Aspekte der Instandhaltung

im Kraftwerksbereich

Dipl.-Ing. Dr. Michael Marketz

Workshop „Energiesysteme im Umbruch II“

Kaprun, 24. September 2013

M. Marketz 1

M. Marketz 2

1. Einleitung

2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen

3. Instandhaltungsstrategien

4. Praktische Vorgangsweise

5. Zusammenfassung

Inhalt

M. Marketz 3

1. Einleitung

2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen

3. Instandhaltungsstrategien

4. Praktische Vorgangsweise

5. Zusammenfassung

Inhalt

Erzeugungsanlagen der Kelag (Stand: Ende 2012)

Anzahl Engpassleistung Erzeugung (Regeljahr)

(MW) (Mio. kWh)

Eigene Kraftwerke +) 75 654 1.482

Bezugsrechte ++) 11 416 1.424

1.070 2.907

+) ... davon 11 Speicherkraftwerke, 55 Laufkraftwerke

2 Windkraftwerke, 7 PV-Anlagen

++) … davon 1 Speicherkraftwerk, 10 Laufkraftwerke

Speicherkraftwerksleistung: 676 MW

Pumpleistung: 335 MW

M. Marketz 4

Bedeutung der Instandhaltung

M. Marketz 5

Die Gewährleistung der hohen Verfügbarkeit und Sicherheit von Erzeugungsanlagen

gehört zu den zentralen Aufgaben von Kraftwerksbetreibern.

Ungeplante Stillstandszeiten können – abhängig von den vorliegenden Rahmen-

bedingungen (Preissituation, Versorgungssituation, Lieferzeiten und Kosten für Ersatzkomponenten) -

zu erheblichen Ausfallfolgen (monetär, technisch) führen.

Kraftwerksbetreiber sind einem hohen Kostendruck ausgesetzt. Die Beeinflussung der

Kosten ist (unmittelbar ergebniswirksam) bei der Instandhaltung der technischen Anlagen

möglich.

Eine aus reinen Kostengründen reduzierte Instandhaltung bedeutet aber zusätzliche

technische und wirtschaftliche Risiken.

Einsatz geeigneter Instandhaltungsstrategien, mit denen auch mit reduziertem

Aufwand die Sicherheit und Qualität des Kraftwerksbetriebes unter Einhaltung

der technischen und rechtlichen Anforderungen gewährleistet werden kann.

M. Marketz 6

1. Einleitung

2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen

3. Instandhaltungsstrategien

4. Praktische Vorgangsweise

5. Zusammenfassung

Inhalt

Instandhaltungs-

ziele

M. Marketz 7

Ziel: Sichere, zuverlässige und

kostengünstige Stromversorgung

Allgemeine Ziele:

Wirtschaftlichkeit: Kostenoptimierung

bei unveränderter Zuverlässigkeit

Einhaltung gesetzlicher Vorschriften

Anlagensicherheit

Personen- und Umweltschutz

Betriebsmittelbezogene Ziele:

Gewährleistung einer bedarfsgerechten Verfügbarkeit der Betriebsmittel

Sicherstellung einer hohen technischen Nutzungsdauer der Betriebsmittel

Vermeidung von Betriebsmittelausfällen

Vermeidung hoher Folgekosten

Substanzerhalt

Erkennen und Beseitigen latenter Schäden

Störungsverringerung (Reduzierung von Ausfallzeiten)

Vermeidung kostenintensiver Instandhaltungsmaßnahmen

Verschiebung von Ersatzinvestitionen

Optimierung der Lebenszykluskosten

System Netz

Betriebsmittel 1

Betriebsmittel 2 ... Betriebsmittel n

Instandhaltung

Netzstruktur

Last, Lastverteilung

Fläche

Topographie, . . .

