Enlace al artículo aquí

EXTENDING THE SERVICE LIFE
OF WIND TURBINES
ACCORDING TO
SITE-SPECIFIC CONDITIONS
Durante muchos años el sector eólico ha experimentado
un fuerte proceso de maduración basado en la detección
y corrección (siempre a posteriori) de problemas en los
grandes componentes de los aerogeneradores (por ejemplo la
multiplicadora o las palas), cuyo impacto financiero ha sido
soportado debido a la buena situación económica mundial y
al crecimiento del sector. En los últimos años esta situación
ha cambiado y la presión para minmizar el coste de la energía
(COE) es mayor que nunca. Además, hay una gran flota de
activos eólicos ya instalados cuyo valor necesita actualizarse
y protegerse, anticipando cualquier problema asociado al
proceso de envejecimiento de los aerogeneradores. En esta
situación un protocolo correcto sobre la operación a largo
plazo (LTO por sus siglas en inglés) es una de las claves que
asegurará una correcta Tasa Interna de Retorno (TIR) de la
inversion eólica. Una detección de vida adecuada, estrategias
más sensatas de prolongación de la vida y estrategias
específicas de gestión de la vida, son la columna vertebral de
la operación a largo plazo.
For many years, the wind power sector has experienced
an intensive maturing process based on the detection
and correction (always after the event) of problems
with the wind turbine’s large components such as the
gearboxes or blades. The resultant financial impact was
able to be supported thanks to a positive global economic
situation and sector growth. However recent years
have seen the emergence of a different situation with
pressure on minimising the COE (Cost of Energy) greater
than ever. In addition to this, there is a huge fleet of
already installed wind power assets whose value requires
upgrading and protecting to anticipate any possible
problem associated to the turbines’ ageing process. In
such a situation, an adequate Long-Term Operation (LTO)
protocol is one of the keys to guaranteeing a proper IRR
(Internal Rate of Return) on the wind power investment.
Detecting the correct life, applying the most appropriate
life extension strategies and identifying specific life
management strategies form the axis fot the lto.
La oportunidad
Opportunity
Las estructuras de los aerogeneradores están diseñadas para soportar durante 20 años cargas de fatiga bajo condiciones genéricas
de viento determinadas en las normativas de diseño.
Wind turbine structures are designed to withstand
20 years of fatigue loads under generic wind conditions
established in the design standards. As a general
rule these conditions are conservative compared to
real site conditions (e.g. lower turbulence, lower air
density, lower wind distribution, different wind shears
and inflow angles). This generally means that after
20 years in operation, wind turbine structures
have not consumed their fatigue life and their
operational life could consequently be extended
(Figures 1-A and 1-B).
Estas condiciones son, por regla general, conservadoras respecto de
las condiciones reales del emplazamiento (por ejemplo: menor turbulencia, menor densidad del viento, distribución del viento inferior
y diferentes gradientes de viento y ángulos de ataque).
Así que después de 20 años de operación, por lo general, las estructuras de los aerogeneradores no han consumido su vida a la
fatiga y generalmente se puede aumentar su vida útil (Figuras 1-A
y 1-B).
Otros sectores muy maduros y tecnológicamente avanzados (por
ejemplo: nuclear, aeronáutico, hidroeléctrico) han desarrollo proto-
Eólica | Wind Power
AUMENTAR LA VIDA ÚTIL
DE LOS AEROGENERADORES
DE ACUERDO CON LAS CONDICIONES
ESPECÍFICAS DEL EMPLAZAMIENTO
Other very mature and technologically advanced
sectors (e.g. nuclear, aeronautical, hydro) have
developed LTO protocols that have translated into
an increased life of their current structures,
leading to a huge reduction in COE and an
upgraded asset value.
Difficulties: multivariable,
simultaneous and coupled causes
that consume life
The detailed characteristics of the wind
in each direction and the effect of local
orography, wake effects between machines
and between wind farms together with
the seasonal conditions, all affect local
components in different ways.
Figura 1-A. Distribución normal de la vida útil de los parques eólicos | Figure 1-A: Wind Farms life
normal distribution
www.futurenergyweb.es
The specific operation of a wind farm (e.g.
number of transients, yaw misalignments,
number of hours during which ice forms,
blade surface conditions, actual control
FuturEnergy | Septiembre September 2014
Site-specific wind conditions have a
significant impact on the accumulative
fatigue damage to the structures as well as
on the real energy production of the wind
farm.
