ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина VII, брой 1, 2015

Мониторинг на състоянието на вятърните турбини

Развитие, стандарти, технологии

Мониторинг на състоянието на вятърните турбини

Дълго време на пазара за вибрационни системи за мониторинг (ВСМ) на състоянието имаше липса на доставчици. В същото време търсенето на измервателна апаратура започва да нараства. Производители предвиждат разработване на сензори, които да наблюдават не само механичните компоненти, а и действителните натоварвания на податливите на вибрации конструкции. В тази статия ще запознаем читателите на списание ЕНЕРГИЯ с проблемите, които възникват пред въвеждането на дистанционния мониторинг, както и част от неговите предимства. Ще обърнем внимание и на значението на правилната поддръжка за удължаване на жизнения цикъл на турбините.

Машинната диагностика чрез дистанционно наблюдение беше и все още е запазена марка на Германия. В резултат на повтарящите се повреди. Центърът за технологии на Алианца представи подробно своите изисквания към дизайна на тези системи. Застрахователните компании въведоха клауза за преразглеждане поради чести повреди в предавателната кутия. Оттогава операторите са задължени ако не използват ВСМ да подменят ролковите лагери на всеки 5 години или след 40хил. работни часа. В следствие на тези събития, разнообразието от метрологични продукти се развива много добре, докато за съжаление пазарът остава непроменен. От една страна операторите са затруднени от цената на оборудването, а от друга – все още съществуват спорове относно това дали ВСМ ще засекат повреда още в самото начало. Оттам застрахователните компании не могат да бъдат подведени под отговорност, тъй като те възприемат себе си за финансово отговорни само при непредвидими повреди.

През 2009г. инженерните дейности се унифицираха с немския стандарт VDI 3834, който установява вибрационни параметри за вятърни турбини с капацитет до 3MW. Ако те бъдат надхвърлени, това се разбира чрез сигнално осветление. То не само показва къде трябва да бъдат разположени сензорите, но за пръв път дава възможност на операторите да направят разлика между благоприятни и вредни вибрации. Днес застрахователният пазар също бързо награждава дистанционния мониторинг, предоставяйки по-добри тарифи.

Ползите от дистанционния мониторинг
Досега ВСМ са били използвани като част от надзорна и базирана на състоянието поддръжка на вятърни турбини. Високотехнологичните системи притежават поне осем канала, чиито сензори записват честотите на движещата зъбна предавка, генератора, вала на ротора и главните лагери. Системите извличат допълнителни стойности от действителното управление на турбините, като например скорост и данни за вятъра и температурата. Амплитудите, получени от механичните системи, се оценяват от експерти в диагностичен център, какъвто всеки производител или независим доставчик на услуги поддържа денонощно, 365 дни в годината. С цел да се ограничи потокът от данни, стойностите, които се различават от зададените гранични стойности, са подсигурени с аларми. Този вид машинна диагностика е предназначен да открива повреди в ранен етап, като по този начин да направи поддръжката по-лесна за планиране, както и да минимизира сериозни повреди и времена на престой.

Има разлика, например, дали дефектирал лагер на генератора е сменен като временна мярка за малко пари или е направен основен ремонт на целия генератор. От сектора споделят, че в зависимост от договора и вида на турбината, до 16% от годишния приход се харчат за сервиз, поддръжка и ремонт при сервизен живот на турбината от 20 години. Това отговаря на 30% от цената за целия им жизнен цикъл. Голяма част от тези разходи могат да бъдат намалени, ако повредата се регистрира навреме – това означава, че оборудването за ВСМ има период на изплащане от 2 до 5 години. По статистически данни в годината всяка десета машина дефектира.

Развитие на пазара
След като ВСМ са се доказали и изплатили себестойността си, идва проблемът с трудностите при внедряването. На конференция относно вибрациите на турбините на Асоциацията на германските инженери в Бремен, бяха изискани съвременни решения от 20 международни доставчици. Отговор беше получен от 16 компании, които са продали точно 23861 системи в цял свят. Това са доста впечатляващи данни, като самите производители не са очаквали такъв успех. Беше препоръчано не само подобряване на качеството на системите, но и разширяване на стандартното им разположение спрямо кулата, перките на работното колело, призматичните опори, азимутния избутвач, както и стъпалните двигатели за управление на стъпката на винта. Водещи доставчици потвърждават, че машинната диагностика се използва по-често. Причината са по-скъпите офшорни технологии и новите участници, като например енергийните дружества с тяхната лихва върху цената през цикъла на живот. Производители единствено на сензори, каквито са Hottinger Baldwin Messtechnik, също съобщават за развитие на бизнеса. Компанията доста успешно предлага измервателни устройства, които могат да отчитат както напрежение, така и натиск върху офшорните стоманени основи. Тези компактни чувствителни уреди са направени от два изключително тънки проводника, галванизирани с пластично покритие. Те са залепени на критични точки, свързани към тензометричен датчик и импрегнирани. Комбинираните ниски напрежения и измервателен усилвател помагат за преноса на данни до повърхността.

