Branchenspezifische Wartungsanforderungen

Windturbinen sind in der Regel sowohl hohen und sich verändernden Belastungen als auch extremen Wetterbedingungen ausgesetzt. Dadurch kann der Verschleiß von Maschinenkomponenten beschleunigt oder zumindest schwer einschätzbar werden. Unter diesen Umständen können angemessene Maschinenlaufzeiten nur durch schnelle Reaktionszeiten und zügige Maßnahmen zur Fehlerbehebung erreicht werden. Dies ist aufgrund der abgelegenen Lage und der Notwendigkeit von Kränen sowie anderen externen Faktoren nur schwer umzusetzen. Dieses Problem ist bei Offshore-Windparks, bei denen Turbinen während ungünstigen Wetterbedingungen nicht erreicht werden können, sogar noch schwerwiegender.

Aus diesem Grund spielt Condition Monitoring für eine erfolgreiche Betriebs- und Wartungsstrategie für Windturbinen eine entscheidende Rolle. Es wird eine Condition-Monitoring-Lösung benötigt, welche die speziellen Anforderungen bei der Überwachung einer Windturbine erfüllt, um die spezielle Konstruktion dieser Maschinen und ihren Betrieb zu berücksichtigen:

  • Geringe Rotationsgeschwindigkeiten
  • Komplexe Getriebestruktur
  • Unstarre Fundamente
  • Kompaktbauweise
  • Sich ständig verändernde Windbedingungen


Ein solches System muss nicht nur eine Reihe von sich anbahnenden Fehlern, die speziell bei Windturbinen auftreten, genau erkennen, sondern auch die gleichzeitige Anzeige von unzähligen Alarmen, wie es oft bei der Überwachung von Windturbinen vorkommen kann, verhindern. Einige dieser Alarme können auf sich verändernde Betriebsbedingungen zurückzuführen sein, daher benötigt das Condition-Monitoring-System eine effektive Monitoring-Strategie nach Leistungsklassen, um diese Art von Fehlalarmen zu verringern. Oftmals werden aufgrund der Kompaktbauweise des Antriebsstrangs der Windturbine viele Alarme für denselben Einzelfehler generiert, es wird daher auch ein intelligentes Alarmmanagement-System benötigt, um diese Art von redundanten Warnungen zu verringern.

Frühzeitige Fehlererkennung mit einem geeigneten Alarmmanagement sorgt für eine erhebliche Verbesserung der Genauigkeit und Verlässlichkeit der Condition-Monitoring-Strategie, was jedoch für viele Anwendungen noch nicht vollständig ausreicht. Fachliches Wissen im Bereich Fehlerdiagnose ist nicht nur zur Identifizierung des Fehlertyps und -orts notwendig, sondern auch zur Bestimmung der Schwere des Fehlers und der Feststellung einer Vorlaufzeit bei Ausfällen. Dieses Fachwissen ist nur schwer zu bekommen; viele Maschinenbediener verfügen darüber nicht.

Diese sind nur einige der Überlegungen, die den Condition-Monitoring-Systemlösungen für Windturbinen von Brüel & Kjær Vibro zugrundeliegen.

Anwendungslösung

Schwingungsüberwachung ist seit über 60 Jahren unser Kerngeschäft. Wir verfügen daher über ausgewiesenes Know-how in der Früherkennung und Diagnose von Schäden an allen Arten von Maschinen und Anwendungen, einschließlich Windenergieanlagen (WEA).

Unsere Überwachungsstrategie zielt in erster Linie auf den Antriebsstrang der WEA, wobei insbesondere Wälzlager, Getriebe und Generator schadensanfällig sind.

Auch wenn die Technologie zur Schadenserkennung an diesen Komponenten nicht neu sein mag, liegt die Herausforderung in den baulichen und betriebsbedingten Besonderheiten einer WEA begründet. Die Vielzahl von möglichen Betriebsbedingungen, nicht-feste Fundamente, kompakte Bauweise, komplexes Getriebe und niedrige Drehzahl machen einen gänzlich anderen Überwachungsansatz für WEA erforderlich.

Zu den wichtigsten Funktionalitäten eines spezifischen Überwachungssystems zur Erkennung von sich entwickelnden Maschinenschäden an WEA gehören:

  • Prozessklassen (siehe Überwachungsstrategie)
  • Alarmmanagement (siehe Überwachungsstrategie)

Schwingungsmessungen, Prozessparameter und Geschwindigkeit/Phase von verschiedenen Maschinenkomponenten.