1
Eólica | Wind Power
colos de operación a largo plazo, que se han traducido en un aumento de vida útil de las estructuras
actuales, conduciendo a una fuerte reducción del
COE y a la actualización del valor de los activos.
Dificultades: causas multivariables,
simultáneas y acopladas
que consumen vida
Las condiciones de viento específicas del emplazamiento tienen un impacto clave en los daños por fatiga acumulada sobre las estructuras, así como en la
producción real de energía del parque eólico.
Las características detalladas del viento en cada
dirección y el efecto de la orografía local, los efectos de estela entre máquinas y entre parques y los
períodos estacionales afectan a los componentes
locales de distintas maneras.
Figura 1-B. Tabla esquemática del consumo de vida de los parques eólicos. | Figure 1-B: Schematic
La operación específica de un parque eólico (por
chart of wind farms’ life consumption
ejemplo, número de transitorios, desalineaciones
con el viento incidente, el número de horas con
cargas de formación de hielo, las condiciones de la
superficie de las palas, ajustes del controlador para cada parque eósetting for each wind farm) also has a very important effect
lico) también tiene un gran efecto en el consumo de la vida.
on life consumption. The features of the turbine components
supplied to the wind farm (e.g. heavier blades with higher
La realidad de los componentes del aerogenerador suministrados
mass moment or imbalances) can also severely affect the life
en el parque eólico (por ejemplo, palas más pesadas con mayor
cycle of some of the components.
momento de masas o desequilibrios) también tiene un efecto muy
grave en el ciclo de vida de algunos componentes.
The design characteristics of each wind turbine mean that
their sensitivity to surrounding conditions can vary, adding
Las características de diseño de cada aerogenerador hacen que
or subtracting life years. Furthermore, the practices used for
estos presenten diferentes sensibilidades a las condiciones del
their correct installation, operation and maintenance also
entorno, y añaden o restan vida, además se deben tener en cuenneed to be taken into account. Based on these concepts, the
ta unas prácticas correctas de instalación, operación y manteninext section describes the methodology used by Nabla Wind
miento.
Power for the life analysis.
En función de estos conceptos se describe en la siguiente sección la
metodología utilizada para el análisis de vida de Nabla Wind Power.
Análisis de vida
El análisis de extensión de vida patentado y propiedad de Nabla
Wind Power es el proceso mediante el que las causas multivariables, simultáneas y acopladas que consumen la vida de los componentes estructurales de los aerogeneradores (por ejemplo, el viento,
las condiciones de operación, la morfología del aerogenerador y su
sensibilidad) se modelan para:
•Redefinir la vida de diseño de los componentes de los aerogeneradores de acuerdo a las condiciones de viento específicas de cada
emplazamiento.
•Proporcionar estrategias de extension de la vida útil más eficientes, en base a las causas y a la prevención de las condiciones que
más vida consumen. Se basa en el mismo principio.
www.futurenergyweb.es
Los aerogeneradores se diseñan en función de condiciones estándar y normadas del viento, que normalmente son conservadoras
con los registros reales de viento en el emplazamiento.
2
Esto implica que a pesar de que los aerogeneradores se diseñan
para un vida de 20 años, en realidad su vida de diseño puede variar
de un emplazamiento a otro y por lo general, se puede ampliar.
De este modo, para determinar mejor los efectos reales de las condiciones específicas de cada emplazamiento, las condiciones límite
se modelan en detalle:
Life analysis
Nabla Wind Power’s patented and proprietary long
life analysis is the process by which the multivariable,
simultaneous and coupled causes that consume the life of
structural components of wind turbines (i.e. wind, operating
conditions, wind turbine morphology and its sensitivity) are
modelled to:
•Redefine the design life of wind turbine components
according to site-specific wind conditions.
•Provide most effective life extension strategies on the
basis of the causes and the prevention of
the most life consuming conditions.
This analysis is based on a simple principle:
Wind turbines are designed on the basis of standard and
regulated wind conditions which are usually conservative
compared to actual recorded winds at the site. This implies
that despite wind turbines being designed for a design life of
20 years, in reality their design life can vary from one site to
another and can usually be extended.
