Tilstandskontroll - Norske erfaringer (Remafex, Optimalt vedlikehold, mm.)

Transkript

1 Vedlikeholdsforum juni 2010, Gardermoen Vern, Tilstandskontroll og Tilstandsovervåking Tilstandskontroll - Norske erfaringer (Remafex, Optimalt vedlikehold, mm.) Eivind Solvang SINTEF Energi AS eivind.solvang@sintef.no SINTEF Energi AS 1

2 Innhold Remafex (EU-prosjekt ) TR A5289: REMAFEX-prosjektet. Oppsummering og evaluering av prosjektet og resultater Integrasjon av IKT-systemer for vedlikehold i et kraftselskap (EBL Kompetanse ) TR A5644, EBL-K : Kartlegging og evaluering av tilstandsparametre i vannkraftverk TR A6225, EBL-K : Nytteverdi av tilstandskontrollsystemer SINTEF Energi AS 2

3 REMAFEX EU-prosjekt Gjennomført i perioden Prosjektpartnere Sema Group (Frankrike) EDP (Portugal) Iberdrola (Spania) SINTEF Energiforskning Norske interessenter ABB Kraft, BKK Produksjon, Oslo Energi Produksjon, Hydro Energi, Sira-Kvina Kraftselskap, Statkraft, Nordkraft, Vest- Agder Energiverk, Enfo remafex remote maintenance facilities exploitation Informasjon om REMAFEX: TR A5289 REMAFEX-prosjektet. Oppsummering og evaluering av prosjektet og resultater fex/no_index.asp SINTEF Energi AS 3

4 REMAFEX vs Control and Technical Management Systems Plant organisation Control operator Maintenance operator Management operator Request Report Control function Maintenance function Management function Exploitation database Control database Maintenance database Management database Action Observation Process SINTEF Energi AS

5 Resultater fra REMAFEX-prosjektet Identifikasjon av brukerbehov Systemrelaterte brukerbehov innen vedlikehold av vannkraftverk Spesifikasjon av data Tilgjengelige data på teststasjonene Data knyttet til identifiserte funksjoner Utarbeidelse av datastruktur/- organisering Spesifikasjon av funksjoner 56 forslag til funksjoner ble identifisert og kort beskrevet 26 funksjoner ble spesifisert med tanke på implementering i REMAFEX Spesifikasjon av programvare Systemarkitektur Grensesnitt (standard protokoller) Database(r) Brukerfunksjoner 4 norske 6 spanske 8 portugisiske Brukergrensesnitt Programvare med dokumentasjon Uttesting i to kraftverk Soutelo (Iberdrola) France-Covacs (EDP) SINTEF Energi AS 5

6 Realiserte funksjoner Spesifisert og utviklet av SINTEF Energiforskning Trend analysis on insulation systems (S1) Monitor circuit-breaker operating mechanism condition (S3) Monitor hydraulic string and turbine condition (S4) Compute optimal maintenance interval (A3) EFI Maintenance Monitoring Tool (MMT) for S1/S3 Spesifisert av IBERDROLA og utviklet av IBERDROLA/Sema Group Detect dissipated energy in refrigeration coil (S22) Detect water pressure drop in refrigeration coil (S23) Detect probability of future thrust bearing disturbances (F8) Detect probability of future guide bearing disturbances (F9) IBERDROLA forts. Detect probability of future breaking system disturbances (F10) Detect probability of future bearing disturbances (F13) Spesifisert av EDP og utviklet av EDP/Sema Group Compute MSV (turbine efficience) (S6) Compute MSV (guide vanes clearence) (S9) Perform trend analysis of MSV (guide vane clearence) (F25) Perform trend analysis of MSV (turbine efficiency) (F1) Identify and display fault localisation (D1) Quantify failure value (A5) Analyse and display concequences of failure to the system (A6) Display dynamic behaviour of Hydroelectric Set through shaft vibration (S5) SINTEF Energi AS 6

7 Remote C-MMI machines C-MMI machines Central Man- Machine Interface Central Man- Machine Interface Modem Ethernet TCP-IP Communicati on and Processing Server Network and database Server CPS machine Maintenance Server machine Permanent Maintenance Database Data Acquisition Server Local Man- Machine Interface Real-time Maintenance Database Router DAS machine Field Communicati on Interface Realisert teknisk arkitektur i REMAFEX Ethernet TCP-IP Process event flow Front end machines SINTEF Energi AS 7

