מחקר על אבחון תקלות וניטור בריאותי של ציוד כוח רוח

Wind Power Network News: תקציר: מאמר זה סוקר את המצב הנוכחי של הפיתוח של אבחון תקלות וניטור בריאות של שלושת המרכיבים העיקריים בשרשרת ההנעה של טורבינות הרוח - להבים מרוכבים, תיבות הילוכים וגנראטורים, ומסכם את מצב המחקר הנוכחי והעיקרי היבטים של שיטת שדה זו.מסוכמים מאפייני התקלה העיקריים, צורות התקלה וקשיי האבחון של שלושת המרכיבים העיקריים של להבים מרוכבים, תיבות הילוכים וגנרטורים בציוד כוח רוח, ושיטות אבחון התקלות הקיימות ושיטות ניטור בריאות, ולבסוף סיכויים לכיוון הפיתוח של תחום זה.

0 הקדמה

הודות לביקוש הגלובלי העצום לאנרגיה נקייה ומתחדשת וההתקדמות הניכרת בטכנולוגיית ייצור ציוד אנרגיית הרוח, הקיבולת המותקנת העולמית של אנרגיית הרוח ממשיכה לעלות בהתמדה.על פי נתונים סטטיסטיים של איגוד אנרגיית הרוח העולמית (GWEC), נכון לסוף 2018, ההספק המותקן העולמי של אנרגיית הרוח הגיע ל-597 GW, מתוכם סין הפכה למדינה הראשונה עם הספק מותקן של מעל 200 GW, והגיעה ל-216 GW , המהווה יותר מ-36 מסך הקיבולת המותקנת העולמית.%, היא ממשיכה לשמור על מעמדה ככוח הרוח המוביל בעולם, והיא מדינת כוח רוח של ממש.

נכון לעכשיו, גורם חשוב המעכב את המשך הפיתוח הבריא של תעשיית כוח הרוח הוא שציוד כוח הרוח דורש עלות גבוהה יותר ליחידת תפוקת אנרגיה מאשר דלק מאובנים מסורתי.זוכה פרס נובל לפיזיקה ושר האנרגיה האמריקני לשעבר, ג'ו דיון, הצביע על הקפדנות והנחיצות של ערבות בטיחות תפעול של ציוד כוח רוח בקנה מידה גדול, ועלויות תפעול ותחזוקה גבוהות הן נושאים חשובים שיש לפתור בתחום זה [1] .ציוד כוח רוח משמש בעיקר באזורים מרוחקים או אזורים ימיים שאינם נגישים לאנשים.עם התפתחות הטכנולוגיה, ציוד כוח הרוח ממשיך להתפתח בכיוון של פיתוח בקנה מידה גדול.הקוטר של להבי כוח הרוח ממשיך לגדול, וכתוצאה מכך גדל המרחק מהקרקע לתא הנשק שבו מותקן ציוד חשוב.זה הביא קשיים גדולים לתפעול ותחזוקה של ציוד כוח רוח והעלה את עלות התחזוקה של היחידה.בשל ההבדלים בין המצב הטכני הכולל ותנאי חוות הרוח של ציוד כוח רוח במדינות מערביות מפותחות, עלויות התפעול והתחזוקה של ציוד כוח הרוח בסין ממשיכות להוות חלק גבוה מההכנסות.עבור טורבינות רוח יבשתיות עם חיי שירות של 20 שנה, עלות האחזקה ההכנסה הכוללת של חוות רוח מהווה 10%~15%;עבור חוות רוח ימיות, השיעור גבוה עד 20%~25%[2].עלות התפעול והתחזוקה הגבוהה של כוח הרוח נקבעת בעיקר על ידי אופן הפעולה והתחזוקה של ציוד כוח הרוח.כיום, רוב חוות הרוח מאמצות את שיטת התחזוקה השוטפת.אי אפשר לגלות כשלים פוטנציאליים בזמן, ותחזוקה חוזרת של ציוד שלם תגביר גם את התפעול והתחזוקה.עֲלוּת.כמו כן, לא ניתן לקבוע בזמן את מקור התקלה, וניתן לחקור אותה רק אחת לאחת במגוון אמצעים, שיביאו גם לעלויות תפעול ואחזקה אדירות.אחד הפתרונות לבעיה זו הוא לפתח מערכת ניטור בריאות מבנית (SHM) עבור טורבינות רוח כדי למנוע תאונות קטסטרופליות ולהאריך את חיי השירות של טורבינות רוח, ובכך להפחית את עלות תפוקת האנרגיה היחידה של כוח הרוח.לכן, עבור תעשיית כוח הרוח חובה לפתח מערכת SHM.

1. מצב נוכחי של מערכת ניטור ציוד כוח רוח

ישנם סוגים רבים של מבני ציוד כוח רוח, בעיקר הכוללים: טורבינות רוח אסינכרוניות עם הזנה כפולה (טורבינות רוח הפועלות במהירות משתנה עם גובה משתנה), טורבינות רוח סינכרוניות מגנטים קבועים בהנעה ישירה, וטורבינות רוח סינכרוניות בהנעה ישירה למחצה.בהשוואה לטורבינות רוח עם הנעה ישירה, טורבינות רוח אסינכרוניות עם הזנה כפולה כוללות ציוד למהירות משתנה של תיבת הילוכים.המבנה הבסיסי שלו מוצג באיור 1. סוג זה של ציוד כוח רוח מהווה יותר מ-70% מנתח השוק.לכן, מאמר זה סוקר בעיקר את אבחון התקלות וניטור הבריאות של סוג זה של ציוד כוח רוח.

