Hiện nay ở châu Âu, năng lượng gió cung cấp 3,7% nhu cầu điện. Ví dụ, ở Đan Mạch, hơn 20% điện năng được tạo ra từ gió. Ở Tây Ban Nha, con số này là 13% và ở Đức là 7%. Năm 2001, Liên minh châu Âu đã thông qua nghị quyết đặt mục tiêu 21% nhu cầu điện của EU được sản xuất từ năng lượng tái tạo vào năm 2010.
Ngành công nghiệp năng lượng gió của Hoa Kỳ đang phát triển với tốc độ cao, và tốc độ đó sẽ cao hơn nữa trong những năm tới. Trong vòng vài ngày sau khi đắc cử, Tổng thống Barack Obama đã công bố một kế hoạch năng lượng mới bao gồm các biện pháp “tạo ra 5 triệu việc là bằng cách đầu tư 150 tỷ USD trong 10 năm tới để thúc đẩy các doanh nghiệp nhằm xây dựng một tương lai năng lượng sạch”. Kế hoạch này cũng bao gồm “một hệ thống thương mại trong nền kinh tế với lượng khí thải carbon giảm đáng kể theo tiêu chí mà các nhà khoa học đề ra”.
Tổng công suất lắp đặt tại Hoa Kỳ là 21.017 MW trên 35 tiểu bang. Hơn 8.000 MW đang được xây dựng và sẽ hoàn thành trong năm nay hoặc đầu năm sau. Hơn 7.500 MW được lắp đặt vào năm 2008, và 5.249 MW được lắp đặt vào năm 2007. Hiệp hội Năng lượng gió Hoa Kỳ (AWEA) cho biết trong năm 2008 các trang trại điện gió của Mỹ đã tạo ra “hơn 1,5% nguồn cung điện của Hoa Kỳ, cung cấp năng lượng cho hơn 5,7 triệu ngôi nhà”. Họ cũng tuyên bố rằng “để tạo ra cùng một lượng điện bằng cách sử dụng nhiên liệu đốt, trung bình các nhà máy điện Hoa Kỳ sẽ sản sinh ra hơn 28 triệu tấn carbon dioxide (CO2) được thải ra hàng năm”.
Hoa Kỳ hiện đang là nước dẫn đầu thế giới về công suất điện gió. Trong khi Đức lắp đặt nhiều tuabin phát điện hơn (khoảng 23.000 megawatt), thì Hoa Kỳ đang sản xuất nhiều năng lượng điện gió hơn vì sức gió mạnh hơn nhiều lần.
Với sự hỗ trợ của Chính phủ, mối đe dọa liên tục của sự nóng lên toàn cầu và nhu cầu ngày càng tăng về điện, số lượng tuabin gió trên khắp thế giới sẽ gia tăng đáng kể trong thời gian tới.
Riêng tại Việt Nam, do nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có đường bờ biển trải dài hơn 3.000 km, vì vậy tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam vô cùng lớn. Theo đánh giá của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam là nước có tiềm năm gió lớn nhất trong bốn nước của khu vực, với hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính là có tốc độ gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65 m, tương đương công suất 512 GW. Hiện nay, trên cả nước có gần 50 dự án về điện gió đăng ký với tổng công suất gần 500 MW. Tuy nhiên, các dự án đã đi vào vận hành còn chưa nhiều, chỉ có bảy dự án đang vận hành với tổng công suất 190 MW. Tiêu biểu có thể kể đến các dự án như: Tuy Phong – Bình Thuận, Phú Lạc, Mũi Dinh, Bạc Liêu, Đầm Nại… Số còn lại đang triển khai khá chậm, nhiều trường hợp còn đang trong quá trình xin giấy phép hoặc rơi vào giai đoạn khó khăn của việc tìm nhà đầu tư.
Trước sự phát triển nhanh của thị trường điện gió tại Việt Nam, cùng với đó là thách thức đảm bảo tính ổn định của năng suất phát điện, công tác bảo trì, giám sát tình trạng tuabin gió đóng một vai trò hết sức quan trọng. Trong đó, giám sát rung động toàn diện cho tuabine cũng là một công tác cần phải được chú trọng trong bảo trì nhà máy điện gió.
