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Frischer Wind bei der Filtration
Die Internationale Leitmesse der Windenergie Husumwind hat unlängst wieder einmal deutlich gemacht, dass diese Branche vom Wunsch nach immer größeren und besseren Anlagen beflügelt ist. Doch vor allem ihre Störanfälligkeit bremst die Höhenflüge. Ein alternatives Filterkonzept soll die Technik ausfallsicherer machen und damit die Betriebskosten spürbar reduzieren.
Etwa 13.000 Windräder stehen in Deutschland und jährlich kommen 1.000 dazu. Damit die Betriebskosten und die Versicherungsprämien nicht ins Uferlose steigen, sollte alles einem grundlegenden Check unterzogen werden.
Die Verlängerung der Filterstandzeiten über Kombifiltereinsätze aus Glasfaser reduziert die Betriebskosten von Windkraftanlagen erheblich.
Eine zusätzliche Nebenstromfiltration wirkt sich positiv auf die Standzeit der Hydraulik- und Getriebeöle aus.
Sollte nicht unterschätzt werden: Ein Belüftungsfilter mit 3 µm-Einsatz plus Granulat sorgt dafür, dass Schmutz, Sand und Kondenswasser gar nicht erst in die Hydraulikanlage gelangen.
Mit dieser Einleitung erschien in der Zeitschrift Konstruktion + Engineering (Ausgabe November 2003) ein interessanter Artikel über das spezielle Hydraulikfilterangebot der Firma RT-Filtertechnik GmbH für den Windkraftbereich.
Über die Gründe für häufige Störungen oder Ausfälle kann in großem Umfang spekuliert werden. Als sicher gilt allerdings, dass die eingesetzten Systeme in Zukunft mit deutlich mehr Redundanz für längere Laufzeiten ausgelegt sein müssen als bisher. Dies gilt auch für hydraulische Systeme, die vor allem in größeren Anlagen dominieren. Von der Gondelverstellung über das Pitchen der Rotorblätter, den hydraulischen Bremsen bis hin zur Getriebeschmierung sorgen Öle für reibungslosen Betrieb. Kurzum: Handlungsbedarf ist gegeben.
Speziell bei der Filtration der eingesetzten Flüssigkeiten lässt sich ein erhebliches Ratiopotenzial erkennen, bestätigt Dipl.-Ing. Peter Botka, Leiter der Abteilung Technik & Service beim Filterhersteller RT-Filtertechnik. Warum ist ganz klar: Die meisten in den Hydraulikaggregaten eingesetzten HLP-Öle müssen im Hinblick auf die verwendeten Servoventile mit 5 µm gefiltert werden. Daraus ergibt sich der Einsatz von Druckfiltern, die entsprechend kostenintensiv sind. Des Weiteren setzt man in der Windenergiebranche auf Rücklauffilter, um den Hauptschmutz aus der Hydraulikflüssigkeit zu entfernen, bevor er in die Pumpe wandert und dort für Zerstörung sorgt.
RT-Filtertechnik dagegen hat in jahrelanger Entwicklungsarbeit ein Filtersystem konzipiert, das als Saug-Rücklauffilter hervorragende Eigenschaften besitzt. In nur einem Gehäuse befindet sich sowohl ein Rücklauf- als auch ein Saugfilter, der die Pumpe vor Partikeln schützt. In Kombination mit einer wirksamen Nebenstromfiltration lässt sich damit ein alternatives Filtrationskonzept verwirklichen, das kostenseitig sehr attraktiv ist.
Während der berechneten Lebensdauer einer Windkraftanlage können im Idealfall bis zu 150 000 Betriebsstunden auflaufen. Für die Hydraulik und die Getriebeschmierung bedeutet das regelmäßige 24-Stunden-Schichten. Heute weiß man, dass – abgesehen von der konstruktiven Seite – die Verunreinigung durch Partikel in Verbindung mit Kondenswasser und die konstante Öltemperatur ganz entscheidende Faktoren bei der Lebenserwartung eines Getriebes oder einer Hydraulikanlage sind. Über 80 Prozent aller Schäden bei Getrieben sind darauf zurückzuführen.
Obwohl Windkraftanlagen stationär betrieben werden, müssten die eingesetzten Filtrationskonzepte nach den Bedingungen ausgelegt sein, wie sie in der Nutzfahrzeugtechnik vorherrschen – mit krassen Temperaturschwankungen, hoher Luftfeuchtigkeit und extremen Schmutzeintrag durch Umgebungsbelastung durch Partikel wie z. B. Sand.
