Manutenzione Predittiva ed Efficienza delle Turbine Eoliche

Il monitoraggio delle vibrazioni aumenta l'efficienza operativa

La manutenzione predittiva basata sul monitoraggio delle vibrazioni può aumentare l'efficienza delle turbine eoliche, prevenendo guasti catastrofici e tempi di fermo non programmati.

Il costo della manutenzione nell'industria delle turbine eoliche sta aumentando perché il numero di turbine è in crescita, incluse molte turbine più vecchie che richiedono una manutenzione più frequente. Per un parco eolico offshore, circa un quarto del costo totale è rappresentato dall'esercizio e dalla manutenzione.

L'introduzione di una tecnologia di monitoraggio delle condizioni sofisticata può aiutare a tenere sotto controllo questi costi. L'impiego del monitoraggio delle vibrazioni per tenere traccia delle parti rotanti di una turbina aiuta i team di manutenzione a individuare potenziali problemi ed eseguire le riparazioni necessarie al più presto al fine di evitare guasti.

In questa tecnica, la firma delle vibrazioni dei cuscinetti e di altre parti mobili viene monitorata utilizzando sensori di vibrazione, noti anche come accelerometri. Qualsiasi variazione rispetto alla norma può indicare i primi segni di guasto, consentendo di correggere piccoli problemi prima che sfuggano di mano.

Crescita e richieste dell'industria dell'energia eolica

L'energia eolica è un settore dell'ingegneria in rapida espansione. Nel 2017, la capacità globale delle turbine eoliche ha raggiunto i 539.581 megawatt secondo il Global Wind Energy Council, e si prevede che questa cifra crescerà in modo significativo nel prossimo decennio.

Nonostante questa crescita, l'energia eolica rimane estremamente impegnativa. Per raggiungere la redditività, gli operatori devono massimizzare l'efficienza aumentando la produzione e controllando al contempo i costi. Prevenire i tempi di inattività non pianificati, come quelli causati dal cedimento catastrofico di un componente, è fondamentale.

Le turbine eoliche devono operare in condizioni gravose. Negli ultimi anni, i forti venti hanno causato guasti alle turbine a causa di danni agli ingranaggi. Oltre ai costi di riparazione, gli operatori possono incorrere in multe e richieste di risarcimento.

Vantaggi del monitoraggio avanzato delle vibrazioni

Mentre i sensori utilizzati in applicazioni ad alte specifiche, come le turbine eoliche, sono di altissima gamma, il loro costo si è ridotto a un livello tale da giustificare l'uso di sensori multipli. Ciò migliora la raccolta dei dati e perfeziona il rilevamento dei guasti.

L'uso di più sensori supporta anche tecniche come l'enveloping dell'accelerazione, che estrae il segnale di vibrazione di un cuscinetto guasto filtrando il rumore proveniente da altri componenti.

Costi dei tempi di inattività e manutenzione predittiva

Il tempo di inattività non programmato non si limita all'industria delle turbine eoliche. Un sondaggio congiunto di plantservices.com e ARC Advisory Group ha stimato che i tempi di inattività non programmati costano alle industrie di processo globali circa 20 miliardi di dollari all'anno.

L'indagine ha rilevato che quasi il 90% delle aziende che utilizzano la manutenzione predittiva mirava ad aumentare i tempi di attività, mentre più della metà cercava di ridurre i costi di manutenzione e operativi.

L'indagine ha raccomandato di integrare i sistemi di manutenzione predittiva con i sistemi di controllo dell'intero impianto e di collegare le prestazioni del sistema a incentivi finanziari. Questo approccio è particolarmente rilevante per l'energia eolica, dove la manutenzione è difficile, costosa e l'efficienza è fondamentale.

Storicamente, alcuni ingegneri ritenevano che fosse più economico continuare a far funzionare apparecchiature usurate piuttosto che investire in sostituzioni. Tuttavia, quando si considera il vero costo dei tempi di inattività non programmati, questo approccio si dimostra inefficace.

Le macchine che presentano difetti sono a maggior rischio di guasto e di fermo macchina. I sistemi di monitoraggio delle condizioni consentono agli ingegneri di pianificare la manutenzione e di sostituire i componenti difettosi prima che si verifichino i guasti.

