aspekte der instandhaltung im...
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Aspekte der Instandhaltung
im Kraftwerksbereich
Dipl.-Ing. Dr. Michael Marketz
Workshop „Energiesysteme im Umbruch II“
Kaprun, 24. September 2013
M. Marketz 1
M. Marketz 2
1. Einleitung
2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen
3. Instandhaltungsstrategien
4. Praktische Vorgangsweise
5. Zusammenfassung
Inhalt
M. Marketz 3
1. Einleitung
2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen
3. Instandhaltungsstrategien
4. Praktische Vorgangsweise
5. Zusammenfassung
Inhalt
Erzeugungsanlagen der Kelag (Stand: Ende 2012)
Anzahl Engpassleistung Erzeugung (Regeljahr)
(MW) (Mio. kWh)
Eigene Kraftwerke +) 75 654 1.482
Bezugsrechte ++) 11 416 1.424
1.070 2.907
+) ... davon 11 Speicherkraftwerke, 55 Laufkraftwerke
2 Windkraftwerke, 7 PV-Anlagen
++) … davon 1 Speicherkraftwerk, 10 Laufkraftwerke
Speicherkraftwerksleistung: 676 MW
Pumpleistung: 335 MW
M. Marketz 4
Bedeutung der Instandhaltung
M. Marketz 5
Die Gewährleistung der hohen Verfügbarkeit und Sicherheit von Erzeugungsanlagen
gehört zu den zentralen Aufgaben von Kraftwerksbetreibern.
Ungeplante Stillstandszeiten können – abhängig von den vorliegenden Rahmen-
bedingungen (Preissituation, Versorgungssituation, Lieferzeiten und Kosten für Ersatzkomponenten) -
zu erheblichen Ausfallfolgen (monetär, technisch) führen.
Kraftwerksbetreiber sind einem hohen Kostendruck ausgesetzt. Die Beeinflussung der
Kosten ist (unmittelbar ergebniswirksam) bei der Instandhaltung der technischen Anlagen
möglich.
Eine aus reinen Kostengründen reduzierte Instandhaltung bedeutet aber zusätzliche
technische und wirtschaftliche Risiken.
Einsatz geeigneter Instandhaltungsstrategien, mit denen auch mit reduziertem
Aufwand die Sicherheit und Qualität des Kraftwerksbetriebes unter Einhaltung
der technischen und rechtlichen Anforderungen gewährleistet werden kann.
M. Marketz 6
1. Einleitung
2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen
3. Instandhaltungsstrategien
4. Praktische Vorgangsweise
5. Zusammenfassung
Inhalt
Instandhaltungs-
ziele
M. Marketz 7
Ziel: Sichere, zuverlässige und
kostengünstige Stromversorgung
Allgemeine Ziele:
Wirtschaftlichkeit: Kostenoptimierung
bei unveränderter Zuverlässigkeit
Einhaltung gesetzlicher Vorschriften
Anlagensicherheit
Personen- und Umweltschutz
Betriebsmittelbezogene Ziele:
Gewährleistung einer bedarfsgerechten Verfügbarkeit der Betriebsmittel
Sicherstellung einer hohen technischen Nutzungsdauer der Betriebsmittel
Vermeidung von Betriebsmittelausfällen
Vermeidung hoher Folgekosten
Substanzerhalt
Erkennen und Beseitigen latenter Schäden
Störungsverringerung (Reduzierung von Ausfallzeiten)
Vermeidung kostenintensiver Instandhaltungsmaßnahmen
Verschiebung von Ersatzinvestitionen
Optimierung der Lebenszykluskosten
System Netz
Betriebsmittel 1
Betriebsmittel 2 ... Betriebsmittel n
Instandhaltung
Netzstruktur
Last, Lastverteilung
Fläche
Topographie, . . .
