Monitorowanie olejów w czasie rzeczywistym

Aktualności Artykuły Utrzymanie ruchu

Przykłady aplikacji

Monitorowanie stanu oleju1 jest niezbędne w każdym programie prewencyjnego utrzymania ruchu (UR). Częścią OCM są pomiary, monitorowanie i analiza zmian w olejach smarnych (podobne badania prowadzi się dla paliw) pod kątem zanieczyszczeń i zawartości substancji chemicznych, a także śledzenie spadku jakości oleju od nowego aż po czas jego wycofania z użycia. Dane te można wykorzystać do uzyskania wglądu w problemy z wydajnością i niezawodnością oraz położyć podwaliny pod bardziej efektywny program UR.

REKLAMA

​​

Predykcyjne UR wymaga wdrożenia OCM lub analizy oleju zużytego2, co pomaga przedsiębiorstwom unikać kosztownych problemów wywołanych uszkodzeniami maszyn i ich napędów mogących wpływać na jeszcze kosztowniejsze w skutkach zakłócenia procesu produkcyjnego. Rozmiar produktów zużycia, całkowita liczba kwasowa3, całkowita liczba zasadowa4, stopień utlenienia oleju i całkowita substancja nierozpuszczalna5 są monitorowane przez system monitorowania stanu oleju – coraz częściej w czasie rzeczywistym. Takie systemy pozwalają służbom produkcji i UR na lepsze rozpoznawanie uszkodzeń i anomalii w pracy maszyn i urządzeń.
Celem badania oleju jest zmniejszenie konsekwencji wynikających z nieoczekiwanych awarii. Korzyści z monitorowania stanu oleju w czasie rzeczywistym można scharakteryzować w następujący sposób:

  1. Zoptymalizowanie okresów między wymianami oleju: monitorowanie stanu oleju umożliwia ustalenie realnych okresów, które z reguły są dłuższe od zalecanych w dokumentacji, ponieważ w niej czas wymaganej wymiany jest sformułowany zgodnie z wymaganiami prewencyjnego UR; zastąpienie wymian prewencyjnych przez uzasadnione stanem oleju prowadzi w konsekwencji do obniżenia nakładów (mniejsze wydatki na oleje przemysłowe oraz mniejsze koszty obsługi).
  2. Wydłużenie żywotności urządzeń: monitorowanie jakości środka smarnego i zawartych w nim produktów zużycia w trakcie eksploatacji może pomóc utrzymać park maszynowy w dłuższej gotowości do realizacji zadań produkcyjnych. W konsekwencji poprawia się wynik ekonomiczny działania przedsiębiorstwa (m.in. poprzez redukcję kosztów UR).
  3. Przeciwdziałanie poważnym problemom: dokładne analizowanie oleju pod kątem jego właściwości roboczych oraz obecności produktów zużycia, pozwala odpowiednio szybko reagować na zagrożenie wystąpienia potencjalnie katastrofalnych w skutkach awarii. W efekcie zapobiega się rozległym awariom, których konsekwencją jest często dłuższy czas likwidacji ich skutków. Tak więc minimalizuje się czas prac remontowych oraz nakłady na UR, co jest równoznaczne ze zwiększeniem dostępności urządzeń dla realizacji przypisanych im funkcji docelowych. Tym samym poprawia się wynik ekonomiczny działania przedsiębiorstwa.
  4. Unikanie zwiększonych wydatków: monitorowanie w czasie rzeczywistym umożliwia najwcześniejsze rozpoznanie początku pogarszania się stanu. Informacja taka pozwala na spokojne (tzn. wyprzedzające) ustalenie planu działań konserwacyjno-naprawczych (tak w odniesieniu do zakresu, jak i do czasu) oraz zapotrzebowania części zamiennych w trybie normalnym, tzn. bez pośpiechu skutkującego w dodatkowych kosztach będących konsekwencją działań ekspresowych.
  5. Wiedza: w wielu krajach świata istnieje przekonanie, że „information is everything” (informacja jest wszystkim). Dzięki posiadaniu informacji na temat stanu urządzeń praca działu UR jest spokojniejsza i efektywniejsza.
     

