Richtlinie für die Zertifizierung von Condition Monitoring ... - GL Group

Richtlinie für die Zertifizierung von Condition Monitoring
Systemen für Windenergieanlagen
Dipl.-Ing. Torsten Muuß
Dipl.-Ing. Peter Dalhoff
Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH
Steinhöft 9, D-20459 Hamburg
Tel.: +49(0)40-31 106-7727
Fax : +49(0)40-31 106-1720
E-Mail: muu@gl-group.com
Internet: http://www.gl-wind.org
Einleitung
Die Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH (GL Wind) hat eine „Richtlinie für die
Zertifizierung von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen“ (CMS Richtlinie)
erstellt.
Diese Richtlinie wurde zusammen mit der vollständig überarbeiteten Richtlinie für die
Zertifizierung von Windenergieanlagen auf der HUSUMwind 2003 der Öffentlichkeit
vorgestellt.
Die CMS Richtlinie fand großen Anklang sowohl bei Herstellern dieser Condition Monitoring
Systeme (CMS) wie auch bei Herstellern von Windenergieanlagen (WEA), die diese
Systeme zusammen mit Ihren WEA als Komplettlösung anbieten wollen, und den
Versicherungen. GL Wind hat mit der Prüfung der ersten Condition Monitoring Systeme
begonnen und die Zertifizierungen sind für Anfang 2004 anvisiert.
Hintergrund
Wenn man die Entwicklung der Windenergie seit 1990 betrachtet, so ist ab Mitte der 90er
Jahre ein sprunghafter Anstieg der installierten Anzahl von Windenergieanlagen sowie der
installierten Leistung festzustellen. Waren 1995 in Deutschland ca. 6.000 WEA mit einer
installierten Gesamtleistung von 2.000 MW am Netz, sind es heute rund 13.800
Windenergieanlagen mit einer Gesamtleitung von ca. 12.400 MW.
Windenergieanlagen wurden in ihrer Bauart und in ihrem Leistungsbereich immer größer.
Die durchschnittlich installierte Leistung einer Anlage betrug 1995 ca. 500 kW heute liegt die
Durchnittsleistung bei etwa 1.600 kW. Derzeit durchlaufen die ersten der so genannten
Multi-Megawatt-Anlagen mit einer Leistung von bis zu 4,5 MW die Prototypentestphase.
Anlagen mit einer Leistung von bis zu 6 MW befinden sich in der Entwicklung.
Zusammen mit Anlagengröße und -leistung hat sich auch die Belastung auf die einzelnen
Anlagenkomponenten erhöht. In Bezug auf Investitions- und Betriebskosten ist für den
WEA-Betreiber ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlagen zwingend erforderlich, d.h. es gilt die
Stillstandszeiten der Anlagen auf ein Minimum zu reduzieren. Es werden von den
Betreibern und Windenergieanlagenherstellern Verfügbarkeiten über 97% angestrebt und
entsprechend vertraglich festgeschrieben und garantiert.
Für Offshore WEA sind diese Zuverlässigkeiten im Schnitt wie bei Onshore WEA
erforderlich, obwohl die schlechte Zugänglichkeit im Offshorebereich erhebliche
Ausfallzeiten bei größeren Reparaturen erwarten lässt.

