制的SDJ-79《電力建設(shè)施工及驗收技術(shù)規(guī)范》，1988年，水利電力部、國家機械工業(yè)委員會頒布了GB 8564-88《水輪發(fā)電機組安裝技術(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。這部標準是我國水電機組安裝的綱領(lǐng)性文件，有力地推動了我國水電機組安裝技術(shù)水平的進步。該標準歷次均采用了表3所示的按轉(zhuǎn)速進行振動評定的方法，隨著安裝技術(shù)水平的進步，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，而定子鐵芯部位機座水平振動則保持一致，同時增加了定子鐵芯水平振動。大型抽水蓄能機組由于轉(zhuǎn)速較高，涉及抽水蓄能機組的專用標準中只采用了兩檔轉(zhuǎn)速。

目前，除等同采用國際標準的 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)范中的涉及機組振動評價的限值均引自 GB／T 8564-2003［18］。在評價定子鐵芯部位機座的水平振動時，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格低、體積小、抗電磁干擾能力強、不易損壞等優(yōu)點；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)標準，對定子鐵芯的振動評價均為測量位移量，此時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)值準確性存疑。同時注意到，定子鐵芯振動監(jiān)測是近些年開展的，尚缺乏運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以支撐運行機組的評價。

現(xiàn)有標準體系下，在固定部件振動定值評價中，一個亟需解決的問題是同一個數(shù)值體系 （見表3）在不同的標準中適用工況不同的情況 （如圖4所示）。機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組或檢修機組啟動及試運行階段的振動評價中，應(yīng)首先明確其數(shù)值適用的工況。對于長期運行的商運機組，應(yīng)按相應(yīng)基本技術(shù)條件或運行規(guī)程進行評定，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：一是在機組設(shè)計時，限于基于振動分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法，不能有效提供機組長期運行允許的振動限值；二是對已運行的機組的振動仍缺乏長期跟蹤、分析，未能從運行統(tǒng)計方面給出合理的限值。關(guān)于第一個問題尚未形成標準，但從第二個問題著手的基于全世界水電機組運行數(shù)據(jù)所制定的標準GB／T 32584-2016［22］給出了部分機組的機架振動限值方案。該標準不區(qū)分機組轉(zhuǎn)速，統(tǒng)一采用速度有效值對機架振動進行評價，由于振動速度幅值同時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現(xiàn)對低至0.3Hz振動的有效測量，故采用速度有效值進行評價是可行的。但是在這一標準實際執(zhí)行過程中也遇到了問題，隨著我國抽水蓄能機組的變轉(zhuǎn)速化，導(dǎo)致負荷范圍擴大，常規(guī)混流式機組運行范圍也不僅限于70%～100%額定負荷區(qū)間，因此其適用范圍受限。其次，同一類型機組不加區(qū)分的采用同一定值容易使得一些機組評價脫離實際情況。

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

擺度評價與振動評價存在的問題基本一致。但對有些機組而言，擺度較振動存在明顯的趨勢收斂問題，如圖6所示。圖6中給出了某抽蓄機組8次啟機至擺度穩(wěn)定過程中的上導(dǎo)擺度混頻幅值趨勢。機組在開機后調(diào)整至指定負荷運行時，由于機組運行初期未達到熱穩(wěn)定，一方面，受溫度影響，油膜、導(dǎo)軸承、機架、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。對于頻繁啟停的機組，這將是一個循環(huán)往復(fù)的過程，顯然不能評價為循環(huán) “合格－不合格”。

圖6 某抽水蓄能機組開機帶負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

隨著技術(shù)的進步，機組檢修由計劃檢修向狀態(tài)檢修過渡是必然趨勢。國家能源局先后發(fā)布了兩項電力行業(yè)標準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)，而水電機組的振動監(jiān)測與評價是狀態(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)與評價標準以支撐狀態(tài)檢修體系的建設(shè)是擺在當前本專業(yè)科研人員面前的重要課題。

多數(shù)旋轉(zhuǎn)機械故障會在振動信號中有所反應(yīng)，因此加強振動監(jiān)測是有效預(yù)防機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組振動監(jiān)測與性能評估的狀態(tài)評價中心，積累了豐富的數(shù)據(jù)，并進行了卓有成效的數(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。當前，很多電站的機組振動監(jiān)測與評價已集成到機組狀態(tài)在線評價系統(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)測與評價已成為機組狀態(tài)在線的一個子單元，從應(yīng)用效果來說，這可能并非最優(yōu)。強調(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)測并未實現(xiàn)機組異常狀態(tài)的有效識別，從而造成了機組 “故障未跳機，事后才追憶”的問題。