Wymienione powyżej korzyści płynące z analizy oleju są powszechnie znane, gdyż wszystkie one są podobne do tych, które uzyskuje się z badań off-line. To, co różni monitorowanie w czasie rzeczywistym od monitorowania off-line to lepsze (szybsze i bardziej precyzyjne) informacje o anomaliach w pracy monitorowanego majątku produkcyjnego oraz mniejsze prawdopodobieństwo popełnienia błędów w procesie gromadzenia danych. Tak więc wszystkie ww. korzyści będą w przypadku wykorzystywania technik on-line większe niż w przypadku stosowania podejścia off-line.

Historia monitorowania stanu technicznego olejów w czasie rzeczywistym ma wieloletnią historię. Już ponad 30 lat temu rozpoczęła się popularyzacja systemów monitorowania nadzorujących produkty zużycia [1].
Zastosowanie systemów monitorowania oleju on-line ma miejsce na świecie przede wszystkim w następujących branżach:

  1. Transport: statki i samoloty wraz z maszynami znajdującymi się na ich pokładach, a także ciężkie pojazdy, silniki lokomotyw itp.
  2. Przemysł: turbozespoły, agregaty sprężarkowe, maszyny w stalowniach i cementowniach, a także w przedsiębiorstwach zajmujących się produkcją żywności i leków.
  3. Pompownie i tłocznie z obszaru „ropa i gaz” oraz maszyny wykorzystywane do produkcji i transportu w tym sektorze.
  4. Energetyka (w tym także różne obszary energetyki odnawialnej) tak w zakresie maszyn wirnikowych, jak i transformatorów.
  5. Górnictwo odkrywkowe i głębinowe: maszyny wykorzystywane do urabiania oraz środki transportu urobku.
  6. Budownictwo: ciężkie maszyny budowlane, układ hydrauliczny itp.
     

Czujniki monitorujące stan oleju on-line pozwalają określić trendy, takie jak np. procent sadzy, liczba zasadowa, wilgotność względna, ubytek dodatków, liczba, rodzaj i wielkość produktów zużycia, a w niektórych przypadkach także przyczynę odpowiedzialną za ich pojawienie się w oleju.
Wdrażanie systemów monitorowania oleju znacznie przyspieszyło w ostatnim czasie. Firma POSEIDON Systems ocenia, że w obszarze aplikacji turbin wiatrowych, górnictwa, transportu kolejowego oraz stosowania ciężkiego sprzętu liczba wdrożeń w ciągu ostatnich 3 lat wzrosła o 750%. 
Poniżej przedstawionych zostanie kilka przykładów pokazujących zasadność wdrażania monitorowania on-line olejów.

Duże maszyny robocze i pojazdy

W przypadku dużych maszyn mamy do czynienia z dużymi ilościami oleju, który jest wymagany do właściwej pracy przekładni oraz napędów i który wymaga okresowej wymiany. Na rys. 1. pokazano takie maszyny wykorzystywane w górnictwie: na rysunku A koparkę z kopalni odkrywkowej, a na B pojazd do załadunku urobku.
Jeśli takie i im podobne maszyny nie są wyposażone w sensory umożliwiające ocenę jakości oleju, jego wymiana odbywa się na warunkach prewencyjnych. Natomiast instalując czujnik oceny jakości oleju, można odejść od wymian prewencyjnych na rzecz wymian uzasadnionych rzeczywistą degradacją jakości oleju. Na rys. 2. pokazano wymiany oleju realizowane dla dwóch podobnych maszyn nabytych i uruchomionych w tym samym czasie. Oś pozioma wykresu jest osią czasu, dla której pionową linią czerwoną zaznaczono czas odpowiadający prewencyjnej wymianie oleju. Obie maszyny były wyposażone w system monitorowania on-line parametru charakteryzującego jakość oleju. 
 

