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Wie Zustandsüberwachung der nächsten Generation zur Senkung der Cost of Energy beiträgt
Dr. John Reimers Bosch Rexroth Monitoring Systems GmbH
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11. November 2015, Linstow
DC-RE/PAC | 11.11.2015 | © Bosch Rexroth AG 2015. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
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Typical OPEX* costs
* OPEX : Operational Expenditure = Betriebskosten
Flash Note May, 2012
§ Zwischen 2007-2011 wurden über 17.000 WEA neu errichtet (USA). Diese sind mittlerweile aus der Gewährleistungszeit herausgefallen.
§ Die Betreiber suchen nach Wegen zur Reduzierung der Betriebskosten
Anzahl an ungeplanten Wartungen überwiegt
Kapitalintensive Aufwendungen: Wartung und Reparaturen von Hauptkomponenten wie Getrieben, Generatoren und Rotorblättern
Ungeplante Wartungen kommen nicht nur überraschend; sie sind auch besonders teuer
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
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CM-überwachbare Komponenten einer WEA
Blattverstell- antriebe
Rotorblätter
Umrichter
Kühl-Filter-System
Steuerung Hauptlager Generator-
getriebe
Schnelle Welle
Generator
Hydraulikaggregate Bremssystem
Azimutantriebe
Turm, Fundament
Transformator
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
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Aktuelle Situation in vielen WEA
ggf. weitere CMS
Antriebsstrang
Rotor
Lager CMS
Getriebe CMS Diagnosen
Warte 1
Warte 2
Warte 3
Warte n
Warte n..
SCADA
Elektrik
§ CMS bietet aktuell spezialisierte Spartenlösungen § Umgang mit mehreren unterschiedlichen Lösungen / Leitwarten § Gesamtstatus der Anlage schwer überschaubar und nur
eingeschränkte Aussagenschärfe § hoher Schulungsaufwand für verschiedene Lösungen § hoher Personalaufwand und hohe Systemkosten
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Zustandsüberwachung der nächsten Generation
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5 5 5
Haupt- lager ECU
E / A Antriebsstrang CMS mittels Körperschallüberwachung
Leit- stand
Analyse und Kommunikation Web Server
Gen.
CMS = Condition Monitoring System, ECU = Evaluation and Communication Unit E/A = Sensor-Anschaltbox
§ Zusammenführung von Antriebsstrang- und Rotorblattüberwachung
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
Aktueller Stand der Technik
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Ganzheitliches CMS
Haupt- lager ECU
E / A Antriebsstrang CMS mittels Körperschallüberwachung
Leit- stand
Analyse und Kommunikation Web Server
Zusatzmerkmale:
Gen.
Kühler
CMS = Condition Monitoring System, ECU = Evaluation and Communication Unit E/A = Sensor-Anschaltbox
§ Zusammenführung aller Systeme mit den SCADA-Daten § Ganzheitliches CMS mit durchgängiger Leitstandanbindung § Monitoring von Einzelanlagen sowie ganzer Windparks, on- und offshore
CM- befähigtes Getriebe mit integrierter Sensorik - Last und Drehzahl - opt. Vibration - ggf. Verlagerung
Überwachter Öl-Kreislauf - Temperatur - Partikel-Konzentration - Wassergehalt
E-Pitch
Turmüberwachung
Diagnosemeldungen
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
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SCADA-Daten
Kosten-Nutzen-Analyse § Entwicklungsleiter des Anlagenherstellers :
„Condition Monitoring bringt keinen ökonomischen Vorteil“
§ Hintergrund: Zahlreiche geplatzte Getriebe und unentdeckte Schäden onshore und offshore.
§ Konsequenz: Auf CMS verzichten?
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Zustandsüberwachung der nächsten Generation
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Probleme zuverlässig rechtzeitig erkennen § HSS Lagertausch komplett (2-3 MW): 8 bis 10 T€
§ Getriebetausch bei zu später Erkennung:
§ Schadenklasse 2: 130,000 € § Plus Krankosten § Plus zusätzlicher Ertragsausfall
8 D. Tilch | 07 Aug 2013 | DC-RE/PAC | | © Bosch Rexroth AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.
0 € 50.000 € 100.000 € 150.000 € 200.000 €
with CMS
without CMS Gearbox exchange Crane cost Bearing exchange Downtime cost
(Eigene Berechnungen)
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
0 € 50.000 € 100.000 € 150.000 € 200.000 €
with CMS
without CMS with insurance
without CMS Gearbox exchange your share Gearbox exchange insurance share Crane cost
Bearing exchange
Downtime cost
Versichert? § Schaden wie vor (2-3 MW), WEA versichert (Schaden im 6. Jahr)
9 D. Tilch | 07 Aug 2013 | DC-RE/PAC | | © Bosch Rexroth AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.
Þ CMS ist die beste Versicherung
Versicherung zahlt nur Zeitwert (je nach BJ mehr oder weniger)
(Source: Own calculations)
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
Online-CMS versus Offline-CMS § Beispiel 1: Problem in erster oder zweiter Getriebestufe à Reparatur „up-tower” nicht möglich
10 D. Tilch | 07 Aug 2013 | DC-RE/PAC | | © Bosch Rexroth AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.
Getriebe okay 1 2 3 4 5
Zeitraum zwischenoffline-Messungen
Eine bis drei Schadenklassen „schlechter” à 10 bis 35 T€ teurer
Schadensklassen
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
Online-CMS versus Offline-CMS § Beispiel 2: Schaden an der schnellen Welle
à Reparatur „up-tower” bei rechtzeitiger Erkennung möglich
11 D. Tilch | 07 Aug 2013 | DC-RE/PAC | | © Bosch Rexroth AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.
Getriebe okay Up-
tower Rep.
