Richtlinie für die Zertifizierung von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen

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1 Richtlinie für die Zertifizierung von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen Dr.-Ing. Karl Steingröver Dipl.-Ing. Peter Dalhoff Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Windenergie Steinhöft 9, D Hamburg Tel.: Fax : karl.steingroever@gl-group.com, Internet: Einleitung Die CMS-Richtlinie der Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Windenergie (GL Wind) findet großen Anklang sowohl bei Herstellern dieser Condition Monitoring Systeme (CMS) wie auch bei Herstellern von Windenergieanlagen (WEA), die diese Systeme zusammen mit ihren WEA als Komplettlösung anbieten wollen, und den Versicherungen. GL Wind prüft und zertifiziert Condition Monitoring Systeme wie auch die Überwachungsstellen. In der 2007 veröffentlichten vollständig überarbeiteten GL-Richtlinie Guideline for the Certification of Condition Monitoring Systems for Wind Turbines sind alle in den letzten Jahren gewonnenen Erkenntnisse aus der Zertifizierung von CMS und Überwachungsstellen sowie aus Forschung und Normung zusammengefasst. Neben den auf Schwingungs- und Körperschallmessung basierenden CMS werden auch Systeme zur Überwachung weiterer WEA- Komponenten wie. z.b. Zustandsüberwachung und -erkennung der Rotorblätter, Messung und Beurteilung von Ölqualitäten etc. beschrieben. Zusätzlich sind die Anforderungen an Datenanalyse, Interpretation und Datenspeicherung sowie die Vorgehensweise bei Überschreitung von Grenzwerten, Anforderungen an die Überwachungsstelle etc. festgelegt. Hintergrund Wenn man die Entwicklung der Windenergie seit 1990 betrachtet, so ist ab Mitte der 90er Jahre ein sprunghafter Anstieg der installierten Anzahl von Windenergieanlagen sowie der installierten Leistung festzustellen. Die durchschnittlich installierte Leistung einer Anlage betrug 1995 ca. 500 kw. Heute durchlaufen die ersten Anlagen mit einer Leistung von bis zu 5 MW die Prototypentestphase. Zusammen mit Anlagengröße und -leistung hat sich auch die Belastung auf die einzelnen Anlagenkomponenten erhöht. In Bezug auf Investitions- und Betriebskosten ist für den WEA- Betreiber ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlagen zwingend erforderlich, d.h. es gilt die Stillstandszeiten der Anlagen auf ein Minimum zu reduzieren. Es werden von den Betreibern und Windenergieanlagenherstellern Verfügbarkeiten über 97% angestrebt und entsprechend vertraglich festgeschrieben und garantiert. Für Offshore-WEA sind diese Zuverlässigkeiten im Schnitt wie bei Onshore-WEA erforderlich, obwohl die schlechte Zugänglichkeit im

2 Seite 2 Offshore-Bereich erhebliche Ausfallzeiten bei größeren Reparaturen erwarten lässt. Um dieser Forderung nach Minimierung der Stillstandszeiten nachzukommen, auftretende Schäden vorherzusagen und lokal zu begrenzen und somit Folgeschäden an anderen Bauteilen zu verhindern und die notwendigen wartungsbedingten Anlagenabschaltungen zu planen, ist es erforderlich, eine kontinuierliche Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) der Windenergieanlage vorzunehmen. Dieses kann durch ein Condition Monitoring System realisiert werden. Condition Monitoring System Durch ein CMS ist es möglich, die relevanten Zustandsänderungen der überwachten Anlagenkomponenten, die die Abweichungen vom normalen Betriebsverhalten darstellen und zu deren frühzeitigen Ausfall führen können, zu erkennen. Das CMS erstreckt sich über die Schwingungs- und Körperschallmessung an den Triebstrangkomponenten wie z.b. Hauptlager, Getriebeverzahnung und -lager, am Generator und am Turm kombiniert mit der Erfassung von Betriebsparametern wie z.b. Leistung, Drehzahl, Öl- und Lagertemperaturen. Auf Grundlage der erfassten Daten erfolgt ein Vergleich mit den festgelegten Grenzwerten des jeweiligen Bauteils. Stellt das CMS eine Überschreitung eines Grenzwertes fest, so wird automatisch eine Alarmmeldung (z.b. per SMS, ) an die zuständige Überwachungsstelle abgegeben. Hier erfolgt dann eine Auswertung der Messwerte, um entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Diese Systeme haben sich in anderen Industriebereichen (z.b. Kraftwerkstechnik, Walzwerk) schon erfolgreich bewährt und gehören dort zur Grundausstattung der zu überwachenden Maschinen bzw. Bauteile. Nicht zuletzt auf Druck der Versicherungen werden in der Windenergiebranche die Anlagen mit Condition Monitoring Systemen ausgerüstet. Es gibt hier bereits etliche Anbieter, die ihre Systeme in Windenergieanlagen im Einsatz haben. Richtlinie für die Zertifizierung von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen Die Richtlinie von GL Wind fasst den Stand der Technik zusammen und gibt der Branche die wichtigsten Randbedingungen zur Entwicklung, Installation und Betrieb dieser Systeme an die Hand. Bei der Richtlinienerstellung stand GL Wind in Kontakt mit Windparkbetreibern, die verschiedene Systeme im Einsatz haben, Herstellern von Windenergieanlagen bzw. Condition Monitoring Systemen und der Versicherungsbranche. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine breite Basis an der Richtlinienerstellung mitwirkt und diese mit trägt - Gewährleistung der größtmöglichen Neutralität und Akzeptanz -, so dass die Richtlinie entsprechend zur Anwendung kommt.