Rys. 1. Przykład (A) dużej maszyny i (B) pojazdu roboczego

 

Rys. 2. Od prewencyjnej do uzasadnionej stanem wymiany oleju


W przypadku maszyny A krytyczna zmiana symptomu stanu oleju nastąpiła po czasie bliskim wymaganej w dokumentacji prewencyjnej jego wymianie. Natomiast w przypadku maszyny B krytyczna zmiana symptomu nastąpiła po czasie ok. 50% dłuższym od czasu wymiany prewencyjnej.
Rzadsze wymiany oleju to nie tylko oszczędności dla użytkownika, ale także zmiana formy UR w kierunku jego bardziej proekologicznej formy. W krajach wysoko rozwiniętych szacuje się, że zwrot nakładów inwestycyjnych na doposażenie maszyn, takich jak pokazane na rys. 1. oraz im podobnych (np. lokomotywy spalinowe czy główne napędy statków) w czujnik (wraz z wyświetlaczem) umożliwiający monitorowanie jakości oleju skutkuje w zwrocie nakładów inwestycyjnych już po jednym roku.

Przekładnie turbin wiatrowych

W przypadku wielu maszyn pogorszenie jakości oleju jest związane z pojawianiem się w nim produktów zużycia. Sytuacja taka ma np. miejsce w przypadku przekładni. Im większa jest moc przekładni przenoszącej napęd, tym większa jest zasadność zastosowania monitorowania on-line, które umożliwia także monitorowanie produktów zużycia.
Na rys. 3. [2] pokazano możliwy sposób analizy i zobrazowano zmiany charakterystyk zaistniałe w ciągu kilku kwartałów. Pojawianie się w oleju produktów zużycia może być bądź to skutkiem normalnego zużywania (np. kół zębatych przekładni) bądź też dużych przeciążeń momentem obrotowym, co wynika ze zmian obciążeń procesowych. Na lewej pionowej osi scharakteryzowano natężenie generacji produktów zużycia (charakterystyka w kolorze brązowym), natomiast na prawej osi pionowej masę całkowitą zużycia części żelaznych, z którymi współpracuje olej. Na wykresie charakterystyka ta została pokazana jako krzywa zielona. Charakterystyka ta, opisana jako „zagrożenie awarią”, ma charakter rosnący i jest intuicyjnie wyczuwalne, że im jej wartość jest wyższa, tym zagrożenie jest większe.
 

Rys. 3. Ocena stanu na bazie monitorowania produktów zużycia


Zaprezentowane dane zostały zgromadzone dla przekładni turbiny wiatrowej i przedstawiają typowy charakter zmian:

  • szczytowe wartości natężenia generacji produktów zużycia rosną w czasie,

jak również

  • chwilowe wartości szczytowe w miarę upływu czasu zagęszczają się,
  • krzywa zagrożenia awarią jest niczym innym jak sumowaniem obserwowanego natężenia pojawiania się produktów zużycia w oleju.