Erneuerung *) (Ersatz, Teilersatz)
Begriffe und Definitionen
M. Marketz 8
Instandhaltungsbegriffe nach ÖNORM M 8100 (1985) **)
*) über die Normbegriffe hinausgehend als Instandhaltungsbegriffe genannt
**) Ersatz durch ÖMORM EN 13306 – 2001
Gesamtheit der Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung des
SOLL-Zustandes sowie zur Feststellung und Beurteilung des IST-Zustandes
Instandhaltung
Wartung
Bewahrung des
SOLL-Zustandes
Instandsetzung
Wiederherstellung des
SOLL-Zustandes:
zustands-/
schadensabhängig
Revision
vorgeplante, kombinierte
Instandhaltungsaktion
Inspektion (Technische Diagnostik)
Feststellung und
Beurteilung des
IST-Zustandes
Reparatur
Überholung
Sanierung *)
M. Marketz 9
1. Einleitung
2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen
3. Instandhaltungsstrategien
4. Praktische Vorgangsweise
5. Zusammenfassung
Inhalt
M. Marketz 10
Durch Instandhaltungsmaßnahmen wird gewährleistet, dass die Betriebsmittel /
Anlagen in einem Zustand erhalten werden, der ihre ausreichende Funktionalität
sicherstellt.
Im Rahmen der Instandhaltungsstrategie werden Regeln aufgestellt, wann an
welchen Betriebsmitteln welche Inspektionen durchzuführen sind und welche
Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen in welchen Intervallen oder in welcher
Abhängigkeit vom Inspektionsergebnis vorgenommen werden sollen.
Darüber hinaus werden Vorgaben für die Durchführung von Reparaturen sowie für
die Erneuerung von Betriebsmitteln vorgegeben.
Die Instandhaltungsstrategie stellt sicher, dass die Ziele der Instandhaltung
tatsächlich erfüllt werden.
Es bietet sich eine Einteilung der Instandhaltungsstrategien in betriebsmittel- und
systembezogene Strategien an.
Instandhaltungsstrategien
M. Marketz 11
risikoorientiert
ereignisorientiert
Instandhaltungsstrategien
betriebsmittelbezogen systembezogen
zustandsorientiert
zeitorientiert
zuverlässigkeits-
orientiert Betriebsmittelbedeutung (systembezogen)
Ausfallrisiko
Instandhaltungsstrategien
Betriebsmittelzustand
Monitoring
- Datenspeicherung
- graphische Darstellung
Analyse
- Kenngrößengenerierung
- Datenspeicherung
- graphische Darstellung
Diagnose (+) Expertensystem
- Verknüpfung und Interpretation der Mess-
und Kenngrößen
- Zustandsbeurteilung
Messwerte und Überschreitungen
Störmeldung
Empfehlung
Prognose
Sollwerte
Messwerte
Grenzwerte
Messwerte und Kenngrößen
Komponenten und Aufgabenverteilung der Technischen Diagnostik [Muhr, M. et. al, e&i, Jg. 119 (2002), Heft 5]
M. Marketz 12
Bereiche/Verfahren der Technischen Diagnostik: Dielektrische D. , Durchschlagsdiagnostik, Teilentladungsdiagnostik,
Thermische D., Mechanische D., Akustische Verfahren, Chemische Untersuchungen, Optische Verfahren, Visuelle Verfahren
Technische Diagnostik
Betriebsmittelzustand
Technische Diagnostik
Diagnoseverfahren bei Hochspannungsbetriebsmitteln
Kabel Transformatoren Schaltanlagen
Visuelle Kontrolle
Thermografie
Gas-in-Öl-Analyse
Furananalyse
Isolationsstrom
Verlustfaktor
Teilentladung
Transferfunktion
Rückkehrspannung
Polarisations-/
Depolarisationsstrom
Visuelle Kontrolle
(Endverschlüsse)
Verlustfaktor
Teilentladung
Wiederkehrspannung
Spannungsprüfung
Visuelle Kontrolle
Thermografie
Teilentladung
UHF-Messung
Gasanalyse (SF6)
Spannungsprüfung
In der Praxis eingesetzte Diagnoseverfahren
Messwandler
Visuelle Kontrolle
Gas-in-Öl-Analyse
Isolationsstrom
Verlustfaktor
Teilentladung
Rotierende, elektr.
