mit kompetenten Überwachungsstellen

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1 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen 209 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen mit kompetenten Überwachungsstellen Dr.-Ing. Jörg Deckers (VDI) Dr. rer. nat. Edwin Becker (VDI) Flender Service GmbH Kurzfassung Der vorliegende Vortrag beschäftigt sich mit dem Aufbau von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen, Betriebserfahrungen sowie dem Aufbau und den Aufgaben der Telediagnosezentrale. Nach der Erläuterung der technischen Umfänge der Messdatenerfassung sowie der Voraussetzungen zum Betrieb der Überwachungsstelle befasst sich ein weiteres Kapitel beispielhaft mit der Installation sowie der hard- und softwaremäßigen Inbetriebnahme des CM- Systems. Kern des Vortrages ist eine Einführung in die Tätigkeiten der Telediagnosezentrale. Nach der Definition der technischen und personellen Voraussetzungen werden die Aufgaben der Überwachungsstelle anhand typischer Überwachungs- und Diagnoseabläufe beleuchtet. Abstract The paper at hand deals with the structure of condition monitoring systems for wind energy plants, operational experiences as well as the structure and the tasks of the Telediagnosis Center. In the introductory chapter the technical ranges of the measurement data recording as well as the conditions for the work of the Monitoring Center are described. A further chapter is concerned exemplarily with the installation as well as hard and software related start-up of the CM system. Core of the paper is an introduction to the activities of the Telediagnosis Center. According to the definition of the technical and personnel conditions the tasks of the supervisory body are lit up on the basis typical monitoring and diagnostic expirations.

2 210 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen 1 Einleitung Betreiber von Windenergieanlagen (WEA) haben derzeit nicht nur Freude, wenn Sie auf die Betriebsergebnisse ihrer Windparks blicken. Neben Ertragsausfällen durch mangelnden Wind kommt es gelegentlich zu ungeplanten Betriebsunterbrechungen aufgrund von Schäden am Triebstrang oder an den Rotorblättern. Fast immer resultiert hieraus noch ein Versicherungsfall, den der Anlagenversicherer meist zur Kündigung des Vertrages nutzt. Kommt dann noch die Rechnung für den Kran, ist bei allen Beteiligten die gute Laune dahin und Ertrag geht verloren. Bild 1: 250 t Kran im Einsatz in einem Windpark Die Methode der zustandsorientierten Instandhaltung auf Basis von schwingungsbasiertem Condition Monitoring kann zumindest die beginnenden Triebstrangschäden frühzeitig aufdecken. Aufgrund dieser Kenntnis sowie den Anforderungen der Anlagenversicherer steigt die Anfrage nach Condition Monitoring Systemen (CMS) für WEA spürbar. Derzeit werden eine Vielzahl von Windenergieanlagen mit schwingungsbasierten online Condition Monitoring Systemen ausgerüstet, die in der Regel von hochqualifizierten Diagnoseexperten in Betrieb genommen, parametriert und überwacht werden müssen. Zusammengefasst ergeben sich durch den Einsatz von CM-Systemen die folgenden Vorteile: Früherkennung von Fehlern im Antriebsstrang oder Tragwerk Vermeidung ungeplanter Stillstände, Verfügbarkeitserhöhung Reduzierung der Kosten für Reserveteilbevorratung Verringerung von Instandsetzungs- und Produktionsausfallkosten Sicherung der Produktionsstabilität Das Condition Monitoring Center der Flender Service GmbH vertreibt neben dem AddiControl zur Ölzustandsanalyse und anderen Condition Monitoring Produkten das vom Allianz Zentrum für Technik GmbH abgenommene CM- System WinTControl, welches in einer Vielzahl von Installationen an WEA unterschiedlicher Hersteller weltweit erfolgreich betrieben wird.