As a result, to best establish the real effects of the specific
conditions of each site, the operating limits are modelled in
detail:
•Site-specific wind conditions: modelled for each site and
wind direction (according to topographical effects and the
FuturEnergy | Septiembre September 2014
Los efectos de estas condiciones reales en los aerogeneradores se
agrupan y evalúan conjuntamente en un análisis simultáneo y anidado por medio de un cálculo muy detallado de las cargas aeroelásticas para las que se simula el rendimiento dinámico del aerogenerador de acuerdo con las condiciones específicas y se compara con
las condiciones de diseño. (Figura 2-A)
Esta metodología se basa en la adaptación de los protocolos de
operación a largo plazo de otros sectores maduros y tecnológicamente avanzadas y la adaptación de la modelización de las causas
del envejecimiento de los componentes debido al tiempo de funcionamiento a la naturaleza no estacionaria del sector de la energía
eólica, uniendo en un solo análisis un amplio número de causas
específicas del emplazamiento que consumen la vida de los aerogeneradores, y que de otro modo son muy complejos para tener en
cuenta.
Este proceso da lugar a un análisis de la vida de cada componente
del aerogenerador, de acuerdo a las condiciones específicas de
cada parque eólico, determinando el consumo de la vida y la es-
specific architecture of the wind farm); turbulence levels;
wind shear; inflow angles; specific altitude and humidity
in summer/winter periods (air density); and wake effects.
•Particular operating conditions: modelling the number
of transient situations (e.g. emergency shut-downs that
consume life); situations of non-optimal operation at
the wind farm; number of hours per year under ice
loads; yaw misalignments; long-term downtime
conditions; and operating conditions for possible
degraded surfaces.
•Wind turbine morphology and the status of the supplied
components: modelling the effects of the features
inherent to the wind turbine design (e.g. large chords
across the blade make the wind turbine very sensitive to
aerodynamic fatigue); and the differences between the
original wind turbine design parameters and the effect
of the actual components installed on life consumption
(e.g. heavier-than-design blades consume life, different
controller settings for each wind farm).
Eólica | Wind Power
•Condiciones específicas del viento en el emplazamiento: modelar
para cada emplazamiento y para cada dirección del viento (de
acuerdo con los efectos topográficos y la arquitectura específica del parque eólico) los niveles de turbulencia, el gradiente de
viento, ángulos de inclinación de viento, la altitud y humedad específicas en períodos de invierno/verano (densidad del aire) y los
efectos de estela.
•Condiciones particulares de operación: modelar el número de
transitorios (por ejemplo, las paradas de emergencia consumen
vida), situaciones de operación no-óptima del parque eólico, número de horas anuales bajo carga de hielo, desalineaciones con el
viento incidente, condiciones de parada a largo plazo o las condiciones de operación de las posibles superficies degradadas.
•Morfología del aerogenerador y realidad de los componentes suministrados: modelar los efectos de las características propias del
diseño del aerogenerador (por ejemplo, las cuerdas grandes en
la pala hacen que el aerogenerador sea más sensible a la fatiga
aerodinámica) y las diferencias entre los parámetros originales
de diseño del aerogenerador y el efecto de los componentes reales instalados en el consumo de vida (por ejemplo las palas más
pesadas que las diseñadas consumen vida, diferentes ajustes del
controlador para cada parque eólico).
The effect of these real conditions on the wind turbines
are grouped and evaluated as a whole by means of a
simultaneous, nested analysis using a very detailed
calculation of aeroelastic loads for which the wind
turbine’s dynamic performance is simulated in line with
the specific conditions and is then compared with the
design conditions (Figure 2-A).
This methodology is based on the adaptation of the LTO
protocols from other more mature and technologically
advanced sectors. It adapts the modelling of the causes
behind the components’ ageing as a result of their time in
operation to the non-stationary nature of the wind power
sector.
This analysis brings together a wide range of site-specific
causes that consume the life of the wind turbines and that
would otherwise be too complex to be taken into account.
This process gives rise to a life analysis of each component
of the wind turbine in line with the specific conditions
of each wind farm, establishing the life consumption
and life expectancy of each wind turbine component as a
function of time.