איור 1 מבנה בסיסי של טורבינת רוח עם הזנה כפולה

ציוד כוח רוח פועל מסביב לשעון תחת עומסים מתחלפים מורכבים כגון משבי רוח במשך זמן רב.סביבת השירות הקשה השפיעה קשות על בטיחות הפעולה והתחזוקה של ציוד כוח רוח.העומס המתחלף פועל על להבי טורבינת הרוח ומועבר דרך המיסבים, הצירים, גלגלי השיניים, הגנרטורים ושאר הרכיבים בשרשרת ההולכה, מה שהופך את שרשרת ההילוכים מועדת ביותר לכשל במהלך השירות.נכון לעכשיו, מערכת הניטור המצוידת באופן נרחב בציוד כוח רוח היא מערכת SCADA, שיכולה לנטר את מצב ההפעלה של ציוד כוח רוח כגון זרם, מתח, חיבור לרשת ותנאים אחרים, ויש לה פונקציות כגון אזעקות ודוחות;אבל המערכת עוקבת אחר המצב הפרמטרים מוגבלים, בעיקר אותות כגון זרם, מתח, הספק וכו', ועדיין יש חוסר בפונקציות ניטור רעידות ואבחון תקלות עבור רכיבי מפתח [3-5].מדינות זרות, במיוחד מדינות מערביות מפותחות, פיתחו זה מכבר ציוד ניטור מצב ותוכנת ניתוח במיוחד עבור ציוד כוח רוח.למרות שטכנולוגיית ניטור הרעידות המקומית התחילה מאוחר, מונעת על ידי הביקוש העצום של שוק הרוח לתפעול מרחוק ותחזוקה, הפיתוח של מערכות ניטור ביתיות נכנס גם הוא לשלב של התפתחות מהירה.אבחון תקלות מושכל והגנת אזהרה מוקדמת של ציוד אנרגיית רוח יכולים להפחית את העלות ולהגדיל את היעילות של תפעול ותחזוקה של אנרגיית הרוח, וקיבלו קונצנזוס בתעשיית כוח הרוח.

2. מאפייני תקלה עיקריים של ציוד כוח רוח

ציוד כוח רוח הוא מערכת אלקטרו-מכנית מורכבת המורכבת מרוטורים (להבים, רכזות, מערכות שיפוע וכו'), מיסבים, צירים ראשיים, תיבות הילוכים, גנרטורים, מגדלים, מערכות פיהוק, חיישנים וכו'. כל רכיב של טורבינת רוח נתון עומסים מתחלפים במהלך השירות.ככל שזמן השירות גדל, סוגים שונים של נזקים או כשלים הם בלתי נמנעים.

איור 2 יחס עלות התיקון של כל רכיב של ציוד כוח רוח

איור 3 יחס זמני ההשבתה של רכיבים שונים של ציוד כוח רוח

ניתן לראות מאיור 2 ואיור 3 [6] שזמן ההשבתה שנגרם על ידי להבים, תיבות הילוכים וגנרטורים היוו יותר מ-87% מזמן ההשבתה הבלתי מתוכנן הכולל, ועלויות התחזוקה היוו יותר מ-3 מסך עלויות התחזוקה./4.לכן, בניטור המצב, אבחון תקלות וניהול בריאות של טורבינות רוח, להבים, תיבות הילוכים וגנרטורים הם שלושת המרכיבים העיקריים שיש לשים אליהם לב.הוועדה המקצועית לאנרגיית רוח של החברה הסינית לאנרגיה מתחדשת ציינה בסקר משנת 2012 על איכות הפעולה של ציוד כוח רוח לאומי[6] שסוגי הכשל של להבי כוח הרוח כוללים בעיקר סדקים, פגיעות ברק, שבירה וכו'. הגורמים לכשל כוללים עיצוב, גורמים עצמיים וגורמים חיצוניים בשלבי ההקדמה והשירות של ייצור, ייצור ותחבורה.התפקיד העיקרי של תיבת ההילוכים הוא להשתמש ביציבות באנרגיית רוח במהירות נמוכה לייצור חשמל ולהגביר את מהירות הציר.במהלך פעולת טורבינת הרוח, תיבת ההילוכים חשופה יותר לכשל עקב ההשפעות של מתח ועומס פגיעה לסירוגין [7].תקלות נפוצות של תיבות הילוכים כוללות תקלות גיר ותקלות מיסבים.תקלות בתיבת ההילוכים נובעות בעיקר ממיסבים.מיסבים הם מרכיב מרכזי בתיבת ההילוכים, וכישלון שלהם גורם פעמים רבות לנזק קטסטרופלי לתיבת ההילוכים.כשלים במסבים כוללים בעיקר קילוף עייפות, בלאי, שבר, הדבקה, נזק לכלוב וכו' [8], ביניהם קילוף עייפות ובלאי הם שתי צורות הכשל הנפוצות ביותר של מיסבים מתגלגלים.כשלי ההילוכים הנפוצים ביותר כוללים בלאי, עייפות פני השטח, שבירה ושבירה.התקלות של מערכת הגנרטור מתחלקות לתקלות מנוע ולתקלות מכניות [9].כשלים מכניים כוללים בעיקר כשלים ברוטור ותקלות מיסבים.כשלים ברוטור כוללים בעיקר חוסר איזון של הרוטור, קרע ברוטור ושרוולי גומי רופפים.ניתן לחלק את סוגי תקלות המנוע לתקלות חשמל ותקלות מכניות.תקלות חשמליות כוללות קצר חשמלי בסליל הרוטור/סטטור, מעגל פתוח שנגרם עקב שבורים מוטות הרוטור, התחממות יתר של הגנרטור וכו';תקלות מכניות כוללות רטט מוגזם של גנרטור, התחממות יתר של מסבים, נזקי בידוד, בלאי חמור וכו'.