DE19713583A1

DE19713583A1 - Verfahren und System zur Bestimmung der Lebensdauerressourcen einer Maschine insbesondere einer Windkraftanlage in der Betriebsführung zur optimalen Nutzung in der Betriebszeit

Info

Publication number: DE19713583A1
Application number: DE19713583A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Busse; Eggert Guenther; Peter Meuser; Eckard Moeck
Original assignee: En Umwelt Beratung E V I
Current assignee: En Umwelt Beratung E V I
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 1998-10-08

Description

Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Lebensdauerressourcen einer Maschine wie beispielsweise einer Windkraftanlage als Entscheidungsgrundlage für die Betriebsführung mit dem Ziel die Energiegewinnung so zu optimieren, daß die konstruktiv und mit den gewählten Bauteilwerkstoffen gegebene Lebensdauerressource im vorgesehenen investiven Nutzungszeitraum ausgeschöpft werden kann.

Stand der Technik

Das Betreiben von Windkraftanlagen geschieht gegenwärtig in den folgenden unterschiedlichen Betriebsweisen: In einfachster Weise werden sie bis zum Auftreten einer Störung betrieben. Sodann erfolgt eine Wartungsmaßnahme, die die technische Betriebsfähigkeit wieder herstellt.

Bei Windparks, die zumeist mehrere Windkraftanlagen gleichen Typs umfassen, erfolgt eine regelmäßige prophylaktische Wartung.

Andere Windkraftanlagen werden Wartungsmaßnahmen unterzogen, die aus dem über Diagnosemaßnahmen ermittelten technischen Zustand abgeleitet werden. Bei der letzteren Vorgehensweise wird eine bessere Handlungsfreiheit in der Betriebsführung in dem Sinne erreicht, daß der Zeitpunkt notwendiger Wartungsmaßnahmen vorausschauend in eine windarme Betriebsphase gelegt werden kann.

Den unterschiedlichen Vorgehensweisen ist gemeinsam, daß nur der Zeitpunkt einer Wartungsmaßnahme in das Feld der Entscheidungsmaßnahmen rückt, nicht jedoch zugleich der verbleibende Handlungsraum für den Einsatz der Anlage zum gedachten Zweck der Energiegewinnung aufgezeigt wird.

Zielstellung der Erfindung

Die Zielstellung der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und eines Systems, mit dem eine Bestimmung der verbleibenden Lebensdauerressourcen der Anlage möglich ist und deren Kenntnis die sachkundige Entscheidung über den weiteren Betrieb der Anlage bis zur nächsten Wartung, erforderlichenfalls unter Berücksichtigung weiterer Diagnoseinformationen, ermöglicht.

Merkmale der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der meßtechnischen Erfassung eines oder mehrerer für die Anlage typischer betriebsdynamischer Signale, gewonnen an einem oder mehreren im Hauptkraftfluß liegenden repräsentativen Bauteilen. Zu den erfindungsgemäßen Merkmalen gehören weiterhin die rechentechnische Zerlegung der Signale nach Frequenz- und Amplitudenanteilen in einem zweckmäßigen Klassifizierungsraster, die anschließende geordnete Ablage der kumulierten Anteile in einer mehrdimensionalen Wertematrix, die zu den Entwurfslastkollektiven und Dauerfestigkeitswerten der vermessenen Bauteile in Beziehung gesetzt wird. Aus dem Vergleich zwischen der Entwurfsdauerfestigkeit und den so ermittelten aufgetretenen Betriebslasten wird die noch verbliebene Lebensdauerressource abgeleitet, die als Basisinformation für den weiteren Betrieb der Anlage unter wechselnden äußeren Belastungen zur Verfügung steht.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel einer Windenergieanlage, WEA, erläutert. Es stellen dar:

