Vorausschauende Instandhaltung und Wirkungsgrad von Windkraftanlagen

Schwingungsüberwachung steigert die Betriebseffizienz

Vorausschauende Wartung auf Basis von Schwingungsüberwachung kann die Effizienz von Windkraftanlagen steigern, indem sie katastrophale Ausfälle und ungeplante Ausfallzeiten verhindert.

Die Kosten für die Wartung in der Windkraftanlagenindustrie steigen, da die Zahl der Anlagen zunimmt, einschließlich vieler älterer Turbinen, die häufiger gewartet werden müssen. Bei einem Offshore-Windpark entfällt etwa ein Viertel der Gesamtkosten auf Betrieb und Wartung.

Die Einführung ausgefeilter Zustandsüberwachungstechnologie kann dazu beitragen, diese Kosten unter Kontrolle zu halten. Der Einsatz von Schwingungsüberwachung zur Verfolgung der rotierenden Teile einer Turbine hilft den Instandhaltungsteams, potenzielle Probleme zu erkennen und notwendige Reparaturen zum frühestmöglichen Zeitpunkt durchzuführen, um Ausfälle zu vermeiden.

Bei dieser Technik wird die Schwingungssignatur von Lagern und anderen beweglichen Teilen mithilfe von Schwingungssensoren, auch bekannt als Beschleunigungssensoren, überwacht. Jede Abweichung von der Norm kann auf frühe Anzeichen eines Ausfalls hinweisen, wodurch kleine Probleme behoben werden können, bevor sie außer Kontrolle geraten.

Wachstum und Anforderungen der Windenergieindustrie

Windkraft ist ein rasant wachsender Bereich der Technik. Im Jahr 2017 erreichte die globale Kapazität für Windkraftanlagen laut dem Global Wind Energy Council 539.581, und es wird erwartet, dass diese Zahl im nächsten Jahrzehnt deutlich wachsen wird.

Trotz dieses Wachstums stellt die Windkraft weiterhin hohe Anforderungen. Um die Rentabilität zu erreichen, müssen Betreiber die Effizienz maximieren, indem sie den Ertrag steigern und gleichzeitig die Kosten kontrollieren. Die Verhinderung von ungeplanten Ausfallzeiten, wie sie beispielsweise durch katastrophale Komponentenausfälle verursacht werden, ist von entscheidender Bedeutung.

Windkraftanlagen müssen unter extremen Bedingungen betrieben werden. In den letzten Jahren haben starke Winde aufgrund von Getriebeschäden zu Ausfällen von Turbinen geführt. Neben Reparaturkosten drohen Betreibern auch Geldstrafen und Schadensersatzansprüche.

Vorteile der fortgeschrittenen Schwingungsüberwachung

Während Sensoren, die in anspruchsvollen Anwendungen wie Windkraftanlagen eingesetzt werden, zur Spitzenklasse gehören, sind ihre Kosten mittlerweile so weit gesunken, dass der Einsatz mehrerer Sensoren gerechtfertigt ist. Dies verbessert die Datenerfassung und optimiert die Fehlererkennung.

Die Verwendung mehrerer Sensoren unterstützt auch Techniken wie die Hüllkurvenanalyse (Acceleration Enveloping), die das Schwingungssignal eines beschädigten Wälzlagers durch das Herausfiltern von Störgeräuschen anderer Komponenten extrahiert.

Ausfallzeitenkosten und vorausschauende Wartung

Ungeplante Ausfallzeiten sind nicht auf die Windkraftanlagenindustrie beschränkt. Eine gemeinsame Umfrage von plantservices.com und der ARC Advisory Group schätzte, dass ungeplante Ausfallzeiten die globale Prozessindustrie jährlich rund 20 Milliarden US-Dollar kosten.

Die Umfrage ergab, dass fast 90 Prozent der Unternehmen, die vorausschauende Wartung nutzen, darauf abzielen, die Betriebszeit zu erhöhen, während mehr als Hälfte versuchte, die Wartungs- und Betriebskosten zu senken.

Die Studie empfahl, vorausschauende Wartungssysteme mit anlagengeweiten Steuerungssystemen zu integrieren und die Systemleistung an finanzielle Anreize zu koppeln. Dieser Ansatz ist besonders relevant für die Windenergie, wo die Wartung schwierig und kostspielig ist und Effizienz von entscheidender Bedeutung ist.

Historisch gesehen waren einige Ingenieure der Ansicht, es sei billiger, verschlissene Geräte weiterzubetreiben, anstatt in Ersatz zu investieren. Wenn man jedoch die wahren Kosten ungeplanter Ausfallzeiten berücksichtigt, erweist sich dieser Ansatz als ineffektiv.

Maschinen, die Mängel aufweisen, haben ein höheres Risiko für Ausfälle und Stillstandszeiten. Zustandsüberwachungssysteme ermöglichen es Ingenieuren, die Wartung zu planen und defekte Komponenten zu ersetzen, bevor Ausfälle auftreten.

