ReliaWind 客戶案例

ReliaWind 客戶案例

歐盟聯盟 ReliaWind 使用 PTC Windchill Quality Solutions 強化下一代風力發電機組

ReliaWind 標誌 Windchill Quality Solutions 協助 ReliaWind 掌握未來陸上及離岸風力發電機組的設計、作業及維護。

歐盟 ReliaWind 聯盟

ReliaWind 是第一個涵蓋全歐洲的專案,結合風力能源價值鏈的主要利害關係人,共同針對下一代的風力發電機組開發各種工具、模型及設計準則。歐盟 (EU) 部長會議於 2007 年 3 月首次集會探討再生能源,並同意「再生能源在 2020 年之前至少將滿足 20% 的歐盟能源需求」。

歐盟部長會議認為風力發電是因應前述特定目標的最重要關鍵,並可協助達到提升能源效率及減少 20% 二氧化碳排放的 2020 年目標,因此成立聯盟,由 10 位產業及學界的領導者組成,執行各種以可靠性為重點的研究,讓風力發電機組的設計、作業及維護達到最佳水準。聯盟成員投注心力開發下一代卓越的解決方案,使用 PTC Windchill Quality Solutions 分析現有風力發電機組的可靠性及可維護性,以判定如何強化未來的系統設計。

案例

如果要在 2020 年之前讓再生能源至少滿足歐盟 20% 的能源需求,就必須發展離岸風場。不過氣候變化、極端負載情況、海上空氣、鹽水及交通不便等問題,都大幅提升離岸風力發電機組在安裝、作業及維護方面的相關風險。歐盟部長會議為了讓離岸風場的投資更具吸引力,認為必須最佳化風力發電機組的整體可靠性及可維護性。

這項可靠性及可維護性的最佳化工作並不容易。部署離岸風力發電機組需要實行先進的防腐蝕技術,並於遵循環保規範的風力發電機組設置電氣裝置。此外離岸服務及修復的維護策略,不僅需要縮短修復時間,也要採用更容易接觸的方式,減少對風及海浪的敏感度。

發電機組歐盟部長會議為了推動「設計可靠性」成立 ReliaWind 聯盟,由參與的 10 個組織投入 550 萬歐元及三年時間,強化風力發電機組的設計、建造及維護方式。ReliaWind 的總預算為 770 萬歐元,負責向風力發電產業的所有利害關係人,開發及提供風力發電機組專屬的可靠性模式。

ReliaWind 除了訓練利害關係人如何使用這些模式,從事以可靠性為基礎的開發活動,也負責教育其他組織,說明本身透過會議、研討會、網站及媒體方案所得到的研究成果,期望這項研究能夠自 2015 年之後影響新的風力發電機組結構。

離岸風場的優點

離岸風場提供許多優點,超越陸上式風場,其中包括:

  • 更多不同的離岸風力發電模式,可建立更一致的風力發電機組,提升風力發電機組的效率。
  • 白天時可增加離岸風力發電比例,在尖峰時段產生更多電力
  • 能夠在人口密集區域附近開發離岸風場,縮短傳輸電力至市區的線路
  • 能夠向無法支援陸上式風場的歐盟國家提供風力發電機會
  • 減少對鳥類的環境影響

離岸風場的可靠性挑戰

雖然離岸風場具備多項基本優勢,不過也面臨許多的可靠性挑戰,包括下列需求:

  • 因為風力更強及氣候的緣故,需要更耐用的葉片、支柱及其他元件
  • 減少整體元件數量,將設計簡化為最少數量的高可靠性元件
  • 採用模組化設計,以便互換故障元件
  • 嚴密的抗腐蝕及防水技術,保護表面及內部零件
  • 由於交通不便且成本高昂,必須盡可能自動化預防維護措施,延長服務間隔

目標

ReliaWind 的主要目標是讓風力發電產業成長茁壯,讓部署離岸風場的成本與陸上風場相同。陸上風力發電機組每年經常發生一次以上的故障事件,不過離岸風力發電機組無法接受這種程度的不可靠性,因為其當機時間和維修的相關成本遠超過陸上系統。為了吸引投資者發展離岸風場,作業可用性必須超過 97%。