3 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen Aufbau und Funktion des CMS Condition Monitoring basiert auf der messtechnischen Erfassung des aktuellen Zustandes der Komponenten eines Triebsstranges und dem Vergleich mit Referenzmessungen, welche einen "Gut-Zustand" repräsentieren. Bei rotierenden Antrieben wie den Triebsträngen von Windenergieanlagen wird als Messsignal in der Regel die Körperschallschwingung herangezogen, da diese einerseits mit relativ kostengünstigen Sensoren sicher und reproduzierbar zu erfassen ist und sich andererseits entstehende Zustandsverschlechterungen durch deutliche Abweichungen im Schwingungsverhalten äußern. Getriebe, Generatoren, Verzahnungen, Wälzlager, Rotoren und E- Technikkomponenten haben typische und signifikante Schwingungsbilder und Schädigungsmerkmale im Frequenzspektrum, welche bei Messung unter vergleichbaren Betriebsbedingungen eine einfache Beurteilung der Zustandsveränderung erlauben. Zur messtechnischen Erfassung kommen mindestens die in Bild 2 dargestellten Sensoren und Messpunkte zum Einsatz. (A_2) Positionen in Klammern nur bei 7. Beschleunigungssensor A_1 1 (A_2) A_3 N_ A_5 A_6 3 A2, (A_7) 2 A_4 4 Kanzel, Nacelle Turm 2.1 Analyseverfahren Bild 2: Position der Messstellen Die grundlegende Analysemethode ist die Frequenzanalyse auf Basis der Fourier-Transformation. Aufbauend auf diesem Verfahren existieren eine Reihe weiterer Analyseverfahren, wie z.b. die Hüllkurvenanalyse oder die Cepstrumanalyse, welche den Informationsgehalt des gemessenen Schwingungssignals verdichten und die Signifikanz der daraus generierten Zustandsmerkmale erhöhen. Momentan am Markt befindliche Condition Monitoring Systeme (CMS) wie beispielsweise das WinTControl der Flender Service GmbH beherrschen diese Analyseverfahren. Um Störungen bei der Signalübertragung und unnötigen Da-

4 212 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen Bild 3: Im Schaltschrank installierter WinTControl tentraffic zu vermeiden, wird hierbei die Signalanalyse bereits vor Ort in der Gondel durch den WinTControl durchgeführt, Bild 3. Die gemessenen Daten werden täglich automatisch per s an einen sicheren Datenserver versendet, damit im Falle eines Schadens alle Daten unmittelbar verfügbar sind. Des Weiteren wird unmittelbar nach der Signalanalyse ein automatischer Grenzwertvergleich in charakteristischen Frequenzbereichen durchgeführt. Die Grenzwerte für Warnung oder Alarm werden hierbei nach technisch sinnvollen Gesichtspunkten, nach Erfahrung und auf Basis statistischer Methoden voreingestellt. Wird ein voreingestellter Grenzwert aufgrund eines Schwingungsanstieges in einem Frequenzbereich überschritten, wird durch das WinTControl -System automatisch eine Warn- oder Alarm- generiert und über eine Internetverbindung an den Überwachungsverantwortlichen versendet. 2.2 Besonderheit bei drehzahlvariablen WEA Bei Multimegawattanlagen, wie sie insbesondere bei Offshore Anwendungen eingesetzt werden, zeigt sich, dass die Anlagenhersteller zur Steigerung der Effizienz die WEA immer drehzahldynamischer auslegen und somit jede Änderung der Windgeschwindigkeit eine Änderung der Rotordrehzahl zur Folge hat. Erreicht werden zwischenzeitlich sogar Drehzahlvariabilitäten bis zu 60% der Maximaldrehzahl, was auch die gemessenen Schwingungsspektren beträchtlich beeinflusst. Dazu kommen noch dynamische Einflüsse aus den Windlasten, dynamische Belastungen z.b. infolge von Schräganströmung und die generatorseitig wirkenden Belastungen aus der Umrichterregelung.

