ReliaWind 客户案例

ReliaWind 客户案例

欧盟联合体 ReliaWind 使用 PTC Windchill Quality Solutions 改进下一代风轮机

ReliaWind 徽标PTC Windchill Quality Solutions 帮助 ReliaWind 掌控未来的陆上和离岸风轮机的设计、操作和维护。

ReliaWind 联合体,欧盟

ReliaWind 是首个覆盖欧洲的风能合作项目,它集合了风能价值链的利益巨头,为下一代风轮机开发工具、建立模型和设计指引。欧盟 (EU) 部长理事会在 2007 年 3 月首次开会研究可再生能源问题,并且同意“到 2020 年,可再生能源将在欧盟能源需求中占据至少 20% 的份额。”

由于确信风能可以为实现这个特定目标作出最重要的贡献,以及风能可以帮助实现 2020 年的改善能源效率和将二氧化碳排放量减少 20% 的目标,因此,欧盟部长理事会赋予由 10 家行业和学术界领导机构组成的联合体一项任务,要求其开展以可靠性为中心的研究,以优化风轮机的设计、操作和维护。在此联合体的成员努力开发下一代的出色解决方案的过程中,他们使用了 PTC Windchill Quality Solutions 来分析现有风轮机的可靠性和可维护性数据,以确定如何改进未来的系统设计方案。

实情

到 2020 年,可再生能源将在欧盟能源需求中占据至少 20% 的份额,因此,开发离岸风力发电场势在必行。但是,变化无常的天气、极端的荷载工况、海洋空气、海水和难以检修设备这一切都极大地增加了安装、操作和维护离岸风轮机的风险。为了提高离岸风力发电场的投资吸引力,欧盟部长理事会认识到,必须优化风轮机的总体可靠性和可维护性。

这项优化可靠性和可维护性的工作并不简单。离岸装设风轮机需要采用先进的防腐蚀技术,并在风轮机的环境受控的部位安放电气设备。此外,离岸维修作业的维护策略不仅需要缩短维修时间,而且还要改进检修方法,以减轻风浪对设备的影响。

风轮机欧盟部长理事会大力推行“可靠性设计”,为此组建了 ReliaWind 联合体,并为 10 家参与其中的组织机构提供 550 万欧元的赞助,让它们在三年内改进设计、制造和维护风轮机的方式。ReliaWind 的总预算为 770 万欧元,负责开发并向风能行业中的所有利益相关者提供特定于风轮机的可靠性模型。

除了培训利益相关者如何使用这些模型,以便运用注重可靠性的方法来执行开发活动之外,ReliaWind 还负责通过会议、研讨班、网站和传媒计划向其他组织机构讲解其研究结果,以希望这项研究对 2015 年后新建造的风轮机产生影响。

离岸风力发电场的优点

与陆上风力发电场相比,离岸风力发电场具有许多优点,包括:

  • 离岸风的形式更变化多端,这可产生更一致的风紊流,从而改善风轮机的效率
  • 离岸风力在一天中会越来越强,从而在峰值需求时段产生更多电力
  • 能够在大型人口聚居区附近建设离岸风力发电场,从而缩短将电力输送到市区所需的线路长度
  • 能够为那些无法支持陆上风力发电场的欧盟国家提供风力发电的机会
  • 减少对鸟类环境的影响

离岸风力发电场的可靠性挑战

虽然离岸风力发电场具有多个重要优点,但它们也带来了多个可靠性挑战,包括以下需求:

  • 由于更强的风力和气候条件的缘故,因此叶片、立杆和其他零部件要更耐用
  • 减少了零部件的总数量,从而将设计方案简化为仅包含最少数量的极其可靠的零部件
  • 模块化的设计,便于互换发生故障的零部件
  • 高等级的防腐蚀和水密技术,可以保护设备的表面和内部
  • 自动执行尽可能多的预防性维护工作,以增大维修间隔(原因是检修的难度和成本都很高)

目标

ReliaWind 的首要目标是,通过使离岸风力发电场的采用成本与陆上风力发电场相当,推进风电行业的发展。陆上风轮机每年发生一次或多次故障是很常见的,但这种级别的不可靠性对于离岸风轮机不可接受,因为相关的停机和维修成本要比陆上高得多。要吸引投资者投资开发离岸风力发电场,风轮机的操作可用性必须高于 97%。

