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Gegenstand der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Maschine, zum Beispiel eines Turbogenerators, in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit.
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Hintergrund der Erfindung
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Für das Produkt „Turbogenerator“ werden im Rahmen von Langzeitwartungsverträgen Verfügbarkeiten über eine Laufzeit von mehreren Jahren garantiert. Hierzu besteht das betriebswirtschaftliche Erfordernis, die Verfügbarkeit quantitativ zu bestimmen und nicht nur in einer qualitativen Beschreibung als Aussage mit kleinem/mittlerem/hohem Risiko darzustellen. Es ist wünschenswert, die Verfügbarkeit als Zahlenwert in Prozent zu ermitteln und somit auch das damit verbundene Risiko und die dafür erforderlichen Rückstellungen als Zahlenwert greifbar zu machen.
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Die Verfügbarkeit des Gesamtsystems „Turbogenerator“ ist bisher eine nicht hinreichend prognostizierbare Größe. Die Verfügbarkeit bestimmt sich grundsätzlich aus dem Design der jeweiligen Maschine und dem bisherigen und zukünftigen Gebrauch durch den Betreiber. Exakte analytische Zusammenhänge oder empirische Nachweise zu diesen Zusammenhängen sind bisher jedoch nicht möglich, da die Varianz von Designs hoch ist und ausreichende Betriebsdaten zur Bestimmung der Auswirkungen auf die Lebensdauer nicht verfügbar waren bzw. sind.
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Es ist bisher üblich, erfahrungsbasiert die jeweilige Baureihe eines Turbogenerators zu beurteilen und Empfehlungen zu Ertüchtigungen auszusprechen, jedoch ohne eine exaktere Nennung einer Verfügbarkeit. In [Bindert, Axel; Hoof, Martin; LIFETIME ASSESSMENT Ein Diagnoseverfahren für luftgekühlte Turbogeneratoren; ETG-Fachtagung: Diagnostik elektrischer Betriebsmittel; Berlin, 26.-27.02.2002] wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Daten über den aktuellen Zustand der Maschine gesammelt werden, diese dann nach Schwere des Befundes beurteilt werden, mit einer Gewichtung versehen werden und eine nicht näher definierte Ausfallwahrscheinlichkeit prognostiziert wird. Dabei wird eine Abschätzung von kritischen Ausfallwahrscheinlichkeiten im Wesentlichen anhand von Erfahrung, Design- und Systemkenntnissen vorgenommen.
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Für Generatoren wurden bisher keine quantitativen Aussagen zur Verfügbarkeit hergeleitet. Im Rahmen von Verlängerungen von Langzeitwartungsverträgen gibt es lediglich eine rein auf Erfahrung basierende Methode, verschiedenen Hauptkomponenten jeweils ein Ausfallrisiko „high“, „medium“, „low“ zuzuordnen. Dies beinhaltet jedoch keine Quantifizierung und auch keine nachvollziehbare Herleitung der Aussage, sowie keine Bezugnahme auf den aktuellen Zustand der Maschine. Es wird nur eine Empfehlung zum Tausch von Komponenten gegeben.
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Zusätzlich gibt es im Rahmen der Diskussion von Lebensdauerverlängerungen von Generatoren ein weiteres rein erfahrungsbasiertes Bewertungsverfahren, bei dem Betriebsdaten, Befunde und Designmerkmale zusammengetragen werden. Eine Quantifizierung der Verfügbarkeit oder der Restlebensdauer erfolgt auch hier nicht. Keines der beschriebenen Verfahren beinhaltet eine Aussage über eine Verknüpfung von komponentenbezogenen Ausfallwahrscheinlichkeiten zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit der Gesamtmaschine.
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Beschreibung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben einer Maschine, beispielsweise zum Betreiben eines Turbogenerators, zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Maschine nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Maschine in Abhängigkeit von ihrer Verfügbarkeit betrieben. Dabei wird die Verfügbarkeit durch ein Verfahren bestimmt, welches die folgenden Schritte umfasst:
- – Aufstellen einer Baumstruktur für Bauteile der Maschine (sogenannter „Teilebaum“),
- – Aufstellen eines „Fehlerbaums“ für die Maschine, wobei der „Fehlerbaum“ als Ursprung einen Hauptfehler enthält,
- – Verknüpfen der Baumstruktur für die Einzelteile mit dem „Fehlerbaum“ zu einer zusammenhängenden Baumstruktur, an deren einem Ende, zum Beispiel oberen Ende, der Hauptfehler steht und an deren anderem Ende, zum Beispiel unteren Ende, alle möglichen Elementarfehler der Bauteile der Maschine stehen,
- – Aufstellen einer Gleichung, die rechnerisch die vorgenommenen Verknüpfungen abbildet, zum Bestimmen einer Gesamtverfügbarkeit aus den Verfügbarkeiten der Bauteile,
- – Berechnen der Gesamtverfügbarkeit der Maschine.
