Especial/Special: Eolica/Wind Power FuturEnergy Sep17 - page 16

Eólica |
Wind Power
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Futur
Energy
|
Edición Especial Septiembre
Special Issue September
2017
lante sin hacer un estudio riguroso del es-
tado de las máquinas. Los aerogeneradores
están diseñados para una vida de 20 años
en supuestos de clases y subclases determi-
nados por la guía de diseño IEC61400-1. Esas
clases y subclases perfilan unas condiciones
de viento estándar que son para las que se
diseña cada aerogenerador, cuanto más le-
jos se esté de esas condiciones de clase, más
margen habrá para la extensión de vida.
Calculo de Vida Remanente
(Remaining Useful Life – RUL)
de forma robusta
El cálculo de vida remanente es un proceso que combina la carac-
terización adecuada de las condiciones externas a la máquina (me-
teorológicas), las de operación y la forma en la que la propia máqui-
na responde a todas ellas.
El cálculo de fatiga es propio y diferencial en cada componente de
la máquina. Las razones son obvias, tanto porque la forma en la que
las cargas actúan en cada componente es diferente (por ejemplo, un
viento turbulento tienemás afección en los momentos de vuelco en el
plano perpendicular al eje de rotación,mientras que un viento con alta
velocidadmedia tendrámás afección en el número de rotaciones y por
tanto en los componentes rotativos), como porque cada componente
tiene sus propiedades mecánicas, dimensiones y rigidices diferencia-
les. Por tanto, las vidas remanentes son diferentes para cada compo-
nente, así como la incertidumbre de la caracterización de esa vida.
El proceso de cálculo para la caracterización de los inputs que deta-
llaremos a continuación tiene en cuenta: su conversión a cargas me-
cánicas a través del modelo aerolástico y su posterior procesamiento
para obtener, mediante el conteo de ciclos, el daño equivalente y la co-
rrespondiente conversión a vida a través de las curvas S-N del material.
Condiciones meteorológicas
y de operación. Monitorización
Las condiciones de viento y operación, como se ha dicho, pueden
variar enormemente de las condiciones (IEC) en base a las que se
diseñó el aerogenerador. La correcta caracterización es clave para
poder armar unmodelo robusto, sin embargo a menudo nos encon-
tramos con parques antiguos de los que por varios motivos (falta de
previsión o de recursos, cambio de propiedad, etc.) hay pocos datos
y/o poco fiables en cuanto a las condiciones de viento y operación.
Para el cálculo de vida remanente es clave conocer, en lo que res-
pecta al viento: velocidades medias, intensidades de turbulencia,
perfiles de cortadura, torsión vertical, densidad del aire, etc. La me-
jor fuente de datos son torres meteorológicas bien mantenidas,
complementado con un modelado preciso. Desafortunadamente
no es habitual encontrar esa calidad de fuente de datos en parques
antiguos y hay que basar las estimaciones en otras fuentes (como
los datos de SCADA por aerogenerador, modelos de mesoscala, etc.)
La utilización de los anemómetros de góndola como patrón de viento
induce errores de estimación abultados y lo apropiado es utilizar fun-
ciones de corrección bien ajustadas (idealmente de acuerdo a la guía
IEC61400-12-2) para caracterizar el viento libre a través del anemóme-
tro de la góndola. Esto ha de ser ajustado con datos de producción y
curvas de potencia (de emplazamiento) para reducir la incertidumbre.
La clave pues, pasa por la importancia que se le dé a la incertidum-
bre, la Figura 3 muestra dos cálculos de vida remanente con dife-
rentes niveles de incertidumbre. El valor central de las gaussianas
corresponde a los resultados de cálculo, mientras que la amplitud
The fatigue calculation is unique and distinct in eachmachine
component.The reasons are obvious, both because of the different
ways in which loads act on each component (for example, a
turbulent wind has more impact on the tiltingmoments in the
plane perpendicular to the rotation axis, while a higher wind speed
will have greater influence on the number of rotations and as such
on the rotative components; and because each component has its
ownmechanics, dimensions and differential rigidities. As such, RULs
are different for each component as well as the uncertainty of that
useful life characterisation.
The calculation process to characterise the inputs detailed below
takes into account: their conversion to mechanical loads via
an aeroelastic model and its subsequent processing to obtain,
through cycle counts, the equivalent damage and corresponding
life conversion by means of the S-N curves of the material.
Operating and meteorological conditions. Monitoring
As mentioned, the operating and weather conditions can have
a huge impact on the (IEC) conditions based on which the
wind turbine was designed. Correct characterisation is key to
assembling a robust model, however for various reasons, (lack
of planning or resources, change in ownership, etc.), many
older wind farms have little and/or unreliable data as regards
operating and wind conditions.
To calculate the RUL, it is essential to have the following
information as regards the wind: average speeds, turbulence
intensities, wind shear profiles, vertical torsion, air density,
etc. The best source of data are well-maintained met towers,
complemented by accurate modelling. Unfortunately, this
quality of data sourcing is not usually found in old wind farms,
so estimates have to be based on other sources (such as SCADA
data per wind turbine, mesoscale models, etc.).
Using nacelle anemometers as wind patterns causes large
estimation errors. The best option is to use well-adjusted
correction functions (ideally in line with the IEC 61400-12-2
guideline) to characterise the ‘free’ wind by means of the nacelle
anemometer. This has to be adjusted with output data and
power curves (from the site) to reduce uncertainty.
The key therefore is the importance that is given to uncertainty.
Figure 3 illustrates two RUL calculations with different levels of
uncertainty.The central value of the Gaussian functions corresponds
to the calculation results,while their extent relates to uncertainty.
The flatter the Gaussian bell, the greater the uncertainty,which
means greater risk (from the conservative side) of the calculation
being inaccurate.This can be illustratedwith a simple example,
two wind farms (A and B), have the same average wind conditions
(considering available data) and the same wind turbine:
• Wind farm B has a met tower with calibrated sensors that have
been working correctly since operations started. It has 14 years
Figure 2: Semillas de viento utilizadas para la simulación de cargas y correspondientes a diferentes niveles
de turbulencia |
Figure 2:Wind seeds used to simulate loads,corresponding to different levels of turbulence.
1...,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,...32
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