Взрывозащищенные системы мониторинга для оффшорной ветроэнергетики

Установка электрического мониторинга на морской ветряной турбине отличается от установки на заводе или на береговой подстанции. Соленая пена, постоянные вибрации и палуба, которая может смещаться под ногами, изменяют работу каждого корпуса, соединения и датчика. Взрывобезопасная система мониторингадля этих объектов должна справляться со всеми этими условиями, одновременно сохраняя действующую сертификацию опасных зон, поскольку гондола может накапливать воспламеняющийся газ из-за неисправностей батарей или трансформатора, а ограниченное пространство делает любой воспламенительный инцидент гораздо более серьезным, чем неисправность на суше. Большинство технических статей рассматривают особенности систем мониторинга или протоколы связи отдельно; редко они затрагивают то, что мы неоднократно обнаруживали в Warom во время проектных проверок: сбои связаны не с аппаратными ограничениями, а с неполной инженерной подготовкой. Метод защиты, класс по температуре и решения по компоновке, принятые до закупки, определяют, будет ли система работать годами или вызовет аварийные вызовы уже в первую зиму.

Где требуется взрывобезопасный мониторинг на морской ветряной турбине

Морские ветровые установки не имеют однородных классификаций опасных зон по всей структуре. Наиболее критические зоны находятся внутри гондолы, рядом с отсеком трансформатора и внутри любых закрытых пространств, содержащих или прилегающих к системам хранения энергии на батареях. Выделение водорода из свинцово-кислотных или даже некоторых VRLA батарей при неисправностях может привести к тому, что герметичная гондола перейдет в зону с концентрацией газа 1-го уровня. Тем временем, основание башни может стать зоной 2-го уровня, если герметизация кабельных вводов нарушится, и газ поднимется из монополя. Мы видели проектные спецификации, которые классифицировали всю гондолу как безопасную, только чтобы после расчетов вентиляции батарей власти потребовали полный пересмотр. Вывод прост: если компоненты вашей системы мониторинга рассчитаны только на неопасные зоны, вы на один неисправный аккумулятор от риска неконтролируемого воспламенения.

Расположение системы мониторинга должно соответствовать реальному анализу вентиляции и рассеивания газа, а не просто быть прямоугольником на схеме SLD. Распространены корпуса Ex d для камер, датчиков давления и газовых детекторов. Однако я видел проекты, где рейтинг Ex d для камеры был подходящим, но крепление позволял проникновение конденсата через вход M20, который не был герметичным, создавая коррозионный путь в течение шести месяцев. Конструкция должна учитывать каждое проникновение как часть взрывобезопасной целостности.

Обнаружение газа и мониторинг электрических параметров: что объединять

Система мониторинга, которая только сообщает о срабатывании газа %LEL или дымовой сигнализации, дает вам запись прошлых событий; она не помогает предотвратить следующее. В приложениях для морской ветроэнергетики, которые мы поддерживали, сочетается обнаружение газа с мониторингом электрических параметров по тому же каналу передачи данных. В частности, мы контролируем температуру обмоток трансформатора, признаки частичных разрядов и дисбаланс напряжения батарейных цепей вместе с показаниями газа. Почему? Потому что медленно повышающаяся температура элемента батареи задолго до достижения концентрации водорода 25% LEL может запустить раннее обслуживание, избегая полного срабатывания тревоги. В одном проекте клиент обнаружил неисправность батарейной цепи по дрейфу напряжения за три недели до срабатывания газовых детекторов, потому что логика мониторинга была разработана для корреляции электрических аномалий с потенциальными рисками газа, а не только для срабатывания по порогам.

Частичные разряды в залитых смолой трансформаторах — еще один признак. Влага, попадающая в корпус через дренажный клапан, не предназначенный для морской среды, может ухудшить изоляцию, что приводит к активности частичных разрядов, невидимой для газового обнаружения изначально. Если система мониторинга только считывает газ, это ухудшение остается незамеченным, пока изоляция не выйдет из строя и не воспламенит водородную карман. Я никогда не видел технических требований к мониторингу без газовых датчиков; я видел много таких, где отсутствовало мониторинг электрических параметров, и именно они сталкивались с серьезными опасностями.

