DIGITALE ZWILLINGE ZUR RESTLEBENSDAUER-SIMULATION IN STEIRISCHEN WASSERKRAFTWERKEN - ITficient
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HYDRO
Neues Laufrad Kraftwerk Krippau während
der Fertigmontage (Abb. 2)
Foto: VERBUND
DIGITALE ZWILLINGE ZUR RESTLEBENSDAUER-
SIMULATION IN STEIRISCHEN WASSERKRAFTWERKEN
Bereits seit 2017 arbeitet VERBUND im Innovations- und Digitalisierungsprogramm „Digitales Wasserkraftwerk“ an der
Nutzbarmachung von vielversprechenden weiteren Digitalisierungsmöglichkeiten für die Wasserkraft. Die Palette der sich bie-
tenden technologischen Möglichkeiten ist äußerst vielfältig und umfasst seit der ersten Stunde auch die Vision eines digitalen
Zwillings, der je nach Maschinen-Betriebsweise unmittelbar auch die Auswirkungen auf die Restlebensdauer von relevanten
Komponenten zeigen soll. Beginnend mit dem ersten Prototypen im Pilotkraftwerk Rabenstein ist der Digitale Zwilling nun in
der mittlerweile dritten Entwicklungsstufe im steirischen Kraftwerk Krippau an der Enns erfolgreich in Betrieb. Dort liefert er
laufend seit April 2020 eine datenbasierte Restlebensdauer-Einschätzung des Kaplan-Laufrades. Das Digital Twin-Konzept
soll weiter dazu beitragen, Revisionen zunehmend auf Basis der Datenlage durchzuführen. Unterstützung bekommt VER-
BUND hierbei von den Entwicklungspartnern ITficient und CADFEM. Im Beitrag wird auf das technische Konzept, die
Umsetzung im Kraftwerk Krippau und das Potenzial bzw. Risiko der Technologie eingegangen.
A
usgangspunkt für den Digitalen Zwil- Donaukraftwerk Aschach zu einem Ermü- sion Risse im Bereich der Laufradnabe
ling sind hoch belastete Komponenten dungsbruch an der Regelstange, welche die festgestellt. Diese Beispiele zeigen, dass gera-
in schwer zugänglichen Bereichen der Stellbewegung des Servomotors zu den Lauf- de im Kaplanlaufrad sensible Bereiche vor-
Turbine, wie im konkreten Entwicklungs- radschaufeln überträgt. Eine hohe dynami- handen sind und angesichts der möglichen
projekt der Verstellmechanismus und die sche Belastung in Kombination mit einer Folgen jedenfalls Bedarf an einer bestmögli-
Laufradschaufeln einer Kaplan-Turbine. An ungünstigen Kerbstelle am Bohrungsgrund chen, datenbasierten Überwachung besteht.
diesen Bauteilen können Ermüdungsbrüche des Gewindes der Regelstange führten zum
und damit einhergehende lange Stillstände Bruch und einem anschließenden Maschi- Die Schadensfälle resultieren nicht zuletzt aus
und Erzeugungsausfälle auftreten. Auch nenstillstand von drei Monaten. Im Kraft- dem steigenden Anlagenalter, wirtschaftlich
wenn derartige Ereignisse erfreulicherweise werk Rosegg an der Drau ist ein Schaufel- bedingten Streckungen der Revisions-Inter-
in der an sich robusten Wasserkraft bisher re- verstellhebel gebrochen, mit einem valle sowie auch gegenüber der ursprüngli-
lativ selten sind, waren in der jüngeren Ver- anschließenden fünfmonatigen Maschinen- chen Auslegung geänderten Betriebsweisen,
gangenheit mehrere nennenswerte Schadens- stillstand und im Donaukraftwerk Greifen- die mitunter deutlich höhere Belastungen der
fälle zu beobachten. Beispielsweise kam es im stein wurden im Zuge einer geplanten Revi- Maschinen ergeben. Bei Verbund werden
60 Juni 2021
HYDRO
Konkret werden im Digitalen Zwilling Krip-
Foto: PI Mitterfellner
pau alle im Betrieb hoch belasteten Kompo-
nenten der kinematischen Kette ausgehend
vom Laufrad-Servomotor bis zum Laufradflü-
gel laufend analysiert. Bei der Modellerstel-
lung wurde insbesondere auf die realitätsge-
treue Abbildung der hoch belasteten
Kerbstellen geachtet.
