Надежность ветряных турбин

В течение последних двадцати лет мировая мощность ветроэнергетики росла быстрыми темпами, и, по оценкам, совокупная глобальная мощность в 2015 году составила примерно 433 гигаватт 1 (см. рис. 1). В 2015 году ветровая энергетика обеспечила больше новой генерации электроэнергии во всем мире, чем любая другая технология, и на ее долю пришлось почти половина глобального роста производства электроэнергии в том году.В 2015 году Соединенные Штаты произвели 190 тераватт-часов энергии ветра, что составляет 4,7% от общего количества электроэнергии, произведенной в США в том году.

Стоимость ветровой энергии может быть снижена за счет повышения надежности ветряных турбин. В этой статье будут рассмотрены последние исследования в этой области и представлены передовые методы повышения надежности ветряных турбин.

Фигура 1. Рост мировой мощности ветроэнергетики 2000-2015 гг. 1

Тенденции проектирования ветряных турбин

Ветряная турбина представляет собой электромеханическую машину, которая преобразует кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Компоненты типичной ветряной турбины с редуктором показаны на рисунке 2. Ветер раскручивает лопасти турбины, заставляя вращаться низкоскоростной вал. Коробка передач преобразует низкоскоростное вращение в высокоскоростное, подходящее для привода генератора. Затем генератор преобразует энергию вращения высокоскоростного вала в электрическую энергию. Компоненты ветряной турбины размещены в гондоле, расположенной на высоте ступицы, часто на высоте 60 метров или выше над землей.

Фигура 2. Компоненты и подсистемы ветряных турбин 2

Конструкция ветряных турбин быстро развивается с тенденцией к увеличению высоты башни и диаметра ротора. Это позволяет им улавливать больше энергии ветра, что приводит к увеличению выработки электроэнергии (см. рис. 3 3 ). Увеличение размера также увеличивает нагрузку на компоненты турбины, особенно роторы и компоненты трансмиссии. Эта повышенная нагрузка привела к использованию новых материалов для роторов, инновационных конструкций роторов и технологий производства. Конструкции редукторов и генераторов также совершенствуются для повышения надежности и сокращения времени простоя. В настоящее время строятся ветряные турбины с прямым приводом, в которых вал низкоскоростного ротора напрямую соединен со специально разработанным низкоскоростным генератором. Это полностью исключает коробку передач и, следовательно, отказы коробки передач.

Рисунок 3. Тенденции производительности, высоты ступицы и диаметра ротора в 1998-2015 гг. 3

Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание ветряных турбин

Все большее внимание уделяется снижению стоимости ветровой энергии, особенно затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание (O|M), которые включают повседневные операции, профилактическое (плановое) обслуживание и внеплановое обслуживание из-за неожиданных отказов ветровой турбины. составные части.

Совокупные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание ветряных турбин значительны и могут составлять 65-95% от инвестиционных затрат на турбину в течение предполагаемого 20-летнего срока службы турбины 4 . Затраты на внеплановое техническое обслуживание трудно измерить в масштабах всей отрасли, но некоторые исследования показывают, что они составляют 30–60 % от общих затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание и, как правило, со временем увеличиваются по мере старения ветряной турбины 4 . Внеплановое техническое обслуживание из-за сбоев особенно проблематично в ветроэнергетике. Стоимость энергии в ветроэнергетике обычно выражается в долларах за киловатт-час с отношением годовых затрат на производство энергии к годовой выработке энергии 4 . Когда компонент ветряной турбины неожиданно выходит из строя, стоимость эксплуатации турбины возрастает, а выходная мощность турбины снижается, что приводит к увеличению стоимости одного киловатт-часа для работы турбины.

Ряд факторов, уникальных для ветряных турбин, имеют тенденцию увеличивать время простоя и затраты на внеплановое техническое обслуживание. Ветряные турбины часто располагаются в отдаленных местах, что затрудняет доступ к ним. Компоненты ветряных турбин часто должны быть доставлены из-за границы, а затем доставлены в эти удаленные места. Эта проблема показана на рис. 4 5 . Кроме того, основные турбинные системы часто располагаются на высоте более 65-80 м над землей. Чтобы произвести ремонт, бригады должны либо подняться на башню и работать на этих высотах в ветреную погоду, либо использовать специальные краны, доставленные в удаленное место, чтобы можно было снимать и заменять компоненты турбины.

Рисунок 4. Сложность транспортировки лопастей ветряка 5

Проблемы надежности ветряных турбин

Надежность определяется как вероятность того, что продукт будет выполнять свои функции в установленных условиях в течение определенного периода времени. Инженеры по надежности и исследователи используют полевые данные, эксперименты и аналитические методы для определения частоты отказов продуктов с течением времени в конкретных условиях, а затем работают с инженерами-конструкторами, чтобы сделать продукты более надежными.