8 TCP-IP PPP REMAFEX S LAY-OUT IN SOUTELO MADRID TRONDHEIM IBERDROLA S CORPORATIVE COMMUNICATIONS ETHERNET / TCP-IP SALTO DE SOUTELO SITE REMAFEX SERVER EFI MMT PROMOSHYGES MMT RS 232 RS 422 RS 232 SCADA APTOR PROTOCOL RS 232 Circuit Break Signal PDA Energy Meter Signals Dinamic Daspu Signals Static Daspu Signals SINTEF Energi AS 8

9 REMAFEX user functions developed by SINTEF Energy Research Bilbao, Madrid Trondheim Trend analysis on insulation systems (S1) Monitor circuit-breaker operating mechanism condition (S3) TCP-IP PPP ETHERNET / TCP-IP REMAFEX SERVER EFI MMT Monitor hydraulic string and turbine condition (S4) Compute optimal maintenance interval (A3) ( VTG-modellen ) RS 232 CB Signal PDA SCADA SINTEF Energi AS 9

10 Trend analysis on insulation systems (S1) Continuous monitoring of partial discharges (PD) in stator windings Early fault indication (sudden changes in partial discharge level) Alarm if trend values of discharge level and gradient exceed specified limits Alarm indicates that further examinations, inspections or maintenance should be carried out SINTEF Energi AS 10

11 Monitor circuit-breaker operating mechanism condition (S3) Trend analyses of the mechanical condition of the circuit-breaker operating mechanism Continuous monitoring of the mechanical vibrations generated when the breaker is operated The vibration patterns (signatures) are compared with a reference recording If deviations occur, this signifies that the condition has changed, indicating that further examinations, inspections or maintenance should be carried out SINTEF Energi AS 11

12 EFI Maintenance Monitoring Tool (MMT) Data acquisition for S1 and S3 functions Ethernet TCP-IP MMT PC EFI MMT Modem ICM monitor S1 sensor (Stator) S3 sensor and preamplifier (Circuitbreaker) SINTEF Energi AS 12

13 S1 data acquisition Partial discharge (PD) signals from stator windings MMT PC PD sensors installed in the stator windings Capacitance value 80 pf High frequency (50 MHz) narrow band sensors, short range Partial discharge phase A, B, C (pc) Discharge current phase A, B, C (na) ICM monitor: Power Diagnostix Systems ICM monitor S1 sensor (Stator) MMT PC Downloads from ICM monitor: partial discharge, discharge current, scope display (bitmap) Parameters: alarm threshold/gradient SINTEF Energi AS 13

14 S3 data acquisition Circuit-breaker vibration patterns (signatures) Vibration sensor (accelerometer) and preamplifier are mounted in the operating mechanism cabine SINTEF Energi AS 14

15 Integrasjon av IKT-systemer for vedlikehold i et kraftselskap Prosjekt i regi av EBL Kompetanse Kraftselskaper Alstom Power og Voith Siemens Utført av SINTEF Energiforskning i perioden Resultater fra Delprosjekt 4: TR A5644, EBL-K : Kartlegging og evaluering av tilstandsparametre i vannkraftverk ( ) TR A6225, EBL-K : Nytteverdi av tilstandskontrollsystemer ( ) SINTEF Energi AS 15

16 TR A5644, EBL-K : Kartlegging og evaluering av tilstandsparametre i vannkraftverk (I) 229 måleparametre på anleggsdeler fra dam til koblingsanlegg er beskrevet Omfatter parametre som måles direkte (f.eks. temperatur og trykk), avledede parametre, data fra inspeksjon og revisjon, samt data fra funksjonskontroll Destruktive målinger, rutinemålinger/avlesninger (f.eks. ukentlig) og tellerverdier er ikke med Resultatene gir primært en oversikt over måleparametre som benyttes i forbindelse med tilstandsanalyser i utvalgte norske kraftselskaper (hva, hvorfor, hvor ofte) Resultatene sier også indirekte noe om metoder og systemer som brukes Informasjon om måleparametrene Måleenhet, anvendelse Målemetode (gjennomførbarhet, kvalitet, kompetanse, type, intervall) Datalagring (tid) Tilstandsanalyse (analyse, kvalitet, kompetanse) Begrunnelse, Anvendelse, Prioritering, Rangering SINTEF Energi AS 16

