Проект в компании ReliaWind

История клиента ReliaWind

Европейский консорциум ReliaWind использует Windchill Quality Solutions для совершенствования следующего поколения ветряных турбин

Логотип ReliaWindПрограммный продукт Windchill Quality Solutions помогает ReliaWind овладеть проектированием, эксплуатацией и обслуживанием будущих наземных и офшорных ветряных турбин.

Консорциум ReliaWind, ЕС

ReliaWind — первый общеевропейский проект, объединяющий основные стороны, заинтересованные в производственно-сбытовой цепочке ветряной энергии, для разработки инструментов, моделей и принципов проектирования для будущего поколения ветряных турбин. Совет министров Европейского Союза (ЕС), впервые собравшийся в марте 2007 года для рассмотрения вопроса возобновляемых источников энергии, постановил, что «возобновляемые источники энергии будут обслуживать как минимум 20 процентов энергопотребления в ЕС к 2020 году».

Полагая, что ветряная энергия может стать основным источником энергии, используемым для данной цели, а также будет способствовать достижению цели, намеченной к 2020 г., по повышению энергоэффективности и снижению выбросов углекислого газа на 20 процентов — Совет министров ЕС поставил перед консорциумом из 10 промышленных и академических лидеров задачу проведения исследования надежности с целью оптимизации конструкции, эксплуатации и обслуживания ветряных турбин. При разработке передовых решений нового поколения члены консорциума использовали Windchill Quality Solutions для анализа данных о надежности и ремонтопригодности имеющихся ветряных турбин, чтобы определить необходимые усовершенствования для будущих конструкций системы.

Пример

Чтобы возобновляемые источники энергии обеспечивали по меньшей мере 20 процентов энергопотребления в ЕС к 2020 г., необходимо разработать офшорные ветряные электростанции. Тем не менее изменчивые погодные условия, случаи предельной нагрузки, морской воздух, соленая вода и сложность доступа существенно повышают риски, связанные со строительством, эксплуатацией и обслуживанием офшорных ветряных турбин. Чтобы привлечь инвестиции в офшорные ветряные электростанции, Совет министров ЕС отметил необходимость оптимизации общей надежности и ремонтопригодности ветряных турбин.

Оптимизация надежности и ремонтопригодности является непростой задачей. Использование офшорных ветряных турбин требует внедрения перспективных технологий защиты от коррозии и размещения электрических установок в секциях турбины с регулируемым микроклиматом. Кроме того, стратегии обслуживания и ремонта офшорных электростанций должны не только сократить время ремонта, но также совершенствовать методы доступа, делая установки менее чувствительными к воздействию ветра и волн.

турбиныВ стремлении к «Проектированию надежных систем» Совет министров ЕС создал консорциум ReliaWind, предоставив 10 организациям-участникам долевой вклад в размере 5,5 млн евро и три года на совершенствование процесса проектирования, производства и обслуживания ветряных турбин. Обладая общим бюджетом в 7,7 миллионов евро, консорциум ReliaWind несет ответственность за разработку и поставку моделей для расчета надежности для ветряных турбин, всем заинтересованным сторонам в секторе ветровой энергии.

Помимо обучения заинтересованных сторон использованию данных моделей для применения сосредоточенного на надежности подхода к процессу проектирования, концерн ReliaWind взял на себя обязательство провести обучение других организаций знаниям, полученным в ходе конференций, семинаров, на веб-сайтах и во время медиаинициатив, в надежде, что данное исследование повлияет на конструкцию новых турбин с 2015 года.

Преимущества офшорных ветряных электростанций

Офшорные ветряные электростанции обладают массой преимуществ в сравнении с наземными ветряными электростанциями. Среди них следующие.