ReliaWind 為了達到這項目標,針對陸上和離岸風力發電機組設定多項大膽的可靠性量化目標:

  • 提升陸上風力發電機組的 MTBF (平均故障間隔) 10%,離岸風力發電機組則提升 20%
  • 縮短陸上風力發電機組的 MTTR (平均修復時間) 20%。離岸風力發電機組則縮短 50%
  • 陸上風力發電機組的作業可用性由 97-98% 大幅提升至 98-99%,離岸風力發電機組則由 85-90% 提升至 97-98%
  • 將 CoE (能源成本) 減少至每千瓦小時 0.04 歐元以下

方式

ReliaWind 為了更瞭解風力發電機組的可靠性,並對未來設計產生正面影響,建立了以下的整合方式分析現有系統。

  1. 由製造商及供應商取得現有風力發電機組的故障及維護資料,然後將此項資料標準化。使用 PTC Windchill Prediction 定義系統階層,並於系統、子系統及元件層級執行可靠性預測,判定哪些項目的失效率最高。
  2. 使用 PTC Windchill OpSim 建構 RBD (可靠性流程圖) 並整合收集的資料,計算可用性、不可用性、MTBF、失效率、預期失效次數、平均不可用性、總當機時間、失效頻率及故障率等數據。
  3. 使用 PTC Windchill FMEA 找出失效模式、原因及效應,並評估其對系統的可能影響,依據重要性判定如何消除或減輕無法接受的影響。

成果

資料收集及標準化條狀圖

  • 這是什麼?分析結果需視其依據的資料品質而定。由於之前風力發電機組的可用性工作,受限於品質不良的高階資料,因此首要之務就是收集和準備良好的現場風力發電機組失效及維護資料。
  • 如何使用?ReliaWind 由風場和風力發電機組元件製造商收集資料庫、錯誤記錄、手動記錄、工單及每月作業報告,並在檢視後製成標準的風力發電機組分類及一般資料結構格式。
  • 顯示的結果為何?ReliaWind 建立及填入資料庫後,擁有全球 250 座以上風場製造商的有效及可用現場資料,其中每座風場都至少運作 1 年,最長 15 年。ReliaWind 依據 290 部以上風力發電機組的失效資料,將失效定義為風力發電機組停止一個小時以上,至少需要以手動重新啟動的方式,讓風力發電機組重新作業。ReliaWind 擁有高品質資料後,就可以開始利用 Windchill Quality Solutions 進行分析,更充分地瞭解風力發電機組的可靠性。

Windchill Prediction

  • 這是什麼?可靠性預測是最常見的可靠性分析之一,可預估零件或元件失效的比例。這類失效率一般是依據全球認可標準所計算的結果,例如 MIL-HDBK-217、Telcordia (前身為 Bellcore) 和 IEC TR 62380。每項標準都會提供公式或失效率模型,以便依據壓力、產品品質、溫度及其他環境因素的數值計算元件失效率。整體系統失效率就是所有元件失效率的總和。
  • 如何使用?ReliaWind 針對兩種一般的風力發電機組組態,將 12 個獨立子系統整合至系統定義中,並利用 Windchill Prediction 的獨特功能,混合各種不同標準的計算模型,搭配相同或類似元件的現場失效資料、供應商資料,以及非電氣及機械零件的各種失效資料手冊,計算出預估的失效率。
  • 顯示的結果為何?對這些組態而言,失效率最高的子系統為轉子模組、變槳距系統、功率模組及機艙模組。ReliaWind 利用這些資訊開始進行研究,如何改變這些子系統使其提升可靠性。可能方法包括使用更可靠的元件、應用新技術或流程,以及消除造成整體系統失效的單一失效點。

