Monitoramento de torre de turbina eólica offshore com acelerômetros MEMS e OMA

As turbinas eólicas offshore podem fornecer grandes quantidades de energia eólica limpa e renovável. Para capturar recursos eólicos abundantes e produzir mais energia, as turbinas eólicas estão se tornando maiores e, conseqüentemente, mais caras. As turbinas eólicas operam em ambientes agressivos como água salgada, alta umidade, ventos fortes ..., são remotas e são de difícil acesso. Para isso, é essencial monitorar constantemente seu desempenho e executar manutenções preditivas para obter o retorno esperado do investimento.

Materiais e métodos

As torres de turbinas eólicas são predominantemente feitas de aço, concreto armado ou treliça. Torres de turbinas eólicas offshore estão expostas a altas cargas externas que afetam a estrutura.

Isso resulta no que é conhecido como degradação estrutural. Isso significa mudanças no material ou nas propriedades geométricas. A deterioração pode ser resultado de um projeto ruim, falhas de construção, acidentes, ambientes hostis, processos de envelhecimento ou qualquer combinação destes.

A falha de torres de turbinas eólicas raramente ocorre. Quando isso acontece, normalmente é afetado com custos elevados ou, no pior dos casos, se a torre cair, com perda total do aerogerador. Consequentemente, muitos parques eólicos offshore aplicam soluções de monitoramento de integridade estrutural contínua nas torres. Em alguns países, está até se tornando obrigatório.

Análise modal e análise modal operacional

Uma variedade de técnicas e métodos de detecção são usados para realizar esse monitoramento de integridade estrutural. Porém, a mais utilizada é a técnica baseada em vibração, também conhecida como Análise Modal Operacional (OMA).

A análise modal é vital para compreender e otimizar o comportamento dinâmico inerente das estruturas. Em estruturas, quase todos os problemas de vibração estão relacionados a fraquezas estruturais associadas ao comportamento de ressonância - frequências naturais sendo excitadas por forças operacionais.

Para muitas estruturas de engenharia civil e mecânica, é difícil aplicar a excitação usando um martelo ou agitador devido ao seu tamanho físico, forma ou localização. As estruturas de engenharia civil são carregadas por forças ambientais, como ondas, vento ou tráfego. Essas forças naturais de entrada não podem ser facilmente controladas ou medidas corretamente. No entanto, em alguns casos, é preferível usar essa excitação natural da estrutura sob as verdadeiras condições operacionais e de contorno para determinar suas propriedades modais.

A Análise Modal Operacional (OMA) é baseada na medição apenas das respostas das estruturas de teste sob condições operacionais reais para uma identificação modal precisa. Isso geralmente ocorre em situações em que é difícil ou impossível controlar uma excitação artificial.

O comportamento dinâmico completo de uma estrutura pode ser visto como um conjunto de modos individuais de vibração. Cada um tem uma frequência natural, amortecimento e forma de modo característicos.

As propriedades dinâmicas no domínio da frequência podem ser usadas para modelar a estrutura. Essa identificação determina as características modais de uma estrutura. Isso significa as frequências específicas da estrutura com o amortecimento relacionado e formas modais.

Os modos de vibração da estrutura fornecem informações sobre o movimento relativo dos elementos que constituem a estrutura quando ela é tensionada em uma determinada frequência. Se a estrutura é submetida a uma ação que excita mais de uma frequência, a forma como a estrutura vibra será resultado da combinação de modos vibratórios excitantes

Conhecer os parâmetros modais permite a previsão da resposta da estrutura em função da excitação externa e problemas em ressonâncias específicas podem ser analisados ​​e posteriormente resolvidos.

Os parâmetros modais constituem, assim, uma espécie de "cartão de identidade" dinâmico da estrutura que pode ser usado para:

• a validação de modelos de cálculo

• sua calibração ou

• fins de diagnóstico

Fornecendo, portanto, uma linha de base no sistema de monitoramento de condição estrutural de longo prazo.

