ISO 19283:2020
(Main)Condition monitoring and diagnostics of machines — Hydroelectric generating units
Condition monitoring and diagnostics of machines — Hydroelectric generating units
This document focuses on recommended condition monitoring techniques for detecting and diagnosing developing machine faults associated with the most common potential failure modes for hydro unit components. It is intended to improve the reliability of implementing an effective condition monitoring approach for hydroelectric generating units (hydro units). It is also intended to help create a mutual understanding of the criteria for successful hydro unit condition monitoring and to foster cooperation between the various hydropower stakeholders. This document is intended for end-users, contractors, consultants, service providers, machine manufacturers and instrument suppliers. This document is machine-specific and is focused on the generator, shaft/bearing assembly, runner (and impeller for pumped storage applications), penstock (including the main inlet valve), spiral case and the upper draft tube of hydro units. It is primarily intended for medium to large sized hydro units with more than 50 MVA installed capacity, but it is equally valid for smaller units in many cases. It is applicable to various types of turbines such as Francis, Kaplan, Pelton, Bulb and other types. Generic auxiliary systems such as for lubrication and cooling are outside the scope, with the exception of some monitoring techniques that are related to condition monitoring of major systems covered by this document, such as oil analysis. Transmission systems, civil works and the foundation are outside the scope. This document covers online (permanently installed) and portable instrument condition monitoring and diagnostic techniques for operational hydro units. Offline machine testing, i.e. that which is only done during shutdown, although very important, is not part of the scope of this document. Nor is one-time acceptance and performance testing within the scope. The condition monitoring techniques presented in this document cover a wide range of continuous and interval-based monitoring techniques under generalized conditions for a wide range of applications. Therefore, the actual monitoring approach required for a specific application can be different than that which is recommended in this generalized document.
Surveillance et diagnostic d'état des machines — Groupes de production hydroélectrique
Le présent document concerne les techniques de surveillance d'état recommandées pour la détection et le diagnostic des défauts qui se produisent sur une machine, associés aux modes de défaillance potentiels les plus courants pour les composants de groupes hydroélectriques. Il a pour but d'améliorer la fiabilité de mise en œuvre d'une approche de surveillance d'état efficace pour les groupes de production hydroélectrique. Il a également pour objectif de contribuer à créer une compréhension mutuelle des critères pour le succès de la surveillance d'état des groupes hydroélectriques et d'encourager la coopération entre les différentes parties prenantes de la production hydroélectrique. Le présent document est destiné aux utilisateurs finaux, aux entrepreneurs, aux fournisseurs de services, aux constructeurs de machines et aux fournisseurs d'instruments. Le présent document concerne spécifiquement les machines et plus précisément l'alternateur, l'ensemble arbre/paliers, la roue, la conduite forcée (y compris la vanne d'admission principale), la bâche spirale et l'aspirateur supérieur des groupes hydroélectriques. En premier lieu, il concerne les groupes hydroélectriques de taille moyenne à grande dont la capacité installée est supérieure à 50 MVA, mais dans la plupart des cas, il s'applique également aux groupes plus petits. Il est applicable à différents types de turbines telles que les turbines Francis, Kaplan, Pelton, bulbe et autres. Les systèmes auxiliaires génériques, par exemple pour la lubrification ou le refroidissement, ne font pas partie de la portée du document, à l'exception de certaines techniques de surveillance associées à la surveillance de l'état des principaux systèmes couverts par le présent document telles que l'analyse de l'huile. Les systèmes de transmission, les travaux de génie civil et les fondations ne sont pas couverts par le présent document. Le présent document couvre les techniques de surveillance et de diagnostic de l'état des groupes hydroélectriques opérationnels à partir d'instruments en ligne (installés à demeure) et portatifs. Les essais de machines hors ligne, c'est-à-dire réalisés uniquement pendant l'arrêt, ne font pas partie de la portée du présent document, même s'ils sont très importants. N'en font pas partie non plus les essais de réception et de performance. Les techniques de surveillance d'état présentées dans le présent document couvrent une large palette de techniques de surveillance continue et par intervalles pour une large palette d'applications et de conditions. Par conséquent, l'approche de surveillance requise pour une application spécifique peut être différente de ce qui est recommandé dans le présent document de portée générale.