Erneuerung *) (Ersatz, Teilersatz)

Begriffe und Definitionen

M. Marketz 8

Instandhaltungsbegriffe nach ÖNORM M 8100 (1985) **)

*) über die Normbegriffe hinausgehend als Instandhaltungsbegriffe genannt

**) Ersatz durch ÖMORM EN 13306 – 2001

Gesamtheit der Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung des

SOLL-Zustandes sowie zur Feststellung und Beurteilung des IST-Zustandes

Instandhaltung

Wartung

Bewahrung des

SOLL-Zustandes

Instandsetzung

Wiederherstellung des

SOLL-Zustandes:

zustands-/

schadensabhängig

Revision

vorgeplante, kombinierte

Instandhaltungsaktion

Inspektion (Technische Diagnostik)

Feststellung und

Beurteilung des

IST-Zustandes

Reparatur

Überholung

Sanierung *)

M. Marketz 9

1. Einleitung

2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen

3. Instandhaltungsstrategien

4. Praktische Vorgangsweise

5. Zusammenfassung

Inhalt

M. Marketz 10

Durch Instandhaltungsmaßnahmen wird gewährleistet, dass die Betriebsmittel /

Anlagen in einem Zustand erhalten werden, der ihre ausreichende Funktionalität

sicherstellt.

Im Rahmen der Instandhaltungsstrategie werden Regeln aufgestellt, wann an

welchen Betriebsmitteln welche Inspektionen durchzuführen sind und welche

Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen in welchen Intervallen oder in welcher

Abhängigkeit vom Inspektionsergebnis vorgenommen werden sollen.

Darüber hinaus werden Vorgaben für die Durchführung von Reparaturen sowie für

die Erneuerung von Betriebsmitteln vorgegeben.

Die Instandhaltungsstrategie stellt sicher, dass die Ziele der Instandhaltung

tatsächlich erfüllt werden.

Es bietet sich eine Einteilung der Instandhaltungsstrategien in betriebsmittel- und

systembezogene Strategien an.

Instandhaltungsstrategien

M. Marketz 11

risikoorientiert

ereignisorientiert

Instandhaltungsstrategien

betriebsmittelbezogen systembezogen

zustandsorientiert

zeitorientiert

zuverlässigkeits-

orientiert Betriebsmittelbedeutung (systembezogen)

Ausfallrisiko

Instandhaltungsstrategien

Betriebsmittelzustand

Monitoring

- Datenspeicherung

- graphische Darstellung

Analyse

- Kenngrößengenerierung

- Datenspeicherung

- graphische Darstellung

Diagnose (+) Expertensystem

- Verknüpfung und Interpretation der Mess-

und Kenngrößen

- Zustandsbeurteilung

Messwerte und Überschreitungen

Störmeldung

Empfehlung

Prognose

Sollwerte

Messwerte

Grenzwerte

Messwerte und Kenngrößen

Komponenten und Aufgabenverteilung der Technischen Diagnostik [Muhr, M. et. al, e&i, Jg. 119 (2002), Heft 5]

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Bereiche/Verfahren der Technischen Diagnostik: Dielektrische D. , Durchschlagsdiagnostik, Teilentladungsdiagnostik,

Thermische D., Mechanische D., Akustische Verfahren, Chemische Untersuchungen, Optische Verfahren, Visuelle Verfahren

Technische Diagnostik

Betriebsmittelzustand

Technische Diagnostik

Diagnoseverfahren bei Hochspannungsbetriebsmitteln

Kabel Transformatoren Schaltanlagen

Visuelle Kontrolle

Thermografie

Gas-in-Öl-Analyse

Furananalyse

Isolationsstrom

Verlustfaktor

Teilentladung

Transferfunktion

Rückkehrspannung

Polarisations-/

Depolarisationsstrom

Visuelle Kontrolle

(Endverschlüsse)

Verlustfaktor

Teilentladung

Wiederkehrspannung

Spannungsprüfung

Visuelle Kontrolle

Thermografie

Teilentladung

UHF-Messung

Gasanalyse (SF6)

Spannungsprüfung

In der Praxis eingesetzte Diagnoseverfahren

Messwandler

Visuelle Kontrolle

Gas-in-Öl-Analyse

Isolationsstrom

Verlustfaktor

Teilentladung

Rotierende, elektr.

