Tiden. Vi reduserer effekten av den! Jan Erik Salomonsen MainTech AS Hvordan redusere drift og vedlikeholdskostnader innen vindkraft MainTech konferansen 2014 Agenda – Kort presentasjon av MainTech • Erfaringer med vedlikeholdsstyring vindkraft – Potensial for reduserte drift og vedlikeholdskostnader Jan Erik Salomonsen M.Sc., EFNMS Certified European Expert in Maintenance Management, Certified Vibration analyst; ISO18436.2 Cat II. Position: Principal Engineer at MainTech AS www.maintech.no/ansatte Field Experience 24+ years Materials and corrosion, inspection, condition monitoring and subsea technology MainTech’s erfaringer • MainTech er en uavhengig tjenesteleverandør og har erfaring med vindkraft siden 2004: • MainTech sitt fokus i prosjekter med operatører: – Innkjøp / kontraktsforhandlinger • Ivareta driftsfase under innkjøp / design – Kodifisering (EBL / RDS-PP) – FV-Program – Analysere – Forbedre Erfaringsbakgrunn innen vind • NTE (Vestas) 2004 – Kodifisering EBL, registrering i VH-system, RCM analyse • Scanwind / GE Wind Energy 2005-The end – VH-manual / FMEA / Utvikling / FV-program / Lede revisjon • TrønderEnergi (Enercon) 2006 - 2007 – Kontraktsforhandlinger / kodifisering / registrering VH-system • Statoil – Sheringham Shoal (Siemens) 2009 – Kodifisering RDS-PP / (FMEA) • Statkraft Smøla, Hitra og Kjøllefjord (Siemens) 2010-2011 – Kodifisering RDS-PP / RCM analyser / FV-program • Sarepta - Teknisk Due Diligence innkjøp av turbiner P.T. • Deltager i Windcluster Mid-Norway MainTech’s kompetanse • Materialteknologi • • • • Inspeksjon • • • • RCM Jobbpakking Styringssystemer ERP og CMMS Analyser Alle disipliner representert i PT 41 ansatte: • • • • • • Risiko basert inspeksjonsplanlegging Strukturinspeksjon offshore og onshore Kunnskap om de fleste NDE metoder Vedlikeholdsstyring (9 EFNMS sertifiserte som Europeisk Vedlikeholdsekspert) • • • • • Katodisk beskyttelse beregninger og verifikasjon (Nordsee Ost, Aasgard, Aker Verdal) Malingssystemer Materialvalg Metalliske materialer, kompositter, plaster og elastomerer påvirkning nedbryting og bestandighet Maskinteknikk Instrumentering automasjon Kjemiteknikk Elektroteknikk Logistikk Lang erfaring innen offshore- og landbasert energiproduksjon www.maintech.no Potensial • D&V kostnader tilsvarer 20 til 25% av energikostnaden for vind kraft systemer (EWEA 2009) • Dagens norske onshore vindparker har en D&V kostnad på 12 til 22 øre/kWh (2011) • PÅSTAND: Det er mulig å drive nye parker med en D&V kostnad på 5 til 8,5 øre/kWh (tilsvarende vannkraft)! Potensial • For en 100MW park utgjør forskjellen en økt inntjening på typisk 18 mill. per år. Hvordan? • Valg av teknisk løsning • Bedre vedlikeholdsstyring • Bedre diagnostikk – basert på tilstandskontroll i kombinasjon med logistikk og reservedelshold • Tilgang på kran! Valg av teknisk løsning - Pålitelighet • I en vindturbin er stort sett alle komponenter pålitelighetsmessig i serie med hverandre (ingen redundans) • Det betyr at det stilles store krav til den enkelte komponents pålitelighet • Dersom en komponent svikter vil turbinen stå stille! Vedlikeholdsvennlighet Inspeksjonsvennlighet Pålitelighet Vedlikeholdsevne Driftssikkerhet Driftssikkerhet (Dependability) Konstruert Driftssikkerhet Ledet Driftssikkerhet Designet og bygd driftssikkerhet er startpunktet til ledet driftssikkerhet