17 Kartlegging og evaluering av tilstandsparametre i vannkraftverk (II) Eksempel på statusinformasjon for generator SINTEF Energi AS 17

18 Kartlegging og evaluering av tilstandsparametre i vannkraftverk (III) Eksempel på evaluering for generator SINTEF Energi AS 18

19 TR A6225, EBL-K : Nytteverdi av tilstandskontrollsystemer (I) Spørreundersøkelse hos 13 norske kraftselskaper med hensyn til utbredelse og anvendelse av tilstandskontroll i vannkraftverk (utført i ) Modell for nytteverdivurdering av tilstandskontrollsystemer Økt tilgjengelighet, økt levetidsutnyttelse, økt produksjonseffektivitet, økt produksjonskapasitet, redusert vedlikehold, økt personsikkerhet, redusert miljøbelastning og bedre omdømme Nytteverdivurderinger er både av kvalitativ og kvantitativ karakter Kvalitativ vurdering: 1 - ingen/liten nytteverdi, 2 - middels nytteverdi, 3 - stor nytteverdi Kvantitativ vurdering: Analyse av forventet lønnsomhet (netto nåverdi) knyttet til anskaffelse og drift av tilstandskontrollsystemet. Resultatet av nytteverdivurderingen presenteres i et skjema sammen med aktuelle forutsetninger Bruksområdet for nytteverdimodellen Vurdering og dokumentasjon ved anskaffelse av nytt tilstandskontrollsystem Vurdering av konkret anvendelse av tilstandskontrollsystemet (på hvilke enheter, hvilke tilstandsparametere skal overvåkes, hvor ofte, etc.) Rapporten beskriver et eksempel på konkret anvendelse av modellen der det er foretatt en nytteverdivurdering av kontinuerlig vibrasjonsovervåking av aggregat SINTEF Energi AS 19

20 Nytteverdi av tilstandskontrollsystemer (II) Det ble spurt konkret om 32 systemer SINTEF Energi AS 20

21 Nytteverdi av tilstandskontrollsystemer (III) Oppsummering av spørreundersøkelsen 13 av 21 utvalgte selskap har svart, flere kun delvis Kun 2 av 13 oppgir at de benytter avanserte systemer 9 av 13 tror de vil benytte slike systemer om 10 år De fleste systemer er tilnærmet ukjente Kun 4 av 32 spesifiserte systemer benyttes i noe omfang (AIA, Impuls, Scan-Matic og Vibrocontrol) I tillegg finnes enkeltinstallasjoner av noen fåsystemer Ca halvparten av systemene har svart til forventningene Svært mange ulike grunner til erfarte problemer Likevel stor fokus på tilstandskontroll og organisering av vedlikeholdet med tanke på et effektiviseringspotensial SINTEF Energi AS 21

22 Modell for nytteverdivurdering av tilstandskontrollsystemer Med nytteverdi menes her en kvalitativ og kvantitativ vurdering og sammenstilling med hensyn til: Investeringskostnader Opplæringskostnader (kompetansebehov) Gjennomføringskostnader (ressursbehov) Tekniske egenskaper målemetoder og måleprinsipper målepresisjon, støyfølsomhet, feilkilder, begrensninger, o.l. kvalitet, stabilitet, reproduserbarhet gjennomførbarhet, kompetansekrav, tilleggsmålinger tidsforbruk, perioditet Metodens/parametrenes viktighet og egnethet Kostnadsreduksjoner ved anvendelse av systemet, dvs. potensiell lønnsomhet Vurderingen omfatter både økonomi, HMS, ytre miljø og omdømme SINTEF Energi AS 22

23 Bruksområder for nytteverdimodellen Vurdering og dokumentasjon ved anskaffelse av nytt tilstandskontrollsystem Vurdering i forbindelse med anvendelse av et system (f.eks. på hvilke enheter, og med hvilket intervall) Gi en indikasjon på om, og eventuelt i hvilke situasjoner, bruk av avanserte tilstandskontrollsystemer vurderes å være kostnadseffektivt SINTEF Energi AS 23