5 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen 213 Drehzahl in U/min Windgeschw. in m/s Leistung in kw Bild 4: Beispielhafter Zeitplot der Generatorleistung, der Generatordrehzahl und der Windgeschwindigkeit einer drehzahlveränderlichen WEA Beispielhaft zeigt Bild 4 die Betriebskennwerte Generatorleistung, Generatordrehzahl und Windgeschwindigkeit für eine drehzahlveränderliche Windenergieanlage über einen Zeitraum von 4 Tagen. Die Drehzahl (rote Kurve) variiert in diesem Beispiel zwischen 1000 U/min und 1800 U/min. Kurzzeitig wurden 1400 kw Generatorleistung produziert (blaue Kurve). Die Windgeschwindigkeit betrug während dieser vier Tage zwischen 3 und 13 m/s. Drehzahl und durchgesetzte Leistung beeinflussen Schwingungen in Antriebselementen sehr stark. Die Folge ist, dass beim Condition Monitoring durch die benötigten langen Messzeiten die Peaks in den Frequenzspektren verschmieren und auch die Amplitudenverhältnisse arbeitspunktabhängig ändern, wodurch wertvolle Diagnoseinformationen verloren gehen. Abhilfe schafft die Messung in vorgegeben Betriebsklassen. So werden ständig Messungen durchgeführt, die Ergebnisse werden aber nur in Betriebsklassen in Abhängigkeit von der Drehzahl, der Leistung oder Windgeschwindigkeit miteinander verglichen. In den jeweiligen Klassen gelten dann auch unterschiedliche Grenzwertsätze, so dass die leistungsabhängigen Amplitudenunterschiede berücksichtigt werden. Die Problematik der verschmierten Frequenzspektren wird durch die Anwendung der so genannten Ordnungsanalyse gelöst, / 2 /. Hierbei werden die Messwerte nicht zeitbezogen sondern drehwinkelbezogen abgetastet. Auf die auf diese Art gemessenen Amplituden-Drehwinkelsignale wird dann wieder die FFT angewendet.

6 214 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen 3 Aufgaben der Telediagnosezentrale Eine zertifizierte Condition Monitoring Hardware bedeutet aber nicht gleichzeitig eine zuverlässige Fehlerdiagnose. Das Ergebnis steht und fällt mit der richtigen Installation, Parametrierung und Betreuung der Online-CMS, sowie der schnellen und richtigen Reaktion auf gemeldete Zustandsveränderungen durch den CM-Spezialisten und das Instandhaltungs-personal. Mit dem Flender Service Condition Monitoring Center (CMC) existiert eine moderne Überwachungsstelle für Teleservice und Telediagnosen von Anlagen unterschiedlichster Branchen. Bild 5: Diagnostiker bei der routinemäßigen Analyse von Messdaten WEA Überwachungsstellen können durch den Germanischen Lloyd Windenergie zertifiziert werden. Neben der technischen Ausrüstung wird dabei auch die Kompetenz des Diagnosepersonals überprüft. Das Personal muss namentlich benannt werden und nachweislich vertiefte Kenntnisse der Maschinendiagnose von WEA besitzen. Die Behandlung von Alarmen und Warnungen sowie sämtliche Verfahrensweisen zur Überwachung der Anlagen müssen schriftlich dokumentiert werden. Wesentlicher Informationskanal für die Anlagenüberwachung ist das Internet, da sich WinTControl und AddiControl auf Internet Sprachen und Protokolle wie HTML, Java, SMPT, TCP/IP stützen. Bild 6 zeigt die Vernetzung und Informationsschnittstellen. Auch Telefon und Fax gehören zum täglichen Kommunikationsmedium, da ein enger Kundenkontakt bei der schnellen Problemlösung wichtig ist.

7 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen 215 Feld Service Anlagenbauer Firewall System Internet Dienste Betriebsführungsgesellschaft Bediener Service Internet Service Provider (ISP) Versicherung + Experten FLENDER SERVICE Condition Monitoring Center Mail Server Router / Modem Mail Server Datenbank Server Bild 6: Vernetzung und Informationsschnittstellen Die durch das CMS gesammelten Zustandsdaten werden täglich via zum Datenserver der Telediagnosezentrale gesendet, Bild 7. Bild 7: Telediagnosedaten im Service-Postfach Für die - und Datenserver muss eine ausreichend hohe Netzwerkbandbreite sowie Speicherplatz vorhanden sein, da aufgrund der hohen Anzahl überwachter Anlagen ein zum Teil erhebliches Datenaufkommen verarbeitet werden muss. Die eigentliche Tätigkeit der Diagnoseexperten wird anhand des nachfolgenden Beispiels einer Überwachungsaufgabe ab Beginn der Hardwareinstallation nachgezeichnet:

8 216 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen 1. Auf der Windenergieanlage wird die Hardware an das Stromnetz sowie die Kommunikationseinrichtungen angeschlossen. Bereits vor Ort auf der WEA sind gemäß Inbetriebnahmeanleitung Anlagendaten und Parameter einzugeben. Die Internet Kommunikation ist herzustellen und zu testen. 2. Nach erfolgter Hardware-Inbetriebnahme wird das System von der Telediagnosezentrale aus softwaremäßig in Betrieb genommen. Hierzu wird eine Datenbank erstellt und die Triebstrang- und Anlagenkonfiguration aufgebaut und Kundendaten eingeben. Gemäß den Kinematikdaten werden die kinematischen Frequenzen errechnet, die notwendigen Messsetups ausgewählt sowie die frequenzselektiven Überwachungsbänder definiert, Bild 8. Die Grenzwerte werden nach technologisch sinnvollen Werten sowie Erfahrungswerten voreingestellt. Basis hierfür ist eine sehr genaue Kenntnis des zu überwachenden Windenergieanlagentyps und dessen Besonderheiten. Bild 8: Programmierung, Visualisierung und Analyse mit der Software Omnitrend 3. Im Verlauf der 3-monatigen Inbetriebnahmephase werden Messdaten erfasst und von den Diagnoseexperten regelmäßig analysiert. Es findet eine Zustandsbeurteilung der Anlagenteile statt, um den Referenzzustand zu definieren. Ist der Laufzustand des Triebstranges in Ordnung, werden auf Basis der Messergebnisse die Grenzwerteinstellungen angepasst. Hierbei kommen statistische und empirische Methoden zum Einsatz. Wird bereits in

9 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen 217 der Inbetriebnahmephase ein Fehler im Triebstrang diagnostiziert, so wird dieser nach Möglichkeit behoben oder die Überwachungstiefe für diesen Fehler erhöht. 4. Die Aufgaben im Rahmen der normalen Überwachungstätigkeit reduzieren sich auf regelmäßige Kontrolle der Funktionstüchtigkeit der automatischen Messung und Datenkommunikation. Bleiben die regelmäßigen Life- s aufgrund von Stromausfall, Kommunikationsstörung oder sonstigen Fehlern aus, wird automatisch eine Alarmierung per an den Telediagnoseverantwortlichen durchgeführt. Bei Unterbrechung einer Sensorverbindung oder Kurzschluss setzt das WinTControl -System eine Alarmmeldung an die Telediagnosezentrale ab. 5. In mit dem Kunden vereinbarten regelmäßigen Abständen werden Reports angefertigt, in denen über den Anlagenzustand berichtet wird. Eine Reaktion erfolgt auf eingehende Alarm- oder Warnmeldungen, anderweitige erkannte Störungen oder auf Kundenanfrage. 6. Da Alarm- s einen kritischen Zustand beschreiben können, muss die Abarbeitung und Diagnose innerhalb kürzester Zeit erfolgen. Dazu werden die Diagnosedaten direkt nach Eingang der Meldung gesichtet und beurteilt. Aufgrund der Komplexität der überwachten Anlagen ist hierbei fundiertes Expertenwissen erforderlich. Die Analyse- und Diagnoseergebnisse werden in einem Kurzbericht im Telediagnose-Logbuch und in der Anlagendatenbank abgelegt. Bei betriebskritischen Veränderungen wird nach Rücksprache mit dem Fachvorgesetzten Kontakt mit dem Betreiber der Anlage aufgenommen und über Art und vermutetes Ausmaß des Schadens unterrichtet. Da Warn- s keinen kritischen Getriebezustand beschreiben, kann die Abarbeitung bei der täglichen Routineprüfung erfolgen. 7. Zur Analyse des Fehlers nach Alarmauslösung können alle zur Verfügung stehenden Messdaten herangezogen werden. Ist eine kinematische Frequenz angewachsen, so kann der Trendverlauf dieses Peaks über die historischen Messdaten berechnet und dargestellt werden. In der Regel sind auf diese Art Defekte an den Maschinenelementen schnell zu diagnostizieren, wie das Beispiel eines diagnostizierten Hohlradschadens gemäß Bild 9 zeigt. Ist der Fehler nicht auf bekannte kinematische Frequenzen zurückzuführen, so ist auf Basis der Anlagenkonfiguration nach anderen Ursachen zu suchen (Eigenschwingung, Nebenaggregate usw.). Falls erforderlich, können zusätzliche manuelle Messungen ausgelöst werden.

