Пост опубликован: 24 марта, 2022
Предназначение такого сложного оборудования, как ветряные турбины — работа в сложных условиях, под влиянием значительных нагрузок и внешней среды в течение длительного времени. Поэтому прогнозирование, а также мониторинг состояния целостности всех узлов и механизмов играет важнейшую роль при эксплуатации этих элементов зелёной энергетики. Что такое цифровые двойники и какова их роль?
Цифровые двойники в ветроэнергетике
Благодаря внедрению технологии цифровых двойников (DT — Digital Twin) визуализируется модель работы оборудования в режиме реального времени, в которой можно спрогнозировать условия эксплуатации, такие как износ, трещины и оставшийся срок службы и т.д.
Технические специалисты разработали семиступенчатый подход к моделированию для внедрения цифровых двойников в систему мониторинга рабочих процессов, применительно к ветровым энерготурбинам. Такое программное обеспечение от SAP для мониторинга ветроэнергетики позволяет операторам внедрять стратегии адаптивного управления и улучшенную тактику прогнозного обслуживания, основанную на физическом состоянии системы в любое время, используя цифровое представление реального актива. Это решение, основанное на использовании цифровых двойников, поддерживает операции технического обслуживания и использование структурных возможностей.
В 2015 году была разработана динамическая прикладная система, управляемая данными (DDDAS — Dynamic Data-driven Application System), для моделирования усталостных повреждений в крупномасштабных слоистых композитных материалах, которую сейчас успешно применяют при полномасштабном испытании на усталость лопастей больших ветрогенераторов.
Многочисленные платформы мониторинга на цифровых двойниках используют сейчас почти все энергетические компании, эксплуатирующие ветрогенераторные турбины. Например, такая известная компания как General Electric, использует модели DT для мониторинга ветряных турбин на больших ветроэлектростанциях. Эти виртуальные прототипы физических объектов получают реальные данные в дуплексном режиме от датчиков и служат цифровым виртуальным двойником для моделирования различных сценариев, таких как наблюдение за влиянием изменений в потоке ветра.
Цифровые инновационные технологии в производстве зеленой электроэнергии
Цифровые двойники морских ветряных турбин мощностью 5 МВт были разработаны для прогнозирования срока полезной службы преобразователя мощности при средних или кратковременных тепловых циклических нагрузках. Комбинируя прогноз температуры IGBT-транзисторов и диодного моста на каждом 5 часовом этапе эксплуатации, алгоритм оценки оставшегося срока полезного использования демонстрирует накопление повреждений на основе алгоритма подсчёта потенциальных воздействий от дождя, ветра, птиц, и может быть использован для быстрого оптимального принятия решений по дальнейшей эксплуатации или остановки на профилактический ремонт.
Учитывая размер самих лопастей и необходимое время на их доставку и монтаж, точно прогнозирование такого обслуживания позволяет оптимально, без простоев, осуществлять необходимое техническое обслуживание и ремонт.
С точки зрения взаимодействия лопастей ветряка с окружающей средой необходимо учитывать объекты с высокой относительной скоростью, такие как капли дождя, твёрдые частицы находящиеся в атмосфере (например песок), скорость ветра и другие факторы. Для таких расчётов в моделировании предложили новый гидродинамический подход со сглаженными частицами, который бы описывал эрозионное воздействие капель дождя на лопасти установки ветрогенератора с точки зрения размера капли, скорости удара, угла удара, интенсивности потока и формы капель на ударное напряжение. Благодаря представленному численному методу анализа воздействия столкновения насекомых и песчинок, в котором использовался двумерный решатель поля невязкого потока в сочетании с кодом прогнозирования положения частиц удалось построить прогнозируемую модель. Иногда применяют некую имитационную модель для изучения влияния средней скорости ветра, направление ветрового потока и вертикальной составляющей. Кроме того, может быть принято во внимание изменение погоды в ответ на работу самой ветряной турбины. Дженерал Электрик пошли далее в области моделирования и исследовали влияние установки ветряной турбины на циркуляцию атмосферы, что, в свою очередь, влияет на усталостную нагрузку лопасти ветряной турбины.
Таким образом мы можем наблюдать, как цифровые инновационные технологии внедряются в сегмент производства зелёной электроэнергии, помогая не только тестировать работоспособность всех механизмов в реальном времени, но и позволяя прогнозировать степень износа узлов и агрегатов.