24 Potensielle nytteverdier (IEEEs guide) Økt tilgjengelighet (redusert utilgjengelighet) Økt levetidsutnyttelse Økt produksjonseffektivitet (virkningsgrad) Økt produksjonskapasitet (kontrollert økning av Pmax) Økt personsikkerhet Redusert tilstandskontroll (økt effektivitet) Redusert vedlikehold (optimalisering) Redusert miljøbelastning Bedre omdømme SINTEF Energi AS 24

25 Skjemabasert nytteverdimodell Del 1 - System / anvendelse Del 2 - Eksisterende / alternativt system Del 3 - Egenskaper ved nytt system Del 4 - Nytteverdier ved nytt system (kvalitativ vurdering) Del 5 - Økonomisk analyse (nåverdianalyse) Del 6 - Samlet vurdering SINTEF Energi AS 25

26 Eksempel på anvendelse av modellen Kontinuerlig vibrasjonsovervåking 4 stk 160 MW aggregater i en kraftstasjon Utstyret som er vurdert Bently Nevada 3500 Series Machinery Protection System i kombinasjon med System 1 Optimization and Diagnostic Platform Tre eksempler på nytteverdivurdering av forskjelling omfang Kvalitativ vurdering (Kap. 7.2) Kvalitativ vurdering med kostnadsoversikt (Kap. 7.3) Kvalitativ vurdering og økonomisk analyse (Kap. 7.4) SINTEF Energi AS 26

27 Del 1: System / anvendelse Funksjon Anleggsenhet Tilstandsparametere Fabrikat / type Implementering Formål Skadetyper i tilfelle svikt Teknisk tilstand Anmerkninger Kontinuerlig vibrasjonsovervåking. 4 x 160 MW aggregater. Forskyvning, hastighet og akselerasjon. Bently Nevada 3500 i kombinasjon med System 1 (GE Energy). Sensorer: øvre styrelager, nedre bære-/styrelager, turbinlager. Overvåke vibrasjonsnivå for å kunne foreta utbedring ved optimalt tidspunkt mht økonomi og sikkerhet (før kritisk nivå). Lagerskade (repareres), lagerhavari, aggregathavari. Tilstanden er som forventet for ca 35 år gamle aggregater. SINTEF Energi AS 27

28 Del 2: Eksisterende / alternativt system Tilstandskontroll Kontroll av oljetemperatur, oljesirkulasjon, oljenivå, oljefiltre og kjølere ifm ukentlige/månedlige kontrollrunder i stasjonen, samt visuell kontroll av lagersegmenter og rengjøring en gang i året. Vern Temperaturovervåking (Pt100, kontakttermometer) i lager med direkte utkobling, samt vibrasjonsvern. Annen skadebegrensning Erfaringer Vibrasjonsvernet har vist seg å være upålitelig. Anmerkninger SINTEF Energi AS 28

29 Del 3: Egenskaper ved nytt system Krav til driftsstans Målingen kan skje under drift Krav til kompetanse Høy komponentkunnskap Evne til deteksjon av Degradering av lager, vibrasjonsnivå degradering Evne til deteksjon av kritisk Kritisk vibrasjonsnivå tilstand Evne til deteksjon av Lagerhavari begynnende svikt Krav til driftsstans Målingen kan skje under drift (D) Målingen krever driftsstans (U) Krav til kompetanse Allmenn driftskunnskap (A) Høy komponentkunnskap (H) Spesialistkompetanse (S) Skala 0 - Ikke relevant 1 - Ingen / liten evne 2 - Middels evne 3 - Stor evne SINTEF Energi AS 29

30 Del 4a: Nytteverdier ved nytt system (kvalitativ vurdering av økonomisk nytte) Økt tilgjengelighet Pga redusert omfang av inspeksjoner og vedlikehold 1 Pga redusert omfang av teknisk svikt 2 Økt levetidsutnyttelse Tilstandsovervåket utsettelse av utskiftingstidspunkt 1 Økt produksjonseffektivitet Pga optimal aggregatkjøring mht virkningsgrad 0 Pga optimal revisjon av turbin mht virkningsgrad 0 Økt produksjonskapasitet Tilstandsovervåket økning av Pmax for et aggregat 0 Redusert tilstandskontroll Pga mer effektiv gjennomføring av tilstandskontroll 2 Redusert vedlikehold Pga optimal timing/omfang av planlagt vedlikehold 2 Del 4b: Nytteverdier ved nytt system (kvalitativ vurdering) Økt personsikkerhet Pga redusert omfang av teknisk svikt 1 Redusert miljøbelastning Pga redusert omfang av teknisk svikt 1 Bedre omdømme Pga redusert omfang av personskader 1 Pga redusert omfang av miljøskader 1 SINTEF Energi AS 30