Prosedyrer, arbeidsprosesser og opplært personell må være på plass før oppstart, for å sikre at driften blir verdensklasse! Et dårlig planlagt, designet eller bygd anlegg vil aldri kunne oppnå verdensklasse driftssikkerhet! Vi må sikre at vårt startpunkt for drift blir optimalisert ved å grundig kontrollere design, konfigurasjon, kvalitet og byggeaktiviteter. Konstruert Ledet Driftssikkerhetsfaktorer Driftssikkerhet Systemets Pålitelighet • Hvor godt komponentene er konstruert • Robust system arrangement • Hvor påkjent systemet er Systemets Vedlikeholdsvennlighet • Vedlikehold er tatt hensyn til i utstyrskonstruksjonen • Tilgjengelig teknisk dokumentasjon • Tilkomst og plass • Hjelpeutstyr • Modularisering/Standardisering • Arbeidsmiljø Organisasjonens Vedlikeholdsevne • • • • • • • Vedlikeholdsstrategi/politikk Vedlikeholdsorganisasjon Vedlikeholdssystem Lokasjon Tilgang på riktig kompetanse Reservedelshold Tilgjengelighet på hjelpeutstyr Driftssikkerhetsfaktorer De røde er de vi også kan påvirke i prosjekteringen! Driftssikkerhet Systemets Pålitelighet • Hvor godt komponentene er konstruert • Robust system arrangement • Hvor påkjent systemet er Systemets Vedlikeholdsvennlighet • Vedlikehold er tatt hensyn til i utstyrskonstruksjonen • Tilgjengelig teknisk dokumentasjon • Tilkomst og plass • Hjelpeutstyr • Modularisering/Standardisering • Arbeidsmiljø Organisasjonens Vedlikeholdsevne • • • • • • • Vedlikeholdsstrategi/politikk Vedlikeholdsorganisasjon Vedlikeholdssystem Lokasjon Tilgang på riktig kompetanse Reservedelshold Tilgjengelighet på hjelpeutstyr Tilgjengelighet Aop.max MTBM MTTR MTPM MLDT 𝐴𝐴𝑜𝑜𝑜𝑜 .𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 1 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 + 𝑛𝑛 + 𝑛𝑛 (𝑛𝑛1 ∙ 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 + 𝑛𝑛2 ∙ 𝑀𝑀𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃) + 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 1 2 = Maksimal operasjonell tilgjengelighet = Middeltid mellom vedlikehold (Mean Time Between Maintenance) = Midlere reparasjonstid (Mean Time To Repair) Σ(PKV+KV) = Midlere tid for preventivt VH (Mean Time for Preventive Maintenance) = Midlere logistikk tid (Mean Logistic Delay Time) - Av formelen fremgår det at tilgjengeligheten forbedres dersom antall velikeholdsaksjoner reduseres - Et skift fra korrektive til prediktive og preventive vedlikeholdsoppgaver vil øke tilgjengeligheten da disse er av totalt kortere varighet. • Ressursbruk - Maksimal operasjonell tilgjengelighet er den tilgjengelighet som oppnås når både korrektive og forebyggende tiltak regnes med Ar Prediktivt Preventivt Med 30% produksjonstid gir det muligheter for “opportunity” maintenance, dvs. Vedlikeholdstiden skal ikke utføres i god produksjonstid. g nin ast bel ds bei Korrektivt Kvantitativt mål = tilgjengelighet (Availability) • Tilgjengelighet uttrykkes som: A MTBF MTTR MLDT A= MTBF MTBF + MTTR + MLDT = System tilgjengelighet = Middeltid mellom feil (Mean Time Between Failures) = Midlere reparasjonstid (Mean Time To Repair) = Midlere logistikk tid (Mean Logistic Delay Time) • Formelen inkluderer tre viktige variabler som påvirker tilgjengeligheten: – Pålitelighets oppnåelse (Reliability performance) (MTBF) Hvor godt systemet er designet, laget drevet og vedlikeholdt – Vedlikeholdsvennlighets oppnåelse (Maintainability