Maschinen

Visuelle Kontrolle

Thermografie

Isolationsstrom

Verlustfaktor

Teilentladung

Schall/Ultraschall

TD mechanischer

Größen

Spannungsprüfung

M. Marketz 13

M. Marketz 14

Bedeutung für das Gesamtsystem (inkl. Netzwiederaufbau)

Betriebsart

Reservestellungsmöglichkeit, Parallelmaschinensätze

Ersatzteilverfügbarkeit

Verfügbarkeit

Wirtschaftliche Folgen eines Maschinenausfalls

Ausfallskosten (Instandsetzung, Folgekosten) Risiko

Einsatzort

Umwelteinflüsse, soziale Einflüsse

Imageschäden

Wert des Betriebsmittels

Allgemeines

Beu

rte

ilu

ng

sk

rite

rie

n -

Bed

eu

tun

g

Betriebsmittelbedeutung

Betriebsmittelbedeutung

Kraftwerksgruppe Fragant – schematische Darstellung

Krafthaus

Feldsee

M. Marketz 15

M. Marketz 16

Risikomanagement

Risikobewältigung

- Risikovermeidung

- Risikobeherrschung

Risikopolitik - Strategischer Umgang

- Organisatorische Umsetzung

- Kommunikation

Risikoanalyse

- Risikoidentifikation

- Risikobewertung RISIKO-

MANAGEMENT-

ZYKLUS

M. Marketz 17

1. Einleitung

2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen

3. Instandhaltungsstrategien

4. Praktische Vorgangsweise

5. Zusammenfassung

Inhalt

Überblick

Maßnahmen zur Substanzerhaltung umfassen sowohl Ersatzinvestitionen (Erneuerungs-

investitionen) als auch Instandhaltungsmaßnahmen (inkl. der jährlichen Anlagenrevisionen).

Beim Großteil der Anlagenkomponenten wird eine zustandsorientierte Strategie umgesetzt.

Die betriebliche Vorgangsweise wird zusätzlich von externen Vorgaben bzw. Vorschriften

(z.B. Bescheidauflagen) beeinflusst.

Zusätzlich zum jährlichen „Standard-Ersatzinvestitions-/ Instandhaltungsprogramm“, das i.W.

Erneuerungsmaßnahmen in Kleinkraftwerken und im Bereich der Sekundärtechnik

(Leittechnik, Schutz, Regler) sowie

Maschinenrevisionen, laufende Instandhaltungsmaßnahmen und Diagnosemessungen

umfasst, werden seit mehreren Jahren Großmaßnahmen zur Gewährleistung der

Betriebssicherheit der Erzeugungsanlagen umgesetzt.

Bei der Festlegung der Großmaßnahmen wird auch system- und risikoorientiert vorgegangen

und besonders die Belastung der Komponenten durch geänderte Betriebsweisen (erhöhte

Betriebsstunden, Lastwechsel, höhere Auslastung) berücksichtigt.

Die Umsetzung erfolgt unter Berücksichtigung möglicher Effizienzsteigerungen und in Form

einer fachbereichsübergreifenden Vorgangsweise.

M. Marketz 18

Vorgangsweise bei Generatoren (Motorgeneratoren)

M. Marketz 19

Technische Diagnostik *) Qualitative Kriterien *)

Bewertung und Gewichtung

Zustandsbeurteilung

Bedeutung des Maschinensatzes

Risikobeurteilung

Betriebsdaten *)

Ableitung von Instandhaltungs- /

Ersatzinvestitionsmaßnahmen

*) Betriebsdaten: Betriebsstunden, Anlaufvorgänge, Lastwechsel

Technische Diagnostik: Isolationswiderstand, Verlustfaktor, Teilentladung, (Spannungsprüfung)

Qualitative Kriterien: Inspektionsergebnisse, Betriebserfahrung, Isoliersystem

Be

trie

bsm

itte

leb

ene

Syste

me

be

ne,

Unte

rne

hm

enseb

ene

M. Marketz 20

Generator

(Motorgen.)

