November 2015, Linstow. Wie Zustandsüberwachung der nächsten Generation zur Senkung der Cost of Energy beiträgt

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1 Wie Zustandsüberwachung der nächsten Generation zur Senkung der Cost of Energy beiträgt November 2015, Linstow Dr. John Reimers Bosch Rexroth Monitoring Systems GmbH 1 DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

2 Typical OPEX* costs Zwischen wurden über 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 Flash Note May, 2012 * OPEX : Operational Expenditure = Betriebskosten 2 DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

3 CM-überwachbare Komponenten einer WEA Rotorblätter Blattverstellantriebe Kühl-Filter-System Schnelle Welle Generator Umrichter Hauptlager Azimutantriebe Generatorgetriebe Bremssystem Hydraulikaggregate Transformator Steuerung Turm, Fundament 3 DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

4 Aktuelle Situation in vielen WEA Rotor 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 Antriebsstrang Elektrik Lager CMS Getriebe CMS ggf. weitere CMS Diagnosen SCADA Warte 1 Warte 2 Warte 3 Warte n Warte n.. 4 DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

5 Aktueller Stand der Technik E / A Antriebsstrang CMS mittels Körperschallüberwachung ECU Analyse und Kommunikation Web Server Hauptlager Gen. Leitstand Zusammenführung von Antriebsstrang- und Rotorblattüberwachung 5 CMS = Condition Monitoring System, ECU = Evaluation and Communication Unit E/A = Sensor-Anschaltbox DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

6 Ganzheitliches CMS SCADA-Daten E / A E-Pitch Diagnosemeldungen Antriebsstrang CMS mittels Körperschallüberwachung Kühler 6 ECU Analyse und Kommunikation Web Server Leitstand Hauptlager Zusatzmerkmale: CM- befähigtes Getriebe mit integrierter Sensorik - Last und Drehzahl - opt. Vibration - ggf. Verlagerung CMS = Condition Monitoring System, ECU = Evaluation and Communication Unit E/A = Sensor-Anschaltbox Gen. Überwachter Öl-Kreislauf - Temperatur - Partikel-Konzentration - Wassergehalt Turmüberwachung Zusammenführung aller Systeme mit den SCADA-Daten Ganzheitliches CMS mit durchgängiger Leitstandanbindung Monitoring von Einzelanlagen sowie ganzer Windparks, on- und offshore DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

7 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? 7 DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

8 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 without CMS with CMS Gearbox exchange Crane cost Bearing exchange Downtime cost (Eigene Berechnungen) 8 D. Tilch 07 Aug 2013 DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.

9 Versichert? Schaden wie vor (2-3 MW), WEA versichert (Schaden im 6. Jahr) without CMS without CMS with insurance with CMS Versicherung zahlt nur Zeitwert (je nach BJ mehr oder weniger) Gearbox exchange your share Gearbox exchange insurance share Crane cost Bearing exchange Downtime cost CMS ist die beste Versicherung (Source: Own calculations) 9 D. Tilch 07 Aug 2013 DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.

10 Online-CMS versus Offline-CMS Beispiel 1: Problem in erster oder zweiter Getriebestufe Reparatur up-tower nicht möglich Schadensklassen Getriebe okay Zeitraum zwischenoffline-messungen Eine bis drei Schadenklassen schlechter 10 bis 35 T teurer 10 D. Tilch 07 Aug 2013 DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.

11 Online-CMS versus Offline-CMS Beispiel 2: Schaden an der schnellen Welle Reparatur up-tower bei rechtzeitiger Erkennung möglich Getriebe okay Uptower Rep. Schadensklassen Zeitraum zwischenoffline-messungen Up-tower Reparatur-Zeitfenster verpasst > 100 T teurer 11 D. Tilch 07 Aug 2013 DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.

12 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 12 DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

13 Dynamic Load Monitor (DLM) SCU Sensor Control Unit Moment / akkum. Last t 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 D. Tilch Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

14 Active Torque Control (ATC) Torsionsmoment Belastung Condition Monitoring System Erfassung der Drehmomente und Drehzahlen ( Rotoreingangsseite und über das Getriebe) inklusive der Antriebsstrangdynamik SCU Sensor Control Unit Dämpfungsmoment Anlagenregler Nutzung der so gewonnenen Informationen zur aktiven Bedämpfung des Antriebsstrangs über die Generatorregelung der WEA Aktive Reduzierung für Belastungsspitzen Verlängerung der Lebensdauer patentiert durch Bosch Rexroth Erhöhung der Ertragsfähigkeit D. Tilch Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

15 Torque [%] Zustandsüberwachung der nächsten Generation Momenten- und Drehzahlglättung mit ATC Momente im Triebstrang ohne ATC mit ATC Time [s] Speed [rpm] mit ATC Drehzahl Time [s] Minimierte Drehschwingungen durch Glättung der Momente im Antriebsstrang ohne ATC Starke Reduzierung von Momenten- und Drehschwingungen im Triebstrang D. Tilch Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

16 SCADA Moment / akkum. Last E / A CMS Diagnosemeldungen DLM t ATC E-Pitch Kühler ECU Analyse und Kommunikation Web Server Hauptlager Zusatzmerkmale: Getriebe mit integrierter CM-Sensorik Gen. Überwachter Öl-Kreislauf Turmüberwachung 16 Leitstand CMS = Condition Monitoring System, ECU = Evaluation and Communication Unit E/A = Sensor-Anschaltbox DC-RE/PAC Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

17 Erweiterung des Condition Monitoring Ansatzes Ganzheitliches Condition ad-hoc Monitoring System Last- Bewertung, Akkumulation Systemzustand symptomorientiertes Modell Beobachtung der Veränderung im Betriebsverhalten der Hauptkomponenten, mit Trend-Analyse grundlegende Bewertungsmethoden Lebensdauer-Modell Erwartete noch nutzbare Lebensdauer gemessen an den real erlebten Lastkollektiven Erweitertes Condition Monitoring Modell Kombination der symptomorientierten Zustandsbewertung mit einem lastbasierten Lebensdauermodell Lastermittlung ermöglicht verlässliche Daten über die verbleibende Lebensdauer D. Tilch Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

18 CMS-gestützte Zustandsüberwachung zustandsorientierte der nächsten Wartung Generation von WEA Verfügbarkeit erhöhen senkt die Wirtschaftlichkeit steigern Schäden vermeiden D. Tilch Bosch Rexroth AG Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

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