performance) (MTTR) Hvor enkelt det er å reparere systemet og hvor raskt og godt vedlikeholdsorganisasjonen utfører reparasjoner – Vedlikeholdsevne oppnåelse (Maintenance support performance) (MLDT) Ledetid for reservedelser og reparasjonsutstyr, lagerholds filosofi • For å sikre den påkrevde tilgjengeligheten må vi vurdere og forbedre disse tre faktorene. Primært fokus på kostnadsdrivere Kran! Valg av teknisk løsning • Blad: – – – – – – Integral cast (Siemens) Karbonfiber spar + epoxy (Vestas mfl.) Aeroelastisk design (Siemens mfl.) Tykke og korte (Enercon) Doble rader med bolter (Enercon) Coating system!!!! Blad - degradering over tid • Nedbryting av Gelcoat – – – – Trinn Trinn Trinn Trinn 1 2 3 4 – – – – matt overflate avsetning av støv (chalking) Hårlinje sprekker Stedvis blistering og avflassing Blad – Påkjenninger og inspeksjon Blad – utmatting fra IEC 61400-23 Blad – utmatting (IEC 61400-23) • 10 millioner lastvekslinger = design kriterie som korresponderer med ca 20 år bruk av en landbasrt vind turbin, tillatt spenning kan da eks. Være ca 30% av den initielle ultimate. Dette er imidlertid sterkt materialavhengig: • Karbon fiber i epoxy kan typisk motstå 50% av sin ultimate last I 10 millioner lastvekslinger, mens en lavere kvalitet glassfiber I vinylester kan typisk klare 20% av sin initielle bruddlast. • [NB! Landbaserte turbiner har 15 -30% produksjonstid] Blad - utmatting Mest utsatte områder er trailing edge og foran på leading edge Denne kunnskapen kan tas inn i inspeksjonsplanleggingen Blad - utmatting • Siemens 3,6-107 Rpm 5 – 13 glassfiber i epoxy • Ved 50% tilgjengelighet (Hywind 2011) og 13rpm gir dette inntil 3.4 mill. dynamiske flexinger per år, eller behov for 65 millioner lastvekslinger på 20 år. • Avhengig av robustheten i design og relevante S-N kurver vil man da måtte påregne en utmattingslevetid på bladene på ?? År Blad - utmatting • Bruk av Palmgren-Miner i tilstandsstyring – Sensor input: • RPM • Last • Driftstid ved last • Vindhastighet, pitch, tip-clearance • (Distribuerte bragg sensorer) • (Strekklapper) – Tilbakeberegning – spenning/n – Beregne akkumulert utmatting P-M – Beregne tid til utskiftning Blad - Bolter • Hyppig ettertrekking gir herding og utmatting! Hub – Bladlager • Grease smurte rullelager – Doble kulelager – Motstående rullelager • Problematikk – Fretting ved stillstand – Greasetilførsel • Løsning – Herding eller belegg – Automatisk grease system Hub – Pitch system • To hovedteknologier – Hydraulisk (tradisjonell dansk) • Hydraulisk trykk fra HPU i nacelle via swivel – Elektrisk (nyere) • Individuelle motordrevne gir per blad Drivverk og generator Tradisjonell hovedaksel med to lager, tretrinns girkasse, kobling og DFID generator Drivverk og generator • Direktedrevet Drivverk og generator • Direktedrevet Permanent Magnet generator Drivverk og generator • Hybrid Drivverk og generator • Hybrid Drivverk og generator • DD vs. Gir – DD gir 20% lavere D&V kost (Vattenfall offshore) • Gjennomprøvd/testet teknologi – Problem at utviklingen gir stadig ny teknologi Hovedlager • Konsiske • Preloaded 3 row • Sferisk + sylindrisk Hovedlager - L10 tall • L10 indikerer lagerets beregnede levetid og angir det antall driftstimer der 10% av en gruppe lager viser tegn til utmatting – altså 90% pålitelighet. • Dimensjonerende feilmekanisme er “subsurface fatigue