Kraftwerks-

typ

Leistung

(MVA)

Baujahr Isoliersystem

(Stator)

Anmerkung

M1 PSKW 75 2009 Micadur

M2 PSKW 75 2010 Micadur

M3 SKW 55 1990 Vacuband

M4 PSKW 42 1980 Mikathermband

M5 PSKW 40 2011 Micadur

M6 SKW 40 1978 Mikathermband

M7 SKW 40 1978 Mikathermband

M8 PSKW 36 1968 Vacuband neue Wicklung 2004

M9 PSKW 36 1968 Vacuband neue Wicklung 2003

M10 SKW 32 1969 Mikathermband

M11 SKW 32 1967 Vacuband neue Wicklung 1983

M12 SKW 32 1967 Vacuband neuer Stator 2011

M13 SKW 20 1984 Micadur Compact

M14 SKW 20 1994 Micadur Compact

M15 SKW 16 1973 Micadur Compact neuer Stator 2009

M16 SKW 16 1980 Micadur Compact

M17 LKW 12,5 1961 Asphalt Mikafolium

M18 SKW 11 1996 Micadur

M19 LKW 8 1965 Presselast neue Wicklung 1979

Untersuchte Maschinen

SKW: Speicherkraftwerk; PSKW: Pumpspeicherkraftwerk; LKW: Laufkraftwerk

M. Marketz 21

Bewertung der aktuellen Messergebnisse sowie Analyse der historischen

Entwicklung der Kenngrößen

Kooperation VAH, TU Graz

Technische Diagnostik (Ständerwicklung)

1978 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

M9

M10

M11

M12

M13

M14

M15

M16

M17

M18

M19

Generator

(Motorgen.)

Technische Diagnostik - Übersicht je Maschine im Zeitraum 1978 bis 2013 (geplant)

Zustandsbeurteilung 1/7

M. Marketz 22

Isolationswiderstand

Technische Diagnostik / Mess- und Prüfprogramm

Trockenheitsprüfung, Sicherstellung der Spannungsfestigkeit für weitere Prüfungen;

Beurteilung anhand von Grenzwerten aus Normen und Empfehlungen

Isolationswiderstand Wurten 4

0.1

1.0

10.0

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660

Messzeit [s]

Iso

lati

on

sw

ide

rsta

nd

[GW

]

UVW-E

U-VWE

V-UWE

W-UVE

R 1R 10

PI = R10/R1

Gesamtwicklung

Einzelstränge

20/07/2009Wicklungstemperatur 45°C 57%rF

Zustandsbeurteilung 2/7

M. Marketz 23

Zustandsbeurteilung 3/7

Verlustfaktor

Technische Diagnostik / Mess- und Prüfprogramm

Beurteilung des globalen Isolationszustandes, Abschätzung des Einsetzens von

Teilentladungen am Spannungsverlauf; Beurteilung anhand von Grenzwerten aus Normen und

Empfehlungen (Anfangswert, max. Anstieg je 0,2 UN, Zunahme zwischen 0,2 und 0,6 UN)

Verlustfaktor Wurten 4

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000

Prüfspannung [V]

Ve

rlu

stf

ak

tor

[‰]

UVW-E

U-VWE

V-UWE

W-UVE

Gesamtwicklung

Stränge U, V, W

Verlustfaktoranfangswert

tand 0,2

Verlustfaktoranstieg

D tand je 0,2 Un

zulässiger Grenzwert

für Neuwicklungen

zulässiger Grenzwert

laut Norm

Verlustfaktorzunahme

1/2(tand 0,6-tand 0,2)

Verlustfaktoranstieg

D tand je 0,1 Un

20/07/2009Wicklungstemperatur 45°C 57%rF

M. Marketz 24

Zustandsbeurteilung 4/7

Teilentladung

Technische Diagnostik / Mess- und Prüfprogramm

Beurteilung des TE-Pegels der scheinbaren Ladung (Einsetzspannung, Aussetzspannung)

Beurteilung von Fingerprints (detektierte Entladungen, Phasenlage, Häufigkeitsverteilung)

anhand charakteristischer Muster aus der Literatur

Messung mit unterschiedlichen TE-Systemen qualitativ gleichwertig, Absolutwerte können

jedoch verschieden sein.

