Maintenance prédictive et efficacité des éoliennes

La surveillance des vibrations améliore l'efficacité opérationnelle

La maintenance prédictive basée sur la surveillance des vibrations peut accroître l'efficacité des éoliennes en prévenant les pannes catastrophiques et les arrêts imprévus.

Le coût de la maintenance dans l'industrie des éoliennes augmente parce que le nombre d'éoliennes s'accroît, incluant de nombreuses éoliennes plus anciennes qui nécessitent un entretien plus fréquent. Pour un parc éolien en mer, environ un quart du coût total est imputable à l'exploitation et à la maintenance.

L'introduction d'une technologie sophistiquée de surveillance de l'état peut aider à maintenir ces coûts sous contrôle. L'utilisation de la surveillance des vibrations pour suivre les pièces rotatives d'une turbine aide les équipes de maintenance à repérer les problèmes potentiels et à effectuer les réparations nécessaires le plus tôt possible afin d'éviter les pannes.

Dans cette technique, la signature vibratoire des roulements et d'autres pièces mobiles est surveillée à l'aide de capteurs de vibrations, également appelés accéléromètres. Toute variation par rapport à la norme peut indiquer des signes précoces de défaillance, permettant de corriger de petits problèmes avant qu'ils ne dégénèrent.

Croissance et exigences de l'industrie de l'énergie éolienne

L'énergie éolienne est un domaine de l'ingénierie en expansion rapide. En 2017, la capacité mondiale des éoliennes a atteint 539 581 selon le Conseil mondial de l'énergie éolienne, et ce chiffre devrait augmenter de manière significative au cours de la prochaine décennie.

Malgré cette croissance, l'énergie éolienne reste très exigeante. Pour atteindre la rentabilité, les opérateurs doivent maximiser l'efficacité en augmentant la production tout en maîtrisant les coûts. Il est essentiel d'éviter les arrêts imprévus, tels que ceux causés par la défaillance catastrophique de composants.

Les éoliennes doivent fonctionner dans des conditions difficiles. Ces dernières années, des vents violents ont provoqué des pannes de turbines en raison de l'endommagement des engrenages. Outre les frais de réparation, les exploitants peuvent faire l'objet d'amendes et de demandes d'indemnisation.

Avantages de la surveillance avancée des vibrations

Bien que les capteurs utilisés dans les applications de haute spécification, telles que les éoliennes, soient haut de gamme, leur coût a suffisamment baissé pour justifier l'utilisation de capteurs multiples. Cela améliore la collecte des données et la détection des pannes.

L'utilisation de multiples capteurs prend également en charge des techniques telles que l'enveloppe d'accélération, qui extrait le signal de vibration d'un roulement défaillant en filtrant le bruit provenant d'autres composants.

Coûts liés aux temps d'arrêt et maintenance prédictive

Les temps d'arrêt imprévus ne se limitent pas à l'industrie des éoliennes. Une étude conjointe menée par plantservices.com et ARC Advisory Group a estimé que les temps d'arrêt imprévus coûtent aux industries de transformation mondiales environ 20 milliards de dollars par an.

L'enquête a révélé que près de 90 pour cent des entreprises utilisant la maintenance prédictive visaient à augmenter le temps de bon fonctionnement, tandis que plus de la moitié cherchaient à réduire les coûts de maintenance et d'exploitation.

L'étude a recommandé d'intégrer des systèmes de maintenance prédictive aux systèmes de contrôle à l'échelle de l'usine et de lier les performances des systèmes à des incitations financières. Cette approche est particulièrement pertinente pour l'énergie éolienne, où la maintenance est difficile, coûteuse et où l'efficacité est essentielle.

Par le passé, certains ingénieurs estimaient qu'il était plus économique de continuer à exploiter des équipements usés plutôt que d'investir dans leur remplacement. Cependant, lorsque l'on prend en compte le coût réel des arrêts imprévus, cette approche s'avère inefficace.

Les machines présentant des défauts présentent un risque plus élevé de panne et d'indisponibilité. Les systèmes de surveillance de l'état permettent aux ingénieurs de planifier la maintenance et de remplacer les composants défectueux avant que les pannes ne se produisent.

Installation de capteurs sur des éoliennes

Lorsqu'ils sont installés à des points stratégiques sur des équipements mécaniques, les capteurs de vibrations assurent une surveillance et une analyse continues. Bien que cela nécessite un investissement, le coût reste minime par rapport au coût potentiel d'une panne d'éolienne.