为了实现此目标,ReliaWind 为陆上和离岸风轮机分别设立了多个雄心勃勃的可靠性定量目标:

  • 将陆上风轮机和离岸风轮机的 MTBF(平均故障间隔时间)分别增加 10% 和 20%
  • 将陆上风轮机和离岸风轮机的 MTTR(平均维修时间)分别缩短 20% 和 50%
  • 将陆上风轮机的操作可用性从 97-98% 提高到 98-99%,并将离岸风轮机的操作可用性从 85-90% 提高到 97-98%
  • 将 CoE(能源成本)降低到每千瓦时低于 0.04 欧元

方法

为了更好地了解风轮机的可靠性和积极影响未来的设计,ReliaWind 建立了以下用于分析现有系统的综合性方法。

  1. 向制造商和供应商收集现有风轮机的故障数据和维护数据,然后将这些数据标准化。使用 PTC Windchill Prediction 定义系统层次结构,然后在系统、子系统和零部件级别执行可靠性预测,以确定哪些项目具有最高的故障率。
  2. 使用 PTC Windchill OpSim 建立 RBD(可靠性块图)并综合收集到的数据,以计算多个指标,例如可用性、不可用性、MTBF、故障率、预期故障数、平均不可用性、总停机时间、故障频率和风险概率。
  3. 使用 PTC Windchill FMEA 确定故障模式、原因和后果,并评估故障对系统的潜在影响,从而根据危害度排名确定如何消除或减轻那些令人无法接受的后果。

结果

数据收集和标准化条形图

  • 它是什么?用作分析基础的数据决定着分析结果的好坏。由于以前只能使用质量有问题的高级别数据来分析风轮机的可用性,因此,首先要做的是,在现场精心收集风轮机的故障数据和维护数据并妥善准备这些数据。
  • 如何使用它?ReliaWind 审阅从风力发电场和风轮机零部件制造商处获得的数据库、故障日志、人工记录、工单和月度运行报告,然后制定标准的风轮机分类法和通用的数据结构格式。
  • 它揭示了什么?在创建和填充数据库之后,ReliaWind 从制造商处获得了全球 250 多个风力发电场的有效且实用的现场数据,而且每个风力发电场的运行时间都在一年以上,最长的达到 15 年。依据 290 多台风轮机的故障数据,ReliaWind 将故障定义为风轮机停止运行一个或多个小时,而且至少需要人工重新启动才能恢复运行。由于掌握了高质量的数据,因此 ReliaWind 可以开始使用 PTC Windchill Quality Solutions 分析和更好地了解风轮机的可靠性。

PTC Windchill Prediction

  • 它是什么?一种可靠性预测,也是最常见的可靠性分析形式之一,用于估算零部件的故障率。这些故障率通常基于依据全球公认的标准(例如 MIL-HDBK-217、Telcordia(以前称为 Bellcore)和 IEC TR 62380)计算得到的结果。这些标准都提供了公式或故障率模型,可根据提供的应力、零件品质、温度和其他环境因素的值计算零部件的故障率。系统的总故障率等于所有零部件故障率的总和。
  • 如何使用它?对于两种常见的风轮机配置,ReliaWind 将 12 个独立的子系统综合到系统定义中,然后利用 PTC Windchill Prediction 的独特功能混合不同标准的计算模型,并且混合相同和相似零部件的现场失效数据、供应商数据以及非电气和非机械零件的不同故障数据手册,以计算出失效率的估计值。
  • 它揭示了什么?对于这些配置,具有最高故障率的子系统是转子模块、螺距系统、电源模块和引擎舱模块。获得此信息后,ReliaWind 开始研究如何修改这些子系统,以提高它们的可靠性。可能的做法包括了使用更可靠的零部件,采用新的技术或流程,以及消除导致系统整体故障的单一故障点。

