Testimonianze dei clienti: ReliaWind

Testimonianze dei clienti: ReliaWind

Il consorzio europeo ReliaWind utilizza PTC Windchill Quality Solutions per migliorare le turbine eoliche di prossima generazione

Logo ReliaWindPTC Windchill Quality Solutions permette a ReliaWind di primeggiare nella progettazione, nel funzionamento e nella manutenzione di turbine eoliche interne ed esterne di nuova generazione.

Consorzio europeo ReliaWind

ReliaWind è il primo progetto a livello europeo che riunisce gli attori principali della catena del valore dell'energia eolica per lo sviluppo di strumenti, modelli e linee guida di progettazione delle turbine eoliche di nuova generazione. Riunitosi per la prima volta nel marzo 2007 per esaminare le energie rinnovabili, il Consiglio dei Ministri Europei ha dichiarato che "le energie rinnovabili copriranno almeno il 20% della richiesta energetica dell'Unione Europea entro il 2020".

Ritenendo che la potenza eolica possa apportare il contributo più significativo nel conseguimento di questo particolare obiettivo, nonché nella capacità di migliorare i livelli di efficienza energetica e riduzione del 20% delle emissioni di anidride carbonica prefissati per il 2020, il Consiglio dei Ministri Europei ha incaricato un consorzio di 10 leader accademici e di settore di condurre ricerche incentrate sull'affidabilità con l'obiettivo di ottimizzare la progettazione, il funzionamento e la manutenzione delle turbine eoliche. Nel tentativo di sviluppare soluzioni di nuova generazione di livello superiore, i membri del consorzio hanno utilizzato PTC Windchill Quality Solutions per analizzare i dati di affidabilità e manutenibilità delle turbine eoliche attuali e stabilire quindi in che modo migliorare le progettazioni dei sistemi futuri.

Il caso

Affinché le energie rinnovabili possano coprire almeno il 20% della richiesta energetica dell'Unione Europea entro il 2020, è essenziale sviluppare impianti eolici delocalizzati. Tuttavia, fattori quali le variazioni meteo, casi di carico estremo, aria marina, acqua salmastra e difficoltà di accesso aumentano in modo significativo i rischi associati ai processi di installazione, funzionamento e manutenzione delle turbine eoliche delocalizzate. Per rendere più attrattivi gli investimenti in impianti eolici delocalizzati, il Consiglio dei Ministri Europei ha riconosciuto l'estrema importanza alla base dell'ottimizzazione dei livelli generali di affidabilità e manutenibilità delle turbine eoliche.

Questo livello di ottimizzazione è un'attività tutt'altro che semplice. L'implementazione di turbine eoliche delocalizzate prevede l'implementazione di tecnologie avanzate anticorrosione e l'installazione di unità elettriche in sezioni della turbina controllate a livello ambientale. Inoltre, le strategie di manutenzione per le azioni di assistenza e riparazione delocalizzate devono ridurre le tempistiche, ma anche migliorare i metodi di accesso, rendendoli meno variabili a seconda delle condizioni del vento e delle maree.

TurbineNell'intento di sviluppare progetti finalizzati all'affidabilità, il Consiglio dei Ministri Europei ha creato il consorzio ReliaWind, elargendo alle 10 organizzazioni partecipanti un contributo di 5,5 milioni di euro e mettendo loro a disposizione tre anni di tempo per migliorare le procedure di progettazione, realizzazione e manutenzione delle turbine eoliche. Con un budget complessivo di 7,7 milioni di euro, il consorzio ReliaWind è stato incaricato di sviluppare e distribuire modelli di affidabilità specifici per turbine eoliche a tutti gli attori nel settore dell'energia eolica.

Oltre alla formazione per le parti coinvolte sull'utilizzo di questi modelli per applicare un approccio incentrato sulla disponibilità alle attività di sviluppo, il consorzio è stato incaricato di informare altre organizzazioni in relazione alle scoperte individuate attraverso una serie di conferenze, workshop, siti Web e iniziative multimediali, nella speranza che tali ricerche esercitino un impatto significativo sulla realizzazione di nuove turbine dal 2015 in poi.