Hướng dẫn sơ lược trong vận hành tuabin gió
Tuabin gió là những trái tim của nhà máy điện gió. Chúng được thiết kế để hoạt động tự động ở những vị trí đón gió; thường ở vùng đất nông nghiệp xa xôi hoặc trên biển. Khi gió thổi, bộ điều khiển YAW hướng các cánh quạt đón gió và góc nghiêng của các cánh thay đổi liên tục để kiểm soát tốc độ. Điển hình là hai ổ trục lớn đỡ trục chính được dẫn động bởi các cánh quạt. Sau đó gắn vào một hộp số tăng tốc độ để điều khiển máy phát điện ở tốc độ 1500 vòng / phút.
Các cánh quạt thực sự quay với tốc độ khá thấp. Trong những ngày đầu thiết kế tuabin gió, tốc độ (RMP) là 45 đến 70 vòng / phút; do đó tỷ số hộp số là giữa 1:25 và 1:40. Tuy nhiên, do các cánh rotor có đường kính lớn được sử dụng trong các tuabin gió công suất lớn (> 1 MW), nên RPM của cánh quạt phải giảm để giữ tốc độ đầu cánh quạt ở mức thấp. Các tuabin gió hiện đại quay ở tốc độ thấp tới 15 vòng / phút yêu cầu hộp số có tỷ số tốc độ lên đến 1: 100.
Nhiều nhà sản xuất tuabin gió sử dụng hộp số hành tinh; thường là hộp tăng tốc hành tinh nhiều cấp. Đây là những hộp số rất phức tạp như được minh họa trong Hình 3.
Vấn đề về độ tin cậy
Độ tin cậy đóng vai trò quan trọng đối với tất cả các máy móc, thiết bị quay. Với tuabin gió, nếu tuabin phải dừng thì nó không còn tạo ra điện nữa và doanh thu sẽ giảm.
Khi tuabin được đặt ở vị trí xa (trên biển), việc thực hiện bảo trì là rất khó khăn (Hình 4).
Thay thế vòng bi hoặc hộp số sinh ra rất nhiều chi phí và rất tốn kém. Ngoài chi phí phụ tùng đáng kể, việc vận chuyển và lắp đặt cần trục để tiếp cận tuabin còn làm tăng thêm chi phí và kéo dài thời gian ngừng hoạt động. Độ tin cậy đã được chứng minh là một vấn đề lớn đối với các nhà sản xuất và vận hành tuabin gió. Các tuabin gió phải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Tốc độ gió thay đổi liên tục và tốc độ gió cao ảnh hưởng đến phía đầu vào của hộp số. Thay đổi điều kiện tải trên máy phát ảnh hưởng đến phía đầu ra của hộp số. Các tuabin gió có khả năng phải hoạt động trong môi trường ăn mòn cao như trên mặt biển, hoặc trong điều kiện đóng băng, nơi băng giá trở thành vấn đề. Sự cộng hưởng của các cánh quạt và tháp có thể góp phần làm giảm đáng kể độ tin cậy, và sự lệch trục là một vấn đề quan trọng do tính linh hoạt cao của nền móng.
Trong lịch sử, ngành công nghiệp này đã trải qua một số lượng lớn các trường hợp hỏng hóc hộp số. Các lỗi đã xảy ra trên nhiều nhà sản xuất, kiểu dáng và kích cỡ. Trong khi một nhà sản xuất đã trải qua hơn 600 lần hỏng hộp số khiến nó gần như phá sản, thì nhiều sự cố hiện nay thường liên quan đến hỏng ổ trục, không phải mòn bánh răng hoặc hỏng răng. Vấn đề đã nghiêm trọng đến mức ở một số nhà máy gió, tất cả các hộp số đã được thay thế một hoặc thậm chí hai lần.
May mắn thay, ngành công nghiệp điện gió đã tồn tại lâu đời và đã và đang đang học hỏi từ lịch sử của những hư hỏng, sự cố. Các thiết kế mới cải thiện khả năng bôi trơn và tập trung nhiều hơn vào việc giám sát tình trạng mang lại cho ngành công nghiệp sự tự tin lớn hơn nhiều trong tương lai.