W zależności od rodzaju zastosowanego czujnika i systemu monitorowania wykres na rys. 3. może dotyczyć metalicznych i niemetalicznych produktów zużycia. W przypadku bardziej zaawansowanego systemu monitorowania możliwe jest jego sporządzanie indywidualnie dla różnych pierwiastków, a także rozpoznawanie (np. dzięki narzędziu tzw. sztucznej inteligencji) przyczyny lub przyczyn odpowiedzialnych za pojawienie się w oleju tychże produktów zużycia. 
Monitorowanie oleju w trybie on-line jest skuteczniejsze w identyfikowaniu wadliwych przekładni, niż to możliwe, okresowo próbkując oleje przemysłowe w trybie off-line. Badania przeprowadzone przez firmę POSEIDON Systems dla turbin wiatrowych wykazały, że podczas korzystania z analizy oleju w trybie off-line wiele wadliwych turbin faktycznie wykazywało oznaki poprawy w oparciu o kody czystości ISO, gdy tymczasem koncentracja zanieczyszczeń monitorowania z pomocą czujników on-line wzrastała. Monitorowanie on-line pozwala z jednej strony na obserwację stanu oleju w czasie rzeczywistym (co umożliwia szybsze dokonywanie regulacji i zapobieganie dalszym uszkodzeniom lub katastrofalnym awariom) natomiast z drugiej jest pomocne dla oceny stanu technicznego monitorowanej maszyny i czyni to lepiej niż ocena bazująca na laboratoryjnym testowaniu oleju. 
Zauważmy, że przekładnie wykorzystywane w energetyce wiatrowej na lądzie posiadają współcześnie moce do kilku MW. Każda wymiana oleju dla agregatu w gondoli jest zdecydowanie bardziej kłopotliwa niż ma to miejsce dla agregatu o podobnej mocy pracującego w hali fabrycznej. Tak więc prewencyjne wymiany oleju są mało zasadne w porównaniu z wymianami uzasadnionymi rzeczywistą zmianą jakości oleju. Z drugiej strony przeciągnięcie wymiany (np. w konsekwencji braku właściwego stanu oceny laboratoryjnej) i praca z olejem niespełniającym warunków aplikacji zwiększa ryzyko wystąpienia poważniejszej awarii, której koszty usuwania są także w przypadku turbiny wiatrowej zdecydowanie wyższe niż np. naprawa przekładni o podobnej mocy pracującej w hali fabrycznej.

Ocena jakości procesu. Jaki olej wybrać?

Jednym z warunków poprawności działania urządzeń jest czystość układu olejowego. Na rys. 4. [3] pokazano dane przedstawiające postępy w płukaniu układu hydraulicznego za pomocą bocznikowej jednostki filtrującej podczas normalnej pracy. Zaawansowanie tego procesu może bazować na ocenie prowadzonej w warunkach laboratoryjnych albo również na danych pomiarowych uzyskiwanych w trakcie pomiarów w czasie rzeczywistym. Oceny dokonywano na bazie normy ISO 4406 [4] dla cząstek o rozmiarach 4, 6 i 14 μm.
 

Rys. 4. Ocena w czasie rzeczywistym liczby i wielkości zanieczyszczeń w czasie płukania systemu


Na rysunku widoczna jest wyraźna tendencja obniżania się liczby zanieczyszczeń w czasie trwania procesu, co pokazuje liniowy trend 4 μm. Jednak w tym samym czasie dla wszystkich kryteriów oceny widoczne są znaczące „piki” w prowadzonych pomiarach. Są one konsekwencją zróżnicowania w bieżącym funkcjonowaniu systemu produkcyjnego, co odpowiada aktualnie uruchomionym bądź zatrzymanym pompom oraz siłownikom, które wymuszają zróżnicowane otwarcie zaworów.
Gdyby w procesie oceny posiłkować się wyłącznie oceną laboratoryjną, to pobieranie próbek mogłoby mieć miejsce zarówno blisko szczytu, jak i „doliny” charakterystyk pokazanych na rys. 4. W związku z tym przeprowadzana krokowo ocena liczby cząstek będzie prezentować wyniki bezzasadnie wysokie lub bezzasadnie niskie, ponieważ pobierana próbka odpowiada bieżącemu stanowi systemu, natomiast w żadnym stopniu nie charakteryzuje stanu operacyjnego, w jakim ten system się znajdował. Tylko poprzez monitorowanie liczby cząstek w czasie rzeczywistym można określić rzeczywiste zaawansowanie procesu czyszczenia.

Ocena wielosymptomowa

Ocena stanu jest zawsze łatwiejsza w przypadku, kiedy jego anomalia pojawia się dla obiektu, który wcześniej charakteryzował się wzorowym stanem. Na rys. 2. pokazano zmianę jakości oleju dla dwóch maszyn. W obu przypadkach miała miejsce liniowa degresja jego jakości. Natomiast nieco inna sytuacja ma miejsce dla charakterystyki pokazanej na rys. 5. W tym przypadku widoczna jest przez długi czas degresja liniowa (odpowiadająca pogarszającej się jakości oleju, co jest powodowane jego utlenianiem oraz wyczerpywaniem dodatków, co było w tym przypadku oceniane poprzez pomiar impedancji). Później widoczne jest przyspieszenie trendu pogarszania się jakości oleju. Za to przyspieszenie jest odpowiedzialne pojawienie się kolejnego uszkodzenia. W tym przypadku było to rozszczelnienie powodujące obniżanie się ilości oleju w systemie smarowania i w konsekwencji przyspieszeniem jego destrukcji.
 