10 218 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen Bild 9: Hüllkurvenspektrum eines Hohlradschadens Bild 10: Trendanalyse des Zeitlichen Verlaufes des Hohlradschadens 8. Nach erfolgter Diagnose wird dem Kunden das Diagnoseergebnis vorgestellt. In enger Zusammenarbeit mit dem Kunden werden Abhilfemaßnahmen (Instandsetzung, Wartung) vorgeschlagen und diskutiert. Nach Möglichkeit wird die zu erwartende Schädigungsentwicklung in die Betrachtungen einbezogen. 9. Nach Durchführung der Instandsetzungsmaßnahme ist die Überwachungsstelle zu informieren. Diese kontrolliert den Erfolg der Maßnahmen und passt die Grenzewerte auf die neuen Randbedingungen an. Alle Maßnahmen und Änderungen werden dokumentiert und im folgenden Telediagnosebericht erläutert.

11 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen 219 Wie an dem beschriebenen Ablauf zu erkennen ist, kommt der fundierten Ausbildung der Diagnoseexperten eine große Rolle zu. Der Diagnoseexperte muss die Besonderheiten der zu überwachenden Anlage kennen, um diese bei der Einstellung der Alarmgrenzwerte berücksichtigen zu können und um bei eventuell auftretenden Grenzwertüberschreitungen die zufälligen oder betriebsbedingten Grenzwertverletzungen von den schadensbedingten Alarmierungen zu trennen. Er muss weiterhin in der Lage sein, aufgrund seiner Erfahrungen die Schadensentwicklung bestmöglich zu beurteilen, sowie die zutreffenden Therapiemaßnahmen zu erarbeiten. 4 Zusammenfassung Im vorliegenden Bericht wurden die technischen Voraussetzungen für den gewinnbringenden Betrieb von Überwachungssystemen zur Triebstrangüberwachung erläutert. Ein weiterer Abschnitt beschäftigte sich mit den Tätigkeiten der Telediagnosezentrale, wobei auf die Verfahrensweisen und Regelungen bei der Behandlung von Alarmen sowie die erforderliche Qualifikation der Diagnoseexperten eingegangen wurde. Zusammengefasst ergeben sich durch den Teleservice die folgenden Vorteile: Kurze Reaktionszeiten Qualifizierte Fehlerdiagnose Hohe Anlagenverfügbarkeit Kostenersparnis durch weltweite Online Diagnose (nicht die Experten Reisen, sondern die Messdaten) Zukünftige Entwicklungen beschäftigen sich mit der weiteren Entlastung der Diagnoseexperten durch Einbindung von Routineaufgaben in die Analyse- und Reporting-Software. Ziel ist es, weiteres Expertenwissen in die Software zu integrieren, so dass Analysen bis hin zur treffsichern Schadensdiagnose automatisch erstellt werden.

12 220 Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen 5 Literatur / 1 / Dahlhaus, N., Becker, E.: WinTControl... Diagnoseroboter für Triebstränge in Windenergieanlagen. In: Tagungsband AKIDA 2002, Aachen, 2002 / 2 / Becker,E., Dahlhaus, N.: Condition Monitoring an drehzahlvariablen Windenergieanlagen - Erfahrungen und Entwicklungen. In: Tagungsband VDI-Schwingungstagung, Magdeburg, 2003 / 3 / Leßlich, Mirko.: Experimentelle Untersuchungen zur Optimierung des Hüllkurvenalgorithmusses bei der Zustandsdiagnose von Windkraftgetrieben. Unveröffentlichte Diplomarbeit, Universität Bochum, 2001 / 4 / Becker, E., Dahlhaus, N.: Condition Monitoring mit WinTControl an drehzahlvariablen Windenergieanlagen. In: Wind Kraft Journal, 4/2003 / 5 / Allianz Zentrum für Technik: Anforderungen an Condition Monitoring Systeme für Windenergieanlagen, Bericht Nr.: , / 6 / Germanischer Lloyd WindEnergie: Richtlinie für die Zertifizierung von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen, 2003