Phân tích rung động
Nếu bạn hỏi hầu hết các chuyên viên phân tích rung động loại tình huống nào họ sợ đối phó nhất, câu trả lời của họ có thể bao gồm:
- Tải thay đổi
- Tốc độ thay đổi
- Khó khăn và khả năng tiếp cận máy móc
- Hộp số phức tạp – bánh răng hành tinh
- Trục tốc độ rất thấp
Với tuabin gió, điều kiện gió liên tục thay đổi, vì vậy mỗi phép đo độ rung được thực hiện có thể ở một tốc độ và điều kiện tải trọng khác nhau. Và điều tồi tệ hơn là tốc độ có thể thay đổi khi các cánh quay. Ngay cả NACELLE (ngôi nhà trên đỉnh tháp) cũng sẽ xoay theo chiều gió, thay đổi hướng. Và một thách thức nhỏ nữa là toàn bộ cấu trúc có thể rung và cộng hưởng do cấu tạo của tháp và NACELLE. Do đó, việc thu thập dữ liệu định kỳ bởi các chuyên viên phân tích rung động cho các tuabin gió một cách thường xuyên gần như không có cơ sở. Điều đó không có nghĩa là nó không được thực hiện – nó chỉ đơn giản là rất khó để có được dữ liệu đúng, có khả năng so sánh với dữ liệu lịch sử.
Những thách thức trong phân tích rung động
Vị trí và Môi trường
Mặc dù chúng ta sẽ tập trung thảo luận các vấn đề kỹ thuật, nhưng bạn không thể bỏ qua thách thức liên quan đến việc tiếp cận các tuabin gió. Có thể các nhà máy điện gió sẽ ở rất xa trung tâm hoặc tệ nhất là có thể ở ngoài biển. Và một khi bạn đến tuabin gió, bạn phải leo lên tháp. Tin tôi đi, đó còn là một chặng đường dài – bạn nên có sức khỏe tốt.
Tốc độ và tải trọng thay đổi
Một trong những yêu cầu quan trọng để thành công trong phân tích rung động là có thể so sánh với lịch sử, và tiêu chuẩn cảnh báo. Chúng ta luôn muốn có thể xem xét tình trạng rung động đã thay đổi như thế nào. Với một trạm điện bình thường, phần lớn các thiết bị chính sẽ chạy với tốc độ như nhau và tải cũng vậy. Việc so sánh với dữ liệu cũ rất dễ dàng và các giới hạn cảnh báo có thể được tạo ra dựa trên kinh nghiệm hoặc dựa trên phân tích thống kê về lịch sử của dữ liệu. Nhưng nó không phải là dễ dàng với một tuabin gió.
Khi tốc độ gió thay đổi, tải trọng lên các cánh quạt, trục, ổ trục, bánh răng và máy phát điện sẽ thay đổi. Tốc độ của máy cũng sẽ thay đổi. Kết quả là các đỉnh trong phổ FFT sẽ không thẳng hàng với các đỉnh trong các phổ FFT trước đó. Do đó biên độ của các đỉnh không thể được dùng để so sánh nữa. Tải không chỉ ảnh hưởng đến biên độ của các tần số phổ, tần số tự nhiên sẽ làm cho biên độ rung động đo được cao hơn hoặc thấp hơn so với khi máy chạy ở một tốc độ hoặc tải trọng khác.
Chúng ta phải sử dụng chức năng tự hiệu chỉnh theo bậc (order tracking), các đỉnh tần số liên quan đến tốc độ quay trong phổ sẽ được chuẩn hóa, nhưng điều đó không giải quyết được những thay đổi về biên độ rung động.
Giải pháp là xác định một hoặc nhiều dải hoạt động mà phổ (và dạng sóng thời gian) được thu thập trong dải đó có thể được coi là “có thể so sánh được”. “Băng tần hoạt động” có thể được chỉ định bởi RPM của trục đầu vào, hoặc công suất do tuabin tạo ra, hoặc có thể là một thông số khác. Sau đó, bạn sẽ cần phải đợi cho đến khi các điều kiện yêu cầu được đáp ứng trước khi thực hiện các phép đo rung động. Các giới hạn báo động cũng có thể được xác định cho “dải hoạt động” đó.
Tốc độ thay đổi trong lúc thu thập dữ liệu rung động
Khi thiết bị phân tích (hoặc hệ thống giám sát) thu thập “dữ liệu thô theo thời gian” và sử dụng nó để tính phổ (thông qua phép biến đổi FFT), thì giả định rằng tuabine đang được giám sát rung động với tốc độ hoạt động không đổi trong quá trình giám sát.
Ví dụ: nếu bạn thu được phổ với độ phân giải 1600 LOR và Fmax là 1000 Hz, thiết bị phân tích sẽ phải thu thập dữ liệu rung động trong 1,6 giây để tính FFT (tính trung bình 1 lần). Một máy phát 1800 RPM sẽ quay 48 vòng trong quá trình kiểm tra, nhưng trục đầu vào của tuabin có tốc độ 15 RPM sẽ chỉ quay được 40% vòng quay của nó… Để thu thập được dữ liệu trong 10 vòng quay, chúng ta cần cài đặt Fmax là 40 Hz (với độ phân giải được cấu hình là 1600 LOR ), và phép đo sẽ mất 40 giây!