Keine Grenzwerte in Normen und Empfehlungen (unterschiedlicher Aufbau der Isolierung,

unterschiedliches Verhalten eingesetzter Materialien)

Weiterführende praktische und wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich

(z.B. Einzelstabuntersuchungen an alten Wicklungen)

M. Marketz 25

Zustandsbeurteilung 5/7

Teilentladung

Technische Diagnostik / Mess- und Prüfprogramm

Teilentladungspegel Wurten 4

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000

Prüfspannung [V]

Sc

he

inb

are

La

du

ng

QIE

C [

pC

]

U-VWEN 5nC/51dB

V-UWEN 5nC/51dB

W-UVEN 5nC/51dB

U-VWES 5nC/51dB

V-UWES 5nC/51dB

W-UVES 5nC/51dB

UVW-EN 5nC/48dB

UVW-ES 5nC/48dB

15/07/2009Wicklungstemperatur 45°C

57%rF

M. Marketz 26

Zustandsbeurteilung 6/7

Spannungsprüfung

Technische Diagnostik / Mess- und Prüfprogramm

Nachweis der Spannungsfestigkeit bei in Betrieb befindlichen Maschinen (in den vergangenen

Jahren nur zum Teil durchgeführt)

Beurteilung der Restspannungsfestigkeit bei auszutauschenden Wicklungen (mit begleitender

Verlustfaktormessung)

1,5 UN Pegel für Wicklungen im Betrieb

2 UN + 1 kV Pegel für Abnahmeprüfungen für Neuwicklungen

max. erreichbarer Pegel der Prüfeinrichtung (bis 30 kV)

M. Marketz 27

Generator

(Motorgen.)

Kraftwerks-

typ

Leistung

(MVA)

Baujahr Isoliersystem

(Stator)

Zustand

(Stator)

Anmerkung

M1 PSKW 75 2009 Micadur gut

M2 PSKW 75 2010 Micadur gut

M3 SKW 55 1990 Vacuband zufriedenstellend

M4 PSKW 42 1980 Mikathermband wenig zufriedenst.

M5 PSKW 40 2011 Micadur gut

M6 SKW 40 1978 Mikathermband wenig zufriedenst.

M7 SKW 40 1978 Mikathermband wenig zufriedenst.

M8 PSKW 36 1968 Vacuband gut neue Wicklung 2004

M9 PSKW 36 1968 Vacuband gut neue Wicklung 2003

M10 SKW 32 1969 Mikathermband schlecht

M11 SKW 32 1967 Vacuband wenig zufriedenst. neue Wicklung 1983

M12 SKW 36 1967 Vacuband gut neuer Stator 2011

M13 SKW 20 1984 Micadur Compact zufriedenstellend

M14 SKW 20 1994 Micadur Compact zufriedenstellend

M15 SKW 16 1973 Micadur Compact gut neuer Stator 2009

M16 SKW 16 1980 Micadur Compact wenig zufriedenst.

M17 LKW 12,5 1961 Asphalt Mikafolium schlecht

M18 SKW 11 1996 Micadur zufriedenstellend

M19 LKW 8 1965 Presselast wenig zufriedenst. neue Wicklung 1979

Zustandsbeurteilung 7/7 (Stand: 2011)

SKW: Speicherkraftwerk; PSKW: Pumpspeicherkraftwerk; LKW: Laufkraftwerk

M. Marketz 28

Beispiel Maschinenbewertung

Bedeutung der Maschinen

Modellierung des hydraulischen Gesamt-

systems unter Berücksichtigung der für die

Berechnung erforderlichen Kraftwerks-

parameter (u.a. Pumpen, Turbinen, Zuflüsse,

Stau- und Absenkziele) und Preisszenarien.

Ermittlung des Wertes bestehender

Kraftwerke unter Berücksichtigung

verschiedener Vermarktungsalternativen

(Fahrplanenergiemarkt, Regelenergiemarkt).

Wirtschaftliche Bewertung von betrieblichen

Einschränkungen bzw. Generatorausfällen

unter Berücksichtigung zeitlicher und

monetärer Auswirkungen unterschiedlicher

Erneuerungsvarianten.