Windchill OpSim (最佳化及模擬)圖表

  • 這是什麼?可靠性流程圖 (RBD) 實際呈現複雜系統,使用精密的數學演算法進行分析,顯示完整的可靠性及可維護性數據。雖然可靠性預測假設所有元件均為串聯組態,RBD 可考量容錯機制,例如備援及備用系統。
  • 如何使用?PTC Windchill OpSim 可輕易新增並聯及串聯的備援和備用系統,讓 ReliaWind 能夠執行取捨研究,評估這樣的系統設計變更對作業可用性的影響,是否足以保證額外的元件及維護成本和複雜度。
  • 顯示的結果為何?ReliaWind 提供一年內 (8760 作業時數) 每個月的結果,建構含有串聯區塊的 RBD,驗證風力發電機組的系統失效率隨時間保持穩定。在經過四倍 MTTR (平均修復時間) 的期間後,可用性達到穩定狀態 (依據可用性函數的分析定義)。ReliaWind 使用 PTC Windchill OpSim 的進階模擬和最佳化技術,分析複雜的系統情境,例如使用備援系統及備用元件。由於 ReliaWind 能夠預測未來的風力發電機組狀況,因此可以評估提升效率、主動維護規劃和資源排程會如何減少作業及維護成本,並提升風力發電機組的可用性。

Windchill FMEA

  • 這是什麼?FMEA (失效模式及效應分析) 是分析特定系統層級系統設計和效能的基礎方法。其中包括找出所有可能的失效模式,判定每種模式的最終影響,以及評估每種影響的風險,以便消除或減輕無法接受的影響。
  • 如何使用?ReliaWind 利用 PTC Windchill FMEA 搭配 MIL-STD-1629,從元件層級開始建構每個零件的 FMEA,並考量模式的關鍵性;MIL-STD-1629 是獲得長期認可的標準,由全球各地的政府、軍事及商業組織使用計算模式關鍵性。排定模式等級讓 ReliaWind 能夠鎖定目標,針對影響風力發電機組作業可用性最高的模式,消除或減輕其中無法接受的影響。
  • 顯示的結果為何?ReliaWind 將關鍵性矩陣找出的 81 個模式,依據每個模式的發生機率和嚴重性類別進行分類,輕鬆判定風險最高的模式,以便著重於建立修正行動,消除或減少其發生情形。行動包括針對災難或關鍵模式找出失效偵測方法及可能的補救措施,盡可能提升可靠性、元件壽命及風力發電機組可用性。為了最佳化發電及關鍵元件負載,需要針對監管控制、診斷及預測採取最佳的感測技術。

交付物

ReliaWind 在三年專案結束前,利用下列成果達到交付物目標:

  • 提供一組共同的協定及標準,保證不同風力發電機組製造商及客戶之間的互用性
  • 將技術、方法及應用整合為一組一致的遠端控制及監控工具
  • 開發一組一致的應用,支援作業及維護最佳化,盡可能提升風力發電機組的可用性,並將風力發電成本降到最低
  • 向合作夥伴及其他利害關係人提供訓練,說明在未來設計活動應用可靠性方法所需的工具
  • 透過會議、研討會、網站及媒體倡議等方式,向歐盟風力發電產業宣傳專案研究成果

結論

Windchill Quality Solutions 這類完全整合的可靠性分析工具集,其優點源自能夠使用單一資料來源,橫跨多個分析模組。Windchill Quality Solutions 除了消除容易發生錯誤且耗時的反覆資料輸入流程,也有效使用舊有資訊,在可靠性預測計算中提供真實世界結果,支援開發全新系統設計。

Windchill FMEA 及失誤樹模組能夠利用計算的系統數據做為輸入進行風險分析,因此可以針對零件失效相關的系統風險,量化其可能性及嚴重性。使用多個 PTC Windchill Quality Solutions 模組的完全整合分析,會同時考量系統可靠性的不同層面,以節省時間並簡化分析活動。

案例研究資料來源:ReliaWind EWEA2011 附帶活動:「Improving Turbine Reliability」(提升風力發電機組可靠性),布魯塞爾,2011 年 3 月 15 日;「Design for Reliability - a FMEA Study」(可靠性設計 - FMEA 研究),作者:Stefano Barbati 及 Luca Barbati,前身為 Relex Software Corporation Italia,義大利