  • Getriebe Versagensarten erster, zweiter und dritter Stufe:
    Getriebefehler: Spiel, Getriebeverschleiß, Getriebezahnradfehler
    Lagerfehler: Schmierung, Ausrichtungsfehler, Spiel, Ring- und Käfigfehler
    Wellenprobleme: Unwucht, Ausrichtungsfehler
  • Niedertourige Wellen & Hauptlager Versagensarten:
    Rotor, Unwucht, Verkrümmung, Schmierungsfehler, Lagerspiel, Lagerfehler
  • Generator DE (Antriebsende) & NDE (Nicht-Antriebsende) Versagensarten:
    Schmierungsfehler,  Lagerausrichtungsfehler, Lagerspiel, Lagerfehler, Wellenunwucht und -ausrichtungsfehler, Verkrümmung, Spiel, Ankopplungsfehler, Veränderung der Stützeigenschaften, elektrische Fehler
  • Strukturversagen:
    Veränderung der Stützeigenschaften, Getriebeaufhängungfehler, Resonanzen

System zur Unterscheidung von Änderungen im Schwingungsverhalten, hervorgerufen durch Prozessänderungen, z.B. Wirkleistung.

Ein gutes Überwachungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass es gelingt, sich entwickelnde Schäden frühzeitig zu erkennen. Dabei dürfen keine Fehlalarme ausgelöst werden, auch nicht bei häufigen Lastwechseln oder sich schnell ändernder Geschwindigkeit.

Unser Überwachungssystem für WEA erlaubt es dem Nutzer, anhand der Schwingungssignaturen relevante Prozessklassen zu unterscheiden. Jeder dieser Prozessklassen kann ein individueller Alarmwert zugeordnet werden, wie in der Grafik unten gezeigt. Dadurch werden Fehler vermieden wie:

  • Fehlalarme – Ausgelöst durch Änderungen im Schwingungsverhalten aufgrund von Änderungen im Betrieb, nicht durch geschädigte Maschinenkomponenten
  • Fehlender Alarm – Es wird kein Alarm ausgelöst, obwohl sich ein Schaden entwickelt, weil die Grenzwerte zu hoch gesetzt sind.
Konzept der Prozessklassen
Picture Of Process Bin Concept

System zur sinnvollen Reduktion der Alarmflut, die bei der Überwachung von Windkraftanlagen anfällt.

Da es pro Turbine mehr als 1.000 Alarmlimits geben kann, sind die größten Herausforderungen bei der Überwachung der Umgang mit der möglicherweise sehr großen Anzahl an Alarmen und die Entscheidung, welche Alarme wirklich relevant sind. Auch gibt es während des Betriebes einer WEA viele Störgrößen, z.B. Böen und Windnachführung (Gieren).

Diese Störgrößen können kurzzeitig zum Überschreiten der Alarmlimits führen, obwohl kein Komponentenschaden vorliegt.

Ein weiteres Problem stellt das Auffinden eines Fehlers im Anfangsstadium dar. So kann z.B. ein Fehler, der von einem Sensor an einem bestimmten Lager entdeckt wird, auch von anderen Sensoren, die in der Nähe angebracht sind, aufgenommen werden. In diesem Falle kommt es zu mehreren Alarmen, obwohl es sich um nur einen Maschinenfehler handelt.

Brüel & Kjær Vibro hat ein intelligentes Alarmmanagementsystem entwickelt, das diese Flut von Alarmen scannt und diejenigen herausfiltert, die nicht relevant sind. Es filtert auch Alarme aufgrund von Störgrößen heraus. Letztlich wird nur ein Alarm pro Fehler erzeugt.

Die Alarme werden in fünf Schweregrade eingeteilt, anhand derer das Service-Team des Kunden die verbleibende Zeit zur Reparatur planen kann, wie anhand der Grafik zu sehen ist.

Ein neuer Alarm wird nur ausgelöst, wenn ein anderer Schweregrad erreicht wird. Daher können während der "Laufzeit" eines Fehlers auch nur maximal vier Alarmmeldungen erfolgen. Die Schwere wird zunächst automatisch durch den Alarm Manager ermittelt, eine abschließende Beurteilung erfolgt durch einen erfahrenen Diagnostiker.

Beschreibung der Alarmklassen
Picture Of Alarm Class Description