Condition Monitoring als Technologie zur Optimierung der Lebenszykluskosten Dipl.-Phys. Holger Fritsch Geschäftsführer der Bachmann Monitoring GmbH

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1 Condition Monitoring als Technologie zur Optimierung der Lebenszykluskosten Dipl.-Phys. Holger Fritsch Geschäftsführer der Bachmann Monitoring GmbH Dornbirn, Austria, 22. Jänner 2013

2 Agenda Lebenszykluskosten Condition Monitoring und Datenanalyse Statistische Auswertung und Darstellung der Ergebnisse Rechenmodell für die Kosten-Nutzen-Analyse Zusammenfassung und kritische Bewertung Life Time Counter (LTC) und Ausblick Bachmann Monitoring GmbH Seite 2

3 Bachmann Group weltweit Geschäft: Systemlösungen in der Automatisierungstechnik (mit mehr als Steuerungen in der Windbranche) Mitarbeiter: ca Gründung 2005 Markführer Steuerung (Wind) 1998/2011 CMS Bachmann Monitoring GmbH Seite 3

4 Fakten zur µ - Sen GmbH/ Bachmann Monitoring GmbH Gründung Juli 1998 bis Mitarbeiter 40 Sitz Technologiestandort Jena/ Rudolstadt Thüringen Zweck Entwicklung, Produktion und Vertrieb intelligenter Sensoren Systeme und Lösungen für die zustandsorientierte Wartung Aktuell Seit 2011 Bachmann Monitoring GmbH (BAM) Vom Sensor bis zum CM-System Die Bachmann überwacht aktuell ca WEA Der Leistungsbereich: 600 kw 5 MW (akkumulierte WEA-Leistung > 2 GW alle Typen renommierter WEA-Hersteller) GL zertifizierter und internetbasierter CM-Teleservice bzw. Remote Service Mit CMS ausgerüstete WEA Bachmann Monitoring GmbH Seite 4

5 Die jährlichen Gesamtkosten der Instandhaltung in Deutschland betragen ca Mrd. Lebenszykluskosten (LCC) Kosten Produktions- Konventionelle WEA anlagen Kraftwerke Investition 25 % 30% ca % Energie, Treib- 44 % 40% - Brennstoffe usw. Instandhaltung 31 % 30% ca %! Onshore-Fundament Reduzierung ungeplanter Instandhaltungskosten/OPEX (operating expenditure Profit = Windertrag - CAPEX - OPEX - ungeplante OPEX CAPEX (capital expenditures): Investition CAPEX geplante OPEX ungeplante OPEX Bachmann Monitoring GmbH Seite 5

6 Ausfallwahrscheinlichkeit vs. Stillstandszeit Triebstrang einer WEA mit Getriebe Quelle: Fraunhofer IWES (Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, 2009) Zuverlässigkeitsorientierte Instandhaltung vs. Zustandsorientierte Instandhaltungsstrategie Elektrische und elektronische Komponenten zeigen hohe Ausfallwahrscheinlichkeit mit geringen Stillstandszeiten Probleme am Antriebsstrang treten seltener auf, verursachen aber die längsten Stillstandszeiten Bachmann Monitoring GmbH Seite 6

7 Zustandsorientierte Instandhaltung mit CMS - Wesentliche Fehlerursachen Lasten bzw. Lastspitzen Unwuchten Fehlausrichtungen Servicemängel Mangelschmierung Montagefehler Verschleiß Materialfehler Konstruktive Mängel Resonanzbereiche Defekter Wälzkörper eines Hauptlagers Bachmann Monitoring GmbH Seite 7

8 Erweiterte Funktionalität von CM-Systemen Rotorblattüberwachung (mit Eisansatz) Getriebeölüberwachung (z.b. Partikelmessgrößen mit Erfassung der Betriebssituation: Öltemperatur, Leistung usw.) Unwuchtüberwachung Ausrichtung (Getriebe /Generator) Bauwerksüberwachung (z. B. Fundamentüberwachung) Belastungsmessungen für Lebensdauermodelle Ziel ist ein modulares CMS-Konzept: Zur Umsetzung der neuen CM-Funktionen auf der Basis der teils bereits vorhandenen CMS-Infrastruktur in der WEA Onshore WEA: Getriebeinspektion Bachmann Monitoring GmbH Seite 8