Monitoramento de integridade estrutural (SHM)

A determinação dos parâmetros dinâmicos permite verificar a persistência das condições estruturais com referência a um instante preciso de tempo T0. Geralmente, desta vez, T0 para novas torres de turbinas eólicas pode ser obtido no momento da instalação ou comissionamento.

Usando novas soluções de monitoramento de integridade estrutural, os dados são continuamente registrados pelo sistema e os dados de diferentes períodos podem ser comparados. Isso permite avaliar os efeitos de uma forte tempestade nas propriedades dinâmicas da estrutura. Além disso, permite a avaliação das intervenções de reabilitação após as obras de reparação.

Equipamento de Monitoramento

As torres de turbinas eólicas estão se tornando muito grandes e hoje ultrapassam os 250m de altura. Para ter uma boa visão geral da condição da torre, o monitoramento de vibração pode ser aplicado. Os níveis de vibração precisam ser medidos em diferentes pontos usando o método OMA. Como as baixas frequências em todas as três direções (vertical, longitudinal e lateral) são de interesse, os acelerômetros MEMS são adequados para monitoramento de turbinas eólicas estruturais de torres.

Dewesoft IOLITEi 3xMEMS-AC é um acelerômetro de três eixos com saída digital (barramento EtherCAT) - consulte a figura 1. Com a especificação de densidade de ruído espectral de 25 µg / √Hz e ruído residual de 100 µg em largura de banda de 50 Hz, resposta plana de DC (0 Hz) a 400 Hz e faixa dinâmica de 96dB. Ele é usado em muitos aplicativos SHM para monitorar aceleração, velocidade e deslocamento e como uma entrada para um Software de Análise Modal Operacional de terceiros. Ele também pode ser usado como um inclinômetro estático de dois eixos.

A facilidade de instalação do IOLITEi 3xMEMS-ACC é possibilitada pelo encadeamento em série, aproveitando a interface EtherCAT. Ele permite a comunicação com vários dispositivos, mesmo em distâncias de dispositivo a dispositivo de até 100 m. Todos podem ser conectados por meio de um único cabo CAT6 barato (consulte a figura 2), transferindo os dados, a energia e sincronizando os dispositivos para 1 us.

Os dados brutos adquiridos pelos dispositivos são enviados para um PC industrial, (DAU) onde o software de aquisição de dados DewesoftX está sendo executado, para posterior processamento e análise. O software oferece uma ampla gama de recursos matemáticos e de gravação acionados configuráveis. Os dados podem ser enviados em arquivos em lote pela rede TCP / IP ou transmitidos via protocolo OPC / UA para uma sala de sistema de controle ou um servidor em nuvem.

Os dados podem ser acessados, visualizados e analisados no PC do cliente. Ele pode ser armazenado no banco de dados de série temporal, denominado Historian. Além disso, pode ser servido para sistemas SCADA ou software em nuvem usando interfaces padrão como OPC / UA ou API REST.

Conclusões

As condições de vento offshore - vento forte e estável - e, portanto, maiores rendimentos de produção de energia eólica são um fator chave que impulsiona o crescimento das fazendas WT offshore. Porém, para obter um bom ROI, as turbinas eólicas offshore precisam operar com o menor tempo de inatividade, mantendo os custos de manutenção no nível mais baixo possível.

A torre é o elemento estrutural básico das turbinas eólicas offshore. Mantê-lo em boas condições é de suma importância para evitar paralisações e, no pior dos casos, a perda da turbina. Soluções permanentes de monitoramento da integridade estrutural são usadas para monitorar a integridade das torres das turbinas.

A técnica SHM mais amplamente adotada é baseada em vibração (usando acelerômetros MEMS), também conhecida como Análise Modal Operacional (OMA). Isso pode ajudar os operadores a compreender a condição da torre, prever possíveis falhas e planejar ações de manutenção econômicas com bastante antecedência.