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Um dieser Forderung nach Minimierung der Stillstandszeiten nachzukommen, auftretende
Schäden vorherzusagen und lokal zu begrenzen und somit Folgeschäden an anderen
Bauteilen zu verhindern und die notwendigen wartungsbedingten Anlagenabschaltungen zu
planen, ist es erforderlich, eine kontinuierliche Zustandsüberwachung (Condition Monitoring)
der Windenergieanlage vorzunehmen.
Dieses kann durch ein „Condition Monitoring System“ realisiert werden.
Condition Monitoring System
Durch ein CMS ist es möglich, die relevanten Zustandsänderungen der überwachten
Anlagenkomponenten, die die Abweichungen vom normalen Betriebsverhalten darstellen
und zu deren frühzeitigen Ausfall führen können, zu erkennen.
Das CMS erstreckt sich über die Schwingungs- und Körperschallmessung an den
Triebstrangkomponenten wie z.B. Hauptlager, Getriebeverzahnung und -lager, am
Generator und am Turm kombiniert mit der Erfassung von Betriebsparameter wie z.B.
Leistung, Drehzahl, Öl- und Lagertemperaturen.
Auf Grundlage der erfassten Daten erfolgt ein Vergleich mit den festgelegten Grenzwerten
des jeweiligen Bauteils. Stellt das CMS eine Überschreitung eines Grenzwertes fest, so wird
automatisch eine Alarmmeldung (z.B. per SMS, E-Mail) an die zuständige
Überwachungsstelle abgegeben. Hier erfolgt dann eine Auswertung der Messwerte, um
entsprechende Maßnahmen einzuleiten.
Diese Systeme haben sich in anderen Industriebereichen (z.B. Kraftwerkstechnik,
Walzwerk) schon erfolgreich bewährt und gehören dort zur Grundausstattung der zu
überwachenden Maschinen bzw. Bauteile.
Nicht zuletzt auf Druck der Versicherungen beginnt auch die Windenergiebranche die
Anlagen mit Condition Monitoring Systemen auszurüsten. Es gibt hier bereits mehrere
Anbieter, die ihre Systeme in Windenergieanlagen im Einsatz haben.
Richtlinie für die Zertifizierung von Condition Monitoring Systemen für
Windenergieanlagen
Um den Stand der Technik zusammenzufassen und der Branche die wichtigsten
Randbedingungen zur Entwicklung, Installation und Betrieb dieser Systeme an die Hand zu
geben, hat GL Wind diese Richtlinie erstellt.
Bei der Richtlinienerstellung stand GL Wind in Kontakt mit Windparkbetreibern, die
verschiedene Systeme im Einsatz haben, Herstellern von Windenergieanlagen bzw.
Condition Monitoring Systemen und der Versicherungsbranche. Auf diese Weise wird
erreicht, dass eine breite Basis an der Richtlinienerstellung mitwirkt und diese mitträgt -
Gewährleistung der größtmöglichen Neutralität und Akzeptanz -, so dass die Richtlinie
später entsprechend zur Anwendung kommt.

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In der CMS Richtlinie werden neben der Darstellung des Zertifizierungsumfanges u.a. auch
die Anforderungen an
a) das Condition Monitoring System
b) den WEA Hersteller
c) die zuständige Überwachungsstelle
d) die einzureichenden Unterlagen
e) den Systemtest
f) die Re-Zertifizierung des CMS und der Überwachungsstelle
festgeschrieben.
In der folgenden Darstellung ist die Gliederung der Zertifizierung dargestellt.
Zertifizierung des CMS Typs
evtl. weitere CMS Typen
Re-Zertifizierung des CMS Typs
alle 2 Jahre
Zertifizierung der Überwachungsstelle
Auditierung der
Überwachungsstelle alle 2,5 Jahre
Re-Zertifizierung der
Überwachungsstelle alle 5 Jahre

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Nachfolgend werden die Anforderungen an die o.g. Punkte a) - c) auszugsweise benannt.
Eine detailliertere Ausführung ist der CMS Richtlinie von GL Wind zu entnehmen.
a) Condition Monitoring System:
- Das CMS ersetzt nicht die festgesetzten Anlagenwartungen und -inspektionen.
- Das CMS ist kein Ersatz für festverdrahtete Sicherheitssysteme und muss getrennt von
Sicherheits- und Betriebssystem operieren.
- Das CMS ist vor dem unautorisierten Zugriff Dritter zu schützen.
- Es ist eine einfache und eindeutige Bedienweise des CMS vorzusehen.
- Das CMS muss über ein integriertes Diagnosesystem (Watchdog) verfügen.
- Es muss ein Einsatz des CMS auch unter extremen Umgebungsbedingungen (z.B.
Offshore) möglich sein.
- Es sind mindestens Hauptlager (Abb. 1), Hauptgetriebe (Abb. 2), Generator (Abb. 3)
sowie Gondel mit Turm mittels CMS zu überwachen.
Auf den nachfolgenden Bildern werden einige Beispiele für die Anbindung der Sensoren
an verschiedenen Anlagenkomponenten gegeben.
Abb. 1
Der Sensor (Pfeil) am
Hauptlager soll Schäden
erfassen, die durch die langsam
drehende Welle hervorgerufen
werden.
Die Lagerschwingungen, die
entstehen können, liegen im
niederfrequenten Bereich unter
10 Hz.
Abb. 2
Sensor (Pfeil) an der
schnelllaufenden
Getriebeabtriebsstufe

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Abb. 3
Sensor zur Generatorlager
Überwachung
- Es werden für die Überwachung von Hauptlager, Hauptgetriebe und Generator
mindestens sechs Beschleunigungssensoren mit einem Frequenzbereich von 0,1 Hz -
10 kHz und für Gondel mit Turm je ein Beschleunigungssensor in axialer Richtung (in
Windrichtung) sowie quer dazu mit einem Frequenzbereich von 0,1 Hz - 100 Hz benötigt.
- Die Sensoren sind entweder anzuschrauben oder mit einem keramischen Kleber
anzukleben. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Anbindung durch Klebung.
Abb. 4
Die Ankopplung des Sensors (1) erfolgt mittels
Klebung (3) einer Adapterplatte (2) an das
Bauteil (4).
1
2
3
4
- Weiterhin sind folgende Betriebsparameter - soweit zutreffend und erforderlich -
aufzunehmen:
• Windrichtung
• Außenlufttemperatur
• Gondeltemperatur
• Lagertemperaturen
• Generatorwicklungstemperatur
• Öltemperaturen und -drücke
• Meldungen zu Steuereingriffen (z.B. aktive Windrichtungsnachführung)