Installazione di sensori sulle turbine eoliche

Se installati in punti chiave di apparecchiature meccaniche, i sensori di vibrazioni forniscono monitoraggio e analisi continui. Sebbene ciò richieda un investimento, il costo è minimo rispetto al costo potenziale del tempo di inattività di una turbina eolica.

Esistono due tipi principali di accelerometri industriali: accelerometri in corrente alternata e accelerometri da 4 a 20 milliampere.

Gli accelerometri AC vengono solitamente utilizzati con i collettori di dati per il monitoraggio delle vibrazioni di macchine critiche o complesse come riduttori e turbine, il che li rende la scelta preferita per le turbine eoliche. Al contrario, i sensori da 4 a 20 milliampere sono comunemente utilizzati con i sistemi PLC per monitorare beni di minor valore come pompe e motori.

I moderni sensori di vibrazione funzionano in ampi intervalli di temperatura e misurano sia le alte che le basse frequenze con elevata precisione e bassa isteresi. Robusti alloggiamenti in acciaio inossidabile proteggono da umidità, polvere, oli e altri contaminanti.

Gli accelerometri possono essere montati sui corpi macchina per misurare la vibrazione dell'involucro e la vibrazione radiale e assiale degli alberi rotanti. L'analisi si concentra su frequenze specifiche associate a componenti meccanici o tipi di guasto, come lo squilibrio o il disallineamento. Ad esempio, i cuscinetti volventi mostrano vibrazioni crescenti a frequenze caratteristiche man mano che l'usura progredisce.

Specificare accelerometri di vibrazione per turbine eoliche

La corretta specificazione degli accelerometri per vibrazioni richiede la considerazione dei livelli di vibrazione, delle gamme di frequenza, dei vincoli di montaggio e delle condizioni ambientali. È consigliabile lavorare a stretto contatto con un fornitore esperto.

Per le applicazioni con turbine eoliche, gli accelerometri a bassa frequenza sono ideali per rilevare le anomalie. I modelli comunemente utilizzati includono sensori da 100 millivolt per g, con opzioni a maggiore sensibilità di 250 o 500 millivolt per g per componenti a bassa velocità come gli alberi di uscita del generatore.

In molti progetti di turbine eoliche che coinvolgono Hansford Sensors, viene installata una scatola di giunzione locale sulla sommità della turbina per ospitare i cavi degli accelerometri. I segnali vengono trasmessi a livello del suolo utilizzando un cavo a doppino schermato multipolare, collegandosi a un sistema di monitoraggio online.

Questa disposizione consente agli operatori di monitorare le condizioni della turbina in tempo reale utilizzando dispositivi portatili con accesso ad Internet, permettendo di identificare i guasti e di adottare azioni correttive prima che si verifichi un guasto.

Inviluppo dell'accelerazione per il rilevamento precoce dei guasti

Sebbene i moderni accelerometri siano estremamente sofisticati, isolare il segnale di un cuscinetto difettoso all'interno di un'aerogeneratore può essere difficile a causa delle vibrazioni di fondo.

L'inviluppo dell'accelerazione è un'efficace tecnica di elaborazione del segnale che filtra le vibrazioni ripetitive a basso livello per isolare il suono di un cuscinetto. È ampiamente utilizzato per rilevare difetti precoci dei cuscinetti separando i segnali di guasto dal rumore di fondo.

Un difetto in un elemento volvente genera impatti ripetuti che eccitano le frequenze di risonanza nelle strutture circostanti della macchina. Sebbene questi segnali decadano tra un impatto e l'altro, essi influenzano la risposta complessiva alle vibrazioni della macchina.

L'envelope dell'accelerazione migliora i segnali dell'accelerometro attraverso un processo in due fasi. Primo, un filtro passa-banda isola la gamma di frequenze in cui è presente il segnale del difetto. Questo rivela impatti ripetitivi ad alta frequenza causati da elementi volventi che entrano in contatto con i difetti.

Secondo, il segnale viene raddrizzato e demodulato per produrre un inviluppo che evidenzia il segnale del difetto. Questo inviluppo fa sì che i segnali di guasto regolarmente spazializzati emergano dal rumore casuale come lo sfregamento dell'albero.

Una volta filtrati, i dati sulle vibrazioni vengono raccolti e analizzati da specialisti, i quali possono determinare se sia necessaria una manutenzione immediata o se le riparazioni possano essere programmate.