3 Seite 3 In der CMS-Richtlinie werden neben der Darstellung des Zertifizierungsumfanges u.a. auch die Anforderungen an a) das Condition Monitoring System b) den WEA-Hersteller c) die zuständige Überwachungsstelle d) die einzureichenden Unterlagen e) den Systemtest f) die Re-Zertifizierung des CMS und der Überwachungsstelle festgeschrieben. In Abb. 1 ist die Gliederung der Zertifizierung dargestellt. Abb. 1: Gliederung der Zertifizierung eines CMS Nachfolgend werden die Anforderungen an die o.g. Punkte a) - c) auszugsweise benannt. Eine detailliertere Ausführung ist der CMS-Richtlinie von GL Wind zu entnehmen.

4 Seite 4 a) Condition Monitoring System: - Das CMS ersetzt nicht die festgesetzten Anlagenwartungen und -inspektionen. - Das CMS ist kein Ersatz für fest verdrahtete Sicherheitssysteme und muss getrennt von Sicherheits- und Betriebssystem operieren. - Das CMS ist vor dem unautorisierten Zugriff Dritter zu schützen. - Es ist eine einfache und eindeutige Bedienweise des CMS vorzusehen. - Das CMS muss über ein integriertes Diagnosesystem (Watchdog) verfügen. - Es muss ein Einsatz des CMS auch unter extremen Umgebungsbedingungen (z.b. Offshore) möglich sein. - Es sind mindestens Hauptlager (Abb. 2), Hauptgetriebe (Abb. 3), Generator (Abb. 4) sowie Gondel mit Turm mittels CMS zu überwachen. Auf den nachfolgenden Abbildungen werden einige Beispiele für die Anbindung der Sensoren an verschiedenen Anlagenkomponenten gegeben. Abb. 2: Sensor am Hauptlager. Der Sensor (Pfeil) soll Schäden erfassen, die durch die langsam drehende Welle hervorgerufen werden. Die Lagerschwingungen, die entstehen können, liegen im niederfrequenten Bereich unter 10 Hz. Abb. 3: Sensor (Pfeil) an der schnelllaufenden Getriebeabtriebsstufe Abb. 4: Sensor zur Generatorlagerüberwachung

5 Seite 5 - Es werden für die Überwachung von Hauptlager, Hauptgetriebe und Generator mindestens sechs Beschleunigungssensoren mit einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 10 khz und für Gondel mit Turm je einen Beschleunigungssensor in axialer Richtung (in Windrichtung) sowie quer dazu mit einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 100 Hz benötigt. - Die Sensoren sind entweder anzuschrauben oder mit einem keramischen Kleber anzukleben. Abb. 5 zeigt die Ankopplung eines Sensors durch Klebung. Abb. 5: Ankopplung des Sensors. Die Ankopplung erfolgt mittels Klebung einer Adapterplatte an das Bauteil. - Weiterhin sind folgende Betriebsparameter soweit zutreffend und erforderlich aufzunehmen: - Windrichtung - Außenlufttemperatur - Gondeltemperatur - Lagertemperaturen - Generatorwicklungstemperatur - Öltemperaturen und -drücke - Meldungen zu Steuereingriffen (z.b. aktive Windrichtungsnachführung) - Es sind mindestens acht schnelle Eingangskanäle mit einer Abtastrate von > 20 khz pro Kanal erforderlich sowie eine ausreichende Kanalanzahl zur Aufnahme der Betriebsparameter. Die Kanalanzahl sollte erweiterbar sein. - Es sind die zustandsbedingten von den normalen betriebsbedingten Messwerten zu trennen. - Für die Analyse von Wälzlagern sind Hüllkurvenspektren (HKS), frequenzselektierte