Rys. 5. Przykład zmiany trendu symptomu stanu technicznego w konsekwencji wzrostu liczby przyczyn degradacji

Wpływ konstrukcji na rodzaj monitorowania

Od dawna wiadomo, że system monitorowania i zabezpieczeń winien być dostosowany do konstrukcji maszyny i adekwatny do jej krytyczności dla systemu produkcyjnego. Inny zestaw czujników jest wymagany w przypadku przekładni łożyskowanej tocznie, a inny w przypadku łożyskowanej ślizgowo.
W tabeli 1. zilustrowano zmiany charakteryzujące rozwój energetyki wiatrowej. W ślad za nimi, wraz ze wzrostem mocy, następują zmiany konstrukcyjne, które wymagają odpowiedniej adaptacji systemów nadzoru stanu technicznego. Przy przekazywaniu mocy z wirnika turbiny na wirnik generatora wykorzystywane są przekładnie – często planetarne. 
W przypadku wrastającej mocy przekładni, chcąc zapewnić jej wysoką sprawność, przechodzi się z łożysk tocznych na łożyska ślizgowe. W taki sposób są także łożyskowane satelity przekładni planetarnych. 
Czopy w łożyskach ślizgowych osadzonych w korpusie przekładni są typowo monitorowane z pomocą czujników bezkontaktowych w konfiguracji XY. W przypadku satelitów nie ma możliwości wykorzystywania czujników bezkontaktowych. W konsekwencji znaczenia nabiera monitorowanie produktów zużycia w takich przekładniach.

 

Tab. 1 ROZWÓJ ENERGETYKI WIATROWEJ

Na rysunku pokazano rozwój energetyki na przestrzeni minionych ponad 30 lat oraz prognozowany rozwój w kolejnej dekadzie.

Turbiny wiatrowe stawiane na przełomie lat 80/90 charakteryzowały się mocą kilkuset kW. W konsekwencji (ze względu na niewielką długość skrzydeł) ich gondole były zlokalizowane na wysokości ~30 m nad poziomem gruntu.
W ciągu kolejnych dwóch dekad ich moc wzrosła ~10-krotnie, a oś wirnika turbiny (z odpowiednio dłuższymi skrzydłami – na powyższym rysunku pokazano informacyjnie średnicę wirnika turbiny w funkcji jej mocy) przemieściła się na wysokość ~80 metrów.
Wiadomo, że wraz ze wzrostem odległości od powierzchni ziemi wzrasta średnia prędkość wiatru, co zostało pokazane na poniższym rysunku:

Szacunkowo można przyjąć, że dla turbiny o mocy ~2 MW średnia prędkość napędzającego ją wiatru jest o ~20% wyższa niż miało to miejsce dla turbin z początku lat 90-tych. Ponad dekadę temu zaczęto stawiać farmy wiatrowe na wodach przybrzeżnych. Prognozuje się, że za kilkanaście lat największe pojedyncze turbiny wiatrowe będą dysponować mocą bliską 20 MW, a więc 100-krotnie większą niż ta z początków historii tej formy energetyki.