Nếu tốc độ của tuabin gió thay đổi trong quá trình thử nghiệm, các đỉnh trong phổ tần số có thể bị “mờ” – các đỉnh sẽ rộng hơn so với bình thường và biên độ của mỗi đỉnh sẽ giảm. Và hiệu ứng làm mờ này có thể không nhất quán từ thử nghiệm này sang thử nghiệm tiếp theo. (Lưu ý: Hiệu ứng làm mờ sẽ dễ nhận thấy hơn ở tần số cao hơn.)
Do đó, tùy thuộc vào bản chất của tuabin và điều kiện gió, hiệu ứng này có thể được chấp nhận hoặc phải sử dụng chức năng “order tracking”. Tín hiệu của cảm biến đo tốc độ phải được đưa vào thiết bị phân tích để nó có thể thay đổi tốc độ mẫu của nó tương ứng với RPM.
Phân tích Hộp số
Có một thách thức nữa khi giám sát hộp số; đặc biệt là hộp số có bánh răng hành tinh. Về lý tưởng, cảm biến rung động (gia tốc kế) sẽ được đặt gần ổ đỡ và / hoặc bánh răng cần giám sát rung động. Tuy nhiên, các hộp số này không chỉ có một số lượng lớn các ổ đỡ và bánh răng, rất khó để có thể gá một gia tốc kế gần với các ổ đỡ; vòng bi hành tinh (planet bearing) chẳng hạn. Khi phân tích phổ, phổ thông thường hoặc phổ giải điều chế (hoặc PeakVue, SPM, v.v.), cần phải giải quyết ba vấn đề:
- Tính toán tốc độ của mỗi trục và tần số bánh răng, có thể là một thách thức khá lớn đối với hộp số hành tinh.
- Tính toán các tần số của vòng bi sẽ rất phức tạp do số lượng ổ đỡ lớn và tốc độ trục khác nhau. Cả hai công việc này thậm chí còn khó khăn hơn nếu nhà sản xuất không cung cấp các chi tiết của vòng bi được sử dụng và tỷ số truyền của bánh răng.
- Biên độ rung động đo được khi vòng bi hành tinh bắt đầu hỏng sẽ thấp hơn độ rung từ ổ đỡ tiếp xúc với vỏ hộp số do suy giảm biên độ rung trong quá trình truyền sóng cơ học.
Giải Pháp
Hầu hết các nhà cung cấp thiết bị phân tích và thu thập dữ liệu rung động hiện nay đều sản xuất các hệ thống giám sát online được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng tuabin gió. Hiện nay, có rất nhiều tuabin gió được xây dựng và mỗi tuabin đều yêu cầu hệ thống giám sát riêng. Đây là thách thức và cũng là cơ hội của các hãng sản xuất các hệ thống giám sát rung động.
Các hệ thống này cũng được tích hợp chức năng giám sát tốc độ của tuabin và các thông số vận hành khác, để chúng có thể xác định chính xác thời điểm tuabin hoạt động và trong tình trạng vận hành như thế nào. Từ đó, hệ thống có thể tự động điều chỉnh và thu thập các dải tần số rung động phù hợp.
Trên thực tế, các hệ thống này có thể được cấu hình và tự điều chỉnh nhiều “dải tần số” khác nhau. Mỗi băng tần sẽ được cài đặt ngưỡng giới hạn cảnh báo riêng và tất cả thông số rung động đều có giá trị so sánh và theo dõi theo thời gian. Điều quan trọng là phải có nhiều băng tần vì hai lý do:
- Trừ những lúc điều kiện thời tiết không đổi, thông số vận hành của tuabin sẽ ít khi không đổi trong thời gian dài. Bằng cách xác định nhiều dải tần số, hệ thống sẽ giám sát rung động của tuabin đáp ứng được tốt hơn và hoạt động hiệu quả hơn.
- Vòng bi, hộp số và máy phát điện sẽ phản ứng khác nhau trong các điều kiện tốc độ và tải trọng khác nhau. Do đó, thật hữu ích nếu giám sát rung động trong phần lớn các điều kiện vận hành khác nhau. Ví dụ, sự cố với kết cấu hỗ trợ (support structure) chỉ có thể được phát hiện khi tuabin hoạt động ở tải cao nhất.