6 Seite 6 Kennwerte aus dem HKS sowie breitbandige Kennwerte zu benutzen. Für die Auswertung der Messwerte der Verzahnungen sind neben HKS auch Amplitudenspektren sowie frequenzselektierte Kennwerte aus diesen heranzuziehen. Bei den Gondel-, Turm- bzw. sonstigen Maschinenschwingungen sind breitbandige Kennwerte, Amplitudenspektren sowie frequenzselektierte Kennwerte aus diesen zu berücksichtigen. - Drehzahlschwankungen sind durch geeignete Verfahren (z.b. Ordnungsanalyse) zu berücksichtigen. - Bei der Datenmittelung ist darauf zu achten, dass aussagekräftige Daten für die Interpretation nicht verloren gehen. - Grenzwertüberschreitungen sind vom CMS automatisch und unmittelbar als Alarm an die Überwachungsstelle zu übermitteln. - Für eine aussagefähige Trendanalyse werden mindestens die Messdaten von einem Jahr benötigt. - Berechnete Kennwerte und Spektren sind unabhängig von einer Grenzwertüberschreitung zu speichern. Es ist eine dauerhafte Speicherung einer Mindestanzahl von Datensätzen vorzusehen. Hierfür ist ein geeignetes Speicherkonzept vorzusehen. - Für die Diagnose sind geeignete Hilfsmittel bereitzustellen, die u.a. einen Fernzugriff auf die Messdaten ermöglichen sowie eine Menüführung zum Ort der Grenzwertüberschreitung anbieten und Unterstützung bei der Zuordnung der Schadensfrequenzen liefern. b) Anforderungen an den WEA Hersteller: - Es ist eine detaillierte technische Dokumentation der WEA an die Überwachungsstelle zu liefern. Dies bezieht sich zum einen auf allgemeine Daten der Windenergieanlage (z.b. Bauart, Anzahl der Rotorblätter, Drehzahlen) und zum anderen auf spezielle Informationen mit genauen Angaben zu den einzelnen Anlagenkomponenten, wie z.b. Getriebe (z.b. Bauart des Getriebes, Zahneingriffsfrequenz, Bezeichnung sämtlicher Lager), Hauptlager, relevante Eigen- und Erregerfrequenzen. - Der WEA-Hersteller ist für die Vorbereitung der Messpositionen verantwortlich. Unter Umständen kann es erforderlich werden, Erprobungsmessungen vorzunehmen, um eine optimale Position für die Messaufnehmer zu finden. - Es sind alle Signale von den benötigten Betriebsmessgrößen (z.b. Drehzahl, Leistung, Öltemperatur) zur Verfügung zu stellen, die für das CMS erforderlich sind. - Beim Austausch von überwachten Komponenten der WEA sind der Überwachungsstelle die notwendigen Komponentenangaben zu übermitteln.

