Управление, мониторинг и поддръжка на ветроенергийни системи

Управлението, мониторингът и поддръжката на ветроенергийните системи имат за цел осигуряването на оптимални работни параметри и максимално ниво на ефективност във всички експлоатационни условия. Повечето съвременни ветрогенератори се управляват напълно автоматично и разполагат с възможности за дистанционен мониторинг и контрол.

Контрол на работните параметри на системата

Спецификациите на системите за мониторинг и контрол зависят от условията, при които функционират вятърните турбини, и при необходимост могат да се пренастройват през комуникационната мрежа. Чрез различни видове сензори системата за контрол следи голям брой параметри, свързани с работата на ветрогенератора - скоростта и посоката на вятъра, скоростта на въртене на роторните лопатки и техния ъгъл, ориентацията на роторния кош спрямо вятъра, количеството произведена енергия и др. Повечето съвременни турбини използват анемометри за измерване на скоростта на въздушния поток и ветропоказатели, съответно за определяне на посоката му. В някои от съоръженията тези два параметъра се измерват чрез ултразвукови сензори.

Най-важното изискване в работата на системата е осигуряването на безопасност на компонентите на ветроенергийната централа, в условия на силни ветрове, турбуленция или негативни въздействия от електрическата мрежа, които могат да доведат до тяхното бързо износване или повреда.

При ветрогенераторите с вградена функция за управление на ъгъла на лопатите спрямо посоката на вятъра (pitch control), системата за контрол трябва да може да отчита дори и минималните промени в метеорологичните условия и да оптимизира работата на отделните компоненти. Така например, да определя ъгъла на лопатките и ориентацията на самия ротор, така че когато вятърът е по-слаб, лопатките да се обръщат в посока, в която го улавят максимално. При извънреди ситуации, като буря или скорост на вятъра над 25 м/с, да задейства аварийна система за спиране на генератора, при която роторните лопатки се обръщат с ръб към вятъра и застават в неутрална позиция. На базата на измерения ъгъл на работните лопатки, системата, регулираща стъпката им (pitch drive) и системата за ориентация на ротора (azimuth drive), черпят информация от системата за контрол, за да осигурят експлоатация на ветрогенератора в границите на определения работен обхват. Системата за ориентация на ротора трябва от една страна да гарантира, че ще поддържа ротора в правилна позиция и от друга, че системата е разположена коректно спрямо вятъра и получава оптимално количество въздушен поток върху роторните перки. В случай че системата не функционира правилно, аеродинамичният дисбаланс може да доведе до претоварване на механичните компоненти - роторната главина, основния вал, основните носещи елементи, редуктора, съединителя и генератора и всички други компоненти, при които съществува опасност от повишено износване при подобни натоварвания.

Ежедневна проверка на експлоатационните характеристики

Във функционалните характеристики на системата за контрол е заложена диференциацията на няколко отделни етапа в ежедневната експлоатация на ветрогенератора, от чиито резултати зависят следващите й действия.

Тестова фаза. Проверява се позицията на ротора и ако е необходимо се коригира. Извършват се проверки за неизправности и повреди в турбината. В случай че не са отчетени нередности, системата за контрол сигнализира, че ветрогенераторът е готов за работа.

Състояние на покой. Генераторът е със спрян ротор и е обърнат срещу вятъра от системата за ориентиране, в съответствие с данните от измервателните уреди.

Стартиране на съоръжението. Роторните лопатки се обръщат срещу вятъра и се освобождава роторната спирачка.

Работен режим. Скоростта на ротора се увеличава, чрез изменение на ъгъла на лопатките, до момента, в който достигне скоростта на синхронизация на генератора. След като синхронната скорост се поддържа постоянна за определен период от време, генераторът се свързва с мрежата.

Отдаване на електроенергия към мрежата. Веднага щом генераторът се въведе в оперативен режим, произведената енергия започва да се предава към електрическата мрежа. В тази фаза системата за контрол различава два етапа - частично и пълно натоварване. Частичното натоварване се получава, когато генераторът оперира в условия под номиналната скорост на вятъра. В такива случаи, роторните лопатки се преместват в позиция, която улавя възможно най-голяма част от въздушния поток. Ако скоростта на вятъра е над номиналната, работните лопатки отново изменят ъгъла си, с цел да се избегне претоварване на системата.

Прекъсване на захранването. Системата преустановява работа, когато скоростта на вятъра падне под допустимата стойност. Генераторът се разединява от мрежата и системата остава да работи на празен ход.

Спиране на системата. Прилага се, в случаите когато работата на генератора трябва да бъде прекъсната и роторните лопатки се извеждат в неутрална позиция, за да се осъществи аеродинамично спиране. Спирането може да бъде наложено от продължителни периоди с вятър под номиналната скорост, с цел да се предпази оборудването, или когато предстоят ремонтни дейности. За целта ветрогенераторите са снабдени с механична спирачка.

По време на описаните работни състояния, системата за контрол записва всички параметри и паралелно с това ги сравнява със зададените спецификации за всеки етап. При регистриране на отклонения се осъществяват съответните корекции, съгласно предварително интегрираните алгоритми в системата за контрол. В случай че системата не може да коригира отклонението самостоятелно, то тя генерира съобщение за грешка и го изпраща до дежурния оператор. Ако повредата или отклонението от стандартните експлоатационни условия застрашава сигурността на ветрогенератора, системата е в състояние и да преустанови изцяло работата му. От своя страна, операторът анализира получените данни и при нужда променя настройките или предприема други действия.

