예지보전과 풍력 발전기 효율

진동 모니터링으로 운영 효율성 향상

진동 모니터링 기반의 예방 유지보수는 치명적인 고장과 계획되지 않은 가동 중단을 방지함으로써 풍력 터빈의 효율성을 높일 수 있습니다.

풍력 터빈 산업에서 유지보수 비용이 증가하고 있는 이유는 더 빈번한 유지보수가 필요한 노후화된 터빈을 포함하여 터빈의 수가 증가하고 있기 때문입니다. 해상 풍력 단지의 경우, 전체 비용의 약 4분의 1이 운영 및 유지보수에 소요됩니다.

정교한 상태 감시 기술을 도입하면 이러한 비용을 통제하는 데 도움이 될 수 있습니다. 진동 감시를 활용하여 터빈의 회전 부품을 추적하면 유지보수 팀이 잠재적인 문제를 조기에 파악하고 고장을 방지하기 위해 가장 시급한 기회에 필요한 수리를 수행하는 데 도움이 됩니다.

이 기법에서 베어링 및 기타 가동부의 진동 시그니처는 가속도계라고도 하는 진동 센서를 사용하여 모니터링됩니다. 정상 상태와의 어떠한 편차도 고장의 초기 징후를 나타낼 수 있으므로, 작은 문제가 통제 불능 상태로 확대되기 전에 조기에 시정할 수 있습니다.

풍력 발전 산업의 성장과 수요

풍력 발전은 빠르게 성장하는 엔지니어링 분야입니다. 세계풍력에너지협의회(GWEC)에 따르면, 2017년 전 세계 풍력 터빈 용량은 539,581에 달했으며, 이 수치는 향후 10년 동안 크게 증가할 것으로 예상됩니다.

이러한 성장에도 불구하고 풍력 발전은 여전히 요구되는 바가 매우 많습니다. 수익성을 달성하기 위해 운영자들은 비용을 통제하면서 출력을 극대화하여 효율성을 극대화해야 합니다. 치명적인 부품 고장 등으로 인한 계획되지 않은 가동 중단을 예방하는 것이 매우 중요합니다.

풍력 터빈은 가혹한 조건에서 작동해야 합니다. 최근 몇 년 동안 강풍으로 인해 기어 손상이 발생하여 터빈 고장이 발생했습니다. 수리 비용 외에도 운영자는 벌금 및 손해 배상 청구에 직면할 수 있습니다.

고급 진동 모니터링의 이점

풍력 발전기와 같은 고사양 용도에 사용되는 센서는 최고급이지만, 그 비용이 여러 센서의 사용을 정당화할 수 있을 만큼 충분히 낮아졌다. 이는 데이터 수집을 강화하고 결함 감지를 향상시킨다.

여러 센서를 사용하는 것은 다른 부품의 노이즈를 필터링하여 결함이 있는 베어링의 진동 신호를 추출하는 가속도 포위 분석(acceleration enveloping)과 같은 기술도 지원합니다.

가동 중단 비용 및 예측 유지보수

계획되지 않은 가동 중단은 풍력 터빈 산업에만 국한되지 않습니다. plantservices.com과 ARC 어드바이зо리 그룹의 공동 조사에 따르면, 계획되지 않은 가동 중단으로 인해 전 세계 공정 산업이 입는 손실은 연간 약 200억 달러에 달합니다.

조사에 따르면 예지 보전을 사용하는 기업의 거의 90%가 가동 시간을 늘리는 것을 목표로 한 반면, 절반 이상은 유지보수 및 운영 비용 절감을 추구했습니다.

설문조사는 예측 유지보수 시스템을 공장 전체 제어 시스템과 통합하고 시스템 성능을 재무적 인센티브와 연계할 것을 권장했습니다. 이 접근 방식은 유지보수가 어렵고 비용이 많이 들며 효율성이 매우 중요한 풍력 에너지에 특히 관련이 있습니다.

역사적으로 일부 엔지니어들은 교체 비용을 투자하는 것보다 낡은 장비를 계속 가동하는 것이 더 비용 효율적이라고 믿었습니다. 그러나 계획되지 않은 가동 중단의 실제 비용을 고려하면 이러한 접근 방식은 효과가 없는 것으로 드러납니다.

결함이 있는 기계는 고장 및 가동 중단 위험이 더 큽니다. 상태 모니터링 시스템을 통해 엔지니어는 고장이 발생하기 전에 유지보수를 계획하고 결함이 있는 부품을 교체할 수 있습니다.