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- Es sind mindestens acht schnelle Eingangskanäle mit einer Abtastrate von > 20 kHz pro
Kanal erforderlich sowie eine ausreichende Kanalanzahl zur Aufnahme der
Betriebsparameter. Die Kanalanzahl sollte erweiterbar sein.
- Es sind die zustandsbedingten von den normalen betriebsbedingten Messwerten zu
trennen.
- Für die Analyse von Wälzlagern sind Hüllkurvenspektren (HKS), frequenzselektierte
Kennwerte aus dem HKS sowie breitbandige Kennwerte zu benutzen.
Für die Auswertung der Messwerte der Verzahnungen sind neben HKS auch
Amplitudenspektren sowie frequenzselektierte Kennwerte aus diesen heranzuziehen.
Bei den Gondel-, Turm- bzw. sonstigen Maschinenschwingungen sind breitbandige
Kennwerte, Amplitudenspektren sowie frequenzselektierte Kennwerte aus diesen zu
berücksichtigen.
- Drehzahlschwankungen sind durch geeignete Verfahren (z.B. Ordnungsanalyse) zu
berücksichtigen.
- Bei der Datenmittelung ist darauf zu achten, dass aussagekräftige Daten für die
Interpretation nicht verloren gehen.
- Grenzwertüberschreitungen sind vom CMS automatisch und unmittelbar als Alarm an
die Überwachungsstelle zu übermitteln.
- Für eine aussagefähige Trendanalyse werden mindestens die Messdaten von einem
Jahr benötigt.
- Berechnete Kennwerte und Spektren sind unabhängig von einer
Grenzwertüberschreitung zu speichern. Es ist eine dauerhafte Speicherung einer
Mindestanzahl von Datensätzen vorzusehen. Hierfür ist ein geeignetes Speicherkonzept
vorzusehen.
- Für die Diagnose sind geeignete Hilfsmittel bereitzustellen, die u.a. einen Fernzugriff auf
die Messdaten ermöglichen sowie eine Menüführung zum Ort der
Grenzwertüberschreitung anbieten und Unterstützung bei der Zuordnung der
Schadensfrequenzen liefern.
b) Anforderungen an den WEA Hersteller:
- Es ist eine detaillierte technische Dokumentation der WEA an die Überwachungsstelle
zu liefern. Dies bezieht sich zum einen auf allgemeine Daten der Windenergieanlage
(z.B. Bauart, Anzahl der Rotorblätter, Drehzahlen) und zum anderen auf spezielle
Informationen mit genauen Angaben zu den einzelnen Anlagenkomponenten, wie z.B.
Getriebe (z.B. Bauart des Getriebes, Zahneingriffsfrequenz, Bezeichnung sämtlicher
Lager), Hauptlager, relevante Eigen- und Erregerfrequenzen.
- Der WEA Hersteller ist für die Vorbereitung der Messpositionen verantwortlich. Unter
Umständen kann es erforderlich werden, Erprobungsmessungen vorzunehmen, um eine
optimale Position für die Messaufnehmer zu finden.
- Es sind alle Signale von den benötigten Betriebsmessgrößen (z.B. Drehzahl, Leistung,
Öltemperatur) zur Verfügung zu stellen, die für das CMS erforderlich sind.
- Beim Austausch von überwachten Komponenten der WEA sind der Überwachungsstelle
die notwendigen Komponentenangaben zu übermitteln.