31 Del 6: Samlet vurdering Kvalitativ vurdering av økonomisk nytte (del 4a) Kvalitativ vurdering av personsikkerhet, miljø og omdømme (del 4b) Økonomisk analyse (del 5) Middels nytteverdi knyttet til: - økt tilgjengelighet pga redusert omfang av teknisk svikt - redusert vedlikehold pga mer effektiv tilstandskontroll - redusert vedlikehold pga optimal timing/omfang av tiltak Ingen / liten nytteverdi. Ikke gjennomført. Usikkerhet / følsomhetsanalyse Anbefaling / begrunnelse Den kvalitative vurderingen (del 4a) gir ikke grunnlag for å si noe om denne investeringen vil være lønnsom. Det bør anskaffes system for kontinuerlig vibrasjonsovervåking av de aktuelle aggregatene. Bently Nevada 3500 i kombinasjon med System 1 fra GE Energy synes å være en god løsning. Begrunnelsen for anbefalingen er at vibrasjonsovervåkingen vil gi reduserte vedlikeholdskostnader og redusert sannsynlighet for svikt, samt mulighet for å høste erfaringer med denne type utstyr. Forventet lønnsomhet kan imidlertid bli negativ. SINTEF Energi AS 31

32 Del 5: Økonomisk analyse (nåverdianalyse med rente lik 8 % p.a.) Inntekter i analyseperioden ( ): kr/år kr Anm. Økt tilgjengelighet pga redusert omfang av vedlikehold/insp. Økt tilgjengelighet pga redusert omfang av teknisk svikt Økt levetidsutnyttelse (utsettelse av utskiftingstidspunkt) Økt produksjonseffektivitet pga optimal aggregatkjøring Økt produksjonseffektivitet pga optimal revisjon av turbin Økt produksjonskapasitet (økning av Pmax for et aggregat) Redusert tilstandskontroll pga mer effektiv gjennomføring Redusert vedlikehold pga optimal timing/omfang av tiltak Sum inntekter Kostnader i analyseperioden ( ): Anskaffelse Idriftsettelse Opplæring Drift av systemet Sum kostnader Netto nåverdi (Sum inntekter Sum kostnader) Netto nåverdi / Sum kostnader Anm.: Totalt 1 mill. kr. for installasjonen. 40 % er kostnader relatert til vibrasjonsovervåkingen. 75 timer pr aggregat a 600 kr/timen. Inkluderer programmering og noe montasje. 4 personer i 1 dag (1 uke) a 450 kr/time (engangskostnad). 1 uke/år a 600 kr/time. Dekker trimming og oppstart etter feilfunksjon. Ingen lisenskostnad. 40 timer/år 600 kr/time λ 8,30 = kr/år 11,26 = kr (kapitalisert over 30 år med 8 % rente, dvs kapitaliseringsfaktor λ 8,30 = 11,26). SINTEF Energi AS 32

33 Del 6: Samlet vurdering Kvalitativ vurdering av økonomisk nytte (del 4a) Kvalitativ vurdering av personsikkerhet, miljø og omdømme (del 4b) Økonomisk analyse (del 5) Usikkerhet / følsomhetsanalyse Anbefaling / begrunnelse Middels nytteverdi knyttet til: - økt tilgjengelighet pga redusert omfang av teknisk svikt - redusert vedlikehold pga mer effektiv tilstandskontroll - redusert vedlikehold pga optimal timing/omfang av tiltak Ingen / liten nytteverdi. Sum kostnader vedrørende anskaffelse og drift av systemet innenfor analyseperioden på 30 år er stipulert til ca kr. Forventede inntekter er ikke stipulert. Den kvalitative vurderingen (del 4a) gir ikke grunnlag for å si noe om denne investeringen vil være lønnsom. Det bør anskaffes system for kontinuerlig vibrasjonsovervåking av de aktuelle aggregatene. Bently Nevada 3500 i kombinasjon med System 1 fra GE Energy synes å være en god løsning. Begrunnelsen for anbefalingen er at vibrasjonsovervåkingen vil gi reduserte vedlikeholdskostnader og redusert sannsynlighet for svikt, samt mulighet for å høste nyttige erfaringer med denne type utstyr. Med en total kostnad over 30 år på ca kr vil dette kunne bli en lønnsom investering. Et eventuelt økonomisk tap anses som akseptabelt i forhold til nytteverdien totalt sett. SINTEF Energi AS 33

