Využití statistického přístupu ke snižování provozních nákladů na větrné turbíny

Využití statistického přístupu ke snižování provozních nákladů na větrné turbíny

V odvětví větrné energie představují provoz a údržba nutné položky, které výrazně ovlivňují výši nákladů. Jestliže nejsou zavedeny účinné strategie v oblasti provozu a údržby, dochází k dalšímu nárůstu nákladů, protože nejsou využívány nástroje ke zjištění drobných závad, z nichž se často vyvine selhání důležitých dílů vyžadující dlouhou odstávku.

Autor:
Fabrice Drommi, Machine Health Business Development Renewable Energy, SKF France, Montigny le Bretonneu, Francie

Bezdemontážní diagnostika Energeticky účinná ložiska

Souhrn

Statistický přístup k bezdemontážní diagnostice větrných turbín pomáhá výrobcům větrné energie udržet náklady na provoz a údržbu pod kontrolou. SKF využívá své rozsáhlé znalosti a svou velkou databázi s údaji o několika tisících větrných turbínách na celém světě k vývoji efektivnějších postupů, které umožní předpovědět potenciálně katastrofická selhání stroje, a tím předchází jejich vzniku. Tak přispívá k udržení větrných farem v provozu a k jejich maximální účinnosti a ziskovosti.

Obchodní kontakty

, evolution@skf.com

Provozovatelé pobřežních větrných farem v Evropě uvádí, že náklady na provoz a údržbu v současnosti dosahují 20 procent sdružené ceny vyrobené energie. Společnost SKF je přesvědčena, že její statistický přístup umožní zvýšit účinnost bezdemontážní diagnostiky a současně snížit celkové provozní náklady větrných turbín.

Vlastníci výrobních zařízení si dobře uvědomují důležitost investic do provozu a údržby. Vědí také, že význam investic v tomto odvětví dále poroste. Tak, jak flotily větrných turbín stárnou, narůstá pravděpodobnost selhání dílů a vzniku závady po uplynutí záruční doby poskytované výrobcem. V důsledku toho se zvyšuje význam oblasti provozu a údržby i souvisejících nákladů. Vzhledem k tomu, že cca 75 procent všech pobřežních větrných turbín instalovaných v Evropě je v provozu necelých 10 let, bude důležitost oblasti provozu a údržby v budoucnu hrát významnější roli než je tomu dnes.
        

SKF v současné době pracuje na řešeních, která přispějí k minimalizaci provozních nákladů v průběhu životního cyklu větrné turbíny a umožní provozovatelům dosáhnout větší energetické účinnosti a vysoké pohotovosti větrných turbín.

Vytváření efektivní strategie v oblasti provozu a údržby
Systémy bezdemontážní diagnostiky (CMS) tvoří základ běžných postupů v oblasti provozu a údržby. Bezdemontážní diagnostika je v podstatě proces, který zjišťuje stav strojního zařízení za provozu. Úspěšný program bezdemontážní diagnostiky zahrnuje znalost toho, co je třeba sledovat, jak to interpretovat a jakým způsobem tyto poznatky využít. Systémy bezdemontážní diagnostiky nejen pomáhají provozovatelům větrných farem snižovat pravděpodobnost vzniku katastrofického selhání, ale i provádět co největší počet oprav přímo na věži, objednávat náhradní díly s předstihem, plánovat nasazení pracovníků a strojů a rozvrhnout další opravy v průběhu odstávek.

Obr. 1: Společnost SKF vyvinula širokou nabídku výrobků, služeb a řešení zaměřených na větrnou energii

Obr. 1: Společnost SKF vyvinula širokou nabídku výrobků, služeb a řešení zaměřených na větrnou energii

Jako přední dodavatel průmyslu větrné energie může SKF využívat odborné znalosti a poznatky o větrných turbínách k vývoji dokonalejších nástrojů zaměřených na snížení nákladů na provoz a údržbu v tomto odvětví. Společnost SKF vyrábí mnoho dílů (obr. 1) včetně ložisek pro hnací ústrojí, jakož i řešení pro mazání a těsnění. Vyvinula rovněž systémy bezdemontážní diagnostiky založené na monitorování vibrací a od roku 2007 nabízí také službu vzdáleného monitorování.

V současné době tuto nabídku doplnily komplexní hostované softwarové a monitorovací služby, které nabízejí programy prediktivní údržby pro periodické a především průběžné monitorování větrných turbín prostřednictvím internetového spojení. Služby vzdáleného monitorování SKF využívají nástroje bezdemontážní diagnostiky, jako například online systém SKF IMx, který je zaměřen přímo na větrné turbíny a shromažďování dat. Na základě získaných výsledků provádějí odborníci analýzu dat a prostřednictvím internetu předávají odpovědným pracovníkům provozovatele údaje o stavu stroje, aby mohli přijmout informované rozhodnutí.