Przykład monitorowania kompleksowego

Omawiane do tej pory formy monitorowania oleju w przeważającej liczbie dotyczyły jego badania na spływie z maszyny. Zdarza się jednak, że w przypadku maszyn krytycznych o dużych gabarytach taka forma monitorowania może okazać się niewystarczająco efektywna. 
Zauważmy, że w klasycznym podejściu do jakości oleju ważna była ocena jego stanu, a w systemach olejowych były wykorzystywane filtry celem poprawy jakości oleju podawanego do maszyny. W przypadku oceny stanu technicznego maszyny staje się ważne rozpoznanie, jakie zanieczyszczenia w oleju się znajdują, mogą one bowiem mówić bezpośrednio nie tylko o tym, jakie części maszyny podlegają uszkodzeniu, ale także – bazując na formie tych zanieczyszczeń – informować, jaki jest mechanizm powstawania uszkodzenia (przeciążenie, skrawanie itp.). To jeszcze nie wszystko. W przypadku dużych (np. wielosekcyjnych) maszyn podobne produkty zużycia mogą być generowane w różnych ich częściach. Tak więc dla służb utrzymania ruchu może być interesujące, w której części (lub w których częściach) maszyny dochodzi do zaawansowanych procesów destrukcyjnych. W miarę wzrastających wymagań co do szczegółowości diagnozy muszą być wykorzystywane systemy monitorowania bardziej złożone, które będą w stanie dać wystarczająco dobrą informację techniczną o miejscu i zaawansowaniu procesów destrukcyjnych. Takie systemy monitorowania oleju, które są pomocne służbom UR w scharakteryzowanym zakresie, nazywać będziemy kompleksowym monitorowaniem. Systemy te są wykorzystywane dla dużych maszyn krytycznych. Pomiary są prowadzone dla ich wybranych podzespołów w takim samym zakresie, jak to się robi dla niedużych maszyn krytycznych.
Przykładami takich dużych maszyn krytycznych są np.:

  • Turbina gazowa dużej mocy. W tym przypadku monitorowanie właściwości sumarycznego oleju na spływie z łożysk turbozespołu może być niewystarczająco efektywne; użytkownika interesuje nie tylko sumaryczny stan techniczny, ale także, w przypadku uszkodzenia któregoś z węzłów maszyny, dodatkowo informacja, którego węzła łożyskowego problem dotyczy.
  • Silnik tłokowy napędu głównego statku oceanicznego. Również w tym przypadku monitorowanie właściwości sumarycznego oleju na spływie z silnika nie jest wystarczające; użytkownika interesuje nie tylko sumaryczny stan techniczny silnika, ale także, w przypadku uszkodzenia którejś sekcji cylindrów silnika, ważna jest informacja, którego cylindra problem dotyczy.

Na rys. 6. pokazano schemat systemu skanowania metalu MS4000 skonstruowanego przez firmę GASTOPS. System ten umożliwia monitorowanie produktów zużycia w aż sześciu punktach maszyny.

Rys. 6. Schemat kompleksowego systemu monitorowania oleju
Rys. 7. Zróżnicowanie czujników produktów zużycia systemu MS4000

W systemie możliwe jest zastosowanie trzech różnych czujników typu „MetalSCAN”, które umożliwiają pracę dla rurociągów charakteryzujących się zróżnicowaniem natężenia przepływu. Na rys. 7. pokazano zdolność rozpoznawania każdego z dostępnych czujników oraz zamieszczono informację o dopuszczanym natężeniu przepływu oleju w przypadku aplikacji In-Line. Oczywiste jest, że wraz ze wzrostem natężenia przepływu średnica rurociągu (w konsekwencji także czujnika instalowanego w linii rurociągu) musi się zwiększać. Ten wzrost średnicy przyczynia się do zmniejszenia wrażliwości czujnika w zakresie rozpoznawania produktów zużycia. Zatem maleje ich zdolność do rozpoznawania cząstek unoszonych przez olej i w konsekwencji minimalnie rozpoznawane gabaryty produktów zużycia są większe. Tak jak opisano we wcześniejszych częściach artykułu – rozpoznawane nieferromagnetyczne produkty zużycia są większe, niż jest to możliwe dla produktów ferromagnetycznych. W przypadku czujników GASTOPS rozpoznawane minimalne nieferromagnetyczne produkty zużycia są 2-3 razy większe od ferromagnetycznych. 