Vantaggi delle turbine eoliche delocalizzate

Le turbine eoliche delocalizzate offrono numerosi vantaggi rispetto agli impianti interni, tra cui:

  • Maggiore varietà di regimi dei venti al largo della costa, che determinano una turbolenza eolica più coerente in grado di migliorare il livello di efficienza delle turbine
  • Tendenza di energia eolica in aumento al largo delle coste, che genera maggiore potenza durante il picco di domanda
  • Capacità di realizzare impianti delocalizzati nei pressi di aree particolarmente sviluppate, che richiedono collegamenti più brevi per la trasmissione dell'energia nelle aree urbane
  • Capacità di fornire opportunità di generazione di potenza eolica ai paesi dell'Unione Europea non in grado di supportare impianti eolici interni
  • Riduzione dell'impatto ambientale sulle specie ornitiche

Sfide di affidabilità degli impianti eolici delocalizzati

Se da una parte gli impianti delocalizzati offrono numerosi vantaggi essenziali, presentano comunque diverse sfide in termini di affidabilità, inclusa la necessità degli elementi di seguito.

  • Lame, tralicci e altri componenti più resistenti a condizioni meteorologiche ed eoliche più aspre
  • Riduzione del numero totale dei componenti, al fine di snellire la progettazione al minimo dei componenti a elevata affidabilità
  • Progettazione modulare per agevolare l'interscambio dei componenti difettosi
  • Efficaci tecnologie anticorrosione e di tenuta all'acqua per proteggere la superficie e i componenti interni
  • Automazione del massimo livello di manutenzione preventiva possibile per aumentare gli intervalli di assistenza a fronte di difficoltà e costi di accesso

Gli obiettivi

L'obiettivo principale di ReliaWind consisteva nell'evolvere il settore dell'energia eolica attraverso l'implementazione di impianti eolici delocalizzati con costi paragonabili a quelli degli impianti interni. Sebbene per una turbina interna siano preventivati alcuni guasti in un anno, questo livello di inaffidabilità è inaccettabile per gli impianti delocalizzati, in cui i costi associati a periodi di inattività e riparazioni sono nettamente superiori. Per attrarre investitori nello sviluppo di impianti eolici delocalizzati, la disponibilità operativa deve essere superiore al 97%.

A tale scopo, ReliaWind ha stabilito numerosi obiettivi di affidabilità quantitativa particolarmente ambiziosi per le turbine interne e delocalizzate:

  • Miglioramento dell'MTBF (tempo medio fra i guasti) pari al 10% per le turbine interne e al 20% per le turbine delocalizzate
  • Riduzione dell'MTTR (tempo medio di riparazione) pari al 20% per le turbine interne e al 50% per le turbine delocalizzate
  • Incremento della disponibilità operativa dal 97-98% al 98-99% per le turbine interne e dall'85-90% al 97-98% per le turbine delocalizzate
  • Riduzione del costo dell'energia a meno di € 0,04 per kilowattora

L'approccio

Per comprendere meglio l'affidabilità delle turbine eoliche e determinare un impatto incisivo sui progetti futuri, ReliaWind ha stabilito l'approccio integrato di seguito per analizzare i sistemi attuali.

  1. Raccogliere dati relativi a guasti e manutenzione per le turbine esistenti da produttori e fornitori e conseguente standardizzazione. Utilizzando PTC Windchill Prediction, definire la gerarchia di sistema ed eseguire previsioni di affidabilità a livello di sistema, sottosistema e componente per determinare gli elementi con percentuale di guasti più elevata.
  2. Utilizzando PTC Windchill OpSim, realizzare un diagramma a blocchi per l'affidabilità e integrare i dati raccolti per calcolare criteri di misurazione quali disponibilità, indisponibilità, tempo medio fra i guasti, numero previsto di guasti, indisponibilità media, periodo totale di inattività, frequenza dei guasti e percentuale di rischio.
  3. Utilizzando PTC Windchill FMEA, identificare modi di guasto, cause ed effetti e valutarne il potenziale impatto sul sistema, determinando le procedure per eliminare o arginare effetti inaccettabili in base a classificazioni di criticità.