（2）重理論輕實踐。水電機組異常識別與評價模型不斷涌現(xiàn)，如采用小波變換［39］、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解［40］等各種方法實現(xiàn)水電機組振動信號特征提取，采用基于專家系統(tǒng)［41］、混合智能［42］等方法實現(xiàn)故障診斷，這些方法一定程度上拓展了機組異常狀態(tài)識別和故障預(yù)測的研究領(lǐng)域，然而這并未從本質(zhì)上提升對于振動機組的性能評價。機組發(fā)生異常，首先應(yīng)做到可靠停機，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)仍不能向繼電保護一樣可靠地實現(xiàn)異常跳機，根據(jù)機組實際運行工況，大多系統(tǒng)仍采取放大限值加延時以及多個振動特征值同時越限方式停機，這樣的方式實際上造成了故障的擴大化。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)上實現(xiàn)水電機組異常振動保護功能的繼電保護化，使振動異常保護能夠像電氣量保護一樣可靠動作停機。

（3）重建設(shè)輕維護。在多方共同推動下，新建電站機組已實現(xiàn)振動監(jiān)測全覆蓋，改、擴建機組也基本安裝了振動監(jiān)測系統(tǒng)，但是機組投入商運后普遍存在振動監(jiān)測系統(tǒng)維護不完善的問題。對大型水電機組而言，振動監(jiān)測設(shè)備一次性投資成本在整個機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。隨著時間延長，機組與振動監(jiān)測設(shè)備性能同時存在劣化問題，現(xiàn)階段機組普遍能夠被定期檢修維護，而振動監(jiān)測設(shè)備的維護則較為匱乏，這一定程度上弱化了機組異常振動保護。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。振動評價的主體是運維單位，然而運維單位普遍存在投入不足、缺乏專業(yè)化狀態(tài)評價人才的情況。通常機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。同時注意到，振動監(jiān)測與評價是跨學(xué)科專業(yè)，需要技術(shù)人員熟悉水輪機、發(fā)電機及其相關(guān)輔機，對人員層次要求高。在現(xiàn)有職業(yè)發(fā)展體系下，如何實現(xiàn)對監(jiān)測人才的培養(yǎng)是值得探討的問題。水電機組是有機的整體，目前運維體系下，發(fā)電機與水輪機分屬不同的專業(yè)，有些運維單位將監(jiān)測劃歸電氣二次專業(yè)，如何實現(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)測與評價應(yīng)以安全為第一目標，同時兼顧技術(shù)經(jīng)濟性。目前，水電機組普遍采用考慮運行工況以及延時策略的振動異常保護策略［43－45］，由于變速技術(shù)以及水輪發(fā)電機組深度調(diào)峰技術(shù)的應(yīng)用，這一方式已不能滿足電站實際運行需要，應(yīng)研究全工況下機組振動異常保護問題，做到變轉(zhuǎn)速、變工況時機組振動異?？煽客C。具體而言：機組設(shè)計階段，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)不同工況下機組振動限值的設(shè)置；機組安裝調(diào)試階段，研究利用先進的調(diào)整測試方法確保機組以最優(yōu)狀態(tài)投入運行，同時建立機組振動狀態(tài)評價基準；機組運行階段，以趨勢分析為基礎(chǔ)研究不同機組振動的差異化評價方法。

4 結(jié)論

本文以立式混流式水電機組為例，綜述了振動和擺度監(jiān)測與評價過程中相關(guān)基本問題，包括測點布置、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涉及的標準體系和各標準的評價限值，提出了以狀態(tài)檢修為核心的標準體系建設(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)測點位置存在優(yōu)化空間；機組振動宜采用速度型振動傳感器進行監(jiān)測；應(yīng)建立振擺信號質(zhì)量的評價方法，并在相關(guān)標準中體現(xiàn)；

（2）目前的水電機組振擺評價標準體系不規(guī)范，同一定值在不同的標準中所對應(yīng)的工況區(qū)差異顯著，宜根據(jù)機組所處的安裝調(diào)試與商業(yè)運行階段制定不同的評價限值，應(yīng)將現(xiàn)有的振擺評價編入同一標準中，以更有效指導(dǎo)水電機組振擺評價；宜在新機組安裝調(diào)試或檢修時建立評價基準，實現(xiàn)機組振擺特征值的趨勢評價；

（3）以狀態(tài)檢修為核心的商運機組振擺評價應(yīng)解決 “重集成輕應(yīng)用、重理論輕實踐、重建設(shè)輕維護和重設(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國，機組設(shè)計、制造、安裝和運維水平大幅提升，逐漸由技術(shù)引進向技術(shù)引領(lǐng)方向發(fā)展，相關(guān)科技人員應(yīng)在水電機組振動與評價方面做出貢獻，以適應(yīng)我國的水電技術(shù)發(fā)展趨勢。