9 Online-Analyse aktuell mit autarken (Stand-Alone) und integrierten CM-Systemen Sensoren am Hauptlager Schematische Darstellung des WEA- Antriebsstranges mit Online-CMS und Körperschallsensoren Steuerungsintegriertes CMS Stand-Alone-CMS Bachmann Monitoring GmbH Seite 9

10 CM-Systemlösung Datenerfassung, Datenverarbeitung und Datenanalyse Bachmann Monitoring GmbH Seite 10

11 Remote CM-Teleservice Diagnosesicherheit : Mitarbeiter der CM-Servicezentrale der Bachmann Monitoring GmbH Aktuell 8 Mitarbeiter für ca WEA Mittelfristiges Ziel: Durch Verbesserung in den Algorithmen und in der Berichtserstellung wird ein Mitarbeiter > 350 Anlagen betreuen können. Bachmann Monitoring GmbH Seite 11

12 WebLog Trendanalyse Defekter Lagerinnenring CMS-Fehlermeldung Bachmann Monitoring GmbH Seite 12

13 CMS-Nutzenanalyse und statistische Auswertung Statistisch ist ca. jede 10. überwachte Anlage von einem relevanten Schaden betroffen. Durch CMS detektierte Schäden von Jahr Überwachte WEA* (nur Deutschland, ohne OEM) div. Getriebe Generator DE Generator NDE Hauptlager Σ % ,69% ,83% ,74% ,66% ,44% ,55% > 40 % der am Triebstrang detektierten Schäden betreffen das Getriebe der WEA Bachmann Monitoring GmbH Seite 13

14 Statistische Fehlerauswertung Quelle: Sebastian Dreyßig, Bachelor-Arbeit, Bachmann Monitoring, Rudolstadt 2012 Bachmann Monitoring GmbH Seite 14

15 Eingangsgrößen für das Rechenmodell der Kosten-Nutzen-Analyse Windertrag Schwingungsmessung CMS-Aufwendungen Instandsetzungsmaßnahmen Verzinsung + Inflation Erhöhung von Instandsetzungskosten auf Grund einer ungeplanten Reparatur Betrachtungszeitraum Kalkulations -modell Erhöhung der Instandsetzungszeit im worst-case-szenario gegenüber normal-case- Szenario Bachmann Monitoring GmbH Seite 15

16 Rechenmodell für die Kosten-Nutzen-Analyse Bachmann Monitoring GmbH Seite 16

17 ,00 Kostenverlauf mit und ohne CMS nach 12 Jahr(en) Beispiel: CMS-Nutzenanalyse statistische Auswertung , , , , Jahr(en) Jahr(en) Jahr(en) Jahr(en) Jahr(en) Jahr(en) Jahr(en) Jahr(en) Jahr(en) Jahr(en) Jahr(en) Jahr(en) mit CMS ohne CMS - normal case ohne CMS - worst case Großkomponente Getriebe Generator Rotorlager Austausch nach 12 Jahr(en) 8 Jahr(en) 15 Jahr(en) Quelle: Sebastian Dreyßig, Bachelor-Arbeit, Bachmann Monitoring, Rudolstadt 2012 Bachmann Monitoring GmbH Seite 17

18 Vergleich Generatorlagerschaden an einer 2 MW WEA mit und ohne CMS (nur Ertragsausfall) Mit CMS Ohne CMS Schaden Generatorlager Generatorlager Beginn Ende Ausfallzeit wegen 0 h 72 h Notstop Ertragsausfall Notstop 0 EUR (0 kwh) 2.080,- EUR ( kwh) Ausfallzeit wegen 0,5 h 3 h Überprüfung Ertragsausfall 34 EUR (380kWh) 87 EUR (963kWh) Überprüfung Ausfallzeit aufgrund 46 h (beide Lager) 25 h (A-Seite) Tausch Ertragsausfall Tausch 461 EUR (5.120 kwh) 722 EUR (8.025 kwh) Stillstandszeit Gesamt 46,5 h 100 h Ertragsausfall Gesamt (5.500 kwh) ( kwh) Generatorlager mit Pitting Und Strommarken 495 EUR 2.889,- EUR Bachmann Monitoring GmbH Seite 18