  • Многообразие направлений и скорости ветра над морем, создающее более постоянную порывистость ветра для эффективной работы турбины.
  • Тенденция более порывистых ветров над морем в течении дня, обеспечивающая больше энергии во время пикового спроса.
  • Способность располагать офшорные электростанции около крупных энергосетей в высоконаселенных регионах, не требующих длинных линий для передачи электроэнергии в города.
  • Возможность ветряной генерации электроэнергии для тех стран ЕС, которые не способны разместить наземные ветряные электростанции на своей территории.
  • Снижение экологического воздействия на все виды птиц.

Проблемы надежности офшорных ветряных электростанций.

Несмотря на то, что офшорные электростанции обладают рядом важных преимуществ, они также имеют массу проблем надежности, включая необходимость:

  • обеспечения более надежных лопастей, мачт и других компонентов по причине сильных ветров и погодных условий;
  • сокращения общего количества компонентов для упрощения конструкции до минимального набора надежных компонентов;
  • обеспечения модульной конструкции для облегчения замены неисправных компонентов;
  • научных технологий предотвращения коррозии и обеспечения водонепроницаемости для защиты внешних и внутренних компонентов;
  • автоматизации максимального объема планово-предупредительных работ для увеличения интервала между циклами технического обслуживания по причине затратности и сложности доступа.

Цели

Основной целью консорциума ReliaWind является развитие сектора ветряной энергии посредством использования офшорных ветряных электростанций, расходы на обслуживание которых сравнимы с наземными электростанциями. В то время как наземные турбины стандартно имеют один или несколько отказов в год, даже такое количество отказов абсолютно неприемлемо на оффшорных электростанциях, где расходы на останов и ремонтные работы значительно выше. Чтобы развитие офшорных ветряных электростанций привлекало инвесторов, коэффициент эксплуатационной готовности должен быть выше 97 процентов.

Для достижения данной цели ReliaWind определила несколько следующих перспективных задач по количественным показателям надежности наземных и офшорных турбин.

  • Сокращение MTBF (среднего времени наработки до отказа) на 10 процентов у наземных турбин и на 20 процентов у офшорных турбин.
  • Сокращение MTTR (среднего времени восстановления после отказа) на 20 процентов для наземных турбин и на 50 процентов для офшорных турбин.
  • Повышение коэффициента эксплуатационной готовности с 97 – 98 процентов до 98 – 99 процентов для наземных турбин и с 85 – 90 процентов до 97 – 98 процентов для офшорных турбин.
  • Снижение CoE (стоимости энергии) до уровня ниже 0,04 евро за киловатт-час

Подход

Для лучшего понимания надежности ветряных турбин и совершенствования будущих конструкций консорциум ReliaWind определил следующий комплексный подход к анализу существующих систем.

  1. Сбор данных об отказах и техническом обслуживании существующих турбин у производителей и поставщиков и их последующая стандартизация. Использование Windchill Prediction для определения иерархии системы и прогнозирования надежности на уровне системы, подсистемы и компонентов, чтобы определить детали, имеющие высокий процент отказов.
  2. Использование Windchill OpSim для создания RBD (блочные диаграммы расчета надежности) и интеграции собранных данных для расчета количественных показателей, таких как готовность к работе, непригодность к работе, среднее время наработки до отказа, коэффициент отказа, ожидаемое количество сбоев, средний коэффициент недоступности, общее время простоя, интенсивность отказов и уровень риска.
  3. Использование Windchill FMEA для определения характера отказов, причин и последствий, а также для оценки потенциального воздействия на систему и способов устранения или минимизации нежелательных последствий на основе классификации отказов по важности.