I risultati

Raccolta e standardizzazione dei datiGrafico a barre

  • Definizione I risultati delle analisi sono soddisfacenti tanto quanto i dati su cui si basano. Poiché la disponibilità precedente per le turbine eoliche era limitata a dati di alto livello di qualità incerta, la raccolta e la preparazione di dati soddisfacenti relativi a guasti e manutenzione dalle turbine sul campo rappresentava la priorità principale.
  • Modalità di utilizzo Database, registri dei guasti, record manuali, ordini di lavorazione e report operativi mensili ottenuti dagli impianti eolici e dai produttori dei componenti delle turbine sono stati esaminati da ReliaWind, che ha quindi sviluppato una tassonomia delle turbine standard e un formato comune per la struttura dei dati.
  • Considerazioni Dopo aver creato e popolato il database, ReliaWind aveva a disposizione dati sul campo validi e utilizzabili dai produttori di oltre 250 impianti eolici di tutto il mondo, con ciascun impianto in funzione da un minimo di un anno a un massimo di 15 anni. In base ai dati sui guasti di oltre 290 turbine, ReliaWind ha definito un guasto come l'interruzione della turbina per almeno un'ora, con almeno un riavvio manuale necessario per ripristinarne il funzionamento. Avendo a disposizione dati di alta qualità, ReliaWind ha potuto iniziare a utilizzare PTC Windchill Quality Solutions per analizzare e comprendere meglio l'affidabilità delle turbine.

PTC Windchill Prediction

  • Definizione Una previsione di affidabilità, una delle forme più comuni di analisi dell'affidabilità, stima le percentuali di guasti di parti o componenti. Tali percentuali si basano in genere sui risultati calcolati da standard accettati a livello globale, quali MIL-HDBK-217, Telcordia (già Bellcore) e IEC TR 62380. Ognuno di questi standard fornisce equazioni, o modelli di percentuale dei guasti, per calcolare le percentuali dei guasti dei componenti in base ai valori forniti per sollecitazioni, qualità delle parti, temperatura e altri fattori ambientali. La percentuale complessiva dei guasti di sistema è costituita dalla somma di tutte le percentuali di guasti dei componenti.
  • Modalità di utilizzo Per due configurazioni generiche di turbine eoliche, ReliaWind ha integrato 12 sottosistemi separati in definizioni di sistema, quindi ha usufruito della capacità esclusiva di PTC Windchill Prediction di combinare modelli di calcolo di vari standard, insieme a manuali di dati relativi ai guasti sul campo per componenti identici e simili, dati di fornitori e dati di guasti vari per parti non elettroniche e meccaniche, per calcolare le percentuali di guasti stimate.
  • Considerazioni Per queste configurazioni i sottosistemi con percentuali di guasti più elevate erano il modulo del rotore, il sistema di controllo del passo, il modulo generatore e il modulo della navicella. Con queste informazioni, ReliaWind ha iniziato a valutare in che modo modificare questi sottosistemi per incrementarne il livello di affidabilità. Le varie opzioni includevano l'utilizzo di componenti più affidabili, l'applicazione di nuovi processi o tecnologie e l'eliminazione di singoli punti di guasto, che determinano un malfunzionamento totale del sistema.

PTC Windchill OpSim (Optimization and Simulation)Grafico

  • Definizione Un diagramma a blocchi per l'affidabilità è una rappresentazione visiva di un sistema complesso analizzato con sofisticati algoritmi matematici per rivelare criteri di misurazione completi dell'affidabilità e della manutenibilità. Mentre le previsioni di affidabilità presuppongono che tutti i componenti siano configurati in serie, i diagrammi a blocchi per l'affidabilità possono considerare meccanismi di tolleranza degli errori, quali ridondanze e sistemi di backup.
  • Modalità di utilizzo La facilità di aggiunta di ridondanze in serie e parallele e di sistemi di backup in PTC Windchill OpSim ha consentito a ReliaWind di eseguire studi dei compromessi, valutando l'eventualità che tali modifiche alla progettazione dei sistemi possano incidere sulla disponibilità operativa a un punto tale da richiedere ulteriori costi e complessità in relazione ai componenti e alla manutenzione.
  • Considerazioni Ricavando i risultati di ogni mese in un anno (8.760 ore di funzionamento), ReliaWind ha realizzato un diagramma per l'affidabilità con blocchi in serie al fine di confermare la costanza della percentuale di guasti di sistema per la turbina nel tempo. La disponibilità ha raggiunto un livello costante successivamente a un periodo corrispondente a quattro volte il tempo medio di riparazione, in conformità con la definizione analitica della funzione di disponibilità. Utilizzando le tecniche di simulazione e ottimizzazione avanzate di PTC Windchill OpSim, ReliaWind ha analizzato scenari di sistemi complessi, come l'utilizzo di sistemi ridondanti e componenti di ricambio. La capacità di prevedere le condizioni delle turbine future ha consentito di valutare il modo in cui una pianificazione più efficiente e proattiva di manutenzione e risorse ridurrebbe i costi operativi e di manutenzione e aumenterebbe il livello di disponibilità delle turbine.

