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風力渦輪狀態監控

點擊:2160 日期:2012-12-05 選擇字號:

由于環境條件的限制,風力發電場往往地處偏遠,且機組與地面的垂直距離極高,因此風力渦輪的維修成本亦極為昂 貴。此外,風力渦輪組件在設計時亦已刻意減輕其重量,因此容易因為應力而發生故障。由于風力發電的需求不斷提高,目前首要課題則必須降低操作與維護 (O&M) 成本,并提高其穩定性。目前風力發電的 O&M 成本居高不下,因此全球對風力發電的接受度亦有限。透過低成本的在線狀態監控系統,將可預測故障與維修需要,藉以減少維修作業并降低 O&M 成本。

狀態監控的需求

風力發電的目前趨勢,即是于偏遠地區設置大型的風力渦輪,因此往往位于近海處而能獲得較佳的風力條件。但與傳統發電系統相較,設備體積與位置偏遠的問題,均造成維修上的難題:

1. 無法隨時巡視維護 - 不同于其他發電設備,風力渦輪難以排定維修人員隨時檢查維修。

2. 高維護成本 - 由于必須前往偏遠地區,發電機組又架離地面極高的距離,因此維護成本也較高。

3. 故障機率高 - 齒輪箱與相關組件均特別針對重量因素而設計,因此較容易受到應力影響而故障。

此外,負載與作業條件均不斷變化,因此風力渦輪必須承受更高的機械應力。高應力的條件之下,就更需要維護作業。

風力發電一般均為反應 (Reactive) 或損壞 (Run-to-failure) 維護。而此種維護方式亦為最高成本的 O&M。

因此除了提高 O&M 成本之為,亦將影響項目可行性與投資收益所估算的能源成本 (COE)。

美國電力研究院 (Electric Power Research Institute,EPRI) 已針對電力產業提供完整的案例研討,而反應維護 (持續運作機器直到故障為止) 為最低效能且最高成本的發電設備維護方式。EPRI 所提供的維護成本即列于下:

1. 反應 (損壞) 維護成本,每年的單一馬力將需要 17 美元「起」。

2. 預防維護 (Preventive maintenance) 則是根據制造商建議的維護周期所進行,每年的單一馬力需花費 24 美元;約可省下反應維護 24% 的成本。

3. 預知維護 (Predictive maintenance) 則是狀態監控而預測所需的維護作業,每年單一馬力需花費 9 美元;約可省下反應維護 47% 的成本。

若渦輪組件可持續運作直到故障,則整體發電量將大幅受到意外停機所影響。在此同時,如頻繁運作的零件與吊高作業的成本,再加上零件掉落所造成的損 壞,均將提高維護成本。與在線狀態監控系統的預知維護相較,互動維護的成本確實高出甚多。狀態監控系統的功能,即是要連續監控組件并預測機器問題,讓操作 人員能盡早排定維護并避免重大損失。

NI 狀態監控解決方案

針對狀態監控作業,NI 提供專屬的解決方案。針對發電機/齒輪箱制造商或風力渦輪整合商,NI 提供必要的軟硬件,以設計高效能、低成本,且專屬的風力渦輪監控解決方案。NI 亦根據產業走向,持續提供最新的訊號處理算法,以找出訊號的關鍵特征,并預測機器組件的狀態。這些算法包含階次分析、倒頻譜 (Cepstral) 分析、軸承調變監控、小波、AR 模型制作、電力質量、功率系數、雨量應力周期 (Rainfall stress cycle) 分析,還有許多統計分析算法。透過 NI LabVIEW 軟件,即可使用這些內建的訊號處理算法、匯入文字程序代碼 (如 C 與其他數學腳本),并可輕松設計全新的算法。

以研究結果為例,風力渦輪的齒輪箱與其軸承,即為最高故障率的組件。齒輪箱與軸承的振動分析作業,則是透過加速規而監控并預測可能的故障。但若風力渦輪使用多層次齒輪箱,則過多振動源將造成復雜的振動、調變,與運作速度振動。

若要正確分析齒輪箱的振動,則需要高分辨率的頻譜分析器。基本而言,此將需搭配多帶寬的振動訊號取樣儀器,以記錄長時間的波形。換句話說,狀態監控解決方案必須能達 51.2 kHz 以上的取樣率,且可儲存超過 2 MB 的二進制時間波形。NI CompactRIO 平臺即具備此功能。而高階光譜分析則包含變焦 FFT 與變焦階次頻譜 (Zoom order spectrum),可進一步找出高頻率振動特性參數,且不致遺漏邊帶 (Sideband) 數據。邊帶分析可輔助分析師找出故障齒輪。

此彈性且開放的 NI LabVIEW 與 CompactRIO 環境,共具備下列優勢:

1. 較低成本 - NI 持續研發低價位且高效能的技術,只為提供整合商與 OEM 更卓越的技術。

2. 客戶解決方案 - 開發廠商可輕松設計專屬的監控解決方案,且功能遠遠超越傳統的狀態監控解決方案。

3. OEM 專屬 - NI 另配合超過 900 家開發伙伴,可大幅減少成本且達到立即可用的解決方案。

4. 整合控制與監測 - NI 平臺可于單一系統具備控制與監測功能,適用于高階、模型架構的監控作業。

控制系統整合與通訊協議支持

若與其他產品相較,NI 系統除了可達較低成本與專屬的訊號處理功能,其最大差異則在于可整合控制系統的功能。透過 NI 平臺,即可用單一裝置或溝通多組裝置,而整合控制與監測功能。NI 平臺可銜接以太網絡、RS232/RS485、Modbus、OPC、CAN、Fieldbus、PROFIBUS,甚或取得專利的通訊協議。此彈性的通 訊功能,可讓 NI 系統輕松整合風力渦輪機組的其他裝置。

用于狀態監控的 NI 產品

NI 提供多款訊號處理設備,可銜接不同的傳感器,包含振動、應變、音頻、溫度、電壓、電流、功率等。透過標準的通訊協議,即可為狀態監控裝置新增油微粒子 (Oil particulate) 計數,與光學感測功能。多樣且彈性的功能,讓 NI 保持在狀態監控應用的領先地位。

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