34 Del 5: Økonomisk analyse (nåverdianalyse med rente lik 8 % p.a.) Inntekter i analyseperioden ( ): kr/år kr Anm. Økt tilgjengelighet pga redusert omfang av vedlikehold/insp. 0 Økt tilgjengelighet pga redusert omfang av teknisk svikt Økt levetidsutnyttelse (utsettelse av utskiftingstidspunkt) 0 Økt produksjonseffektivitet pga optimal aggregatkjøring 0 Økt produksjonseffektivitet pga optimal revisjon av turbin 0 Økt produksjonskapasitet (økning av Pmax for et aggregat) 0 Redusert tilstandskontroll pga mer effektiv gjennomføring Redusert vedlikehold pga optimal timing/omfang av tiltak Sum inntekter Kostnader i analyseperioden ( ): Anskaffelse Idriftsettelse Opplæring Drift av systemet Sum kostnader Netto nåverdi (Sum inntekter Sum kostnader) Netto nåverdi / Sum kostnader 0,15 Anm.: Beregningen av forventet inntekt er beskrevet i Vedlegg 2. Redusert TK = 3600 kr/år λ 8,30 = kr. Redusert KVu = kr (se Vedlegg 2). Løst fundert. Totalt 1 mill. kr. for installasjonen. 40 % er kostnader relatert til vibrasjonsovervåkingen. 75 timer pr aggregat a 600 kr/timen. Inkluderer programmering og noe montasje. 4 personer i 1 dag (1 uke) a 450 kr/time (engangskostnad). 1 uke/år a 600 kr/time. Dekker trimming og oppstart etter feilfunksjon. Ingen lisenskostnad. 40 timer/år 600 kr/time λ 8,30 = kr/år 11,26 = kr (kapitalisert over 30 år med 8 % rente, dvs kapitaliseringsfaktor λ 8,30 = 11,26). SINTEF Energi AS 34

35 Del 6: Samlet vurdering Kvalitativ vurdering av økonomisk nytte (del 4a) Kvalitativ vurdering av personsikkerhet, miljø og omdømme (del 4b) Økonomisk analyse (del 5) Usikkerhet / følsomhetsanalyse Anbefaling / begrunnelse Middels nytteverdi knyttet til: - økt tilgjengelighet pga redusert omfang av teknisk svikt - redusert vedlikehold pga mer effektiv tilstandskontroll - redusert vedlikehold pga optimal timing/omfang av tiltak Ingen / liten nytteverdi. Netto nåverdi over en analyseperiode på 30 år er estimert til ca kr. Investeringen er derfor lønnsom med de gitte forutsetningene. Sum inntekter er estimert til ca kr og sum kostnader er estimert til ca kr. Forventet tid til svikt uten kontinuerlig vibrasjonsovervåking er her antatt å være 20 år (innebærer at sannsynligheten for svikt de første 20 årene er 56 %, se Figur V2.1). Netto nåverdi reduseres til 0 kr hvis forventet tid til svikt antas å være 30 år i stedet for 20 år. Det bør anskaffes system for kontinuerlig vibrasjonsovervåking av de aktuelle aggregatene. Bently Nevada 3500 i kombinasjon med System 1 fra GE Energy synes å være en god løsning. Begrunnelsen for anbefalingen er at vibrasjonsovervåkingen forventes å bli en lønnsom investering. Sum inntekter pga reduserte vedlikeholdskostnader og redusert sannsynlighet for svikt er estimert til å være kr høyere enn sum kostnader. I tillegg vil man kunne høste nyttige erfaringer med denne type utstyr. Risikoen knyttet til at investeringen ikke skulle lønne seg anses som akseptabel i forhold til nytteverdien totalt sett. SINTEF Energi AS 35