Rys. 8. Przykład zastosowania systemu MS4000 dla turbiny gazowej

Na rys. 8. pokazano schemat zastosowania systemu MS4000 dla monitorowania oleju na spływie z pięciu łożysk turbiny gazowej, przy czym na spływie z łożyska #2 pokazano symbolicznie zwiększoną liczbę produktów zużycia. System MS4000 umożliwia rozpoznanie, które z łożysk turbiny jest zagrożone przyspieszoną awarią. 
Na rys. 9. pokazano fragment wału korbowego silnika dużej mocy. W przypadku potrzeby monitorowania stanu technicznego 12-cylindrowego silnika tłokowego niezależnie dla każdego cylindra niezbędne byłoby zastosowanie dwóch systemów MS4000

Rys. 9. Fragment wału korbowego silnika wysokoprężnego wielkiej mocy

Czujniki MetalSCAN są instalowane na różnych maszynach, w tym także na przekładniach turbin wiatrowych (co pokazano na rys. 10.). Firma GASTOPS posiada np. dokumenty aplikacyjne pokazujące ich optymalną implementację na przekładniach turbin wiatrowych różnych producentów, w tym na wszystkie typy turbin następujących producentów: GE, Nordex, Siemens Gamesa i Vestas, a także na przekładniach produkowanych przez dostawców przekładni dla turbin wiatrowych (Bosch Rexroth, Eickhoff, Moventas, NGC, Winergy oraz ZF) oraz z inicjatywy właścicieli farm wiatrowych (Boralex, Brookfield, E.ON, EDP Renewables, ENGIE, Iberdrola, Orsted, RWE AG, Statkraft, Vattenfall).

Rys. 10. Czujniki MetalSCAN instalowane na turbinach wiatrowych

Na rys. 11. pokazano przykład aplikacji firmy GassTOP [5] na turbinie wiatrowej o mocy ~2 MW wyprodukowanej przez Vestas. 

Rys. 11. Instalacja czujnika MetalSCAN na przekładni turbiny Vestas

Na rys. 12. pokazano przykład efektywnego zadziałania systemu monitorowania stanu technicznego przekładni po około miesiącu od jego zainstalowaniu przez właściciela farmy wiatrowej, na turbinie, która przepracowała do czasu instalacji już kilka lat. W tym przypadku od czasu pojawienia się anomalii stanu technicznego do czasu wycofania turbiny z produkcji minęły około 2 miesiące.

Rys. 12. Przykład zadziałania systemu MetalSCAN

Zakończenie 

Od wielu lat niektóre systemy wspomagające nadzór stanu technicznego majątku produkcyjnego umożliwiają gromadzenie i wnioskowanie na podstawie danych pozyskanych różnymi technikami pomiarowymi. Wszystko, co niesie z sobą PRZEMYSŁ 4.0 w zakresie nowych technik oraz nowych możliwości prowadzenia analiz tworzy lepsze perspektywy dla UTRZYMANIA RUCHU 4.0. 
Na rys. 13. pokazano zróżnicowanie możliwości w zakresie technik drganiowych i badania olejów. Po lewej stronie rysunku – możliwości techniczne na poziomie wykorzystywania różnych scenariuszy kojarzenia badań oleju i drgań bazujące na dostępnych technikach Off-Line i On-Line, których celem jest ocena stanu technicznego maszyny. Natomiast z prawej strony – możliwości badania oleju przede wszystkim pod kątem jego właściwości, tzn. przydatności do zapewnienia właściwego funkcjonowania maszyny. W niektórych sytuacjach w badaniach oleju dobrze jest stosować równolegle techniki Off-Line i On-Line. W Limitations of Offline Oil Analysis for Determining Gearbox Health [6] pokazano przykład diagnozowania przekładni w 137 turbinach wiatrowych na bazie badań olejowych z pomocą obu wymienionych technik. Z przykładu tego wynika, że: 

  • brak jest korelacji między rzeczywistym stanem technicznym a wynikami badań opartymi na technice Off-Line oraz 
  • badania oleju On-Line zapewniają wiarygodną ocenę stanu technicznego.