Почему класс температуры T4 часто ошибочно применяется к электроустановкам оффшорных ветровых электросистем

Многие компоненты систем мониторинга предлагаются с классификацией по температуре T4 (135°C), и проектировщики принимают это, потому что предполагают, что окружающая среда в гондоле редко превысит 40°C. Это предположение часто ошибочно. Гондола, находящаяся под постоянным летним солнцем, даже в Северном море, может достигать внутренних температур выше 50°C, когда турбина не работает на полной скорости и вентиляция снижена. Внутри соединительной коробки или панели управления, содержащих источник питания и сетевой коммутатор, горячая точка может превышать 120°C. При классификации T4 и окружающей температуре 50°C допустимый внутренний нагрев корпуса составляет всего около 85°C, что часто недостаточно. Я рекомендовал использовать T5 (100°C) для распределительные коробки и T6 (85°C) для кабельными флегмами и головок соединений внутри гондольных отсеков, которые непосредственно прилегают к трансформаторным шкафам, потому что тепло, передаваемое от трансформатора, повышает местную температуру выше, чем предполагает внешняя температура воздуха. Повышение с T4 до T5 — это небольшие затраты по сравнению с заменой сгоревшей панели управления, которая потеряла свою сертификацию Ex после теплового разрушения.

То же самое касается головок газовых датчиков. Каталитический датчик с шариком, rated T4 и работающий вблизи своей максимальной окружающей температуры в течение года, будет смещаться, и частота калибровки, необходимая для его поддержания, часто игнорируется на оффшоре до следующей обязательной проверки, оставляя пробел. Головка датчика T5 или T6 с отдельной электроникой низкотемпературной обработки сигнала в другом корпусе — более надежное решение.

Материал корпуса и дизайн входа кабеля: слабое место системы мониторинга

Лучшие газовые детекторы и PTZ-камеры не смогут функционировать, если их корпус корродирует или кабельная гайка теряет свою герметичность IP. Для оффшорной ветроэнергетики я использую нержавеющую сталь 316L для всех корпусов, содержащих электронику мониторинга, не потому что алюминиевый сплав недостаточен, а потому что сочетание соляной пыли и неизбежных мелких царапин на покрытии алюминия приводит к микрокоррозии, которая может соединить пламяпропуски. Пламяпропуск Ex d на корродированном корпусе уже не соответствует стандартам, даже если устройство все еще включается. Мы видели, как корпуса не проходят инспекцию через два года из-за использования алюминия с полиэфирным порошковым покрытием, которое было недостаточной толщины для условий оффшора. Корпуса из ГФРП допустимы для соединительных коробок в некоторых областях, но могут страдать от микротрещин при постоянных вибрациях; для системы мониторинга с камерой с движущимися частями (панорамирование/наклон) предпочтительнее металл.

Дизайн входа кабеля также критичен. Защитный кабель с броней, с гайкой Ex d из никелированного латуни и защитным чехлом, — наш базовый вариант. Для волоконно-оптических кабелей, передающих видеосигнал обратно в контрольную комнату, в вертикальном кабельном канале установлен дренаж для предотвращения конденсации внутри гайки. Я научился указывать, что гайка должна устанавливаться так, чтобы вход кабеля был направлен вниз, а общая длина неметаллического участка внутри корпуса должна быть менее 150 мм, чтобы избежать ситуации, когда изоляция кабеля, размягченная теплом, провисает и открывает прямой путь в корпус.

Интеграция системы мониторинга и удаленная связь: что спросить у поставщика

Когда мы поставляем систему мониторинга для проекта ветряных электростанций на шельфе, клиент обычно спрашивает: «Поддерживает ли она Modbus TCP? Могу ли я передавать данные в мою SCADA через OPC UA?» Ответ должен выходить за рамки совместимости протоколов. Настоящий вопрос заключается в следующем: содержит ли взрывозащищенная система мониторинга концентратор данных, который может приоритизировать сигналы тревоги даже при перегрузке сети, и может ли он присваивать временные метки событиям с метками времени, соответствующими IEC 61850, чтобы можно было точно реконструировать последовательность срабатывания сигнализации частичного разряда, сигнализации загазованности и отключения цепи после инцидента? Простого регистратора типа «черный ящик», который передает каждый регистр Modbus каждые пять секунд, недостаточно. Я проектировал системы, в которых подпанель мониторинга, расположенная во взрывозащищенном шкафу Ex p у основания башни, управляется встроенным контроллером Linux с локальным хранилищем данных трендов за 30 дней. Таким образом, если оптоволоконная линия связи обрывается во время шторма, турбина остается под местным наблюдением, а данные восстанавливаются после восстановления связи.