Il existe deux grands types d'accéléromètres industriels : les accéléromètres à courant alternatif et les accéléromètres de 4 à 20 milliampères.

Les accéléromètres à courant alternatif sont généralement utilisés avec des collecteurs de données pour la surveillance des vibrations de machines critiques ou complexes telles que les réducteurs et les turbines, ce qui en fait le choix privilégié pour les éoliennes. En revanche, les capteurs de 4 à 20 milliampères sont couramment utilisés avec les automates programmables (PLC) pour surveiller des équipements de moindre valeur tels que les pompes et les moteurs.

Les capteurs de vibrations modernes fonctionnent sur de larges plages de température et mesurent aussi bien les hautes que les basses fréquences avec une grande précision et une faible hystérésis. Leurs boîtiers robustes en acier inoxydable les protègent de l'humidité, de la poussière, des huiles et d'autres contaminants.

Les accéléromètres peuvent être installés sur les carters afin de mesurer les vibrations de ces derniers ainsi que les vibrations radiales et axiales des arbres en rotation. L'analyse porte principalement sur les fréquences spécifiques associées à certains composants mécaniques ou à certains types de défauts, tels que le déséquilibre ou le désalignement. Par exemple, les roulements à éléments roulants présentent des vibrations croissantes à des fréquences caractéristiques à mesure que l'usure progresse.

Choix des accéléromètres de vibrations pour les éoliennes

Pour choisir correctement des accéléromètres de vibrations, il faut tenir compte des niveaux de vibrations, des plages de fréquences, des contraintes de montage et des conditions environnementales. Il est recommandé de travailler en étroite collaboration avec un fournisseur expérimenté.

Dans le domaine des éoliennes, les accéléromètres à basse fréquence sont parfaits pour détecter les anomalies. Parmi les modèles couramment utilisés, on trouve des capteurs de 100 millivolts par g, ainsi que des versions plus sensibles de 250 ou 500 millivolts par g destinées aux composants à faible vitesse, tels que les arbres de sortie des générateurs.

Dans de nombreux projets d'éoliennes impliquant Hansford Sensors, un boîtier de raccordement local est installé au sommet de l'éolienne afin d'accueillir le câblage des accéléromètres. Les signaux sont transmis au niveau du sol à l'aide d'un câble à paires torsadées blindées multiconducteurs, relié à un système de surveillance en ligne.

Ce dispositif permet aux opérateurs de surveiller l'état des turbines en temps réel à l'aide d'appareils portables connectés à Internet, ce qui leur permet d'identifier les dysfonctionnements et de prendre des mesures correctives avant qu'une panne ne se produise.

Analyse d'enveloppe d'accélération pour la détection précoce des défauts

Bien que les accéléromètres modernes soient extrêmement sophistiqués, il peut s'avérer difficile d'isoler le signal provenant d'un roulement défectueux au sein d'une éolienne en raison des vibrations de fond.

L'enveloppe d'accélération est une technique efficace de traitement du signal qui permet de filtrer les vibrations répétitives de faible amplitude afin d'isoler le bruit d'un roulement. Elle est largement utilisée pour détecter précocement les défauts des roulements en séparant les signaux de défaut du bruit de fond.

Un défaut dans un élément roulant génère des impacts répétés qui excitent les fréquences de résonance dans les structures de la machine environnante. Bien que ces signaux s'atténuent entre les impacts, ils influencent la réponse globale en vibration de la machine.

L'enveloppement par accélération améliore les signaux des accéléromètres grâce à un processus en deux étapes. Premièrement, un filtre passe-bande isole la plage de fréquences où se trouve le signal du défaut. Cela met en évidence des impacts à haute fréquence répétitifs provoqués par des éléments roulants entrant en contact avec des défauts.

Deuxièmement, le signal est redit et démodulé pour produire une enveloppe qui met en évidence le signal de défaut. Cette enveloppe permet aux signaux de défaut régulièrement espacés de se détacher du bruit aléatoire tel que le frottement d'arbre.

Une fois filtrées, les données de vibration sont collectées et analysées par des spécialistes, qui peuvent déterminer si une maintenance immédiate est nécessaire ou si des réparations peuvent être planifiées.