19 Praxisbeispiel - Leistungsreduktion Dauer geplante Getriebereparatur: 4 6 Wochen (2007) Dauer ungeplante Getriebereparatur: 8 14 Wochen (2007) Anlagenausfall ca. 9 Monate Leistungsreduzierter Weiterbetrieb Bachmann Monitoring GmbH Seite 19

20 Beispiel: Ertragsverlust nach Getriebetausch (Leistungsreduzierung) Leistungsreduziert nach Getriebetausch Bachmann Monitoring GmbH Seite 20

21 Zusammenfassung und kritische Bewertung Fazit: Kosten-Nutzen-Analyse spricht für Investition in Condition Monitoring Systeme Nachweis einer Abhängigkeit von WEA - Hersteller sowie WEA Typen hinsichtlich der Schadensereignisse sowie der Komponenten- Lebensdauern Steigerung der Verfügbarkeit um durchschnittlich 1,3 % nach der CMS-Installation Kritische Bewertung der Ergebnisse: größere Datenmenge für detaillierte Auswertung erforderlich inhomogene Qualität der Informationen Notwendigkeit einer einheitlichen Bauteilbezeichnung mittels RDS-PP Optimierung der Datenbanken unumgänglich Bachmann Monitoring GmbH Seite 21

22 Beispiel: Life Time Counter (LTC)

23 Beispiel: Life Time Counter (LTC) - Motivation Weiterbetrieb der WEA: Profitable Verlängerung der Betriebszeit und mögliche Optimierung der wiederkehrenden Prüfungen (Offshore) Methoden zur Überwachung der Restlebensdauer Beschleunigung am Turmkopf Dehnung am Turmfuß Focus auf Beschleunigung am Turm-Kopf Offshore WEA mit CMS von µ-sen (Copyright AREVA Multibrid/Jan Oelker 2009) Errichtung einer Onshore WEA Bachmann Monitoring GmbH Seite 23

24 Life Time Counter (LTC) Für Stahlrohrtürme Lebensphasen des Turms Errichtung spannungsfrei LTC wird manuell aktiviert Inbetriebnahme Verbindung zum Netz und zur Spannungsversorgung wird hergestellt Daten synchronisieren und übertragen Betriebsphase Kontinuierliche Aufzeichnung Überbrückung von Spannungsunterbrechung Lebenszeit des Turmes ausgelegt auf 20 Jahre Bachmann Monitoring GmbH Seite 24

25 Life Time Counter System Windturm Bachmann Monitoring GmbH Seite 25

26 Ausblick Ziel: Optimierung von Lebenszykluskosten (LCC Life Cycle Costing) Das Ergebniss der Kosten-Nutzen-Analyse spricht für Investition in Condition Monitoring Systeme Nachweis einer Abhängigkeit von WEA - Hersteller sowie WEA Typen hinsichtlich der Schadensereignisse sowie der Komponenten- Lebensdauern Steigerung der Verfügbarkeit > 1,3 % mit CMS Beispiel: Offshore Bauwerksüberwachung: Sicherstellung der Standsicherheit über den gesamten Lebenszyklus Verlängerung der Betriebsdauer Verringerung der Kosten für die wiederkehrenden Prüfungen Verringerung des Gefahrenpotentials für Leib und Leben Offshore - Integration neuer Diagnose- und Überwachungsaufgaben: Bauwerksüberwachung (Beispiel: LTC Modul) Rotorblattüberwachung Unwuchtüberwachung Belastungsmessungen für Lebensdauermodelle Bachmann Monitoring GmbH Seite 26

27 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bachmann Monitoring GmbH Weimarische Str Rudolstadt Tel: / Fax: / Bachmann Monitoring GmbH Seite 27

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