Определение надежности установленных в настоящее время ветряных турбин является активной и сложной областью исследований. Во всем мире существует ряд баз данных, которые отслеживают отказы и простои ветряных турбин, но нет единого метода для принятия решения о том, какие данные собирать, как их собирать и как их записывать. Исследователи 7,8 выявили и другие проблемы:

• Необходимые данные могут быть недоступны, поскольку операторы ветряных турбин считают их собственностью.
• Трудно сравнивать данные одной ветровой турбины с другой из-за различий в технологиях компонентов и конструкции.
• Трудно сравнивать данные аналогичных ветряных турбин, работающих в разных средах (сухие и влажные, жаркие и холодные и т. д.).
• Конструкции и технологии ветряных турбин быстро развиваются, что затрудняет сравнение данных новых ветряных турбин с данными старых, небольших ветряных турбин.
• Ветряные турбины обычно рассчитаны на 20-летний срок службы, но большинство турбин в полевых условиях были установлены менее 20 лет назад. В большинстве случаев полных полевых данных о жизненном цикле не существует, а самые старые ветряные турбины с наибольшим количеством доступных полевых данных не отражают новейшие конструкции и технологии.
• Существует также ограниченное количество опубликованных работ, посвященных анализу отказов компонентов ветряных турбин, и большая часть существующих данных относится к более старым ветряным турбинам. Это затрудняет сравнение отказов аналогичных компонентов в разных турбинах. Например, коробка передач может выйти из строя по разным причинам.Без знания того, как именно редукторы вышли из строя в полевых условиях, может быть сложно проанализировать отказы редукторов на аналогичных ветряных турбинах.

Передовой опыт повышения надежности ветряных турбин

Исследователи, операторы, производители и другие представители отрасли ветряных турбин согласны с тем, что желательна повышенная надежность и ремонтопригодность, особенно с учетом тенденции к созданию оффшорных ветряных электростанций. Оффшорные ветряные турбины работают в суровых условиях, и доступ к ним должен осуществляться с корабля или вертолета, что увеличивает ожидаемую вероятность отказов, время простоя, связанное с ними, и связанные с этим затраты на ремонт и техническое обслуживание. Это подтолкнуло производителей ветряных турбин к поиску путей повышения надежности и ремонтопригодности за счет внедрения лучших практик, используемых в других отраслях.

• Дизайн: Повысить проектную надежность и надежность компонентов и подсистем ветроустановки, а также ветроустановки в целом.
• Тестирование: Используйте ускоренное испытание на срок службы и стресс-тестирование, чтобы определить режимы отказа компонентов и подсистем ветряной турбины.
• Анализ отказов: Определите первопричины каждого режима отказа и по возможности устраните их, пересмотрев и улучшив конструкции компонентов.
• Качество изготовления: Используйте лучшие практики, такие как Six Sigma, для производства высококачественных компонентов с минимальными отклонениями.
• Обслуживание: Используйте методы профилактического обслуживания, чтобы свести к минимуму время простоя компонентов ветряных турбин, продлить срок их службы и заменить их до того, как они выйдут из строя.
• Контроль состояния: Инструментальные компоненты ветряных турбин с датчиками для контроля температуры, характеристик вибрации, структурной целостности и других факторов для оценки состояния компонентов и подсистем в режиме реального времени и прогнозирования возможных отказов компонентов.
• Сравнительный анализ: Собирайте и анализируйте отраслевые данные об отказах, простоях и других операционных показателях.Стандартизируйте форматы и методы сбора данных, чтобы обеспечить межотраслевой анализ.
• Моделирование: Разрабатывайте более совершенные модели статистической надежности компонентов ветряных турбин для управления рисками и улучшения планирования технического обслуживания.
• Стандарты: Совершенствуйте отраслевые стандарты, чтобы использовать передовой опыт и идти в ногу с быстро развивающимися технологиями ветряных турбин.

Exponent участвует в различных проектах ветряных турбин, и мы хорошо подходим для оказания помощи компаниям в применении передовых методов для повышения надежности. Ожидается, что тенденция увеличения глобальной мощности ветроэнергетики сохранится, а также тенденция к созданию сложных морских ветряных турбин. Мы предвидим растущую потребность в анализе и улучшении надежности ветряных турбин с использованием передового опыта, описанного выше. Учитывая наш опыт проведения расследований отказов турбин, мы располагаем уникальными возможностями для внесения ценного вклада в эту область.

1. Global Wind Report Annual Market Update 2015. Глобальный совет по ветроэнергетике.
2. (Ссылка) по состоянию на 10.04.2017
3. Отчет о рынке ветровых технологий за 2015 г. Министерство энергетики США. август 2016 г.
4. Уолфорд, К. Надежность ветряных турбин: понимание и минимизация затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание ветряных турбин. Sandia Report Sandia, 2006–110 (2006).
5. Видение ветра: новая эра ветроэнергетики в США. Министерство энергетики США, DOE/GO-102015-4557. март 2015 г.
6. Хилл и др. др. Надежность ветряных турбин: база данных и подход к анализу. Отчет Sandia SAND2008-0983 (2008 г.).
7. Эхиваррия, и др. др. Надежность технологии ветряных турбин во времени. Журнал солнечной инженерии, вып. 130. Август 2008 г.
8. Редер и др. др. 2016. Отказы ветряных турбин – решение текущих проблем анализа данных об отказах. Журнал физики: серия конференций 753 (2016) 072027.
9. Шэн, С. Отчет о надежности подсистемы ветряных турбин — обзор различных баз данных. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, NREL/PR-5000-59111. Июнь 2013.
10. Питерс и др. др.Контрольный показатель надежности ветряных электростанций, сентябрь 2012 г. Отчет Sandia № 2012-7329P (2012 г.).
11. Венске, Дж. и Вефер, М. Тестирование, проверка, возможность для оффшорной ветроэнергетики. PES Wind, выпуск 4 (ссылка).