Thử thách của các hệ thống giám sát rung động online
Tất cả các hệ thống giám sát trực tuyến đều phải đối mặt với một số thách thức làm giảm tính hiệu quả của chúng. Nhưng những thách thức này sẽ khó hơn khi áp dụng cho các tuabin gió. Chúng ta đã thảo luận về vấn đề liên quan đến việc thay đổi tốc độ và tải. Bên cạnh đó, chúng ta hãy xem xét một số thách thức khác:
Số điểm giám sát – một trong những quyết định quan trọng nhất là lựa chọn số lượng cảm biến cần được lắp đặt trên hộp số, máy phát và ổ đỡ, và chọn vị trí của chúng. Đầu tư nhiều cảm biến chúng ta phải tốn nhiều chi phí cho cảm biến và hệ thống giám sát phải có nhiều kênh. Và khi bạn nhân các chi phí bổ sung này với số lượng tuabin gió (xem Hình 7), bạn có thể thấy rằng đó là một khoảng tiền khổng lồ.
Như với tất cả các ứng dụng giám sát rung động, điều cần thiết là hệ thống giám sát ít nhất có thể thu thập đủ dữ liệu để cảnh báo khi mức độ rung động đang tăng lên. Tuy nhiên, như đã thảo luận trên đây, khi giám sát các hộp số hành tinh lớn, phổ FFT có thể rất phức tạp và rất khó phân tích.
Biết được các chế độ hỏng hóc của tuabin có thể giúp ích rất nhiều. Nếu bạn biết bánh răng nào và vòng bi có nhiều khả năng bị hỏng, khi đó bạn có thể xác định vị trí lắp các cảm biến gia tốc cho phù hợp.
Trung tâm dịch vụ giám sát
Chúng ta phải lựa chọn những nhà cung cấp có kinh nghiệm trong lĩnh vực phân tích rung động. Trung tâm dịch vụ giám sát là nhóm người sẽ phản hồi các cảnh báo, phân tích dữ liệu và đưa ra các khuyến nghị cuối cùng một cách chính xác và kịp thời. Điều cần thiết là nhóm này phải có quyền truy cập vào dữ liệu và có kinh nghiệm để phân tích và đánh giá.
Hiệu quả của Phần mềm giám sát
Nhiều hãng phân tích rung động đang chạy các chương trình giám sát rung động ‘bình thường’, không có bộ giới hạn cảnh báo được thiết lập cho các tuabin, hoặc thiết lập sai. Giải pháp của họ là phân tích thủ công cho từng phép đo. Điều này không thể thực hiện được cho hệ giám sát trực tuyến bởi vì dữ liệu là khá nhiều.
Do đó, điều rất quan trọng là các giới hạn cảnh báo phải được thiết lập đầy đủ và chúng cần được tinh chỉnh thường xuyên. Khi thiết lập cảnh báo sai, tạo ra “hàng nghìn trường hợp báo động sai” – kết quả là niềm tin vào hệ thống bị mất hoặc quá nhiều công việc trouble-shoot phải làm một cách vô ích. Có những phương pháp có thể được sử dụng để thiết lập giới hạn cảnh báo hiệu quả, chẳng hạn như tạo cảnh báo thống kê, cảnh báo dải, cảnh báo theo đỉnh…
Kết luận
Các tuabin gió đang được lắp đặt với tốc độ đáng kinh ngạc, nên chắc chắn rằng độ tin cậy sẽ là một vấn đề cần phải được suy nghĩ để cải thiện. Các công nghệ giám sát tình trạng như giám sát rung động, phân tích dầu và giám sát hiệu suất sẽ đóng một vai trò rất quan trọng trong vận hành nhà máy điện gió. Miễn là các nhà cung cấp hệ thống giám sát và nhà sản xuất tuabin gió tiếp tục cải tiến thiết kế của họ, tập trung vào độ tin cậy và chia sẻ thông tin, thì năng lượng tái tạo từ phong điện sẽ tiếp tục phát triển như một nguồn năng lượng sạch và giá cả phải chăng tại Việt Nam và trên toàn thế giới.
Hưng Nguyễn – Vibration Analyst Cat 3 ISO 18436-2
Nguồn tham khảo:
- European Wind Energy Association
- U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, Annual Report on U.S. Wind Power Installation, Cost, and Performance, Trends: 2007 (May 2008)
- European Wind Energy Association
- Reliabilityweb.com