Удаленная конфигурация также имеет значение. Доступ на шельф медленный и дорогой. Система мониторинга, требующая физического отключения датчиков для калибровки или изменения конфигурации, обходится оператору в тысячи долларов на транспортные расходы экипажа. Именно поэтому поставляемые нами системы включают удаленную калибровку нуля и диапазона датчиков через протокол HART с берегового центра управления, а предустановки камеры и цикл очистки могут запускаться удаленно. При написании спецификации я требую, чтобы все функции калибровки и диагностики, доступные на локальном HMI, также были доступны через сетевой интерфейс без необходимости отдельной лицензии на программное обеспечение.

Тестирование системы мониторинга и заводские приемочные испытания (FAT): что мы проверяем перед отгрузкой

Мы проводим заводские приемочные испытания (FAT) для каждой системы мониторинга перед ее отправкой из нашей мастерской, но для ветряных электростанций на шельфе я добавляю тесты, выходящие за рамки стандартных проверок IEC 60079. В частности, мы тестируем всю собранную систему, включая соединительные кабели и сальники, в условиях термического цикла от -20°C до +60°C, отслеживая любые сбои связи. Обязателен холодный пуск при -20°C с выдержкой в течение 12 часов, поскольку турбина может быть остановлена зимой, а затем запущена удаленно, и если двигатель панорамирования камеры не включится, экипажу придется ждать подходящего погодного окна для визита. Мы также проводим тест на конденсацию: система помещается в камеру при 40°C и 95% относительной влажности на 48 часов, затем температура снижается до -5°C в течение 4 часов при полной нагрузке. Любая внутренняя конденсация, образующаяся в корпусе камеры или блоке управления, проявится в виде запотевания линзы или низкого сопротивления изоляции; любое из этих явлений приводит к провалу FAT. Этот тест не предписан стандартами Ex, но он спас более одного проекта от проблем при зимнем запуске.

Мы также проверяем, что зазор пламегасителя Ex d на всех крышках корпусов и смотровых окнах находится в пределах допуска с помощью щупа после термического цикла, поскольку дифференциальное расширение корпуса и болтовой крышки может изменить зазор, если схема болтового соединения не была разработана для поддержания сжатия в широком диапазоне температур. Для ветряных электростанций на шельфе, где перепад температур между днем и ночью может легко составлять 30°C, а сезонный перепад — 50°C, эта проверка не является необязательной.

Структура затрат на взрывозащищенный мониторинг для ветряных электростанций на шельфе: что на самом деле определяет цену

Когда менеджер проекта видит смету на взрывозащищенную систему мониторинга для ветряной турбины на шельфе, самой большой статьей расходов часто является материал корпуса и сертификационная документация, а не электроника. Корпуса из нержавеющей стали 316L могут стоить в 2-3 раза дороже, чем из алюминиевого сплава, но, как я уже объяснял, разница в затратах на техническое обслуживание за 10 лет делает нержавеющую сталь лучшим выбором. Сертификаты — еще один фактор: каждый компонент мониторинга должен иметь сертификат IECEx или ATEX, в котором указана точная газовая группа (IIC), температурный класс, степень защиты IP и диапазон рабочих температур, применимые к установке ветряной электростанции на шельфе. Если в сертификате указан температурный диапазон только до +40°C, а проект требует +50°C, компонент не может быть использован, или от производителя должен быть получен дополнительный отчет об испытаниях. Эта документация стоит денег и требует времени.

Интегрированные FAT и морская документация, такая как Декларация соответствия Директиве по морскому оборудованию (MED) для определенных компонентов, также увеличивают стоимость, но часто неизбежны для европейских морских проектов. Я советую клиентам или планировщикам проектов закладывать эти расходы на соответствие требованиям в бюджет заранее. Гораздо дешевле указать правильные материалы и испытания на этапе FEED, чем обнаружить во время ввода в эксплуатацию, что установленное оборудование не соответствует морским требованиям и должно быть заменено по заказу на изменение. Когда вы отправляете свою спецификацию в Warom (gm*@***om.com или позвоните по телефону +86 21 39977076) с указанием требуемых сертификатов, типов кабелей и условий окружающей среды, я могу предоставить разбивку затрат, отделяющую обязательные пункты соответствия от дополнительных функций, чтобы вы могли решить, куда распределить бюджет без последующих сюрпризов.