Maschinen
Visuelle Kontrolle
Thermografie
Isolationsstrom
Verlustfaktor
Teilentladung
Schall/Ultraschall
TD mechanischer
Größen
Spannungsprüfung
M. Marketz 13
M. Marketz 14
Bedeutung für das Gesamtsystem (inkl. Netzwiederaufbau)
Betriebsart
Reservestellungsmöglichkeit, Parallelmaschinensätze
Ersatzteilverfügbarkeit
Verfügbarkeit
Wirtschaftliche Folgen eines Maschinenausfalls
Ausfallskosten (Instandsetzung, Folgekosten) Risiko
Einsatzort
Umwelteinflüsse, soziale Einflüsse
Imageschäden
Wert des Betriebsmittels
Allgemeines
Beu
rte
ilu
ng
sk
rite
rie
n -
Bed
eu
tun
g
Betriebsmittelbedeutung
Betriebsmittelbedeutung
Kraftwerksgruppe Fragant – schematische Darstellung
Krafthaus
Feldsee
M. Marketz 15
M. Marketz 16
Risikomanagement
Risikobewältigung
- Risikovermeidung
- Risikobeherrschung
Risikopolitik - Strategischer Umgang
- Organisatorische Umsetzung
- Kommunikation
Risikoanalyse
- Risikoidentifikation
- Risikobewertung RISIKO-
MANAGEMENT-
ZYKLUS
M. Marketz 17
1. Einleitung
2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen
3. Instandhaltungsstrategien
4. Praktische Vorgangsweise
5. Zusammenfassung
Inhalt
Überblick
Maßnahmen zur Substanzerhaltung umfassen sowohl Ersatzinvestitionen (Erneuerungs-
investitionen) als auch Instandhaltungsmaßnahmen (inkl. der jährlichen Anlagenrevisionen).
Beim Großteil der Anlagenkomponenten wird eine zustandsorientierte Strategie umgesetzt.
Die betriebliche Vorgangsweise wird zusätzlich von externen Vorgaben bzw. Vorschriften
(z.B. Bescheidauflagen) beeinflusst.
Zusätzlich zum jährlichen „Standard-Ersatzinvestitions-/ Instandhaltungsprogramm“, das i.W.
Erneuerungsmaßnahmen in Kleinkraftwerken und im Bereich der Sekundärtechnik
(Leittechnik, Schutz, Regler) sowie
Maschinenrevisionen, laufende Instandhaltungsmaßnahmen und Diagnosemessungen
umfasst, werden seit mehreren Jahren Großmaßnahmen zur Gewährleistung der
Betriebssicherheit der Erzeugungsanlagen umgesetzt.
Bei der Festlegung der Großmaßnahmen wird auch system- und risikoorientiert vorgegangen
und besonders die Belastung der Komponenten durch geänderte Betriebsweisen (erhöhte
Betriebsstunden, Lastwechsel, höhere Auslastung) berücksichtigt.
Die Umsetzung erfolgt unter Berücksichtigung möglicher Effizienzsteigerungen und in Form
einer fachbereichsübergreifenden Vorgangsweise.
M. Marketz 18
Vorgangsweise bei Generatoren (Motorgeneratoren)
M. Marketz 19
Technische Diagnostik *) Qualitative Kriterien *)
Bewertung und Gewichtung
Zustandsbeurteilung
Bedeutung des Maschinensatzes
Risikobeurteilung
Betriebsdaten *)
Ableitung von Instandhaltungs- /
Ersatzinvestitionsmaßnahmen
*) Betriebsdaten: Betriebsstunden, Anlaufvorgänge, Lastwechsel
Technische Diagnostik: Isolationswiderstand, Verlustfaktor, Teilentladung, (Spannungsprüfung)
Qualitative Kriterien: Inspektionsergebnisse, Betriebserfahrung, Isoliersystem
Be
trie
bsm
itte
leb
ene
Syste
me
be
ne,
Unte
rne
hm
enseb
ene
M. Marketz 20
Generator
(Motorgen.)