Поддръжка на ветроенергийните системи

Ветроенергийните системи се нуждаят от редовна инспекция и поддръжка. Отделните компоненти трябва да се проверяват на определен интервал, да се описва тяхното текущо състояние и когато се налага да се заменят износените и повредени части. Целта е да се поддържат техническите възможности на системата на най-високо ниво и да се избягват непредвидени повреди, които могат да доведат до спиране работата на ветрогенераторите и финансови загуби.

Регистрирането и съхранението на работните параметри от системата за контрол е от полза и при воденето на статистика за най-често появяващите се проблеми и най-бързо износващите се части, което улеснява своевременната им подмяна. Ранното откриване на повреди може да бъде подпомогнато чрез използването на допълнителни системи за следене на степента на износване на компонентите. Благодарение на тях, поддръжката на системата може да се базира на замяна на компонентите в зависимост от реалното им състояние, а не само с превантивна цел. Това позволява по-ефективно планиране и по-кратки прекъсвания за ремонтни дейности.

Мониторинг на техническото състояние на централите

Най-новите тенденции в поддръжката на вятърните турбини включват използването на системи за наблюдение състоянието на оборудването. Този тип наблюдение включва измерване на физическите параметри и анализ на тенденциите и специфичните характеристики, за да може да се предскаже повредата на отделните компоненти. Данните могат да бъдат получени от някои или всички от следните видове източници: вибрационен анализ, анализ на маслото, инфрачервена термография и ултразвукова дефектоскопия. В момента първите два метода са най-използвани за наблюдение на състоянието на вятърните турбини.

Вибродиагностика на оборудването

Най-често използваният метод за мониторинг на състоянието на оборудването е вибрационният анализ на подвижните компоненти - основния вал, редуктора, съединителя, генератора и др. Промените в амплитудата на вибрациите както в цялостния честотен диапазон, така и при специфични честоти, носят информация, която се анализира от квалифицирани експерти. Допълнителна информация за състоянието на оборудването може да се получи чрез изследване на маслото и осъществяване на термографски анализ.

Последните технологични новости включват и използването на тензометрични елементи (включително оптични влакна), вградени в конструктивните елементи (работни лопатки и кули), които са в състояние да отчитат промяна в динамичното състояние на конструкцията. Те също така позволяват поддържането на регистър за промените в натоварването и честотата, който може да бъде използван, за да покаже дали някой от конструктивните елементи не е превишил проектните си параметри. Много от производителите на вятърни турбини и компоненти за тях започват да включват нови технологии за мониторинг на състоянието на оборудването още на етап производство - вградени сензори в турбините, интеграция със SCADA системи и др.

Предимства на мониторинга

Сред предимствата на постоянния мониторинг на системното оборудване е намаляването на опасността от аварийни спирания, по-прецизното определяне на графика за ремонтни дейности и своевременното планиране и поръчка на необходимите резервни части. Освен това, съвременните системи за мониторинг притежават и способността да анализират събраната информация и да изолират специфични характеристики на оборудването, което допълнително улеснява поддръжката на системите.

Навлизането на тази технология в масова употреба, обаче, все още е бавен процес, което в голяма степен се дължи на високата й цена и трудностите при оборудването на всяка вятърна турбина с датчици и записващи устройства.

Вероятно въвеждането на постоянния мониторинг ще получи най-бързо развитие при вятърните паркове, разположени в отдалечени места или в открито море, при които разходите за поддръжка са значително по-високи.

Технически мениджмънт на ветроенергийните паркове

За разлика от традиционните електроцентрали, управлението и поддръжката на вятърните паркове обикновено се преотстъпват от инвеститорите на проекта на специализирана компания. Компаниите, които осъществяват технически мениджмънт на съоръженията имат за задача да минимизират операционните и сервизни разходи, да увеличават производителността на вятърните турбини и съответно тяхната доходност, да понижават застрахователния риск и да осигуряват защита на активите. Обхватът на договора за мениджмънт на парка може да включва и поддръжка на пътната и електрическа инфраструктура и спомагателните сгради и съоръжения.

Важна част от работата на техническия мениджър на ветропарка е осъществяването на комуникация между инвеститорите, производителите на турбините, сервизните партньори, собствениците на земята, държавните органи, както и следенето за изпълнението на договорите с тези институции.

Въпреки че съвременните автоматизационни и комуникационни системи отменят необходимостта от постоянно човешко присъствие във ветроенергийния парк, редовните инспекции на място от страна на техническите лица са задължителни. Освен проверка на самите ветроенергийни съоръжения, инспекциите включват оглед на портали, заграждения, пътища за достъп, маркировки, метеорологични мачти и ел. инфраструктура. При регистриране на проблем, техническият мениджър организира ремонтните дейности и следи за тяхното изпълнение.

Не на последно място, компанията, осъществяваща технически мениджмънт на ветропарка, представя месечни и годишни отчети на инвеститора, относно произведените количества енергия и техния финансов еквивалент, изпълнени мероприятия по поддръжката и сервизното обслужване на съоръженията, регистър на аларми, престой и всяка друга информация, която би представлявала интерес.

Центрове за дистанционно наблюдение

Като алтернатива на локалния технически мениджмънт, част от производителите на вятърни турбини предлагат на своите клиенти услугите на дистанционни центрове за наблюдение на експлоатираните мощности. В тези центрове се следи и анализира общото техническо състояние на турбините и при необходимост се уведомява местният екип по поддръжката. Тези услуги обикновено се предоставят в рамките на гаранционния период на оборудването, но често времетраенето им се продължава и при по-нататъшната експлоатация на ветропарка.