PTC Windchill FMEA

  • Definizione L'analisi dei modi e degli effetti dei guasti rappresenta un approccio bottom-up per l'analisi della progettazione e delle prestazioni dei sistemi a un livello specifico. Coinvolge aspetti quali l'identificazione di tutti i potenziali modi dei guasti, la determinazione dell'effetto finale di ciascun modo e la valutazione dei rischi di ciascun effetto per eliminare o arginare quelli inaccettabili.
  • Modalità di utilizzo Realizzando un'analisi dei modi e degli effetti dei guasti delle parti che ha inizio dal livello di componente e considera la criticità dei modi, ReliaWind ha utilizzato PTC Windchill FMEA con MIL-STD-1629, standard riconosciuto e impiegato in tutto il mondo da organizzazioni pubbliche, militari e commerciali per calcolare la criticità dei modi. I modi di classificazione hanno consentito a ReliaWind di concentrarsi sull'eliminazione o sulla riduzione degli effetti inaccettabili per i modi che incidevano in maniera più significativa sulla disponibilità operativa della turbina.
  • Considerazioni Dopo aver distribuito gli 81 modi identificati in una matrice di criticità basata sulla probabilità di classificazione delle occorrenze e della gravità di ciascun modo, ReliaWind ha potuto determinare agevolmente quelli a rischio più elevato, consentendo al consorzio di concentrarsi sulla definizione delle azioni correttive necessarie per eliminarne o arginarne l'occorrenza. Le varie azioni includevano l'individuazione di metodi di rilevamento dei guasti e la potenziale compensazione di disposizioni per modi catastrofici e critici al fine di ottimizzare l'affidabilità, la durata dei componenti e la disponibilità delle turbine. Per ottimizzare la produzione di potenza e i carichi imposti sui componenti critici, era essenziale implementare la migliore tecnologia di rilevamento per controlli di supervisioni, diagnosi e prognosi.

I risultati finali

Prima di concludere il progetto della durata di tre anni, il consorzio ReliaWind ha raggiunto gli obiettivi dei risultati finali nei modi indicati di seguito.

  • Distribuzione di un set comune di protocolli e standard per garantire l'interoperabilità tra vari produttori e clienti di turbine
  • Integrazione di tecnologie, metodi e applicazioni in un set coerente di strumenti di controllo e monitoraggio in remoto
  • Sviluppo di un set coerente di applicazioni che supportano l'ottimizzazione delle operazioni e della manutenzione al fine di massimizzare la potenza delle turbine e ridurre al minimo i costi dell'energia eolica
  • Formazione per partner e altre parti coinvolte sugli strumenti necessari per applicare un approccio incentrato sull'affidabilità alle future attività di progettazione
  • Divulgazione dei risultati dei progetti nel settore dell'energia eolica dell'Unione Europea tramite conferenze, workshop, siti Web e iniziative multimediali

La conclusione

I vantaggi di un set di strumenti completamente integrati per l'analisi dell'affidabilità, come PTC Windchill Quality Solutions, derivano dalla capacità di utilizzare un'unica fonte di dati in più moduli di analisi. Oltre a eliminare il processo di inserimento di dati ridondanti, soggetto a errori e dispendioso in termini di tempo, PTC Windchill Quality Solutions utilizza in modo efficace le informazioni legacy, fornendo risultati realistici nei calcoli di previsione dell'affidabilità per supportare lo sviluppo di nuove progettazioni di sistemi.

Grazie alla capacità di utilizzare i criteri di misurazione dei sistemi calcolati come input per l'analisi dei rischi, i moduli PTC Windchill FMEA e FTA consentono di quantificare il livello di probabilità e gravità dei rischi del sistema in cui i guasti nelle parti rappresentano un fattore determinante. Un'analisi completamente integrata che impiega più moduli PTC Windchill Quality Solutions considera varie dimensioni di affidabilità del sistema contemporaneamente, permettendo di risparmiare tempo e semplificare le attività di analisi.

Fonte per storia di successo: ReliaWind EWEA2011 Side Event "Improving Turbine Reliability", Bruxelles 15 marzo 2011; "Design for Reliability - a FMEA Study" di Stefano Barbati and Luca Barbati, precedentemente Relex Software Corporation Italia, Italia