Wie Zustandsüberwachung der nächsten Generation zur ...

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Wie Zustandsüberwachung der nächsten Generation zur Senkung der Cost of Energy beiträgt

Dr. John Reimers Bosch Rexroth Monitoring Systems GmbH

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11. November 2015, Linstow

DC-RE/PAC | 11.11.2015 | © Bosch Rexroth AG 2015. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

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Typical OPEX* costs

* OPEX : Operational Expenditure = Betriebskosten

Flash Note May, 2012

§ Zwischen 2007-2011 wurden über 17.000 WEA neu errichtet (USA). Diese sind mittlerweile aus der Gewährleistungszeit herausgefallen.

§ Die Betreiber suchen nach Wegen zur Reduzierung der Betriebskosten

Anzahl an ungeplanten Wartungen überwiegt

Kapitalintensive Aufwendungen: Wartung und Reparaturen von Hauptkomponenten wie Getrieben, Generatoren und Rotorblättern

Ungeplante Wartungen kommen nicht nur überraschend; sie sind auch besonders teuer

Zustandsüberwachung der nächsten Generation


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CM-überwachbare Komponenten einer WEA

Blattverstell- antriebe

Rotorblätter

Umrichter

Kühl-Filter-System

Steuerung Hauptlager Generator-

getriebe

Schnelle Welle

Generator

Hydraulikaggregate Bremssystem

Azimutantriebe

Turm, Fundament

Transformator



Aktuelle Situation in vielen WEA

ggf. weitere CMS

Antriebsstrang

Rotor

Lager CMS

Getriebe CMS Diagnosen

Warte 1

Warte 2

Warte 3

Warte n

Warte n..

SCADA

Elektrik

§ CMS bietet aktuell spezialisierte Spartenlösungen § Umgang mit mehreren unterschiedlichen Lösungen / Leitwarten § Gesamtstatus der Anlage schwer überschaubar und nur

eingeschränkte Aussagenschärfe § hoher Schulungsaufwand für verschiedene Lösungen § hoher Personalaufwand und hohe Systemkosten

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5 5 5

Haupt- lager ECU

E / A Antriebsstrang CMS mittels Körperschallüberwachung

Leit- stand

Analyse und Kommunikation Web Server

Gen.

CMS = Condition Monitoring System, ECU = Evaluation and Communication Unit E/A = Sensor-Anschaltbox

§ Zusammenführung von Antriebsstrang- und Rotorblattüberwachung


Aktueller Stand der Technik


6 6 6

Ganzheitliches CMS

Haupt- lager ECU

E / A Antriebsstrang CMS mittels Körperschallüberwachung

Leit- stand


Zusatzmerkmale:

Gen.

Kühler


§ Zusammenführung aller Systeme mit den SCADA-Daten § Ganzheitliches CMS mit durchgängiger Leitstandanbindung § Monitoring von Einzelanlagen sowie ganzer Windparks, on- und offshore

CM- befähigtes Getriebe mit integrierter Sensorik - Last und Drehzahl - opt. Vibration - ggf. Verlagerung

Überwachter Öl-Kreislauf - Temperatur - Partikel-Konzentration - Wassergehalt

E-Pitch

Turmüberwachung

Diagnosemeldungen



SCADA-Daten

Kosten-Nutzen-Analyse § Entwicklungsleiter des Anlagenherstellers :

„Condition Monitoring bringt keinen ökonomischen Vorteil“

§ Hintergrund: Zahlreiche geplatzte Getriebe und unentdeckte Schäden onshore und offshore.

§ Konsequenz: Auf CMS verzichten?

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Probleme zuverlässig rechtzeitig erkennen § HSS Lagertausch komplett (2-3 MW): 8 bis 10 T€

§ Getriebetausch bei zu später Erkennung:

§ Schadenklasse 2: 130,000 € § Plus Krankosten § Plus zusätzlicher Ertragsausfall

8 D. Tilch | 07 Aug 2013 | DC-RE/PAC | | © Bosch Rexroth AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.

0 € 50.000 € 100.000 € 150.000 € 200.000 €

with CMS

without CMS Gearbox exchange Crane cost Bearing exchange Downtime cost

(Eigene Berechnungen)


0 € 50.000 € 100.000 € 150.000 € 200.000 €

with CMS

without CMS with insurance

without CMS Gearbox exchange your share Gearbox exchange insurance share Crane cost

Bearing exchange

Downtime cost

Versichert? § Schaden wie vor (2-3 MW), WEA versichert (Schaden im 6. Jahr)