General Information
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 19283
First edition
2020-04
Condition monitoring and diagnostics
of machines — Hydroelectric
generating units
Surveillance et diagnostic d'état des machines — Groupes de
production hydroélectrique
Reference number
©
ISO 2020
© ISO 2020
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Phone: +41 22 749 01 11
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 2
5 Initial preparations for condition monitoring . 3
6 Failure modes of hydro unit components . 4
6.1 General . 4
6.2 Hydro unit components . 4
6.3 Potential failure mode identification and prioritization . 4
7 Monitoring and diagnostic techniques . 5
7.1 General . 5
7.2 Condition monitoring techniques overview . 5
7.3 Primary descriptors and plots . 7
7.4 Correlation measurements . 7
7.5 Adaptive monitoring strategy . 8
7.6 Monitoring and diagnostic technique selection and evaluation . 8
8 Implementing, operating and maintaining a monitoring solution .9
8.1 General . 9
8.2 Sensor selection and installation . 9
8.3 Condition monitoring system evaluation and selection .10
8.4 Daily operation of the monitoring system .10
Annex A (informative) Machine components and failure modes .12
Annex B (informative) Monitoring techniques for hydro unit components and failure modes .19
Annex C (informative) Primary monitoring and diagnostic techniques .26
Annex D (informative) Evaluation of monitoring techniques .59
Bibliography .61
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and
condition monitoring, Subcommittee SC 5, Condition monitoring and diagnostics of machine systems.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2020 – All rights reserved
Introduction
Traditionally, hydroelectric generating units (or simply hydro units) have been overdesigned, well-
staffed for maintenance and often continuously operated at only baseload conditions over a period of
many years. As a result of this, there were few maintenance issues, shutdowns could be planned at fixed
intervals, and therefore there was little need for condition monitoring of the units. Simple machine
protection systems sufficed, if used at all.
Nowadays, there are more stringent requirements for operational regimes, availability and reliability.
Disruption to consumers’ needs should be minimized and cash generation for the utilities maximized.
The operating regimes for many hydro units have been extended to include synchronous compensation,
load-following and peaking, which means there are many starts and stops and partial load operation,
sometimes in the rough zones. Many applications are based on pump storage. Moreover, new units
are designed more streamlined to the application, less robust, and older units are often refurbished
to extend life or to increase rating. This means that machines are more stressed, which can lead to
premature or unpredictable failure of the components, and even some new failure modes. At the same
time, there is a trend towards fewer maintenance staff and specialists to look after the machines.
Therefore, there is a significantly greater need for an effective condition monitoring strategy, not just
a protection system. Moreover, the condition monitoring solution of these machines should be more
than just basic vibration monitoring. Due to the complex nature of the hydro unit components, a
number of potential failure modes now become apparent under the current stressful conditions, which
require a number of different, specialized monitoring techniques and diagnostic expertise. There are
few standards for monitoring the hydro units and a general lack of understanding of the monitoring
techniques. Even for hydropower stations that have a legacy condition monitoring system installed,
the existing condition monitoring requirements for the hydro units are sometimes no longer valid as a
result of changing operating conditions or refurbishment of the units.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 19283:2020(E)
Condition monitoring and diagnostics of machines —
Hydroelectric generating units
1 Scope
This document focuses on recommended condition monitoring techniques for detecting and diagnosing
developing machine faults associated with the most common potential failure modes for hydro unit
components. It is intended to improve the reliability of implementing an effective condition monitoring
approach for hydroelectric generating units (hydro units). It is also intended to help create a mutual
understanding of the criteria for successful hydro unit condition monitoring and to foster cooperation
between the various hydropower stakeholders.
This document is intended for end-users, contractors, consultants, service providers, machine
manufacturers and instrument suppliers.
This document is machine-specific and is focused on the generator, shaft/bearing assembly, runner (and
impeller for pumped storage applications), penstock (including the main inlet valve), spiral case and the
upper draft tube of hydro units. It is primarily intended for medium to large sized hydro units with more
than 50 MVA installed capacity, but it is equally valid for smaller units in many cases. It is applicable
to various types of turbines such as Francis, Kaplan, Pelton, Bulb and other types. Generic auxiliary
systems such as for lubrication and cooling are outside the scope, with the exception of some monitoring
techniques that are related to condition monitoring of major systems covered by this document, such as
oil analysis. Transmission systems, civil works and the foundation are outside the scope.