In addition, it details
the most prevalent
causes for life
consumption and
evaluates specific
strategies for the
operation of the
asset. These are
Figura 2-A. Metodología del
análisis de extensión vida |
Figure 2-A: Long lifetime analysis
methodology
www.futurenergyweb.es
FuturEnergy | Septiembre September 2014
This allows a more
detailed diagnostic of
the “financial death”
to be obtained: when
the investment in
maintenance or
upgrades provides no
economic return.
3
Eólica | Wind Power
peranza de vida de cada
componente del aerogenerador en función
del tiempo, lo que permite lograr un diagnóstico más detallado de
la “muerte financiera”:
cuando la inversión en
mantenimiento o sustituciones no tendrá un
retorno económico.
Además de esto, se detallan las causas más
dominantes para el
consumo de la vida y se
evalúan estrategias específicas de operación
del activo, para maximizar la relación entre la
producción de energía
sobre el consumo de la
vida, lo que conduce a una estrategia de aumento del valor del
activo basada en las causas específicas del emplazamiento que
producen el consumo de vida.
Beneficios del análisis
de larga vida
Este análisis se complementa perfectamente con las soluciones actuales para predecir fallos a corto o medio plazo de algunos componentes de los aerogeneradores derivados de un diseño, fabricación,
instalación o mantenimiento inadecuados de los componentes, tales como inspecciones de diagnóstico, Sistemas de Monitorización
de la Condición (CMS por sus siglas en ingles), análisis tribológico,
análisis de partículas de fluidos y los registros de fallos durante la
vida de las flotas de aerogeneradores, ya que el análisis de Nabla
Wind Power proporciona la predicción a priori del consumo de vida
los principales componentes, pero a largo plazo y basada en las causas dominantes de consumo por fatiga.
La redefinición de la vida útil de las estructuras de los aerogeneradores, a largo plazo, a priori y en función del emplazamiento, en
base a las causas (viento y condiciones de funcionamiento reales y
las características de turbina), ofrece muchos beneficios:
www.futurenergyweb.es
•Evaluar si una inversión en mantenimiento o en sustituciones
tendrá una rentabilidad adecuada por medio de la detección de
los riesgos de fallo de los otros componentes principales del aerogenerador.
•Predecir a largo plazo el fallo de componentes de alto impacto y
las acciones de mantenimiento correctivo, convirtiéndolas a mantenimiento preventivo, reduciendo los costes de operación y mantenimiento.
•Añadir información valiosa clave para conseguir estrategias exitosas de operación a largo plazo y de extensión de la vida útil.
•Permitir la actualización del valor del activo con un diagnóstico
adecuado de su “vida saludable”.
•Proteger y maximizar el retorno de la inversión.
4
Rubén Ruiz de Gordejuela
CTO, Nabla Wind Power
designed to maximise the relationship between
energy production over life consumption thereby
leading to a strategy that upgrades the asset
value based on the site-specific causes behind life
consumption.
Benefits of the long life analysis
This analysis provides the perfect complement
to current solutions for predicting short- or
medium-term failures in some of the wind turbine
components arising from their inadequate design,
manufacturing, installation or maintenance.
Such solutions include diagnostic inspections,
Condition Monitoring Systems (CMS), tribological
analyses, fluid particle analyses and failure
records during the lifetime of the wind turbines
fleet.
The analysis by Nabla Wind Power offers an
a priori prediction of the life consumption of the
main components, over the long-term and based
on the predominant causes of consumption due
to fatigue.
The long-term, a priori, site-specific redefinition of
the life of a wind turbine based on the causes (real
wind and operational conditions and wind turbine
characteristics), leads to a wide range of benefits:
•Evaluation if an investment in maintenance or
in retrofits will provide an adequate return by
detecting the risk of failure of the other main wind
turbine components.
•Long-term prediction of high impact components
failures and their corrective maintenance actions,
turning them into preventive maintenance and
reducing O&M costs.
•Providing valuable information that is the key to a
successful LTO and life extension strategy.
•Allowing the value of the asset to be upgraded with
an adequate diagnosis of its “healthy life”.
•Protecting and maximising the return of
investment.
FuturEnergy | Septiembre September 2014