- Bild 1: den prinzipiellen Aufbau des Triebstrangs einer Horizontalachs- Windenergieanlage mit den Meßstellen Mi, ni sowie der Meßstelle am Generator für Spannung U, Stromstärke I und Frequenz f,
- Bild 2: die zerlegten Amplituden- und Frequenzanteile der gemessenen Wechsellasten im Triebstrang, differenziert für unterschiedliche Generatorlasten,
- Bild 3: ein Entwurfs-Lastkollektiv für die Bauteildimensionierung für einen typischen Betriebsfall mit den zulässigen Höchstlasten innerhalb der Dauerfestigkeitslinie und der Summe aller zulässigen Lastwechselzahlen innerhalb der Auslegungsbetriebszeit der Anlage sowie zwischen dem Entwurfslastkollektiv und der Dauerfestigkeitslinie die freie Lebensdauerressource,
- Bild 4: das System der Verwaltung der Lebensdauerressourcen auf der Grundlage der Messung und Auswertung der erlebten Betriebslasten.

Die WEA stellt ein drehschwingungsfähiges System dar, das je nach Drehzahl und Belastung der Anlage eine Zwangserregung erfährt und dabei charakteristische Spektren von Drehschwingungen aufweist. Diese Drehschwingungsspektren können an geeigneten Stellen des Triebstrangs gemessen und über geeignete Auswerteverfahren in Frequenz- und Amplitudenanteile zerlegt werden. Der Auslegung der Anlage wurden bestimmte Lastkollektive zugrunde gelegt, die von der Häufigkeit der verschiedenen Windgeschwindigkeiten am Windstandort ausgehen und in Wechsellasten der beanspruchten Bauteile umgerechnet werden. Zusammen mit der vorgesehenen Nutzungsdauer der Anlage werden die auftretenden Wechsellasten ermittelt, die für die Bauteildimensionierung und die Auswahl der Werkstoffe wichtig sind. Insbesondere sind die Bauteile der Anlage nach der sogenannten Jahrhundert-Böe auszulegen.

Da die erwarteten Windgeschwindigkeiten häufig nicht eintreffen, ergeben sich Lebensdauerressourcen, die dann ungenutzt bleiben, wenn aus Gründen des technischen Fortschritts die WEA vor Ablauf ihrer vorgesehen Nutzungsdauer wieder rückgebaut wird.

Mit der meßtechnischen Erfassung der erlebten Lastwechsel an repräsentativen Bauteilen im Hauptkraftfluß kann bei Starkwindsituationen gegebenenfalls eine Entscheidung zugunsten der Nutzung der angebotenen Windenergie ohne Beeinträchtigung der technischen Sicherheit der Anlage getroffen werden.

In der einfachen Konfiguration besteht das System des Ressourcen-Managers aus der Meßeinrichtung für die Drehzahl und der Drehwechselamplitude des Triebstrangs, einer rechentechnischen Klassiereinrichtung für Wechsellasten sowie einem Rechensystem zur Auswertung und Ressourcenverwaltung. Das System kann auch - wie bereits vorgeschlagen - durch das mathematische Modell des Drehschwingungssystems der WEA gestützt werden.

Claims

1. Verfahren und System zur Nutzung der Lebensdauerressourcen einer Maschinenanlage dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzanteile derart zerlegt werden, daß die in der Anlage auftretenden dynamischen Wechsellasten aufsummiert und in geordneter Reihenfolge mit den der Festigkeitsauslegung der Anlage zugrunde gelegten Dauerfestigkeitskennlinien verglichen werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung an Bauteilen erfolgt, die durch ihre Lage im Hauptkraftfluß in der Festigkeitsauslegung der Anlage auf der Grundlage von Auslegungs-Lastkollektiven berechnet wurden und ihre Beanspruchungen somit repräsentativ sind für die auftretenden Betriebslasten

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebslasten an mindestens einer Stelle der Anlage durch eine im Dauerbetrieb arbeitende sensorische Einrichtung so gemessen werden, daß eine Zerlegung der dynamischen Betriebslasten in Amplituden- und Frequenzanteile ständig erfolgen kann.