Die gängigen Serviceintervalle für Hydraulikfilter liegen heute bei sechs Monaten. Für Peter Botka gäbe es hier eine einfache Lösung: „Unsere Glasfaser-Filterelemente sind unterteilt in eine feine und eine mittlere Filtrationsstufe. Damit lässt sich bei der geforderten Ölreinheit eine deutlich höhere Standzeit erzielen.“
Je nach Belastungssituation und trotz des Einsatzes von Hydraulikspeichern kann es passieren, dass die Pumpe im Hydraulikaggregat bis zu 20 Mal in der Stunde anlaufen muss. Bei kühlen Umgebungstemperaturen besteht also immer die Gefahr der Kavitation. Gleichzeitig fahren dabei die Pumpenlager im Mischreibungsbereich und verursachen zusätzlichen Abrieb im System.
Ein weiteres Phänomen ergibt sich bei der hydraulischen Pitch-Verstellung. Wird um 90 Grad gedreht, fahren die Hydraulikzylinder den kompletten Hub aus. Das bedeutet, die darin enthaltenen Schmutz- sowie Rostpartikel und Wasserspuren strömen mit einem Ruck durch das gesamte Hydrauliksystem. In dieser Situation können die Filter nicht gleich eingreifen und ein hoher Schmutzanteil wandert durch das System. Dieser wird erst in mehreren Umläufen ausgefiltert.
Zusätzlich werden die Ölmengen in den Hydraulikaggregaten, die in den Gondeln der Windkraftanlagen stehen, zumeist nach Richtwerten der Mobilhydraulik berechnet - nämlich Pumpenleistung mal 0,5 bis 1. Das bedeutet, der Schmutz im System wird sehr häufig umgewälzt und kann sich nur sehr schwer am Tankboden absetzen. Im Öl enthaltene Luft und das enthaltene Kondenswasser werden gleichermaßen durch das System gespült. Durch starke Schwankungen im Hydrauliktank verstärkt sich der Schmutzeintrag in großem Umfang.
Alle genannten Punkte üben einen negativen Einfluss auf die Hydraulik- und die Getriebeflüssigkeit aus, was zu Störungen führen kann. Mit einem umfassenden ,Reinheitspaket’ aus Saug-Rücklauffilter, Nebenstromfiltration und Belüftungsfilter für die Öltanks erhalten Anlagenbetreiber ein Maximum an Sicherheit.
Allein der Einsatz von Saug-Rücklauffiltern bringt unverkennbare Vorteile. Durch den Ölüberdruck von 0,5 bar, den das im Filter integrierte Vorspannventil liefert, ergeben sich verbesserte Saugverhältnisse im Speisepumpenkreislauf. Dadurch gibt es keine Probleme beim häufigen Kaltanlauf der Pumpe. Und: Bedingt durch die Zwei-in-eins-Konstruktion reduziert sich der Kosten- und Wartungsaufwand erheblich.
Für eine weitere Verbesserung der Ölreinheit setzt RT-Filtertechnik künftig auch auf eine zusätzlich installierte Nebenstromfiltration. Diese Art der Filtration hat zwar bei Windkraftanlagen einen jahrelangen Leidensweg hinter sich. Heute allerdings steht der Nutzen der zusätzlichen Getriebeölfilterung über den Nebenstrom außer Frage. „Es wird vermutlich nicht mehr lange dauern, bis die Hersteller und Betreiber erkennen, dass auch die Hydraulik damit ausgerüstet sein sollte, um Schäden oder Störungen zu vermeiden“, weiß Peter Botka.
Eine solche Zusatzfilterung bewegt sich im Rahmen von 2.000,- Euro, also 0,5 Promille vom Anschaffungspreis einer Windkraftanlage. Allein ein Ölwechsel schlägt nicht selten mit 3.000,- Euro zu Buche. Wird durch das neue Filtrati-onskonzept aus Saug-Rücklauffilter, Nebenstromfilter und Belüftungsfilter die Ölstandzeit verdoppelt, rechnet sich die Anschaffung in kürzester Zeit.
Ein wichtiger Punkt, der für die Nebenstromfiltration spricht ist, dass damit Kondenswasser ausgefiltert werden kann. Überdies besitzt das System im Bypass zur Hydraulik-Hauptleitung eine eigene Zahnradpumpe, die auf niedrigem Druckniveau rund um die Uhr läuft.
Auf diese Weise ergibt sich nicht nur eine Feinstfiltration mit einem Beta-Wert 3 µm von 3.100, sondern auch der Temperaturhaushalt des Öls wirkt sich extrem positiv auf den gesamten Anlagenbetrieb aus. Selbst bei kalten Umgebungstemperaturen ist das Öl nicht zäh.
Als i-Tüpfelchen sorgt ein entsprechender Tankbelüftungsfilter mit einem integrierten 3 µm-Glasfaserfilter dafür, dass dem System nicht permanent Schmutzpartikel zugeführt werden.