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Unter Bauteilen der Maschinen werden insbesondere Einzelteile oder Komponenten der Maschine verstanden. Vorzugsweise wird die Baumstruktur für alle Bauteile der Maschine aufgestellt. Im Rahmen der Verknüpfung der Baumstruktur für die Einzelteile („Teilebaum“) mit dem „Fehlerbaum“ zu einer Baumstruktur, vorteilhafterweise logischen zusammenhängenden Baumstruktur, werden bevorzugt alle theoretisch möglichen Elementarfehler aller Bauteile der Maschine berücksichtigt und am unteren Ende der zusammenhängenden Baumstruktur abgebildet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Verfügbarkeit der Maschine präzise bestimmt werden kann und der Einfluss der Verfügbarkeit der einzelnen Bauteile auf die Verfügbarkeit der Maschine quantifiziert werden kann. Der Austausch und/oder die Reparatur von Bauteilen kann somit im Hinblick auf deren Einfluss auf die Gesamtverfügbarkeit der Maschine kosteneffizient geplant und durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Gesamtverfügbarkeit der Maschine beispielsweise effektiver als bisher möglich gesteigert werden.
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Bei dem im Rahmen des Fehlerbaums festzulegenden Hauptfehler handelt es sich bevorzugt um den ungeplanten Stillstand der Maschine.
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Im Rahmen des Aufstellens der Baumstruktur der Bauteile („Teilebaum“) der Maschine können insbesondere alle Bauteile, die eine begrenzte Lebensdauer aufweisen, berücksichtigt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Teilebaum durch eine Beschränkung auf die Bauteile mit begrenzter Lebensdauer überschaubar und effizient ausgestaltet werden kann.
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Bevorzugt handelt es sich bei der Maschine um einen Generator, zum Beispiel einen Turbogenerator. In diesem Zusammenhang kann im Rahmen des Aufstellens der Baumstruktur der Generator zunächst in Rotor und Stator untergliedert bzw. zerlegt werden. Die Bauelemente Rotor und Stator können anschließend weiter in ihre jeweiligen Hauptbaugruppen und jede Hauptbaugruppe weiter bis in jedes elementare Bauteil bzw. jede elementare Komponente, untergliedert bzw. zerlegt werden.
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Im Rahmen der Aufstellung des Fehlerbaums kann der Hauptfehler in mechanische Fehler und/oder elektrische Fehler und/oder sonstige Fehler untergliedert werden, vorzugsweise systematisch untergliedert werden. Dabei können die mechanischen Fehler und/oder die elektrischen Fehler und/oder die sonstigen Fehler jeweils auf ein Versagen einzelner Bauteile nach jeweils nur einem einzigen Fehlermechanismus aufgeteilt werden. Auf diese Weise lässt sich ein Fehler einem detaillierten Versagen eines oder mehrerer einzelner Bauteile präzise zuordnen.
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Grundsätzlich kann der Fehlerbaum so aufgestellt werden und/oder es können der Teilebaum und der Fehlerbaum so miteinander zu einer zusammenhängenden Baumstruktur verknüpft werden, dass an dem oberen Ende der zusammenhängenden Baumstruktur der Hauptfehler steht und an dem unteren Ende der zusammenhängenden Baumstruktur alle theoretisch möglichen Elementarfehler aller nicht dauerfesten Bauteile der Maschine stehen. Darüber hinaus kann der Fehlerbaum so aufgestellt werden und/oder können Teilebaum und Fehlerbaum so miteinander zu einer zusammenhängenden Baumstruktur verknüpft werden, dass alle seriellen und parallelen, also redundanten, Verschaltungen bzw. Verknüpfungen von Bauteilen und/oder von Verfügbarkeiten von Bauteilen der Maschine abgebildet werden.
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Prinzipiell können unbekannte Größen der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgestellten Gleichung zur Berechnung der Verfügbarkeit mithilfe von analytisch ermittelten Daten und/oder einer Klassifikation gemäß einem FMEA-Verfahren bestimmt werden. Bevorzugt wird die Verfügbarkeit P der Maschine als Produkt der Verfügbarkeiten der Bauteile gemäß der Formel P = ΠRi mit Ri = f(xj) berechnet, wobei Ri die Verfügbarkeit eines Bauteils als Funktion f in Abhängigkeit von Parametern xj kennzeichnet. Dabei kann die Verfügbarkeit eines Bauteils auf der Grundlage von analytisch ermittelten und/oder statistisch ermittelten und/oder geschätzten Daten bestimmt werden.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Maschine beispielsweise stillgelegt werden, gewartet werden, repariert werden oder ausgetauscht werden, wenn die bestimmte Verfügbarkeit kleiner als ein festgelegter Verfügbarkeitsgrenzwert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Verfügbarkeit einer komplexen Maschine präzise zu bestimmen und den jeweiligen Einfluss einzelner Bauteile bzw. den Einfluss der Verfügbarkeit der einzelnen Bauteile auf die Gesamtverfügbarkeit quantitativ abzubilden. Somit kann die Maschine im Hinblick auf ihre Verfügbarkeit optimal betrieben werden.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der folgenden Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben. Die in diesem Zusammenhang beschriebenen Merkmale sind sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Das beschriebene Ausführungsbeispiel schränkt den Gegenstand der Erfindung nicht ein.