spalling” Hovedlager – Andre feilmekanismer • Andre feilmekanismer: • Scoring: Can occur when the end of the roller contacts an improperly lubricated flange or if a high rib contact stress or improper contact geometry exists. • Scuffing: Can occur when there are insufficient traction forces between the roller and the raceways resulting in gross sliding at the contact. As the heat generation increases, the surfaces adhere and cause transfer of the material. • Micropitting:Generally small pits on the surface that are generally due to increased stresses that occur when lubricant films are thin compared to the surface texture resulting from the finishing process. • Structural issues: Can be related to sections of the inner or outer raceways that may be used as structural members to transmit the load instead of using a housing or shaft to transfer the load. Brinelling and false brinelling: Results from permanent deformation or yielding in the part. False brinelling is commonly seen when the rollers are not rotating and oscillate back and forth along the direction of the rotational axis of the roller. Yaw bearing Yaw bearing – slewing ring SCADA og kodifisering • IEC 61400-25 serien for felles SCADA data – OPC XML DA – IEC 60870-5-104 – DNP3 • RDS-PP kodifisering av komponenter • Nødvendig å ha data tilgjengelig fra SCADA systemet for å oppnå egen kontroll på historikk og CMMS system! Opportunity Pit-stop maintenance • Pit stop filosofi • • • • • • • • • God vedlikeholdsstyring med basis i RCM/RBI Veldefinerte og beskrevne oppgaver Klare ansvarsforhold i teamet Forberedt jobbpakking med gode leksjoner Logistikk er organisert og prøvet på forhånd Reservedeler ligger pakket og klar for jobbene – Pokajoke kits Mannskap er godt trent på forhånd i utførelsen av oppgavene Jobbene pakkes og legges klar til Opportunity og tas når annet korrektivt vedlikehold trigger besøk på turbinene. Oppdatering, erfaringsoverføring og «nullstilling» av tilstand i CMMS MainTech’s erfaringer RCM av en kundes vindparker ga meget gode resultater: • • • • • • • • • • • Kunden ble «herre i eget hus» med kontroll over data/historikk og mulighet til egen kompetanseoppbygging Systematisk dokumentert og auditerbar gjennomgang Innføring av en tilstandsparameter 1-4 for gradvis degradering (Markov state) Egenutviklet vedlikeholdsprogram basert på egne erfaringer Sporbart og etterprøvbart – grunnlag for kontinuerlig forbedring og optimalisering Høyere andel av tilstandskontroll og periodisert utskiftning (43%) Utvidede serviceintervaller 12 til 18 måneder på en rekke aktiviteter – Filterskift – Sentralsmøre systemer Utvidede intervaller på ettertrekking av bolter Redusert antall funksjonstester - kun funksjonskritiske komponenter – Halvering av antall funksjonstester - Hydraulikksystemer – Halvering av antall funksjonstester - Elektriske systemer Bedre jobbpakking og logistikk for vedlikeholdsjobber og runder Forslag til fysiske endringer av turbinene Det store bildet • Strømprisen er lavest om sommeren, det blåser mindre og det er da det også er mulig å drive vedlikehold • = mye VH aktivitet om sommeren og VH har da liten innvirkning på årsproduksjon og krevd tilgjengelighet. Tilgjengelighet En optimal mix av vedlikeholdskostnader oppnås når det er mulig å balansere korrektive oppgaver med preventive og prediktive. Ressursbruk • Ar Prediktivt Preventivt g nin ast bel ds bei Korrektivt Maintenance strategy - component level Before failure Maintenance After failure Determined on: Preventive • Criticality / redundancy Corrective • Consequences at failure • Can failure be predicted? Counter based Condition Based (PdM) • Calendar based • Inspection • Operating hours • Condition Monitoring Failure Planned corrective Z(t) Feilkarakteristikk t UAL 1968 Bromberg 1973 MSP 1982 SUBMEPP 2001 4% 3% 3% 2% 2% 1% 17 % 10 % 5% 4% 3% 17 % 7% 11 % 6% 9% 14 % 15 % 42 % 56 % 68 % 66 % 29 % 6% Hvilke komponenter er egnet for TK?  Kun 8 - 29 % har aldringsforløp – sviktintensiteten øker med alderen   Komponenten må ha en kritisk systemfunksjon Komponenten må ha et målbart degraderingsforløp som sikrer nok tid til å måle utvikling og utføre vedlikehold før svikt inntrer  For øvrige komponenter 71 – 92 % er sviktinteniteten enten konstant, tilfeldig eller tidlig  For disse komponentene vil ikke planlagt utskiftning eller tilstandskontroll ha noen effekt på påliteligheten. - Man bør imidlertid foreta målinger og verifikasjon på at driftsparametere holder seg innenfor et gitt driftsvindu “Integrity Operating Window” (IOW) for å sikre optimale driftsforhold. P-F Intervallet P Condition Sensitivity Inspections F Action Time RCM metoden •Tegninger (en-linjeskjema) • Kodeplan/ utstyrslister • Personkunnskap FUNKSJONSANALYSE Funksjonsbeskrivelse • Funksjonshierarki • Funksjonsanalyse • Historikk •Personkunnskap FMECA Kritisk/ukritisk ? •FMECA •Kritikalitet •Personkunnskap TILORDNING AV VEDLIKEHOLDSAKTIVITETER OG RESERVEDELER •Vedlikeholdsstrategi (aktivitet/intervall) •Reservedelsbehov •Ressursbehov • Vedlikeholdsstrategi på komponentnivå •Personkunnskap JOBBGRUPPERING •Vedlikeholdspakker •(på utstyrsnivå) •Inspeksjonsrunder RCM metoden - Funksjonsanalyse Eksempel: Gruppe: MDX11 – Hydraulic pitch blade A Utstyr: MM001- Pitch cylinder Funksjon: Holde tett og overføre kraft Funksjonsfeil: Feilmode 1: Feilmode 2: Holder ikke tett Lekkasje forbi stempel Pakningsbrudd eksternt NB! ”En funksjon kan ha flere funksjonsfeil” RCM metoden RCM av en gitt turbintype Utfordring: • Hvordan kan vi så øke preventiv vedlikeholsdandel ytterligere? • Svar: – – Ved å utvide RCM analysen med en Feilmode og Symptom Analyse (FMSA) Deretter ta i bruk nye tilgjengelige metoder for tilstandskontroll og diagnostikk RCM metoden + FMSA +FMSA Knowledge based system - Kontekst Ekspert systemer og kunstig intelligens: • Enkelte ganger er prosessen for kompleks til at en enkel signal analyse er tilstrekkelig til å gi en pålitelig feildeteksjon. Dvs. Ulike svikt kombinasjoner påvirker systemet på forskjellig vis. • I slike tilfeller er det mulig å klassifisere feil ut fra kombinasjonen av signal ved å bruke kvalitativ prosessforståelse for å vurdere relasjonen mellom ulike målte signaler og de gjeldende driftsbetingelser. FMSA Failure Mode Symptoms Analysis • Hjertesvikt (feilmode) • Basert på symptomene danner legen seg en hypotese og utreder indikatorene på feilmodet (og evt. Andre feilmoder eks. influensa) = tar tempen. • Basert på samsvar (og ikke samsvar eks. feber) mellom generelle statistiske akseptkriterier og målte verdier stilles diagnose med prognose på rest levetid. Symptomer svikt (fault) – – – – – – – – • • Tretthet Kortpustethet, tung pust ved anstrengelser eller