This document covers online (permanently installed) and portable instrument condition monitoring
and diagnostic techniques for operational hydro units. Offline machine testing, i.e. that which is only
done during shutdown, although very important, is not part of the scope of this document. Nor is one-
time acceptance and performance testing within the scope. The condition monitoring techniques
presented in this document cover a wide range of continuous and interval-based monitoring techniques
under generalized conditions for a wide range of applications. Therefore, the actual monitoring
approach required for a specific application can be different than that which is recommended in this
generalized document.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
hydro unit
entire hydro-generating unit, consisting of the generator, shaft, turbine, and including the immediate
intake and discharge components, e.g. the penstock, main inlet valve, spiral case and the upper portion
of the draft tube
3.2
machine state
operational process or duty cycle of the hydro unit (3.1)
EXAMPLE Running up to speed, synchronized but no load, partial load, full load, coasting down, stopped.
3.3
monitoring technique
measurement or set of descriptors used to detect a potential failure mode (3.4) or provide diagnostic
information on the type of fault and its location and severity
3.4
potential failure mode
change of condition of a hydro unit (3.1) component that can be detected by measurements that indicate
an incipient fault is developing, which will eventually lead to failure
3.5
runner
turbine
hydro unit (3.1) turbine
Note 1 to entry: The terms are used interchangeably throughout the text.
3.6
tacho
phase/speed reference sensor, with at least one pulse generated
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 19283
Première édition
2020-04
Surveillance et diagnostic d'état des
machines — Groupes de production
hydroélectrique
Condition monitoring and diagnostics of machines — Hydroelectric
generating units
Numéro de référence
©
ISO 2020
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
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Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2020 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et abréviations . 2
5 Préparations initiales à la surveillance d’état . 3
6 Modes de défaillance des composants des groupes hydroélectriques .4
6.1 Généralités . 4
6.2 Composants d’un groupe hydroélectrique . 4
6.3 Identification et priorisation des modes de défaillance potentiels . 4
7 Techniques de surveillance et de diagnostic . 5
7.1 Généralités . 5
7.2 Vue d’ensemble des techniques de surveillance d’état . 5
7.3 Principaux descripteurs et tracés . 7
7.4 Mesurages de corrélation . 8
7.5 Stratégie de surveillance adaptative . 9
7.6 Choix et évaluation d’une technique de surveillance et de diagnostic . 9
8 Mise en œuvre, fonctionnement et maintenance d’une solution de surveillance .10
8.1 Généralités .10
8.2 Sélection et installation des capteurs .10
8.3 Évaluation et sélection d’un système de surveillance d’état .10
8.4 Fonctionnement quotidien du système de surveillance.11
Annexe A (informative) Composants de la machine et mode de défaillance .13
Annexe B (informative) Techniques de surveillance pour les composants de groupes
hydroélectriques et les modes de défaillance .21
Annexe C (informative) Techniques de base pour la surveillance et le diagnostic .28
Annexe D (informative) Évaluation des techniques de surveillance .63
Bibliographie .65
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
et leur surveillance, sous-comité SC 5, Surveillance et diagnostic des systèmes de machines.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
iv © ISO 2020 – Tous droits réservés
Introduction
Par le passé, les groupes de production hydroélectrique (ou plus simplement les groupes
hydroélectriques) étaient habituellement surdimensionnés, entretenus par du personnel compétent et
souvent utilisés en continu dans des conditions de charge nominale sur de nombreuses années. Il en a
résulté un faible nombre de problèmes de maintenance, les arrêts pouvaient être planifiés à intervalles
fixes et, par conséquent, il existait un faible besoin de surveillance d’état de ces groupes. Si tant est
qu’ils fussent nécessaires, de simples systèmes de protection des machines faisaient largement l’affaire.
De nos jours, les régimes d’exploitation, la disponibilité et la fiabilité sont soumis à des exigences plus
strictes. Il est nécessaire de réduire le plus possible les interruptions de service aux consommateurs
et les bénéfices générés pour les producteurs d’électricité doivent être aussi élevés que possible.