Znalosti ze zkušeností
Od roku 2005 společnost SKF nainstalovala na celém světě více než 5000 systémů bezdemontážní diagnostiky. Z toho cca 2000 monitoruje společnost SKF. Tuto flotilu tvoří více než 40 typů větrných turbín, které dodalo 15 výrobců OEM. To znamená, že společnosti SKF se podařilo shromáždit prostřednictvím vzdáleného monitorovacího centra velké množství dat souvisejících s výkonností a potenciálními způsoby poruchy. Vibrační diagnostika pomáhá pochopit chování strojů z dynamického hlediska.

Obr. 2: Jak se monitorují vibrace

Obr. 2: Jak se monitorují vibrace

Obr. 2 ukazuje, jak jsou monitorovány vibrace. Akcelerometry, které snímají vibrace, vysílají data o základních dílech generátoru, ložiskách převodovky, hlavní hřídele a rotoru. Tato data jsou shromažďována monitorovací jednotkou, jako např. SKF IMx, která vysílá automatické alarmy do vzdáleného datového centra SKF. Pro každou turbínu mohou být v závislosti na konfiguraci a umístění definovány specifické úrovně alarmu, které jsou určeny v průběhu nastavení systému, aby bylo zajištěno co nejúčinnější monitorování turbíny.

Tímto způsobem společnost SKF získá modely chování strojů a referenční případy popisující různé typy selhání. Analýza těchto dat umožnila SKF vyvinout nové statistické metody, a tak posunout CMS na novou úroveň výkonnosti a efektivity.

Objem nashromážděných dat z velkých větrných farem je ohromující. Každá větrná turbína s převodovkou je zpravidla vybavena cca osmi snímači, z nichž každý provádí přibližně tři měření. Celkem je tedy k dispozici 24 ukazatelů, přičemž jeden ukazatel se skládá z jednoho spektra a jedné celkové hodnoty. Tyto informace jsou shromažďovány zařízením pro bezdemontážní diagnostiku a odesílány pevnou nebo bezdrátovou sítí prostřednictvím internetu do CMS serveru, který může být umístěn kdekoli na světě. Při průměrně jednom stažení dat denně lze z jedné větrné turbíny získat za jeden rok 9000 spekter, která je třeba analyzovat. Data z jednoho větrného parku, který může mít i několik stovek turbín, je naprosto nemožné smysluplně analyzovat bez statistického modelování.

Statistické modelování
Statistické modelování srovnává turbíny do té míry, která je vzhledem k různému umístění a rozdílným modelům vůbec možná. SKF nejprve porovnává, co lze porovnat. Používá k tomu historická data nashromážděná za deset let monitorování větrných farem s různými modely turbín. Na základě historických dat a v závislosti na typu turbíny tak získá základní informace pro každý nový stroj, který začne monitorovat.

Větrná turbína představuje jedinečnou výzvu pro CMS, s jakou se nesetkáme v žádném jiném průmyslovém odvětví. Větrné turbíny jsou složité stroje s neobyčejně velkým počtem proměnných. Není například možné použít jeden model alarmové úrovně pro všechny stroje. Z toho důvodu je nutné vyvinout jednotlivé modely alarmů umožňující rychlé porovnávání srovnatelných strojů. Bez využití statistiky by to však nebylo možné, protože bychom nedokázali v přiměřené době provést třídění a selekci dat.

Historická data související s výkonností větrných turbín, jejichž objem neustále roste, jsou neobyčejně užitečná. To platí zvláště v případě, kdy podávají přehled o celém životním cyklu zařízení již od montáže. Taková data však bohužel nejsou vždy k dispozici. Ačkoli stále rostoucí počet větrných turbín je osazen monitorovacími systémy již ve výrobě, mnoho turbín ve stávajících flotilách musí být vybaveno danými systémy dodatečně. Dochází k tomu běžně ke konci záruční lhůty nebo v případě, že provozovatel či poskytovatel služeb chce prodloužit servisní smlouvu.

Je však naprosto nezbytné zvolit správné kinematické údaje, které mají být analyzovány, protože tím lze zvýšit přesnost statistického procesu. Některé vlastnosti systému umožňují hledat potenciální teoretické závady. Automatické vyhledávání je založeno na aktuálních informacích o typech dílů v systému. Každý ozubený převod má svou teoretickou frekvenci. Pokud tedy nejsou k dispozici dostatečné poznatky o kinematických dějích probíhajících uvnitř turbíny, musí předpoklady stanovit analytik. Díky rozsáhlé databázi historických dat, kterou má SKF k dispozici, analytici dobře rozumí těmto dějům a mají dostatečné znalosti o dílech uvnitř převodovky a generátoru.