om natten i liggende stilling. Nattlig hoste, dårlig matlyst, hovne ben, vektøkning på grunn av vannansamlinger og hjertebank. Smerter i rygg, kjeve, nakke og bryst, «Stråling» i armer Influensalignende plager/sykdomsfølelse Kvalme/brekninger/kaldsvette Fordøyelsesplager Tilbakevendende press i brystet Direkte årsak / Indikator – – – Alder Høyt blodtrykk Diabetes -Teller – Puls, blodtrykk, lytte - Insulinmåling FMSA Failure Mode Symptoms Analysis Hydraulisk pumpe leverer ikke nok trykk og volum: • Anomalitet / symptomer svikt – – – – – • Aktuator går tregt Temperatur øker Trykktap i system Støynivå Synkende oljenivå - Tidstrend Temperaturtrend Trykktrend Støytrend Nivåtrend Direkte årsak / Indikator – – – – – • • Forhåndsdefinerte mulige symptomer for aktuelt feilmode Analyse trigges av: – – • TK rutinen sjekker aktivt indikatorene på symptomene eller en «anomalitet» flagges via målinger/alarmer Basert på samsvar (og ikke samsvar) mellom indikatorer og satte driftsvindu stilles diagnose med prognose på rest levetid Desto flere symptomer som samsvarer, desto sikrere diagnose Driftstid- slitasje - Teller – tid / omdreininger - Oljeprøve partikkelmåling - Trykkmåling • - Vibrasjonsanalyse Vann i olje - Oljeprøve Kavitasjon - Støy/Vibrasjonsmåling Ekstern lekkasje - Visuell inspeksjon Intern lekkasje - Regel: Treg aktuator og trykktap og ikke ekstern lekkasje og ikke synkende oljenivå FMSA metodikk – ISO 13379-1 DET = Detectabilty (1-5) SEV = Severity (1-4) DGN = Diagnosability (1-5) PGN = Prognosability (1-5) MPN = Monitoring Priority Number (Max 500) FMSA systematikk • • • • • • • • • Listing the components involved Listing the possible failure modes for each component; Listing the effects of each failure mode; Listing the causes of each failure mode; Listing the symptoms produced by each failure mode; Listing the most appropriate monitoring technique; Listing the estimated frequency of monitoring; Ranking each failure mode by detection, severity, diagnosis confidence and prognosis confidence resulting in a monitoring priority number (MPN); Listing the most appropriate correlation techniques – • {Regelsamsvar med andre symptomer eller målinger} Listing the frequency of monitoring for the correlation techniques. FMECA Kombinert FMECA og FMSA i ett verktøy >MS-Excel Inspeksjon - systematikk • Overflate Fremtiden er her Statoil’s supplier Siemens has developed a gearless turbine that represents a major step forward in the simplification of the technology – and which promises to reduce maintenance by 20%. Man må unngå å begrense seg selv 8 år etter - Siemens 3 MW: • • • 50% færre deler 12% redusert vekt 18% mer produksjon I forhold til 2,3 MW ”As far as the laws of mathematics refer to reality, they are not certain; and as far as they are certain, they do not refer to reality. . . ” Albert Einstein (1879 - 1955) Riktig kompetanse = riktig diagnose • Wind turbine destroyed after 'octopus UFO' seen in sky. • An octopus-shaped UFO was reported flying through the air hours before a wind turbine was destroyed in mysterious circumstances. However: • • The bolts securing the blade to the turbine's hub "exhibited classic signs of fatigue failure". Though the bolts themselves had shown no flaws, it appears that a component part on either side had "induced stress in the bolts beyond their design limits".