7 Seite 7 c) Anforderungen an die Überwachungsstelle: - Das CMS bedingt eine kontinuierliche qualifizierte Betreuung, um z.b. eine Anpassung der Grenzwerte nach Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten vorzunehmen. - Es müssen gute Kenntnisse der zu überwachenden WEA vorliegen, sowie eine detaillierte Dokumentation der zu überwachenden Anlagenkomponenten. - Bei der Interpretation der Messergebnisse und der Anpassung der Grenzwerte sind die Erfahrungen der tatsächlichen Bauteillebensdauer einzubeziehen. - Grenzwertüberschreitungen sowie alle am CMS einer WEA vorgenommenen Einstellungen sind nachvollziehbar zu dokumentieren und für die Lebensdauer der Anlage nachweisbar zu archivieren. - Es ist eine schriftliche Verfahrensweise und eine Regelung der Verantwortlichkeit festzulegen, mit der die Überwachungsstelle auf den Eingang von Alarmmeldungen, die z.b. aus Grenzwertüberschreitungen resultieren, reagiert. - Es ist eine allgemeine schriftliche Beschreibung für die Vorgehensweise für die Überwachung der WEA zu erstellen. - Zur Interpretation der eingegangenen Alarmmeldung müssen ausreichende Fach- und Anlagenkenntnisse vorliegen und für die Interpretation der Messdaten sind Experten hinzuzuziehen. - Es sind für die Interpretation der Messwerte und für die Schulung der Experten entsprechende Verfahrensweisen festzulegen. - Die Experten müssen in der Lage sein, die zustandsbedingten von den betriebsbedingten normalen Messwerten zu unterscheiden und entsprechend zu interpretieren, um geeignete Maßnahmen einzuleiten. - Dem Betreiber der WEA ist Einsicht in die Messdaten des CMS zu gewähren. Er ist periodisch über eingegangene Alarmmeldungen und die daraus resultierenden Maßnahmen, dem Ausmaß der Alarmmeldungen nach auch ggf. unmittelbar, zu unterrichten. Auf Anfrage ist ihm Auskunft über den derzeitigen Zustand der WEA sowie über die gemachten Einstellungen zu geben. GL Wind prüft und zertifiziert anhand dieser Richtlinie die Condition Monitoring Systeme. Es ist auch möglich, die zuständigen Überwachungsstellen, die für die Auswertung und Interpretation der Messergebnisse verantwortlich sind, zu zertifizieren und in Abständen eine Auditierung vorzunehmen. Es muss überprüfbar dargelegt und erklärt werden, wie die Grenzwerte ermittelt und warum sie in dieser Form gewählt wurden. Hiermit wird sichergestellt, dass die Auswertung und Interpretation der komplexen CMS-Daten mit ausreichender Qualifikation erfolgt.

8 Seite 8 GL Wind hat im Rahmen einer WEA-Zertifizierung die technischen Dokumente der Anlage vorliegen, so dass sich in diesem Zusammenhang auch eine Zertifizierung des CMS anbietet. Es ist also nicht erforderlich die notwendigen Dokumente an Dritte weiterzugeben. Der WEA-Hersteller erhält die Zertifizierung des CMS zusammen mit der Anlagenzertifizierung. Es ist aber auch möglich für bereits in Betrieb befindliche Windenergieanlagen, bei denen ein CMS nachgerüstet werden soll, eine entsprechende Prüfung vorzunehmen. Ziel ist eine versicherungsneutrale Zertifizierung, die von allen Versicherern anerkannt wird. Zusammenfassung Die in diesem Artikel beschriebene Richtlinie stellt die Anforderungen für die Zertifizierung von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen dar. Sie bildet die Grundlage für die Entwicklung und Installation von CMS in Windenergieanlagen und regelt darüber hinaus auch die Verwendung der Messwerte, wie z.b. Auswertung, Interpretation und Speicherung, sowie die Handlungsabläufe beim Überschreiten von festgelegten Grenzwerten. Zertifizierer, Hersteller und Betreiber von Condition Monitoring Systemen bzw. Windenergieanlagen und Versicherungen können somit auf ein Dokument zugreifen, dass für alle Beteiligten die relevanten Kriterien für Condition Monitoring Systeme in Windenergieanlagen zusammenfasst. Die CMS-Richtlinie wie auch andere von GL Wind herausgebrachte Richtlinien können unter oder unter der oben angegebenen Adresse bestellt werden. Bei der Erstellung der CMS-Richtlinie hat GL Wind die Anforderungen an Condition Monitoring Systeme für Windenergieanlagen der Allianz Zentrum für Technik GmbH [3] integriert sowie auch die Anforderungen der Gothaer Versicherung berücksichtigt, welche zusammen mit dem Bundesverband WindEnergie (BWE) ein entsprechendes Dokument erstellt hat [4]. Literatur [1] Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Windenergie: Richtlinie für die Zertifizierung von Windenergieanlagen (Ausgabe 2003) [2] Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Windenergie: Regulation for the Certification of Offshore Wind Energy Conversion Systems (Edition 2005) [3] Allianz Zentrum für Technik GmbH: Anforderungen an Condition Monitoring Systeme für Windenergieanlagen; Bericht Nr.: , ; [4] Bundesverband WindEnergie e.v.: Grundsätze für die Prüfung zur zustandsorientierten Instandhaltung von Windenergieanlagen; Stand: Februar 2003