PTC Windchill OpSim(优化和模拟)图表

  • 它是什么?可靠性块图 (RBD) 直观表示了复杂的系统(使用复杂的数学算法进行分析,以揭示全面的可靠性和可维护性指标)。虽然可靠性预测假定所有零部件都是串联配置的,但 RBD 可以考虑容错机制,例如冗余和备份系统。
  • 如何使用它?在 PTC Windchill OpSim 中,可以轻松添加并联和串联的冗余及备份系统,这使 ReliaWind 能够执行折衷研究,以评估此类系统设计更改是否将对操作可用性产生充分的影响,从而证明额外的零部件和维护成本及复杂性是必要的。
  • 它揭示了什么?通过取得一年中(8760 个操作小时)每个月的结果,ReliaWind 建立了包含串联块的 RBD,以确认风轮机的系统故障率随时间不变。在经过了四倍于 MTTR(平均维修时间)的时间之后,可用性进入不变状态,这与可用性函数的分析定义一致。通过使用 PTC Windchill OpSim 的高级模拟和优化方法,ReliaWind 分析了复杂的系统方案,例如冗余系统和备件的使用。该联合体能够预测未来的风轮机状况,因此可以评估更高效和更主动的维护规划及资源调度措施将如何降低操作和维护成本,以及提高风轮机的可用性。

PTC Windchill FMEA

  • 它是什么?FMEA(故障模式和影响分析)是一种自底向上的方法,用于分析特定系统级别上的系统设计和性能。它涉及到识别所有可能的故障模式,确定每种模式的最终影响,以及评估每种影响的风险,以便消除或减轻那些令人无法接受的影响。
  • 如何使用它?通过建立单个零件的 FMEA(从零部件级别开始并考虑模式的危害度),ReliaWind 使用了 PTC Windchill FMEA 和 MIL-STD-1629(这是一项早已获得公认并由全球各地的政府、军队和商业机构采用的标准)来计算模式的危害度。对各种模式进行排名使 ReliaWind 能够集中精力消除或减轻那些对风轮机的操作可用性影响最大的模式产生的令人无法接受的影响。
  • 它揭示了什么?在将查明的 81 种模式分配到基于每种模式的出现几率和严重性级别的危害度矩阵中之后,ReliaWind 可以轻松确定哪些模式造成了最高的风险,从而能够集中精力制定必要的纠正措施,以消除或减少这些模式的出现。措施包括找到故障检测方法,以及针对灾难性和关键性模式的可能的补救性措施,以最大程度提高可靠性、零部件寿命和风轮机的可用性。为了优化发电量和关键零部件承受的负载,必须采用最佳的遥感技术进行监控、诊断和预测。

可交付结果

在结束为期三年的项目之前,ReliaWind 实现了可交付结果的目标,具体做法是:

  • 提供一组通用的协议和标准,以保证不同的风轮机制造商和客户之间的互操作性
  • 在一组一致的遥控和监视工具中集成各种技术、方法和应用程序
  • 开发一组一致的应用程序,以支持对操作和维护进行优化,从而最大程度提高风轮机的可用性和降低风能成本
  • 为合作伙伴和其他利益相关者提供培训,使他们掌握在未来的设计活动中运用注重可靠性的方法所需的工具
  • 通过会议、研讨班、网站和传媒计划将项目结果传递给欧盟风能行业

结束语

像 PTC Windchill Quality Solutions 这样的完全综合式可靠性分析工具集很有好处,这是因为,用户能够在多个分析模块中使用同一个数据来源。除了消除易于出错且耗费时间的冗余数据输入过程之外,PTC Windchill Quality Solutions 还有效地使用了旧的信息,并在其可靠性预测计算中提供真实的结果,以支持开发新的系统设计方案。

由于能够使用计算得到的系统指标作为风险分析的输入,PTC Windchill FMEA 和 Fault Tree 模块可以量化因零件故障而引起的系统风险的几率和严重性。使用多个 PTC Windchill Quality Solutions 模块进行的完全综合式分析同时考虑了系统可靠性的不同方面,从而节省了时间并简化了分析操作。

案例研究来源:ReliaWind EWEA2011 分会:“改善风轮机的可靠性”,2011 年 3 月 15 日布鲁塞尔,以及前意大利 Relex Software Corporation Italia 公司的 Stefano Barbati 和 Luca Barbati 合作发表的“Design for Reliability - a FMEA Study”(可靠性设计 - FMEA 研究)