Þ CMS ist die beste Versicherung

Versicherung zahlt nur Zeitwert (je nach BJ mehr oder weniger)

(Source: Own calculations)


Online-CMS versus Offline-CMS § Beispiel 1: Problem in erster oder zweiter Getriebestufe à Reparatur „up-tower” nicht möglich


Getriebe okay 1 2 3 4 5

Zeitraum zwischenoffline-Messungen

Eine bis drei Schadenklassen „schlechter” à 10 bis 35 T€ teurer

Schadensklassen


Online-CMS versus Offline-CMS § Beispiel 2: Schaden an der schnellen Welle

à Reparatur „up-tower” bei rechtzeitiger Erkennung möglich


Getriebe okay Up-

tower Rep.

1 2 3 4 5

Zeitraum zwischenoffline-Messungen

Up-tower Reparatur-Zeitfenster verpasst à > 100 T€ teurer

Schadensklassen


Erkenntnisse aus Betrieb und Überwachung § Kontinuierliche Online-Überwachung ist zur Senkung der CoE zwingend § Triebstrangüberwachung alleine ist nicht ausreichend § Systeme müssen erstklassig parametriert werden § Vorhandene Sensoren in ein intelligentes Überwachungskonzept

einbinden § Umfassendes und integriertes Konzept notwendig aber auch § Betrieb an den Anlagenzustand anpassen § Ansätze jenseits des klassischen CMS wählen

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Dynamic Load Monitor (DLM) § Ermittlung der realen

Lasten im Antriebsstrang § Kontinuierliche

dynamische Messung § Erfassung besonderer

Lastereignisse

§ Ermöglicht die Optimierung von Betrieb und Leistung der WEA

§ Ermöglicht eine reale Abschätzung der verbleibenden Nutzungsdauer der Hauptkomponenten

SCU Sensor Control Unit

t

Moment / akkum. Last

13 | 17.06.2015 | D. Tilch | © Bosch Rexroth AG 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.


| 17.06.2015 | D. Tilch | © Bosch Rexroth AG 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

§ Erfassung der Drehmomente und Drehzahlen ( Rotoreingangsseite und über das Getriebe) inklusive der Antriebsstrangdynamik

§ Nutzung der so gewonnenen Informationen zur aktiven Bedämpfung des Antriebsstrangs über die Generatorregelung der WEA

à Aktive Reduzierung für Belastungsspitzen

à Verlängerung der Lebensdauer

à Erhöhung der Ertragsfähigkeit

Active Torque Control (ATC)

SCU Sensor Control Unit

patentiert durch Bosch Rexroth

Condition Monitoring

System

Torsionsmoment Belastung

Dämpfungs- moment

Anlagen-regler

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Momenten- und Drehzahlglättung mit ATC

Starke Reduzierung von Momenten- und Drehschwingungen im Triebstrang

15 16 17 18 1914.7

14.8

14.9

15

Time [s]

Sp

eed

[rp

m]

Drehzahl

Minimierte Drehschwingungen durch Glättung der Momente im

Antriebsstrang

mit ATC

ohne ATC

0 10 20 30 400

25

50

75

100

Time [s]

Torq

ue [%

]

Momente im Triebstrang

mit ATC

ohne ATC



16 16 16

Haupt- lager ECU

E / A CMS

Leit- stand


Zusatzmerkmale:

Gen.

Kühler


Getriebe mit integrierter CM-Sensorik

Überwachter Öl-Kreislauf

E-Pitch

Turmüberwachung

Diagnosemeldungen



SCADA

t

Moment / akkum. Last

DLM ATC

Erweiterung des Condition Monitoring Ansatzes

§ Kombination der symptomorientierten Zustandsbewertung mit einem lastbasierten Lebensdauermodell

§ Lastermittlung ermöglicht verlässliche Daten über die verbleibende Lebensdauer


Erweitertes Condition Monitoring Modell

Last- Akkumulation

ad-hoc Bewertung,

Systemzustand

Ganzheitliches Condition

Monitoring System

symptomorientiertes Modell Beobachtung der Veränderung im

Betriebsverhalten der Hauptkomponenten, mit Trend-Analyse

Lebensdauer-Modell Erwartete noch nutzbare Lebensdauer

gemessen an den real erlebten Lastkollektiven

grundlegende Bewertungsmethoden


Verfügbarkeit erhöhen

Schäden vermeiden

Wirtschaftlichkeit steigern

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CMS-gestützte zustandsorientierte Wartung von WEA

senkt die


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