HYDRAULISK STYRING. av vindmøller ved Smøla Vindpark. Prosjektoppgave av

Transkript

1 HYDRAULISK STYRING av vindmøller ved Smøla Vindpark Prosjektoppgave av Alexander Nuncic, Transocean offshore

2 Innholdsfortegnelse: Rammebetingelser side 3 Innledning side 4-6 Funksjonsbeskrivelse pitch system side 7-8 Regenerativ drift side 9 Signalgang for pitch systemet side 10 Bremsesystem side Lagerhavari på hovedlager side Smøring av vindmøller side 19 Konklusjon side 20 2

3 Rammebetingelser: Innhold: Oppgaven omhandler hydraulisk styring av pitch på vindmøller levert av Bonus energy / Siemens til Smøla vindpark. Oppgaven skal også gi en generell forklaring på hvordan en vindmølle virker. Navn: Hydraulisk styring av vindmøller ved Smøla vindpark. Oppdragsgiver: KRM. Oppgaven skal lede til fagsertifikat i hydraulikk. Problembeskrivelse: Oppgaven skal gi en forklaring på oppbygging og virkemåte til hydraulikksystemene som blir benyttet i de forskjellige vindmøllene. Samt prøve å forklare hvorfor forskjellige forandringer/modifikasjoner er blitt gjort. Jeg skal også ta for meg for meg fordeler og ulemper med de forskjellige systemene, ut fra erfaringen til de ansatte ved Smøla vindpark. Mål: Målsetningen med prosjektoppgaven er å sette meg grundig inn i hvordan vindmøllene styres og deres virkemåte. Samt lære seg funksjonene til enhetene som er montert i hydraulikksystemene. Det blir ingen spesifikk problemløsning i denne oppgaven, men jeg skal forsøke å gi svar på hvorfor de forskjellige utbedringene er gjort på de forskjellige mølletypene. Rammebetingelse: Avtale med Statkraft og Siemens om tilgang til servicemanualer og tegninger, samt mulighet for tilkomst i møllene på Smøla vindpark: Innledning: Denne prosjektoppgaven omhandler hydraulisk styring av vindmøller i Smøla Vindpark, samt litt om møllenes generelle styringssystem. 3

4 Målsetning: Målsetningen med denne oppgaven var i hovedsak å sette seg inn i styring av vindmøller ved Smøla Vindpark. Samtidig skulle jeg prøve å finne ut av forandringer på de forskjellige mølletypene, og eventuelle driftsproblemer personellet i Statkraft / Siemens har erfart med møllene. Hva er vindkraft? Vindkraft er den kinetiske energien til vinden, eller måten å omdanne denne energien til elektrisitet på, ved hjelp av vindturbiner. Ved hjelp av store vindmøller samles energien fra vinden i en dynamo/generator som omdanner energien til elektrisitet. Vindmøllene er vanligvis knyttet til det nasjonale energinettet. Vindkraft og vannkraft er komplementære energiformer, ved at vannkraften kan representere grunnlasten som økes og reduseres ettersom hvor mye det blåser. Det blåser også mest i perioder hvor det ofte er lite nedbør og vann i magasinene, som senvinteren. Vindkraft er en miljøvennlig måte å utvinne energi på, og fremstår som et alternativ til elektrisitet produsert ved hjelp av fossile brennstoffer, som forårsaker drivhuseffekten. Smøla vindpark: Smøla vindpark ligger på øya Smøla i Møre og Romsdal. Vindparken er plassert i et flatt og åpent terreng meter over havet, og vindmøllene er plassert langs høydedrag i terrenget. Med totalt 68 vindmøller er Smøla vindpark Europas største vindpark på land med en årlig kraftproduksjon på 450 Gwh. Dette tilsvarer gjennomsnittsforbruket til norske husstander. Møllene på smøla har en tårnhøyde på 70 meter, og en rotordiameter på 82,4 meter. Totalvekten på møllene (tårn, maskinhus og rotor m/vinger) er ca 260 tonn. 4