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c) Anforderungen an die Überwachungsstelle:
- Das CMS bedingt eine kontinuierliche qualifizierte Betreuung, um z.B. eine Anpassung
der Grenzwerte nach Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten vorzunehmen.
- Es müssen gute Kenntnisse der zu überwachenden WEA vorliegen, sowie eine
detaillierte Dokumentation der zu überwachenden Anlagenkomponenten.
- Bei der Interpretation der Messergebnisse und der Anpassung der Grenzwerte sind die
Erfahrungen der tatsächlichen Bauteillebensdauer einzubeziehen.
- Grenzwertüberschreitungen sowie alle am CMS einer WEA vorgenommenen
Einstellungen sind nachvollziehbar zu dokumentieren und für die Lebensdauer der
Anlage nachweisbar zu archivieren.
- Es ist eine schriftliche Verfahrensweise und eine Regelung der Verantwortlichkeit
festzulegen, mit der die Überwachungsstelle auf den Eingang von Alarmmeldungen, die
z.B. aus Grenzwertüberschreitungen resultieren, reagiert.
- Es ist eine allgemeine schriftliche Beschreibung für die Vorgehensweise für die
Überwachung der WEA zu erstellen.
- Zur Interpretation der eingegangenen Alarmmeldung müssen ausreichende Fach- und
Anlagenkenntnisse vorliegen und für die Interpretation der Messdaten sind Experten
hinzuzuziehen.
- Es sind für die Interpretation der Messwerte und für die Schulung der Experten
entsprechende Verfahrensweisen festzulegen.
- Die Experten müssen in der Lage sein, die zustandsbedingten von den
betriebsbedingten normalen Messwerten zu unterscheiden und entsprechend zu
interpretieren, um geeignete Maßnahmen einzuleiten.
- Dem Betreiber der WEA ist Einsicht in die Messdaten des CMS zu gewähren. Er ist
periodisch über eingegangene Alarmmeldungen und die daraus resultierenden
Maßnahmen, dem Ausmaß der Alarmmeldungen nach auch ggf. unmittelbar, zu
unterrichten. Auf Anfrage ist ihm Auskunft über den derzeitigen Zustand der WEA sowie
über die gemachten Einstellungen zu geben.
GL Wind wird anhand dieser Richtlinie die Condition Monitoring Systeme prüfen und
zertifizieren. Es ist auch möglich, die zuständigen Überwachungsstellen, die für die
Auswertung und Interpretation der Messergebnisse verantwortlich sind, zu zertifizieren und
in Abständen eine Auditierung vorzunehmen. Es muss überprüfbar dargelegt und erklärt
werden, wie die Grenzwerte ermittelt und warum sie in dieser Form gewählt wurden. Hiermit
wird sichergestellt, dass die Auswertung und Interpretation der komplexen CMS Daten mit
ausreichender Qualifikation erfolgt.
GL Wind hat im Rahmen einer WEA-Zertifizierung die technischen Dokumente der Anlage
vorliegen, so dass sich in diesem Zusammenhang auch eine Zertifizierung des CMS
anbietet. Es ist also nicht erforderlich die notwendigen Dokumente an Dritte weiterzugeben.
Der WEA Hersteller erhält die Zertifizierung des CMS zusammen mit der
Anlagenzertifizierung.
Es ist aber auch möglich für bereits in Betrieb befindliche Windenergieanlagen, bei denen
ein CMS nachgerüstet werden soll, eine entsprechende Prüfung vorzunehmen.

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Ziel ist eine „versicherungsneutrale“ Zertifizierung, die von allen Versicherern anerkannt
wird.
Zusammenfassung
Die in diesem Artikel beschriebene Richtlinie stellt die Anforderungen für die Zertifizierung
von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen dar. Sie bildet die Grundlage
für die Entwicklung und Installation von CMS in Windenergieanlagen und regelt darüber
hinaus auch die Verwendung der Messwerte, wie z.B. Auswertung, Interpretation und
Speicherung, sowie die Handlungsabläufe beim Überschreiten von festgelegten
Grenzwerten.
Zertifizierer, Hersteller und Betreiber von Condition Monitoring Systemen bzw.
Windenergieanlagen und Versicherung können somit auf ein Dokument zugreifen, dass für
alle Beteiligten die relevanten Kriterien für Condition Monitoring Systeme in
Windenergieanlagen zusammenfasst.
Die CMS Richtlinie wie auch andere von GL Wind herausgebrachte Richtlinien können unter
http://www.gl-wind.org oder unter der unten angegbenen Adresse bestellt werden.
Bei der Erstellung der CMS Richtlinie hat GL Wind die diskutierten „Anforderungen an
Condition Monitoring Systeme für Windenergieanlagen“ der Allianz Zentrum für Technik
GmbH [3] integriert, sowie auch die Anforderungen der Gothaer Versicherung
berücksichtigt, welche zusammen mit dem Bundesverband WindEnergie (BWE) ein
entsprechendes Dokument erstellt hat [4].
Literatur
[1] Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH Richtlinie für die Zertifizierung von
Windenergieanlagen (Ausgabe September 2003)
[2] Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH Regulation for the Certification of Offshore Wind
Energy Conversion Systems (Edition 1999)
[3] Allianz Zentrum für Technik GmbH Anforderungen an Condition Monitoring Systeme
für Windenergieanlagen; Bericht Nr.: 03.01.068,
27.03.2003;
[4] Bundesverband WindEnergie e.V. Grundsätze für die Prüfung zur zustandsorientierten
Instandhaltung von Windenergieanlagen; Stand:
Februar 2003