Obr. 3: Analýza flotil turbín větrných farem

Obr. 3: Analýza flotil turbín větrných farem

Jedna velikost není pro všechny
Zkušenosti však ukazují, že analýza některých součástí větrných turbín nevyžaduje stejnou úroveň odborných znalostí. Zjištění problémů s ložisky generátoru je například poměrně snadné, na rozdíl od určení stavu ložisek a ozubených kol v planetových převodovkách. Z toho důvodu vyvinula společnost SKF speciální algoritmus zaměřený na zjišťování problémů, které souvisejí přímo s ozubenými převody planetových převodovek.

Užitečnost tohoto algoritmu byla prokázána např. u jistého zákazníka, u něhož SKF provedla analýzu. Analýza zjistila zvýšené harmonické složky ve spektru planetové převodovky při 1,2 Hz, a tedy bylo nutné provést další šetření. Vizuální prohlídka potvrdila trhliny v pastorku vložené hřídele, které by mohly vyvolat katastrofální selhání. Díky včasnému zásahu, který si vyžádal zastavení stroje, bylo možné provést opravu dříve, než vzniklo další a mnohem nákladnější poškození turbíny.

Obr. 4: Využití statistiky k určení kritických strojů

Obr. 4: Využití statistiky k určení kritických strojů

Statistika upozorňuje na problémy
Účelem diagnostiky je rychle určit, které turbíny ve flotile vyžadují další analýzu. Statistický přístup doplňuje tradiční diagnostiku rychlou identifikací potenciálních problémů v konkrétní turbíně. Specialisté tak získají určitý čas na sledování vibračních signálů, aby mohli zjistit jakékoli pravděpodobné problémy.

Statistické modely chce SKF využít k rozšíření svých schopností analyzovat flotilu turbín na základě údajů získaných z více než 2000 turbín na celém světě, které již byly analyzovány. Z toho důvodu hodlá vyvinout statistický model, který umožní porovnávat vibrace každého modelu turbíny a jejích součástí na různých místech a pro různé zatěžovací podmínky. Využije k tomu zdokonalování postupu, pořádání pravidelných workshopů pro specialisty SKF, sdílení problémů a nápadů na zlepšení a budování celosvětové sítě v rámci komunity uživatelů systémů bezdemontážní diagnostiky v oblasti větrné energetiky.

Obr. 5: Data získaná z 2MW větrné turbíny v průběhu šesti měsíců vykazovala zvýšené vibrace, které si vyžádaly prohlídku a opravu turbíny

Obr. 5: Data získaná z 2MW větrné turbíny v průběhu šesti měsíců vykazovala zvýšené vibrace, které si vyžádaly prohlídku a opravu turbíny

Přednosti pro provozovatele
Lepší statistické modelování umožní přizpůsobit alarmy takovým způsobem, aby provozovatelé dostávali pouze informace o problému, který pravděpodobně nepříznivě ovlivní výkonnost. V zájmu zvýšení spolehlivosti provozu musí strategie údržby provozovatele přejít z modelu plánované údržby na model prediktivní údržby. K tomu napomůže skutečnost, že přesnost a rozsah CMS se bude nadále vyvíjet spolu s technickým pokrokem. Jeden z příštích kroků bude spočívat v integraci všech důležitých zdrojů informací, jako například teploty a procesních parametrů,
do diagnostiky vibrací.

K dalším záměrům patří začlenění dat systému bezdemontážní diagnostiky do jiného, více holistického systému, aby bylo možné dosáhnout lepší korelace. To je hlavní požadavek výrobců turbín. Jako vždy však záleží na nákladech. Vzhledem k velkému počtu větrných turbín se projevuje velký tlak na snižování nákladů. Cílem SKF je tedy zajistit příznivější cenu tohoto technického řešení.

Shrnutí
Po deseti letech monitorování vibrací ve větrných elektrárnách společnost SKF prokázala, že systém bezdemontážní diagnostiky může zlepšit dostupnost větrných zařízení o jedno procento při současném poklesu nákladů na provoz a údržbu o dvě procenta. Používání systémů bezdemontážní diagnostiky založených na statistice umožňuje provozovatelům ušetřit na jediné větrné turbíně až 5000 eur za rok. Jedno je naprosto jisté: vzhledem k tomu, že marže provozovatelů větrných farem neustále klesá, i sebemenší zvýšení účinnosti má zásadní význam pro zlepšení ziskovosti. Toho však lze dosáhnout pouze zdokonalením prediktivních schopností statistiky systému bezdemontážní diagnostiky.

Související obsah