1 2 3 4 5
Zeitraum zwischenoffline-Messungen
Up-tower Reparatur-Zeitfenster verpasst à > 100 T€ teurer
Schadensklassen
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
Erkenntnisse aus Betrieb und Überwachung § Kontinuierliche Online-Überwachung ist zur Senkung der CoE zwingend § Triebstrangüberwachung alleine ist nicht ausreichend § Systeme müssen erstklassig parametriert werden § Vorhandene Sensoren in ein intelligentes Überwachungskonzept
einbinden § Umfassendes und integriertes Konzept notwendig aber auch § Betrieb an den Anlagenzustand anpassen § Ansätze jenseits des klassischen CMS wählen
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Zustandsüberwachung der nächsten Generation
DC-RE/PAC | 11.11.2015 | © Bosch Rexroth AG 2015. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
Dynamic Load Monitor (DLM) § Ermittlung der realen
Lasten im Antriebsstrang § Kontinuierliche
dynamische Messung § Erfassung besonderer
Lastereignisse
§ Ermöglicht die Optimierung von Betrieb und Leistung der WEA
§ Ermöglicht eine reale Abschätzung der verbleibenden Nutzungsdauer der Hauptkomponenten
SCU Sensor Control Unit
t
Moment / akkum. Last
13 | 17.06.2015 | D. Tilch | © Bosch Rexroth AG 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
| 17.06.2015 | D. Tilch | © Bosch Rexroth AG 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
§ Erfassung der Drehmomente und Drehzahlen ( Rotoreingangsseite und über das Getriebe) inklusive der Antriebsstrangdynamik
§ Nutzung der so gewonnenen Informationen zur aktiven Bedämpfung des Antriebsstrangs über die Generatorregelung der WEA
à Aktive Reduzierung für Belastungsspitzen
à Verlängerung der Lebensdauer
à Erhöhung der Ertragsfähigkeit
Active Torque Control (ATC)
SCU Sensor Control Unit
patentiert durch Bosch Rexroth
Condition Monitoring
System
Torsionsmoment Belastung
Dämpfungs- moment
Anlagen-regler
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Zustandsüberwachung der nächsten Generation
Momenten- und Drehzahlglättung mit ATC
Starke Reduzierung von Momenten- und Drehschwingungen im Triebstrang
15 16 17 18 1914.7
14.8
14.9
15
Time [s]
Sp
eed
[rp
m]
Drehzahl
Minimierte Drehschwingungen durch Glättung der Momente im
Antriebsstrang
mit ATC
ohne ATC
0 10 20 30 400
25
50
75
100
Time [s]
Torq
ue [%
]
Momente im Triebstrang
mit ATC
ohne ATC
15 | 17.06.2015 | D. Tilch | © Bosch Rexroth AG 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
16 16 16
Haupt- lager ECU
E / A CMS
Leit- stand
Analyse und Kommunikation Web Server
Zusatzmerkmale:
Gen.
Kühler
CMS = Condition Monitoring System, ECU = Evaluation and Communication Unit E/A = Sensor-Anschaltbox
Getriebe mit integrierter CM-Sensorik
Überwachter Öl-Kreislauf
E-Pitch
Turmüberwachung
Diagnosemeldungen
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
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SCADA
t
Moment / akkum. Last
DLM ATC
Erweiterung des Condition Monitoring Ansatzes
§ Kombination der symptomorientierten Zustandsbewertung mit einem lastbasierten Lebensdauermodell
§ Lastermittlung ermöglicht verlässliche Daten über die verbleibende Lebensdauer
17 | 17.06.2015 | D. Tilch | © Bosch Rexroth AG 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
Erweitertes Condition Monitoring Modell
Last- Akkumulation
ad-hoc Bewertung,
Systemzustand
Ganzheitliches Condition
Monitoring System
symptomorientiertes Modell Beobachtung der Veränderung im
Betriebsverhalten der Hauptkomponenten, mit Trend-Analyse
Lebensdauer-Modell Erwartete noch nutzbare Lebensdauer
gemessen an den real erlebten Lastkollektiven
grundlegende Bewertungsmethoden
Zustandsüberwachung der nächsten Generation
Verfügbarkeit erhöhen
Schäden vermeiden
Wirtschaftlichkeit steigern
18 18 18 18 | 17.06.2015 | D. Tilch | © Bosch Rexroth AG 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
CMS-gestützte zustandsorientierte Wartung von WEA
senkt die
Zustandsüberwachung der nächsten Generation