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1 zeigt schematisch ein Flussdiagramm zur Bestimmung der Verfügbarkeit einer Maschine.
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Die 1 zeigt schematisch ein Flussdiagramm zur Bestimmung der Verfügbarkeit einer Maschine. Das im folgendem beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Maschine bezieht sich bevorzugt auf einen Generator, beispielsweise einen Turbogenerator. Im Rahmen des Verfahrens wird die Maschine in Abhängigkeit von ihrer Verfügbarkeit betrieben. Sie wird beispielsweise stillgelegt, gewartet, repariert oder ausgetauscht, wenn die Verfügbarkeit kleiner als ein festgelegter Verfügbarkeitsgrenzwert wird.
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Die Verfügbarkeit der Maschine wird dabei so ermittelt, dass die Verfügbarkeit aller mit einer begrenzten Lebensdauerbehafteten Komponenten bzw. Bauteile der Maschine, beispielsweise des Turbogenerators, logisch und rechnerisch miteinander verknüpft werden, so dass aus den Verfügbarkeiten der Komponenten oder Bauteile die Verfügbarkeit der Maschine, beispielsweise des Gesamtsystems Turbogenerator, ermittelt werden kann. Dazu wird zunächst ein sogenannter Teilebaum, also eine Baumstruktur für die Einzelteile der Maschine, aufgestellt. Im Falle eines Generators wird dieser bevorzugt zunächst in den Rotor und den Stator zerlegt bzw. aufgegliedert. Rotor und Stator können dann weiter in ihrer Hauptbaugruppen und jede Hauptbaugruppe weiter bis in jedes elementare Einzelteil zerlegt bzw. aufgegliedert werden. Anschließend wird ein sogenannter Fehlerbaum für die Maschine aufgestellt.
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Der Fehlerbaum enthält als Ursprung einen Hauptfehler, bei dem es sich bevorzugt um den Fehler „ungeplanter Stillstand der Maschine“ handelt. Der Hauptfehler wird vorteilhafterweise systematisch zerlegt in mechanische Fehler und/oder elektrische Fehler und/oder sonstige Fehler. Diese können wiederum auf detailliertes Versagen einzelner Bauteile nach jeweils nur einem einzigen Fehlermechanismus aufgeteilt werden. In der 1 ist der Teilebaum mit der Bezugsziffer 1 und der Fehlerbaum mit der Bezugsziffer 2 gekennzeichnet. Der Hauptfehler ist mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet.
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Anschließend werden Teilebaum 1 und Fehlerbaum 2 miteinander verknüpft. Dabei entsteht eine logisch zusammenhängende Baumstruktur 3, an deren einem Ende, zum Beispiel oberem Ende, der Hauptfehler also der beispielsweise der ungeplante Stillstand 5 der Maschine steht. Am anderen Ende, zum Beispiel unteren Ende, der zusammenhängenden Baumstruktur stehen alle theoretisch möglichen Elementarfehler, beispielsweise aller nichtdauerfesten Komponenten der Maschine. Die Zuordnung eines Fehlers zu einem Bauteil ist durch unterschiedliche Schraffur von Fehler und Bauteil in 3 gekennzeichnet. Beispielsweise wurde dem Bauteil 6 der Fehler 7 und dem Bauteil 8 der Fehler 9 zugeordnet.
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Bevorzugt bildet die so entwickelte Struktur 3 alle seriellen und parallelen (redundanten) Verschaltungen von Bauteilen bzw. Komponenten und damit auch von Verfügbarkeiten von Bauteilen bzw. Komponenten der Maschine, beispielsweise des Generators, ab. Auf der Grundlage dieser Struktur wird eine Gleichung aufgestellt, die rechnerisch die logischen Verknüpfungen abbildet und somit direkt die Errechnung einer Gesamtverfügbarkeit aus Einzel-Verfügbarkeiten erlaubt.
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Unbekannte Größen der aufgestellten Gleichung zur Berechnung der Verfügbarkeit können beispielsweise mit Hilfe von analytisch ermittelten Daten und/oder einer Klassifikation gemäß einem FMEA-Verfahren bestimmt werden. Die Verfügbarkeit P der Maschine kann als Produkt der Verfügbarkeiten der Bauteile gemäß der Formel P = ΠRi mit Ri = f(xj) bestimmt werden. Dabei können die Verfügbarkeiten der einzelnen Bauteile auf der Grundlage von analytisch ermittelten und/oder statistisch ermittelten und/oder geschätzten Daten bestimmt werden. Das Aufstellen der Gleichung und die Ermittlung der Gesamtverfügbarkeit ist in der 1 mit der Bezugsziffer 4 gekennzeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Bindert, Axel; Hoof, Martin; LIFETIME ASSESSMENT Ein Diagnoseverfahren für luftgekühlte Turbogeneratoren; ETG-Fachtagung: Diagnostik elektrischer Betriebsmittel; Berlin, 26.-27.02.2002 [0004]