 

Rys. 13. Zróżnicowane możliwości oceny stanu na bazie analiz drgań i oleju

Jedną z przyczyn powyższej konkluzji jest mała reprezentatywność próbki pobieranej do badań Off-Line w stosunku do objętości użytkowanego przez maszynę oleju6.
Wymienione z lewej strony rys. 13. techniki nie są zamienne, a winny być traktowane jako uzupełniające się. W tabeli 2. zaprezentowano pogląd firmy GASTOPS, w jakim stopniu wykorzystanie obu wymienionych tam technik umożliwia lepsze diagnozowanie stanu technicznego przekładni zębatych. 

  

Tabela 2. Pogląd firmy GASTOPS na temat wykorzystania technik diagnozowania stanu technicznego przekładni zębatych

PORÓWNANIE Analiza oleju
czujnikiem
MetalSCAN
Analiza drgań
Detekcja
we wczesnej fazie
uszkodzenia stopnia
wysokich obrotów
przekładni
TAK TAK
Detekcja
we wczesnej
fazie uszkodzenia
przekładni
planetarnej
TAK NIE
Możliwość
wskazania miejsca
uszkodzenia
TAK
(w przypadku
zastosowania
wielu czujników
i trendowania)
TAK
Dane są łatwe
do interpretacji
TAK

NIE7
(wymaga
interpretacji
przez eksperta)

Detekcja pęknięcia
zęba w przekładni
TAK
(dla pewnych
typów uszkadzania)
TAK
(dla stopnia
wysokich obrotów)

 

Zastosowanie dla oceny stanu technicznego systemów akwizycji danych diagnostycznych umożliwiających nie tylko gromadzenie pomiarów dla zróżnicowanych symptomów, ale również takich, które dodatkowo umożliwiają import z systemu sterowania procesem produkcyjnym (DCS) danych dotyczących wybranych zmiennych procesowych oraz środowiskowych radykalnie podnosi jakość oceny stanów zarówno oleju, jak i maszyny.
Czujniki jakości oleju (łącznie z rozpoznawaniem zawartych w nim cząstek) mogą i winny być stosowane w licznych aplikacjach, przynoszą bowiem znaczne oszczędności użytkownikom w porównaniu monitorowania stanu oleju w laboratorium w trybie offline.

  • Informacja o stanie oleju w czasie rzeczywistym pozwala na lepszą alokację zasobów. 
  • Dokładniejsze dane zmniejszają niepotrzebne koszty obsługi i utrzymania dzięki konserwacji zapobiegawczej i wydłużaniu okresu eksploatacji oleju.
  • Wczesne ostrzeganie o potencjalnych trybach awarii pozwala na lepsze zarządzanie maksymalizacją użytkowania urządzeń.
  • Monitorowanie online w czasie rzeczywistym ogranicza nieplanowane przestoje.

 

LITERATURA

  1. Jiayi S., Liming W., Jianfeng L., Fangyi L., Jianyong L., Haiyang L., Online oil debris monitoring of rotating machinery: A detailed review of more than three decades, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 149, Feb 15, 2021, 107341.
  2. Steen S., Advanced Wind Turbine Oil Digitizations, Poseidon Systems, Feb 4, 2019, [na:] https://www.poseidonsys.com/tag/oil-life/.
  3. Barnes M., Real-Time Oil Analysis Has Arrived, Efficient Plant, Feb 12, 2020.
  4. Hydraulic fluid power — Fluids — Method for coding the level of contamination by solid particles, 4th Edition, Jan 2021, International Organization for Standardization (ISO).
  5. Metalscan for Vestas Wind Turbines, Application Note, GASTOPS, C010183_000
  6. Brewer R., Pelkey A., Miller A., Limitations of Offline Oil Analysis for Determining Gearbox Health, Poseidon Systems & EDF Renewables, Jul 2022 
     

PRZYPISY

Przypisy