Sensorinstallation an Windkraftanlagen

An strategischen Punkten an mechanischen Anlagen montiert, bieten Schwingungssensoren eine kontinuierliche Überwachung und Analyse. Dies erfordert zwar eine Investition, die Kosten sind jedoch minimal im Vergleich zu den potenziellen Kosten eines Ausfalls der Windkraftanlage.

Es gibt zwei Haupttypen von industriellen Beschleunigungssensoren: AC-Beschleunigungssensoren und 4-bis-20-Milliampere-Beschleunigungssensoren.

AC-Beschleunigungssensoren werden typischerweise mit Datenerfassungsgeräten zur Schwingungsüberwachung von kritischen oder komplexen Maschinen wie Getrieben und Turbinen eingesetzt, womit sie die bevorzugte Wahl für Windkraftanlagen sind. Im Gegensatz dazu werden 4-bis-20-Milliampere-Sensoren häufig mit SPS-Systemen verwendet, um weniger wertvolle Anlagen wie Pumpen und Motoren zu überwachen.

Moderne Schwingungssensoren arbeiten über große Temperaturbereiche hinweg und messen sowohl hohe als auch niedrige Frequenzen mit hoher Genauigkeit und geringer Hysterese. Robuste Edelstahgehäuse schützen vor Feuchtigkeit, Staub, Olen und anderen Verunreinigungen.

Beschleunigungssensoren können an Gehäusen angebracht werden, um die Gehäuseschwingungen sowie die radiale und axiale Schwingung von rotierenden Wellen zu messen. Die Analyse konzentriert sich auf spezifische Frequenzen, die mit mechanischen Komponenten oder Fehlerarten wie Unwucht oder Fehlausrichtung verbunden sind. Beispielsweise zeigen Wälzlager mit fortschreitendem Verschleiß steigende Vibrationen bei charakteristischen Frequenzen.

Auswahl von Schwingungsbeschleunigungssensoren für Windkraftanlagen

Für die korrekte Spezifikation von Schwingungsaufnehmern müssen Schwingungspegel, Frequenzbereiche, Montageeinschränkungen und Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Es wird empfohlen, eng mit einem erfahrenen Lieferanten zusammenzuarbeiten.

Für Windkraftanwendungen sind Niederfrequenz-Beschleunigungssensoren ideal zur Erkennung von Anomalien. Zu den häufig verwendeten Modellen gehören Sensoren mit 100 Millivolt pro g sowie Optionen mit höherer Empfindlichkeit von 250 oder 500 Millivolt pro g für langsam drehende Komponenten wie Generator-Abtriebswellen.

Bei vielen Windkraftanlagenprojekten mit Hansford Sensors wird oben im Turm ein lokaler Anschlusskasten zur Aufnahme der Beschleunigungssensor-Kabel installiert. Die Signale werden über ein mehradriges, geschirmtes Twisted-Pair-Kabel zum Boden geleitet, wo sie an ein Online-Überwachungssystem angeschlossen werden.

Diese Anordnung ermöglicht es Betreibern, den Zustand von Turbinen in Echtzeit über mobile Endgeräte mit Internetzugang zu überwachen, wodurch Fehler erkannt und Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können, bevor ein Ausfall eintritt.

Hüllkurvenanalyse zur Früherkennung von Fehlern

Obwohl moderne Beschleunigungsmesser hochgradig ausgereift sind, kann es aufgrund von Hintergrundvibrationen schwierig sein, das Signal eines defekten Lagers in einer Windkraftanlage zu isolieren.

Die Beschleunigungshüllkurvenbildung ist eine effektive Signalverarbeitungstechnik, die niederfrequente, repetitive Vibrationen herausfiltert, um das Geräusch eines Lagers zu isolieren. Sie wird häufig zur Erkennung früher Lagerschäden eingesetzt, indem Fault-Signale vom Hintergrundrauschen getrennt werden.

Ein Defekt in einem Wälzkörper erzeugt wiederholte Stoßimpulse, die Resonanzfrequenzen in umliegenden Maschinenstrukturen anregen. Obwohl diese Signale zwischen den Stößen abklingen, beeinflussen sie das Schwingungsgesamtsignal der Maschine.

Die Beschleunigungshüllkurvenbildung verbessert Beschleunigungsmessersignale durch einen zweistufigen Prozess. Zuerst isoliert ein Bandpassfilter den Frequenzbereich, in dem das Defektsignal vorhanden ist. Dies macht sich wiederholende, hochfrequente Stöße sichtbar, die durch Wälzkörper verursacht werden, die auf Defekte treffen.

Zweitens wird das Signal gleichgerichtet und demoduliert, um eine Hüllkurve zu erzeugen, die das Defektsignal hervorhebt. Diese Hüllkurve hebt regelmäßig beabstandete Fehlersignale von zufälligem Rauschen wie Wellenreiben ab.

Nach der Filterung werden die Schwingungsdaten erfasst und von Spezialisten analysiert, die feststellen können, ob eine sofortige Wartung erforderlich ist oder ob Reparaturen geplant werden können.