Kraftwerks-
typ
Leistung
(MVA)
Baujahr Isoliersystem
(Stator)
Anmerkung
M1 PSKW 75 2009 Micadur
M2 PSKW 75 2010 Micadur
M3 SKW 55 1990 Vacuband
M4 PSKW 42 1980 Mikathermband
M5 PSKW 40 2011 Micadur
M6 SKW 40 1978 Mikathermband
M7 SKW 40 1978 Mikathermband
M8 PSKW 36 1968 Vacuband neue Wicklung 2004
M9 PSKW 36 1968 Vacuband neue Wicklung 2003
M10 SKW 32 1969 Mikathermband
M11 SKW 32 1967 Vacuband neue Wicklung 1983
M12 SKW 32 1967 Vacuband neuer Stator 2011
M13 SKW 20 1984 Micadur Compact
M14 SKW 20 1994 Micadur Compact
M15 SKW 16 1973 Micadur Compact neuer Stator 2009
M16 SKW 16 1980 Micadur Compact
M17 LKW 12,5 1961 Asphalt Mikafolium
M18 SKW 11 1996 Micadur
M19 LKW 8 1965 Presselast neue Wicklung 1979
Untersuchte Maschinen
SKW: Speicherkraftwerk; PSKW: Pumpspeicherkraftwerk; LKW: Laufkraftwerk
M. Marketz 21
Bewertung der aktuellen Messergebnisse sowie Analyse der historischen
Entwicklung der Kenngrößen
Kooperation VAH, TU Graz
Technische Diagnostik (Ständerwicklung)
1978 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M9
M10
M11
M12
M13
M14
M15
M16
M17
M18
M19
Generator
(Motorgen.)
Technische Diagnostik - Übersicht je Maschine im Zeitraum 1978 bis 2013 (geplant)
Zustandsbeurteilung 1/7
M. Marketz 22
Isolationswiderstand
Technische Diagnostik / Mess- und Prüfprogramm
Trockenheitsprüfung, Sicherstellung der Spannungsfestigkeit für weitere Prüfungen;
Beurteilung anhand von Grenzwerten aus Normen und Empfehlungen
Isolationswiderstand Wurten 4
0.1
1.0
10.0
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660
Messzeit [s]
Iso
lati
on
sw
ide
rsta
nd
[GW
]
UVW-E
U-VWE
V-UWE
W-UVE
R 1R 10
PI = R10/R1
Gesamtwicklung
Einzelstränge
20/07/2009Wicklungstemperatur 45°C 57%rF
Zustandsbeurteilung 2/7
M. Marketz 23
Zustandsbeurteilung 3/7
Verlustfaktor
Technische Diagnostik / Mess- und Prüfprogramm
Beurteilung des globalen Isolationszustandes, Abschätzung des Einsetzens von
Teilentladungen am Spannungsverlauf; Beurteilung anhand von Grenzwerten aus Normen und
Empfehlungen (Anfangswert, max. Anstieg je 0,2 UN, Zunahme zwischen 0,2 und 0,6 UN)
Verlustfaktor Wurten 4
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000
Prüfspannung [V]
Ve
rlu
stf
ak
tor
[‰]
UVW-E
U-VWE
V-UWE
W-UVE
Gesamtwicklung
Stränge U, V, W
Verlustfaktoranfangswert
tand 0,2
Verlustfaktoranstieg
D tand je 0,2 Un
zulässiger Grenzwert
für Neuwicklungen
zulässiger Grenzwert
laut Norm
Verlustfaktorzunahme
1/2(tand 0,6-tand 0,2)
Verlustfaktoranstieg
D tand je 0,1 Un
20/07/2009Wicklungstemperatur 45°C 57%rF
M. Marketz 24
Zustandsbeurteilung 4/7
Teilentladung
Technische Diagnostik / Mess- und Prüfprogramm
Beurteilung des TE-Pegels der scheinbaren Ladung (Einsetzspannung, Aussetzspannung)
Beurteilung von Fingerprints (detektierte Entladungen, Phasenlage, Häufigkeitsverteilung)
anhand charakteristischer Muster aus der Literatur
Messung mit unterschiedlichen TE-Systemen qualitativ gleichwertig, Absolutwerte können
jedoch verschieden sein.