5 Fakta Smøla vindpark: Antall vindmøller: 68 Maksimal ytelse pr mølle: 2,0 MW og 2,3 MW Samlet ytelse/installert effekt: 150 MW Gjennomsnittlig årsproduksjon: ca 450 GWh Byggetrinn 1: - Bygget 2001/ stk 2 MW vindmøller - Åpnet av Kong Harald 5.september 2002 Byggetrinn 2: - Bygget 2004/ stk 2,3 MW vindmøller - Åpnet av Gro H. Brundtland 27.september 2005 Vindturbin: Rotorvingene overfører kraften fra vinden via drivakselen og girboksen til en generator inne i maskinhuset. Vingene vris slik at de fir størst mulig effekt enten det blåser lite eller mye. I maskinrommet finnes nøkkelkomponenter som akslinger, gir, brems og generator. Bremsene i maskinrommet er en ekstra sikkerhetsforanstaltning i tilfelle de aerodynamiske bremsene ikke virker. 5

6 Bak på møllenes maskinrom står det følere som måler vindens styrke og retning. Når vinden blir sterkere enn 3 m/s dreier maskinrommet slik at rotoren blir stående opp mot vinden, og kraftproduksjonen starter. Ved 13 m/s er det maksimal produksjon, og ved vindhastigheter over 25 m/s (full storm) stopper vindturbinen for å unngå unødig slitasje på maskindeler. I vindmøllene produserer generatorene en spenning på 690 volt. Denne spenningen blir så transformert opp til volt i en trafo i bunnen av mølleskaftet, for så å bli transformert videre opp til volt i vindparkens trafostasjon før den blir levert på statkrafts nettlinjer. 6

7 Funksjonsbeskrivelse av pitch-system 2,0 mw mølle: Vingene på vindturbinene er montert på lager, og hver vinge kan dreies 80 i forhold til driftsstillingen. Pga dette kan vingen også fungere som en luftbremse for å stoppe turbinen. Da vingene kan dreies gir dette en mulighet for trinnløs justering av maksimaleffekten som turbinen kan avgi. Systemet består av en pumpestasjon i motorhuset, som er hydraulisk koblet til vingene via en dreieunion og en hul hovedaksel. Trykket fra pumpestasjonen supplerer tre uavhengige hydrauliske systemer, et til hver vinge. Hver vinge er montert på en vrikrans, hvor to sylindere vrir vingen. Ved stillstand, dvs lite vind, er vindmøllen programmert til å vri vingene til endestilling i begge retninger en gang i døgnet for å oppretthold smørefilmen i lagrene. Ventilblokken for pitchsystemet er bygd opp av komponenter fra forskjellige produsenter, og montert sammen av Siemens. Pumpetrykket blir ført til proporsjonalventilen, pos 102, som fordeler trykket til de tre vingesylindrene, slik at vingene gir den ønskede responsen. På P-porten og Bporten (ventil 109 og 119) på proporsjonalventilen er det montert dråpeventiler som skal forhindre at vingenes vridning forandres når proporsjonalventilen står i midtstilling, dvs at ØNSKET-verdi er lik ER-verdi. Dette kan problemet kan forekomme hvis proporsjonalventilen begynner å bli slitt eller pga høy temperatur på oljen. (lav viskositet) 7

8 Figuren viser komplett hydraulisk pitchsystem på 2,3 MW vindmøller. 8

9 Regenerativ drift: Hovedsakelig ble regenerativ drift tatt i bruk pga problematikk med stillestående olje i systemene pga lite utskiftning. Oljen fikk da en forringet kvalitet og dette førte blant annet til skader på sylindere og ventiler. Skadene var i hovedsak interne lekkasjer i ventiler/sylindere som igjen ofte førte til driftsforstyrrelser i reguleringen av møllene. Regenerativ drift er en driftsmodus som også blant annet benyttes for å få en hurtigere respons på vinklingen av vingene ved endring i vindstyrke. Driftsmodusen har best effekt når alle akkumulatorene er full-ladet til 170 bar. Da får en størst olje-flow til vingesylindrene pga all retur blir kjørt inn på trykksiden på systemet igjen, og dermed en hurtigere respons. Prinsippet for regenerativ drift er at denne driftsmodusen ikke kjører retur fra vridningssylinderne (109B) tilbake til tank, da ventil 116 stenges og oljen kjøres inn på trykksiden på systemet via ventil nr 104 (tilbakeslagsventil). 9