Результаты

Сбор данных и стандартизациястолбчатая диаграмма

  • Для чего он предназначен? Результаты анализа будут столь же качественными, как и данные, на которых они основаны. Поскольку предыдущий анализ готовности к работе ветряных турбин ограничивался обобщенными данными сомнительного качества, основным приоритетом является сбор и подготовка качественных данных о ремонте и техническом обслуживании турбин в данной области применения.
  • Как он использовался? Базы данных, журналы регистрации отказов, бумажные записи, наряды на выполнение работ и ежемесячные отчеты об эксплуатации, полученные от ветряных электростанций и производителей компонентов турбин, рассматривались консорциумом ReliaWind для разработки стандартной классификации турбин и единого формата структуры данных.
  • Каковы были результаты этих действий? После создания и наполнения базы данных консорциум ReliaWind получил действительные и пригодные для использования эксплуатационные данные от производителей, поставляющих оборудование для более 250 ветряных электростанций по всему миру, каждая из которых работает минимум 1 год и максимум 15 лет. На основании данных об отказах, полученных от более 290 турбин, консорциум ReliaWind определил отказ как останов турбины на один или несколько часов, для возврата к работе требующий как минимум запуска турбины вручную. Благодаря имеющимся высококачественным данным консорциум ReliaWind воспользовался Windchill Quality Solutions для анализа и оценки надежности турбин.

Windchill Prediction

  • Для чего он предназначен? Прогнозирование надежности — одна из наиболее распространенных форм анализа надежности — оценивает коэффициенты отказа различных деталей или компонентов. Эти коэффициенты отказа обычно основаны на расчетных результатах всемирно принятых стандартов, таких как MIL-HDBK-217, Telcordia (ранее известный как Bellcore) и IEC TR 62380. Каждый из этих стандартов предоставляет уравнения или модели для оценки интенсивности отказов и расчета коэффициентов отказа компонентов на основании значений, имеющихся для нагрузки, качества деталей, температуры и других факторов окружающей среды. Общая частота отказов системы представляет собой сумму всех коэффициентов отказа компонентов.
  • Как он использовался? Для двух универсальных конфигураций ветряных турбин консорциум ReliaWind выполнил интеграцию 12 отдельных подсистем в описание системы. А затем воспользовался уникальной возможностью Windchill Prediction смешивать расчетные модели различных стандартов с данными об отказах при эксплуатации для одинаковых или сходных компонентов, данными поставщиков и различными справочниками данных об отказах для неэлектронных и механических деталей для расчета ожидаемых коэффициентов отказа.
  • Каковы были результаты этих действий? Для данных конфигураций подсистемами с наивысшими коэффициентами отказа были модуль ротора, система изменения угла, силовой модуль и модуль обтекателя ветровой турбины. Получив данную информацию, ReliaWind начал исследовать способы совершенствования данных подсистем для повышения их надежности. Среди рассматриваемых возможностей было использование более надежных компонентов, использование новых технологий и процессов, а также устранение элементов, отказ которых приводит к отказу всей системы.

Windchill OpSim (оптимизация и симуляция)таблица

  • Для чего он предназначен? Блочная диаграмма расчета надежности (RBD) является визуальным представлением комплексной системы, которая анализируется с использованием высокотехнологичных математических алгоритмов, позволяющих получить совокупные количественные показатели надежности и ремонтопригодности. В то время как прогнозирование надежности предполагает, что все компоненты конфигурируются последовательно, блок-схема расчета надежности может рассматривать такие механизмы отказоустойчивости, как резервирование и вспомогательные системы.
  • Как он использовался? Простота добавления параллельных и последовательных избыточных систем и систем резервного копирования в Windchill OpSim позволила ReliaWind выполнить анализ вариантов альтернативных решений, оценив, повлияют ли изменения структуры системы на эксплуатационную готовность и послужат ли они источником дополнительных проблем и расходов на компоненты и техническое обслуживание.
  • Каковы были результаты этих действий? Рассматривая результаты за один полный месяц в году (8760 часов эксплуатации), ReliaWind построил блок-схему расчета надежности с последовательными блоками, проверяющими, остается ли частота отказов системы для каждой турбины одинаковой с течением времени. Коэффициент готовности достиг стабильного состояния после периода в четыре MTTR (среднее время восстановления после отказа), что соответствует аналитическому определению функции готовности. Используя передовые технологии Windchill OpSim по симуляции и оптимизации, ReliaWind проанализировал комплексные системные сценарии, такие как использование избыточных систем и запасных компонентов. Возможность прогнозировать будущие состояния турбины позволила консорциуму оценить, насколько более эффективное и упреждающее планирование технического обслуживания и ресурсов позволит сократить расходы на эксплуатацию и обслуживание, а также увеличить коэффициент готовности турбины.