Schematische Darstellung

M. Marketz 29

Risikobeurteilung (Stand: 2011)

Risiko-

Matrix

gut zufriedenstellend wenig

zufriedenstellend schlecht

Zustand

Risiko: gering mittel erhöht hoch

M3 M4

M7 M11 M12

M10

M15

M17

M14

M18

M13

M19

M6

M8

M9

M16

Bede

utu

ng

ge

rin

g

mitte

l h

och

M1 M2

M5

Generator

(Motorgen.)

Maßnahmen am

Stator

Zusatzmaßnahmen Umsetzung

(geplant)

M12 neuer Stator *) Analyse Rotorfestigkeit, Erneuerung Polspulen,

Erneuerung Erregersystem, Erneuerung

Rotorpolkörper, Sanierung Turbine, Kugelschieber

2011, Erneuerung

Rotorpolkörper 2013

M10 neuer Stator *)

Analyse Rotorfestigkeit, Erneuerung Rotorpolkörper,

Erneuerung Polspulen, Erneuerung Erregersystem,

Sanierung Turbine, Kugelschieber

2012

M16 neuer Stator

Analyse Rotorfestigkeit, Erneuerung Polspulen,

Erneuerung Erregersystem, Sanierung Turbine,

Kugelschieber

2013

M11 neuer Stator im Detail festzulegen

2016

M4 neuer Stator im Detail festzulegen

2017

M7 neuer Stator im Detail festzulegen

2019

M17 neuer Generator Erneuerungsmaßnahmen an der gesamten Anlage

(Turbine, Wehranlage, Kanal, Sekundärtechnik) ab 2014

M. Marketz 30

Maßnahmenableitung

*) Alter Stator/Wicklung: Technische Diagnostik mit erweitertem Messprogramm (Ermittlung der Restspannungsfestigkeit,

begleitende Verlustfaktormessung), Restlebensdaueruntersuchungen

Projektbeispiel Wurten 4 (2012)

Erneuerungsmaßnahmen am Generator Wurten 4 (36 MVA, 500 U/min, 10,5 kV)

Maßnahmen:

Statorerneuerung

Erneuerung der Rotorpolkörper

und der Dämpferwicklung

Polspulenerneuerung am Rotor

Prüfungen und Kontrollen an den

mechanischen Komponenten

Bearbeitung der Rotorkeilnut

Erneuerung des Erregungssystems

Sanierung Düsen-/ Ablenkerservomotore

Konservierung Rohrzangen

Konservierung Turbinengehäuse

Generalsanierung Kugelschieber

M. Marketz 31

Projektbeispiel Zirknitz 2 (2013)

Erneuerungsmaßnahmen am Generator Zirknitz 2 (16 MVA, 600 U/min, 10,5 kV)

M. Marketz 32

Projektbeispiel Außerfragant 2 (2011, 2013)

Erneuerungsmaßnahmen am Generator Außerfragant 2 (36 MVA, 500 U/min, 10,5 kV)

M. Marketz 33

M. Marketz 34

1. Einleitung

2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen

3. Instandhaltungsstrategien

4. Praktische Vorgangsweise

5. Zusammenfassung

Inhalt

Zusammenfassung

M. Marketz 35

Betriebsmittel-

ebene

Systemebene

Unternehmens-

ebene

Insta

nd

halt

un

g

Das Aufgabengebiet der Instandhaltung ist

umfangreich und ständig steigenden

Anforderungen (technisch, wirtschaftlich, rechtlich)

unterworfen.

Instandhaltungsrelevante Fragestellungen sind

auch aus System- und Unternehmenssicht

(Planungs- und Steuerungsprozesse, Risikomanagement)

zu beurteilen.

Die zuverlässige Zustandsbewertung und eine

hinreichende Beurteilung der Bedeutung der

Anlagen bilden die Grundlage für moderne und

effiziente Instandhaltungsstrategien.

Die wissenschaftliche Behandlung/Begleitung von

operativen Fragenstellungen ist anzustreben.