10 Signalgang for hydraulisk pitch 2,0 MW mølle. WTC2,0 er møllens computer, hvor også feedback-signalet fra de tre vingene kommer inn. I denne computeren settes ØNSKET-verdi, dvs hvilken pitch skal vingene ha. ØNSKET verdi kommer som oftest som et resultat av vindmålinger, men kan også komme fra en type bremsesignal.(se kapittel om bremsetyper ) WTC 2,0 gir så et signal til PR 2289 regulator, som styrer proporsjonalventilen via en Parker PWD valve regulator. I forbindelse med vingenes feedback er det montert en encoder som registrerer vingenes eksakte posisjon. Dette signalet blir ført fra encoderen og til PR 2289 regulator hvor signalene om ØNSKET verdi og ER verdi blir sammenlignet. Hvis ØNSKET verdi og ER verdi er ulik, vil dette føre til at vingene vris i positiv eller negativ retning. Figuren viser flytskjema for signalvei til proporsjonalventilen. 10

11 Bremsesystem: Bremse systemet består av en hydraulikenhet og en negativt virkende bremsekallipper på en bremseskive. Kaliperen og bremseskiven er plassert på girets hurtiggående aksel. Bremsen er negativ, dvs at den bremser når det hydrauliske trykket fjernes fra kallipperen. Bremsetrykket kommer fra en kraftig fjær som er innebygget i kallippern. Hydraulisk trykk brukes til å presse sammen fjæren, og ta av bremsen. Hydraulisk tegning av bremsesystem 2,3 MW vindmølle. Møllene kan benytte seg av 4 typer nedbremsing ved stopp/hastighetsforandring. Disse er; 1. Pitch-nedbremsning med friløp. 2. Pitch-nedbremsning 3. Bløt nedbremsning 4. Hard nedbremsning 11

12 1. Pitch-nedbremsning med friløp: - Denne type nedbremsing benyttes ved feilsituasjoner. Bremsingen skjer ved at alle 3 vinger vris til stopp-posisjon, minus 95. Når vingene er vridd til minus 95, fortsetter møllen å rotere fritt. Skivebremsen benyttes ikke. Generatoren kobles ut når hastigheten er under synkront turtall. 2. Pitch-nedbremsning: - Denne type nedbremsing benyttes ved manuell stopp og fjernstopp. Bremsingen skjer ved at alle 3 vinger vris til stopp-posisjon, minus 95. Når vingene er vridd til driftsstilling, stopper møllen. Skivebremsen aktiveres med lavt bremsetrykk 30 sekunder etter at vridningen på vingene er påbegynt. I praksis vil denne da aktiveres når rotoren har stoppet. 20 sekunder etter at skivebremsen ble aktivert med lavt bremsertrykk, kobles holdetrykket inn. 3. Bløt nedbremsning: - Denne type bremsing benyttes ved feilsituasjoner. Bremsingen skjer ved at alle 3 vinger vris til stopp-posisjon, minus 95, samtidig aktiveres skivebremsen med lavt bremsetrykk. Når styringssystemet registrerer negativ KW eller under-synkront turtall, kobles generatoren ut og rotoren stopper helt. Når møllen har stoppet blir det resterende bremsetrykket sluppet av, og bremseskiven har da full effekt. 4. Hard nedbremsning: - Denne type bremsing benyttes ved kritiske feilsituasjoner, f.eks ved overspeed. Bremsingen skjer ved at skivebremsen aktiveres med høyt bremsetrykk, generatoren kobles ut og vingene vris til stopp-posisjon (minus 95 ) samtidig. I forbindelse med denne type nedbremsing er det montert 2 pilotventiler av forskjellig fabrikat inn i hydraulikk kretsen, ventilene 103 og 120. Ved denne type stopp stopper hydraulikk aggregatet, ventil 109 går til strømløs tilstand (stenger).akkumulator trykket blir da ført via ventilene 103 og 120 (strømløse) inn på det store arealet på vingesylinderne, og vingene vries hurtig mot stopp. 12