Die Lebensdauernachweise nach FKM wer-
den im Digitalen Zwilling Krippau für die
Bauteile mit nicht trivialer Geometrie über
die identifizierten Hotspots erbracht. Insge-
samt werden 36 Hotspots in 8 Komponenten
Abb. 1: Hotspot-Ermittlung am Beispiel ausgewertet, wobei jeweils die erste Haupt-
Schaufel-Verstellhebel Rabenstein 2 Spannungs-Hotspots: Maximalspannungen am kritischen Radius spannung und von Mises-Vergleichsspan-
(Digitaler Zwilling 1.0)
nung berechnet werden. Für Bauteile mit be-
heute die leistungsstarken Maschinen, insbe- In den identifizierten Hotspots werden in kannten Positionen der Spannungsmaxima
sondere auch jene der Donaukraftwerke für weiterer Folge virtuelle Sensoren gesetzt. Die- (z.B. Bolzen, Gelenke, Laschen, Schweißnäh-
die Primärregelung herangezogen, was zu ei- se liefern im laufenden Betrieb die Span- te) werden Restlebensdauern durch 22 Nenn-
ner deutlichen Erhöhung der Stellbewegun- nungswerte als Basis für die Berechnung der spannungsnachweise nach FKM und weitere
gen und damit Maschinenbelastung führt. Restlebensdauer. Damit die Simulation paral- 15 Schraubennachweise nach VDI 2230 er-
Die jüngsten Entwicklungen bzw. die bereits lel zum Maschinenbetrieb mitlaufen kann, ist mittelt. Insgesamt ergeben sich daraus für den
verfügbaren Werkzeuge im Bereich der Da- eine intelligente Vereinfachung des komple- Digitalen Zwilling Krippau 109 virtuelle Sen-
tenverarbeitung und Echtzeitsimulation bie- xen FE-Modelles erforderlich. Kernstück des soren, wobei die entsprechende Betriebslast
ten nun die Chance einer zuverlässigeren, da- Digitalen Zwillings ist daher ein vereinfachtes über acht Eingangsparameter (u.a. Fallhöhe,
tenbasierten Zustandsüberwachung. Darüber Verhaltensmodell, das nur mehr die Bauteil- Laufradöffnung, Generatorleistung / -dreh-
hinaus können mit Hilfe von Digitalen Zwil- spannungen in den Hotspots in Abhängigkeit zahl, Hydraulikdrücke Laufradservomotor)
lingen bei Veränderungen der Maschinenbe- von den Sensordaten aus dem Prozessleitsys- definiert wird.
triebsweise die Folgen für den Instandhal- tem abbildet. Die Überwachung der Eingangsgrößen und
tungsaufwand besser bewertet werden. der zahlreichen Berechnungsergebnisse des
DIGITALER ZWILLING IM KRAFTWERK KRIPPAU Digitalen Zwillings erfordert jedenfalls auch
TECHNISCHES KONZEPT DES Ausgehend von den Erkenntnissen aus den eine durchdachte Visualisierung, die beispiel-
DIGITALEN ZWILLINGS ersten Prototypen mit Fokus auf den Schau- haft für eine Komponente (Laufschaufel) in
Um die Restlebensdauer eines Bauteils be- fel-Verstellhebel im Kraftwerk Rabenstein Abb.4 gezeigt wird.
stimmen zu können, werden die belastungs- wurde für das Kraftwerk Krippau ein umfas- Im Dashboard (Abb. 4) ist ersichtlich, dass
abhängigen Spannungen im Bauteil sowie sender Digitaler Zwilling für das komplette die nach einem Betriebsjahr errechneten
deren zeitlicher Verlauf benötigt. Da die auf- Kaplanlaufrad entwickelt. Das Kraftwerk Restlebensdauern für die Hotspots im Be-
tretenden Spannungen praktisch nicht mess- Krippau wurde für die Weiterentwicklung des reich der Laufschaufel am niedrigsten sind.
bar sind, müssen zunächst die hochbelasteten Zwillings in erster Linie aufgrund der Erneue- Auffällig war, dass sich die Restlebensdauer in
Bereiche (Hotspots) mittels FE-Analyse er- rung des Kaplan-Laufrades und der Leittech- diesen Punkten in den ersten 10 Betriebsmo-
mittelt werden. Konkret werden die Span- nik ausgewählt. Damit konnten die Un- naten kontinuierlich verringert und dann bei
nungen in den jeweiligen Komponenten für sicherheiten bezüglich Geometrie und den aktuellen Werten eingependelt hat (vgl.
die unterschiedlichen Belastungssituationen Vorschädigung der Maschine im Sinne einer Abb. 5). Die bisherigen Ergebnisse erschei-
in Abhängigkeit von der jeweiligen Schaufel- bestmöglichen Restlebensdauerberechnung nen jedenfalls plausibel bzw. entsprechen den
stellung analysiert (vgl. Abb.1). vermieden werden. Erwartungen.