Les régimes d’exploitation de nombreux groupes hydroélectriques ont été élargis afin d’inclure le
compensateur synchrone, le suivi de charge et des pics de demande, ce qui implique de nombreux
démarrages et arrêts et une exploitation à charge partielle, parfois dans les zones instables. De
nombreuses applications sont basées sur le pompage-turbinage. En outre, les nouveaux groupes sont
conçus de manière plus spécifique en fonction de l’application et sont moins robustes, et les groupes
plus anciens sont souvent remis à neuf afin d’allonger leur durée de vie ou d’augmenter leur puissance
nominale. Cela signifie que les machines sont soumises à des contraintes plus élevées, ce qui peut
entraîner une défaillance prématurée ou imprévue des composants, et même de nouveaux modes de
défaillance. Parallèlement, on note une tendance à la réduction du personnel de maintenance et des
spécialistes chargés de la surveillance des machines.
Par conséquent, il existe un besoin accru d’une stratégie efficace de la surveillance d’état, et pas d’un
simple système de protection. De plus, il convient que la solution de surveillance de l’état de ces machines
inclue plus que la simple surveillance des vibrations. En raison de la complexité des composants d’un
groupe hydroélectrique, un certain nombre de modes de défaillance apparaissent désormais dans les
états de contrainte actuels, ce qui requiert un certain nombre de techniques de surveillance différentes
et spécialisées, et des compétences en diagnostic. Il existe peu de normes relatives à la surveillance
des groupes hydroélectriques et un manque général de compréhension des techniques de surveillance.
Même pour les centrales hydroélectriques sur lesquelles sont installés d’anciens systèmes de
surveillance d’état, les exigences actuelles de surveillance ne sont parfois plus applicables en raison du
changement des conditions de fonctionnement ou de la remise à neuf des groupes.
NORME INTERNATIONALE ISO 19283:2020(F)
Surveillance et diagnostic d'état des machines — Groupes
de production hydroélectrique
1 Domaine d’application
Le présent document concerne les techniques de surveillance d’état recommandées pour la détection et
le diagnostic des défauts qui se produisent sur une machine, associés aux modes de défaillance potentiels
les plus courants pour les composants de groupes hydroélectriques. Il a pour but d’améliorer la fiabilité
de mise en œuvre d’une approche de surveillance d’état efficace pour les groupes de production
hydroélectrique. Il a également pour objectif de contribuer à créer une compréhension mutuelle
des critères pour le succès de la surveillance d’état des groupes hydroélectriques et d’encourager la
coopération entre les différentes parties prenantes de la production hydroélectrique.
Le présent document est destiné aux utilisateurs finaux, aux entrepreneurs, aux fournisseurs de
services, aux constructeurs de machines et aux fournisseurs d’instruments.
Le présent document concerne spécifiquement les machines et plus précisément l’alternateur,
l’ensemble arbre/paliers, la roue, la conduite forcée (y compris la vanne d’admission principale), la
bâche spirale et l’aspirateur supérieur des groupes hydroélectriques. En premier lieu, il concerne
les groupes hydroélectriques de taille moyenne à grande dont la capacité installée est supérieure à
50 MVA, mais dans la plupart des cas, il s’applique également aux groupes plus petits. Il est applicable à
différents types de turbines telles que les turbines Francis, Kaplan, Pelton, bulbe et autres. Les systèmes
auxiliaires génériques, par exemple pour la lubrification ou le refroidissement, ne font pas partie de la
portée du document, à l’exception de certaines techniques de surveillance associées à la surveillance
de l’état des principaux systèmes couverts par le présent document telles que l’analyse de l’huile. Les
systèmes de transmission, les travaux de génie civil et les fondations ne sont pas couverts par le présent
document.
Le présent document couvre les techniques de surveillance et de diagnostic de l’état des groupes
hydroélectriques opérationnels à partir d’instruments en ligne (installés à demeure) et portatifs.
Les essais de machines hors ligne, c’est-à-dire réalisés uniquement pendant l’arrêt, ne font pas partie
de la portée du présent document, même s’ils sont très importants. N’en font pas partie non plus les
essais de réception et de performance. Les techniques de surveillance d’état présentées dans le présent
document couvrent une large palette de techniques de surveillance continue et par intervalles pour une
large palette d’applications et de conditions. Par conséquent, l’approche de surveillance requise pour
une application spécifique peut être différente de ce qui est recommandé dans le présent document de
...
Questions, Comments and Discussion
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