Windchill FMEA

  • Для чего он предназначен? FMEA (анализ характера и последствий отказов) — это принцип восходящего анализа структуры и показателей работы системы на определенном уровне системы. В ходе анализа определяются все потенциально возможные типы отказов, конечные последствия каждого из отказов и оценивается риск каждого последствия для устранения или смягчения недопустимых последствий.
  • Как он использовался? Проводя анализ характера и последствий отказов (FMEA) для обрабатываемых деталей, который начинается на уровне компонентов и учитывает критичность отказов, ReliaWind использовал Windchill FMEA вместе с MIL-STD-1629 — официально признанным стандартом, используемым по всему миру государственными органами, военными и коммерческими организациями для расчета критичности отказов. Расположение отказов по степени важности позволило консорциуму ReliaWind сосредоточиться на устранении или минимизации недопустимых последствий для тех отказов, которые больше всего влияют на эксплуатационную готовность турбины.
  • Каковы были результаты этих действий? После распределения 81 типа отказов в матрицу критичности на основе вероятности каждого отказа и классификации критичности ReliaWind удалось определить, какие из них представляют наибольший риск. После этого консорциум попытался определить корректирующие меры, необходимые для устранения или минимизации их возникновения. Меры включали разработку методов обнаружения отказов и возможных компенсирующих мероприятий для катастрофических и критических отказов с целью максимального повышения надежности, срока службы компонентов и эксплуатационной готовности турбины. Для оптимизации производства энергии и нагрузки на критические компоненты необходимо внедрение лучшей сенсорной технологии для оперативно-диспетчерского управления, диагностики и прогнозирования.

Итоговые результаты

До подведения итогов по трехлетнему проекту консорциум ReliaWind достиг целей своей деятельности посредством следующих мер.

  • Предоставление универсального набора протоколов и стандартов, гарантирующего взаимодействие различных поставщиков и заказчиков турбин.
  • Интеграция технологий, методов и приложений в непротиворечивую систему инструментов дистанционного управления и контроля.
  • Разработка непротиворечивой системы приложений, поддерживающей оптимизацию эксплуатации и технического обслуживания для максимального повышения готовности турбины и минимизации стоимости ветряной электроэнергии.
  • Предоставление обучения партнерам по бизнесу и другим заинтересованным сторонам по инструментам, необходимым для реализации подхода, сосредоточенного на обеспечении надежности, в будущих проектах.
  • Распространение полученных данных в секторе ветряной электроэнергии в ЕС посредством конференций, семинаров, веб-сайтов и медиаинициатив.

Заключение

Преимущества полностью интегрированного набора инструментов для анализа надежности, аналогичного Windchill Quality Solutions, заключаются в способности использовать один источник данных во множестве модулей анализа. Помимо устранения ненадежного, трудоемкого процесса ввода избыточных данных, Windchill Quality Solutions эффективно использует существующие данные, обеспечивая реальные результаты при прогнозировании надежности для поддержки разработки новых конструкций систем.

Обладая возможностью использования количественных показателей системы, рассчитанных в качестве входных данных для анализа риска, Windchill FMEA и модули Fault Tree способны представлять в количественной форме вероятность и серьезность риска для системы, обусловленного отказом детали. Полностью интегрированный анализ с использованием многочисленных модулей Windchill Quality Solutions одновременно учитывает различные измерения надежности системы, позволяя экономить время и модернизировать анализ.

Источник практического примера: ReliaWind EWEA2011, дополнительное мероприятие: «Повышение надежности турбин», Брюссель, 15 марта 2011 г.; «Проектирование надежных конструкций — анализ характера и последствий отказов», Стефано Барбати (Stefano Barbati) и Люка Барбати (Luca Barbati), бывшая компания Relex Software Corporation Italia, Италия