풍력 발전기 센서 설치

기계 장비의 주요 위치에 설치된 진동 센서는 지속적인 모니터링과 분석을 제공합니다. 이는 비용이 필요하지만, 풍력 발전기 가동 중단으로 인한 잠재적 비용에 비하면 그 비용은 미미합니다.

산업용 가속도계에는 AC 가속도계와 4~20밀리암페어 가속도계의 두 가지 주요 유형이 있습니다.

AC 가속도계는 일반적으로 기어박스 및 터빈과 같은 중요하거나 복잡한 기계의 진동 모니터링을 위해 데이터 수집기와 함께 사용되며, 이로 인해 풍력 발전기에 선호되는 선택이 됩니다. 대조적으로, 4~20밀리암페어 센서는 펌프 및 모터와 같은 가치가 낮은 자산을 모니터링하기 위해 PLC 시스템과 함께 흔히 사용됩니다.

현대식 진동 센서는 넓은 온도 범위에서 작동하며, 고주파와 저주파 모두를 높은 정확도와 낮은 이스테레시스로 측정합니다. 견고한 스테인리스 스틸 하우징은 습기, 먼지, 오일 및기타 오염 물질로부터 보호합니다.

가속도계를 케이싱에 장착하여 케이싱 진동과 회전 샤프트의 반경방향 및 축방향 진동을 측정할 수 있다. 분석은 불균형이나 정렬 불량 등 기계적 구성 요소나 결함 유형과 관련된 특정 주파수에 초점을 맞춘다. 예를 들어, 구름 베어링은 마모가 진행됨에 따라 특성 주파수에서 진동이 증가하는 것을 보여준다.

풍력 터빈용 진동 가속도계 지정

진동 가속도계를 올바르게 사양화하려면 진동 수준, 주파수 범위, 장착 제약 조건 및 환경 조건을 고려해야 합니다. 경험이 풍부한 공급업체와 긴밀히 협력하는 것을 권장합니다.

풍력 터빈 응용 분야의 경우 저주파 가속도계는 이상 징후를 감지하는 데 이상적입니다. 일반적으로 사용되는 모델에는 100밀리볼트/g 센서가 포함되며, 발전기 출력축과 같은 저속 부품의 경우 250 또는 500밀리볼트/g의 더 높은 감도 옵션이 사용됩니다.

한스퍼드 센서스(Hansford Sensors)가 참여한 많은 풍력 터빈 프로젝트에서, 가속도계 케이블을 수용하기 위해 터빈 상단에 로컬 정션 박스가 설치됩니다. 신호는 다심 차폐 트위스트 페어 케이블을 사용하여 지상 수준으로 전송되며, 온라인 모니터링 시스템에 연결됩니다.

이러한 배치를 통해 작업자는 인터넷에 접속할 수 있는 휴대용 기기를 사용하여 터빈 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 이를 통해 고장이 발생하기 전에 결함을 식별하고 시정 조치를 취할 수 있습니다.

조기 결함 검출을 위한 가속도 포위 분석

비록 현대의 가속도계는 매우 정교하지만, 풍력 발전기 내의 결함이 있는 베어링 신호를 배경 진동으로부터 분리해내는 것은 어려울 수 있습니다.

가속도 포락 처리는 저주파의 반복적인 진동을 필터링하여 베어링의 소음을 분리해 내는 효과적인 신호 처리 기법입니다. 이는 배경 소음으로부터 결함 신호를 분리하여 초기 베어링 결함을 탐지하는 데 널리 사용됩니다.

구름 요소의 결함은 주변 기계 구조물의 공진 주파수를 여자하는 반복적인 충격을 발생시킵니다. 이러한 신호들은 충격 사이에 감쇠하지만 기계의 전체 진동 응답에 영향을 미칩니다.

가속도 포위 처리는 2단계 과정을 통해 가속도계 신호를 향상시킵니다. 첫째, 대역 통과 필터가 결함 신호가 존재하는 주파수 대역을 분리합니다. 이는 구동 요소가 결함에 닿을 때 발생하는 반복적인 고주파 충격을 드러냅니다.

둘째, 신호가 정류 및 복조되어 결함 신호를 강조하는 포락선을 생성합니다. 이 포락선은 샤프트 마찰과 같은 무작위 잡음 속에서도 일정한 간격의 결함 신호가 두드러지게 보이도록 만듭니다.

필터링된 진동 데이터는 전문가들에 의해 수집 및 분석되며, 전문가들은 이를 통해 즉각적인 유지보수가 필요한지 아니면 수리를 일정에 맞춰 계획할 수 있는지를 판단할 수 있습니다.