Часто задаваемые вопросы о взрывозащищенных системах мониторинга для электрооборудования ветряных турбин на шельфе

Являются ли искробезопасные (Ex i) системы мониторинга лучшим выбором, чем Ex d, для ветряных турбин на шельфе?
Не для всей системы. Ex i отлично подходит для головок датчиков в зонах 0 или 1, где возможно постоянное воздействие газа и устройство должно оставаться безопасным даже при неисправности. Однако для камер, концентраторов данных и источников питания Ex i непрактичен из-за ограничений по мощности. Мы часто используем гибридный подход: газовые детекторы и датчики вибрации на цепях Ex i, а корпуса Ex d для основной электроники мониторинга. Ключевым моментом является обеспечение изоляции цепей Ex i от цепей с более высокой мощностью с помощью сертифицированных барьеров и соответствие прокладки кабелей требованиям IEC 60079-14.

Какой интервал технического обслуживания следует планировать для взрывозащищенной системы мониторинга на ветряной турбине?
Я рекомендую проводить физический осмотр всех корпусов, сальников и датчиков каждые 12 месяцев, даже если система не сообщает об ошибках. Осмотр должен включать визуальную проверку поверхностей пламегасителя на предмет коррозии, измерение сжатия уплотнения IP и проверку момента затяжки всех контргаек сальников. Газовые детекторы с каталитическими датчиками должны проходить проверку с калибровочным газом не реже одного раза в 6 месяцев и полную калибровку каждые 12 месяцев. Если объект находится в удаленном месте, я указываю электрохимические датчики с более длительным интервалом калибровки и автоматическими диагностическими проверками, которые можно проводить удаленно каждый месяц.

Как обрабатывать систему мониторинга, когда турбина находится в зоне с общей классификацией опасности?
Даже если на официальном чертеже опасной зоны турбины показана только небольшая зона 2 вокруг аккумуляторного шкафа, я все равно классифицирую оборудование мониторинга в непосредственной близости от этого шкафа как зону 2 и использую оборудование как минимум Ex nA или Ex ec. Это обеспечивает дополнительный уровень защиты без полной стоимости Ex d. Однако, если вентиляция аккумуляторного шкафа не полностью независима от вентиляции гондолы, я рассматриваю гондолу как зону 2. Слишком много проектов были застигнуты врасплох, когда зона признавалась безопасной только в идеальных условиях, игнорируя сценарии обслуживания, когда вентиляция отключена. Если ваша классификация неопределенна, поделитесь своими существующими чертежами зон и спецификациями аккумуляторов по адресу gm*@***om.com и я смогу порекомендовать компоновку мониторинга, которая будет одновременно соответствовать требованиям и быть экономически эффективной.

Если вас интересует, ознакомьтесь с этими связанными статьями:

Опасность пыли зоны 21: необходимое взрывозащищённое электрическое оборудование
Освещенность, взрывобезопасная для зернохранилищ и мукомольных заводов: соответствие требованиям безопасности
Полное руководство по портативному взрывозащищенному освещению

С более чем десятилетним опытом он — опытный инженер по взрывобезопасности электротехники, специализирующийся на проектировании и производстве безопасной и взрывобезопасной продукции. Он обладает глубокими знаниями в ключевых сферах, включая системы взрывозащиты, освещение для атомной энергетики, морскую безопасность, пожарную защиту и интеллектуальные системы управления. В Warom Technology Incorporated Company он занимает две руководящие должности: заместитель главного инженера по международному бизнесу и руководитель отдела международных НИОКР, где курирует исследования и разработки и обеспечивает точную передачу проектной документации для международных проектов. Стремясь к продвижению глобальной промышленной безопасности, он сосредоточен на преобразовании сложных технологий в практические решения, помогающие клиентам внедрять более безопасные, умные и надёжные системы управления по всему миру.

Qi Lingyi