13 Figuren viser trykk/retur i systemet ved nødstopp. Forbedring av bremsestyrke : Tidligere, på møller opptil 1,3 MW-møller, førte man bremsetrykket til møllen inn på stangsiden av vingesylinderene når vingene skulle vris mot en bremsesituasjon. Dette ble forandret da man fant ut at kraften i sylinderen er mye større på det store arealet i sylinderen enn på stangarealet. Så på møllene som er montert på Smøla, (2,0 MW og 2,3 MW) har alle møllene det nye systemet. Bildene på neste side viser hvordan de to bremsetypene er bygd opp hydraulisk, det vil si en 1,3 MW kontra en 2,3 MW vindmølle. 13

14 Figuren viser hvordan bremsesystemet er bygd opp i i dagens møller. Figuren viser den gamle typen bremsesystem. 14

15 Havari på hovedlager: Ved benytting av vibrasjonsanalyse program ble det oppdaget at fire 2,3 MW- og fire 2,0 MW-møller hadde alvorlige skader på hovedlagrene. Lagrene er av typen FAG 240/630 B.MB.M15BK, og er sfæriske rullelager med en aksel diameter på 600 mm og 920 mm ytre diameter. Figur 1, lagerskade mølle nr 7. På 2,0 MW møllene er disse lagrene smurt av 6 stk elektriske smørekopper av typen Permastar, som byttes hvert halve år. Hovedlageret på 2,3 MW møllene er smurt via et Lincoln sentralsmøre-system. På begge mølletyper benyttes nå fettet KLUEBERPLEX. Inntil lagerskadene oppstod ble det benyttet FAG LOAD 400, men dette ble da bestemt byttet ut. Figur 1 og 2 viser lagerskaden på mølle nr 7, mens figur 3 viser hvordan lageret normalt skal se ut. Ut av figur 1 kan en se massive skader på rullebanen i lageret. På figur 2 ser en at fettet er misfarget og inneholder lagermetall. 15

16 Figur 2. Lagerskade mølle nr 7. Figur 3. Normal fettkonsistens og lagerbane. 16

17 Da Siemens feilsøkte på lagrene i forbindelse med havariene, ble det konkludert med at skadene skyldtes lyn-nedslag. Skadene i lagrene hadde klare indikasjoner på sveising, noe som mest sannsynlig er skjedd under ett eller flere lynnedslag. For å forhindre at flere lagre havarerer skal den eksisterende lynavlederen i møllene nå forsterkes, da disse hadde/har dårlig kapasitet. Dette skal gjøres ved at det monteres tre ekstra sleperinger i tillegg til de eksisterende, som vist på tegningen under. Figuren over viser utforming på ny type lynavledere. Figuren over viser montering av ny type lynavleder. Gamle lynavledere. 17

18 Hovedlager vindmøller Smøla vindpark. 18

19 Smøring av vindmøllene: På de nye 2,3 MW vindmøllene blir alle lager smurt med Lincoln sentralsmøresystem. Fettet som blir benyttet er: Hovelager: Klueberplex Vingelager: Aeroshell 14 Figuren viser sentralsmøre-arrangement for smøring av vingelagre. Figuren viser sentralsmøre-arrangement for smøring av 19

20 Konklusjon: Da jeg startet på prosjektoppgaven hadde jeg en målsetning om å lære hvordan den hydrauliske styringen av en vindmølle, samt en helhetlig forståelse av virkemåten til en vindmølle ved Smøla vindpark fungerte. Dette føler jeg at jeg har greid, og samtidig har jeg fått innblikk i utviklinger som har skjedd på de forskjellige mølle-typene som jeg hadde informasjon om. (1,3 MW, 2,0MW og 2,3MW) En interessant ting er at underveis i oppgaven fikk jeg kjennskap til problemene med hovedlagrene. I og med at fagsertifikatet også har kursmoduler i kule-/rullelager og smøreteknikk, ble dette da høyaktuelt. Lagerhavariene som vindparken sliter med er under utbedring i disse dager. Møllenavene blir tatt ned, slik at hovedlagrene kan bli skiftet. De forsterkede lynavlederne blir også montert nå. Vil benytte anledningen til å takke Smøla vindpark for hjelpen med denne oppgaven. Alexander Nuncic, Transocean Offshore 20