Foto: Energiedienst
Grafik: VERBUND
Abb.3.: Komponenten (li.) und FE-Modell (re.) des Digitalen Zwillings im Kraftwerk Krippau
Juni 2021 61
Schwerpunkt HYDRO
Grafik: VERBUND
Abb.4.: Auszug Grafana-Dashbord des Digitalen Zwilling Krippau (Beispielkomponente Laufschaufel)
INTEGRATION DES DIGITALEN ZWILLINGS ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK insgesamt neun Turbinenlaufräder erneuert,
IN DIE VERBUND-IT Nach mehreren Entwicklungsstufen hat sich die mit Digitalen Zwillingen überwacht wer-
Während die ersten Prototypen im Sinne einer im Rahmen des Innovations- und Digitalisie- den sollen. Optimiert werden müssen noch die
schnellen Konzept-Erprobung noch auf der rungsprogrammes „Digitales Wasserkraftwerk“ Betriebskosten für den Digitalen Zwilling, die
Amazon Web Services Cloud-Plattform umge- von VERBUND gezeigt, dass die ursprüngli- sich aus Lizenz- und IT-Kosten zusammenset-
setzt wurden, war für den Digitalen Zwilling chen Erwartungen in den Digitalen Zwilling zen. Angesichts der rasanten technologischen
Krippau aus unterschiedlichen Gründen eine aus technischer Sicht vollständig erfüllt wer- Entwicklungen bzw. weiteren erwarteten Preis-
vollständige Umsetzung auf der IT-Infrastruk- den können. Die laufende Restlebensdauer- reduktionen, erscheint jedoch auch die wirt-
tur von VERBUND gefordert. Eine wesentli- analyse von relevanten Maschinenkomponen- schaftliche Darstellbarkeit in naher Zukunft
che, infrastrukturelle Voraussetzung sind hier- ten ist auf Basis der Betriebsdaten möglich und möglich.
bei entsprechend leistungsfähige Systeme zur liefert plausible Ergebnisse. Zudem können Für Interessierte bietet sich am 15. September
Daten-Zwischenspeicherung sowie zur syste- die Auswirkungen unterschiedlicher Betriebs- 2021 bei der VGB/VERBUND Online-Ver-
matischen Abarbeitung der kontinuierlichen weisen auf die Restlebensdauer simuliert wer- anstaltung „Digitalization in Hydropower“
Berechnungen. Beispielsweise kann sich die den. Der Digitale Zwilling stellt somit eine eine Diskussionsmöglichkeiten zum Thema
Datenmenge kurzfristig enorm steigern (z.B. wertvolle Unterstützung für die zunehmend mit den Experten von VERBUND, ITficient
bei schnellen Laständerungen) und oft sind ge- datenbasierte Festlegung von Revisionsinter- und CADFEM. Darüber hinaus wird in die-
rade diese Ereignisse entscheidend für die vallen und auch von Maschinenbetriebsweisen sem Rahmen eine Vorführung des Digitalen
Qualität der Ergebnisse. Der gesicherten und dar. Zwillings im Kraftwerk Krippau stattfinden.
systematischen Abarbeitung der Berechnun- Aus ökonomischer Sicht ist die Umsetzung (Programm & Anmeldung unter:
gen im Digitalen Zwilling kommt daher eine von derartigen Zwillingen insbesondere bei https://www.vgb.org/digi_hpp_2021.html)
hohe Bedeutung zu. Konkret wird bei VER- Kraftwerken mit einer größeren Anzahl an ver-
BUND Kafka zur Datenpufferung eingesetzt gleichbaren Maschinen aufgrund der Syner-
Kontakt
und Openshift als Plattform für den Betrieb gien bei der Erstellung interessant. Im nächs-
Michael Artmann
der Komponenten des Digitalen Zwillings. ten Schritt wird das Konzept daher auf das
VERBUND Hydro Power GmbH
Diese Systeme bieten den Vorteil einer einfa- Donaukraftwerk Ottensheim-Wilhering über-
Michael.Artmann@verbund.com
chen Wartung und Skalierbarkeit. tragen. In diesem Kraftwerk werden bis 2029
Energiedienst
Grafik:
Foto: VERBUND
Abb.5.: Restlebensdauer-Entwicklung in 4 Hotspots im Bereich der Laufschaufel (Anzeige der Restlebensdauer wurde auf max. 9999 Jahre beschränkt)
62 Juni 2021
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