Keine Grenzwerte in Normen und Empfehlungen (unterschiedlicher Aufbau der Isolierung,
unterschiedliches Verhalten eingesetzter Materialien)
Weiterführende praktische und wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich
(z.B. Einzelstabuntersuchungen an alten Wicklungen)
M. Marketz 25
Zustandsbeurteilung 5/7
Teilentladung
Technische Diagnostik / Mess- und Prüfprogramm
Teilentladungspegel Wurten 4
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000
Prüfspannung [V]
Sc
he
inb
are
La
du
ng
QIE
C [
pC
]
U-VWEN 5nC/51dB
V-UWEN 5nC/51dB
W-UVEN 5nC/51dB
U-VWES 5nC/51dB
V-UWES 5nC/51dB
W-UVES 5nC/51dB
UVW-EN 5nC/48dB
UVW-ES 5nC/48dB
15/07/2009Wicklungstemperatur 45°C
57%rF
M. Marketz 26
Zustandsbeurteilung 6/7
Spannungsprüfung
Technische Diagnostik / Mess- und Prüfprogramm
Nachweis der Spannungsfestigkeit bei in Betrieb befindlichen Maschinen (in den vergangenen
Jahren nur zum Teil durchgeführt)
Beurteilung der Restspannungsfestigkeit bei auszutauschenden Wicklungen (mit begleitender
Verlustfaktormessung)
1,5 UN Pegel für Wicklungen im Betrieb
2 UN + 1 kV Pegel für Abnahmeprüfungen für Neuwicklungen
max. erreichbarer Pegel der Prüfeinrichtung (bis 30 kV)
M. Marketz 27
Generator
(Motorgen.)
Kraftwerks-
typ
Leistung
(MVA)
Baujahr Isoliersystem
(Stator)
Zustand
(Stator)
Anmerkung
M1 PSKW 75 2009 Micadur gut
M2 PSKW 75 2010 Micadur gut
M3 SKW 55 1990 Vacuband zufriedenstellend
M4 PSKW 42 1980 Mikathermband wenig zufriedenst.
M5 PSKW 40 2011 Micadur gut
M6 SKW 40 1978 Mikathermband wenig zufriedenst.
M7 SKW 40 1978 Mikathermband wenig zufriedenst.
M8 PSKW 36 1968 Vacuband gut neue Wicklung 2004
M9 PSKW 36 1968 Vacuband gut neue Wicklung 2003
M10 SKW 32 1969 Mikathermband schlecht
M11 SKW 32 1967 Vacuband wenig zufriedenst. neue Wicklung 1983
M12 SKW 36 1967 Vacuband gut neuer Stator 2011
M13 SKW 20 1984 Micadur Compact zufriedenstellend
M14 SKW 20 1994 Micadur Compact zufriedenstellend
M15 SKW 16 1973 Micadur Compact gut neuer Stator 2009
M16 SKW 16 1980 Micadur Compact wenig zufriedenst.
M17 LKW 12,5 1961 Asphalt Mikafolium schlecht
M18 SKW 11 1996 Micadur zufriedenstellend
M19 LKW 8 1965 Presselast wenig zufriedenst. neue Wicklung 1979
Zustandsbeurteilung 7/7 (Stand: 2011)
SKW: Speicherkraftwerk; PSKW: Pumpspeicherkraftwerk; LKW: Laufkraftwerk
M. Marketz 28
Beispiel Maschinenbewertung
Bedeutung der Maschinen
Modellierung des hydraulischen Gesamt-
systems unter Berücksichtigung der für die
Berechnung erforderlichen Kraftwerks-
parameter (u.a. Pumpen, Turbinen, Zuflüsse,
Stau- und Absenkziele) und Preisszenarien.
Ermittlung des Wertes bestehender
Kraftwerke unter Berücksichtigung
verschiedener Vermarktungsalternativen
(Fahrplanenergiemarkt, Regelenergiemarkt).
Wirtschaftliche Bewertung von betrieblichen
Einschränkungen bzw. Generatorausfällen
unter Berücksichtigung zeitlicher und
monetärer Auswirkungen unterschiedlicher
Erneuerungsvarianten.