Интелигентно управление на натоварването
Действителното предназначение на дистанционния надзор е чрез употребата на ВСМ да се определи кои точно компоненти са повлияни, след това правилно да се предвиди кой компонент ще даде отказ и каква е нуждата да се подмени. Въпреки че индустрията все още е далеч от постигането на целта, резултатите напредват. Един от проблемите е, че радиусът на действие се увеличава от честотите, но нискочестотните вибрации са трудни за откриване. Диагностиката е плюс при сензори, които могат да улавят вибрационни честоти в обхвата от 0 до 100Hz.

В General Electric, например, прилагат различни методи за ранна идентификация на повреди на лагерите, лостовия механизъм и зацепването в тяхната система Adapt Wind. От компанията могат много точно да определят кой монтажен възел от механизма е засегнат или, въз основа на разлика в честотите на зацепване, да идентифицират коя зъбна предавка е дефектирала и дали повредата е в голямото или малкото зъбно колело.

Дивизията на Дженерал Електрик до момента е продала 6000 такива системи. За да са способни да разпознават краткотрайни шокови пулсации, в допълнение към динамичните сили GE използва сензори в главната предавка, които измерват пропускателната способност и размера на частиците масло. Bosch работят върху серийното доставяне на реални товари. Предвижда се сензорите за измерване на натоварването да навлязат на пазара. Инженерите са наблегнали не само на усукването, въртящия момент и перките на ротора, но и на управлението на натоварването като цяло. Турбините могат да бъдат оптимизирани и дизайнът им да бъде подобрен посредством идентифициране на натоварването, на което реално са подложени и което акумулират по време на целия си жизнен цикъл. По този начин се предотвратява претоварване по време на функциониране. От друга страна, времето на функциониране може да бъде удължено, ако машините са били подложени на по-малко натоварване от очакваното.

Възможностите на управлението на стъпката на винта
Екипи от Bosch междувременно разработват контролери за индивидуално управление на стъпката на винта. Тази информация е непротиворечива. Досега производителите предлагаха индивидуално управление на винта, но никой не се е осмелявал да разработи товарозависимо управление на стъпката на винта за всяка перка. Въпреки това, всички експерти се съгласяват, че трябва да се тръгне по този път, защото аеродинамичните товари, породени от вятъра, се увеличават с нарастване на диаметъра на ротора. Тези товари се натрупват директно в машинния корпус. Това, което е важно тук, е аеродинамичните сили при високи скорости на вятъра да бъдат намалени, като в същото време се поддържа същата товароносимост. На стенда за изпитване инженерите успяват да приведат ъгловия момент и рискаенето на ротора към нула. За съжаление при това действие се увеличават вибрациите в страничната кула. Решението се очаква да дойде от контролер, който активно да ограничава вибрациите, както и ъгловите моменти и тези на рискаене. Смята се, че проблемът идва от високата скорост, при която трябва да работят стъпалните двигатели. Все пак, на перките е необходимо изместване на стъпката на винта с от 6 до 8 градуса за секунда, за да се движат извън или във вятъра. Една от опциите е използването на гондоли на лазери, каквито в момента се тестват. Такива са инструменти LIDaR (LIght Detection and Ranging или Laser Imaging Detection and Ranging). Те улавят поведението на вятъра далеч пред турбината и подават сигнал за неблагоприятна турбуленция.

Поддръжка на ниво
В същото време добрите идеи са безполезни след като поддръжката е омаловажена. Все пак, ВСМ могат да се справят само с последиците от вредните вибрации, а не премахнат техния първоизточник. От бранша споделят, че около 35% от проверените турбини работят с дебалансиран ротор, далеч извън границите. Това се отнася както за масов, така и за аеродинамичен дисбаланс, дължащ се на неправилно напаснати ъгли на перките. Вредните вибрации последващо предизвикват отместване на генераторите с няколко сантиметра, откъсване на разпределителното устройство или разрушаване на корпуса на машината. Поради големия брой часове на пълно натоварване, проблемът с вибрациите повлиява най-много сервизния живот на офшорните турбини. Тъй като морското дъно поради натурата си рядко е твърдо, първото нещо, което трябва да се направи, е да се разработи лазерна измервателна система, която например да проследява разликите в ъглите на перките. По същия начин има какво още да се иска по отношение на зъбните предавки. Тяхното напасване се тества само веднъж, при поръчката им. Ако разположението на зъбните предавки и генератора вече не е центровано се образуват принудителни сили, които трябва да бъдат приложени някъде, а те отместват генератора с до 10mm. Специалистите по измервателна техника явно са си научили урока, тъй като започват да свързват преуспяващия бизнес с мобилните инструменти за напасване, предлагани от производители и от независими сервизни доставчици.