Schematische Darstellung
M. Marketz 29
Risikobeurteilung (Stand: 2011)
Risiko-
Matrix
gut zufriedenstellend wenig
zufriedenstellend schlecht
Zustand
Risiko: gering mittel erhöht hoch
M3 M4
M7 M11 M12
M10
M15
M17
M14
M18
M13
M19
M6
M8
M9
M16
Bede
utu
ng
ge
rin
g
mitte
l h
och
M1 M2
M5
Generator
(Motorgen.)
Maßnahmen am
Stator
Zusatzmaßnahmen Umsetzung
(geplant)
M12 neuer Stator *) Analyse Rotorfestigkeit, Erneuerung Polspulen,
Erneuerung Erregersystem, Erneuerung
Rotorpolkörper, Sanierung Turbine, Kugelschieber
2011, Erneuerung
Rotorpolkörper 2013
M10 neuer Stator *)
Analyse Rotorfestigkeit, Erneuerung Rotorpolkörper,
Erneuerung Polspulen, Erneuerung Erregersystem,
Sanierung Turbine, Kugelschieber
2012
M16 neuer Stator
Analyse Rotorfestigkeit, Erneuerung Polspulen,
Erneuerung Erregersystem, Sanierung Turbine,
Kugelschieber
2013
M11 neuer Stator im Detail festzulegen
2016
M4 neuer Stator im Detail festzulegen
2017
M7 neuer Stator im Detail festzulegen
2019
M17 neuer Generator Erneuerungsmaßnahmen an der gesamten Anlage
(Turbine, Wehranlage, Kanal, Sekundärtechnik) ab 2014
M. Marketz 30
Maßnahmenableitung
*) Alter Stator/Wicklung: Technische Diagnostik mit erweitertem Messprogramm (Ermittlung der Restspannungsfestigkeit,
begleitende Verlustfaktormessung), Restlebensdaueruntersuchungen
Projektbeispiel Wurten 4 (2012)
Erneuerungsmaßnahmen am Generator Wurten 4 (36 MVA, 500 U/min, 10,5 kV)
Maßnahmen:
Statorerneuerung
Erneuerung der Rotorpolkörper
und der Dämpferwicklung
Polspulenerneuerung am Rotor
Prüfungen und Kontrollen an den
mechanischen Komponenten
Bearbeitung der Rotorkeilnut
Erneuerung des Erregungssystems
Sanierung Düsen-/ Ablenkerservomotore
Konservierung Rohrzangen
Konservierung Turbinengehäuse
Generalsanierung Kugelschieber
M. Marketz 31
Projektbeispiel Zirknitz 2 (2013)
Erneuerungsmaßnahmen am Generator Zirknitz 2 (16 MVA, 600 U/min, 10,5 kV)
M. Marketz 32
Projektbeispiel Außerfragant 2 (2011, 2013)
Erneuerungsmaßnahmen am Generator Außerfragant 2 (36 MVA, 500 U/min, 10,5 kV)
M. Marketz 33
M. Marketz 34
1. Einleitung
2. Instandhaltungsziele, Begriffe und Definitionen
3. Instandhaltungsstrategien
4. Praktische Vorgangsweise
5. Zusammenfassung
Inhalt
Zusammenfassung
M. Marketz 35
Betriebsmittel-
ebene
Systemebene
Unternehmens-
ebene
Insta
nd
halt
un
g
Das Aufgabengebiet der Instandhaltung ist
umfangreich und ständig steigenden
Anforderungen (technisch, wirtschaftlich, rechtlich)
unterworfen.
Instandhaltungsrelevante Fragestellungen sind
auch aus System- und Unternehmenssicht
(Planungs- und Steuerungsprozesse, Risikomanagement)
zu beurteilen.
Die zuverlässige Zustandsbewertung und eine
hinreichende Beurteilung der Bedeutung der
Anlagen bilden die Grundlage für moderne und
effiziente Instandhaltungsstrategien.
Die wissenschaftliche Behandlung/Begleitung von
operativen Fragenstellungen ist anzustreben.