CONFIABILIDADE APLICADA A SISTEMAS CRÍTICOS DE ALIMENTAÇÃO
ELÉTRICA. AUMENTO DA DISPONIBILIDADE E ABANDONO DO SISTEMA
TRADICIONAL.
Antonio Wotecoski (1)
Resumo
A alimentação elétrica de sistemas críticos, tais como controladores, SDCD’s,
iluminação de emergência, proteções e instrumentação, deve operar
adequadamente mesmo numa eventual falha do sistema elétrico normal, a fim
de evitar situações que agravem as paradas de emergência de plantas
industriais, comerciais e outras que necessitem de alimentação elétrica para
sistemas críticos. Este estudo evidencia alguns problemas típicos de projeto,
instalação, operação e manutenção de alimentação elétrica de sistemas
críticos de uma planta petroquímica, tais como falta de flexibilidade e
redundância, falhas humanas, falhas de modo global e falhas na especificação
de equipamentos seguros e confiáveis. Propõe, através do estudo de
confiabilidade e de análise global do sistema, uma nova topologia de
equipamentos e de sistema. A identificação dos pontos de melhoria de
confiabilidade é obtida através da coleta de dados de falhas e da obtenção do
MTBF dos blocos que compõem os equipamentos de alimentação crítica.
Como resultado, é obtido um novo conceito de equipamento e sistema, com
topologia redundante e distribuída, reduzindo as falhas de modo global, falhas
humanas e custos de manutenção, simplificando sistemas e diminuindo tempo
de reparo. Após a definição da nova filosofia de equipamento e sistema, o
mercado fornecedor desenvolveu a solução pretendida com os ganhos de
confiabilidade requeridos.
(1) Engenheiro Eletricista - Engenheiro de Equipamentos
Refinaria Presidente Getúlio Vargas, REPAR, PETROBRAS S.A.
1.
INFORMAÇÃO TEÓRICA
Algumas indústrias, como as petroquímicas, necessitam controles normalmente
ligados aos seus processos, que não só otimizam a produção, informam aos
operadores sua real condição, controlam automaticamente variáveis de
processo e transmitem informações a bancos de dados, mas, acima de tudo,
tomam decisões durante instabilidade do processo ou falha de parte dele.
O objetivo de parte do controle é monitorar, identificar e tomar de decisão
diante das situações anormais, conduzindo o processo a uma parada segura,
visando à segurança pessoal, das instalações e do meio ambiente.
Grande parte do tempo, com situação produtiva normal, estes controles tem
função de ajustes no processo, com as seguintes metas:
•
•
•
Otimizar a produção com sistemas especialistas.
Reduzir emissões indesejáveis ao meio ambiente, reduzindo
a poluição.
Auxiliar a equipe de operação na tomada de decisão sobre
liberações e interferência no processo.
Outros sistemas também fazem parte do processo, como é o caso de energia
elétrica, vapor, ar de instrumentos, ar comprimido, iluminação, comunicação,
segurança, entre outros.
Todos estes sistemas utilizam, para seu correto funcionamento, uma
alimentação elétrica auxiliar, que se torna uma fonte crítica devido à função dos
equipamentos alimentados. A taxa de falhas dos sistemas convencionais de
alimentação elétrica, concessionárias ou geração própria, não condiz com a
necessidade de confiabilidade requerida pelo processo e seus sistemas
auxiliares. Acrescente-se o fato de que no momento em que os sistemas
elétricos falham, ocorrem grandes distúrbios no processo, havendo
necessidade do controle continuar operando adequadamente para tomada de
decisão, informação e condução da planta a uma condição ou parada segura.
É, portanto, razoável se esperar que um sistema de alimentação crítica ofereça
alta confiabilidade de resposta quando solicitado, pois é a única fonte presente
para os instantes em que controladores, PLC’S pequenos e grandes, SDCD e
SCMD, indicadores, iluminação de emergência, painéis de intertravamento,
sinalizações, proteções, comandos elétricos e operacionais, entre outros,
devam operar adequadamente a fim de se evitar situações que agravem as
paradas de emergência.
A Bateria é a solução mais comum como fonte alternativa de energia, e
amplamente utilizada para prover alimentação elétrica crítica aos equipamentos
nos momentos de falta da rede normal. Existem dois tipos fundamentais de
alimentação elétrica crítica que são utilizadas para esta função: alimentação
em corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA). A escolha depende do
projeto e da necessidade do equipamento crítico.
Normalmente os sistemas industriais de plantas petroquímicas (subestações
elétricas, instrumentação, automação e intertravamento) utilizam tensões em
corrente contínua de 120VCC, a qual apresenta um alto MTBF (tempo médio
entre falhas) devido à sua configuração, simplicidade, facilidade de
manutenção e operação. Com alimentação em corrente contínua, os sistemas
redundantes são facilmente interligados.
A Figura I apresenta o diagrama em blocos de um sistema de fornecimento de
corrente contínua, onde pode ser observado que a confiabilidade, do ponto de
vista do consumidor, depende essencialmente do banco de baterias.
Figura I – Diagrama em blocos de um sistema de Corrente Contínua.
Na Tabela I, estão indicados os MTBF’s dos blocos que compõem um sistema
de corrente contínua.
SISTEMA
MTBF (horas)
Rede CA
1.000 a 10.000 *
Retificador
70.000
Bateria
6.000.000 **
Retificador + Bateria
6.000.000
Tabela I – MTBF dos Blocos de um Sistema de Corrente Contínua
* A faixa de 1.000 a 10.000 horas, ocorre pelos diferentes modelos
das Redes de Alimentação Elétrica de plantas industriais.
Normalmente geradores internos às plantas aumentam o MTBF da
Rede CA.
** MTBF de Bancos de Baterias é diretamente proporcional à
qualidade das Baterias e à capacitação das equipes de manutenção.
Alguns equipamentos e sistemas, somente podem ser alimentados em corrente
alternada, necessitando converter a energia confiável de bancos de baterias,
novamente em tensão alternada. Para isto, associa-se um Inversor ao sistema
de corrente contínua, resultando em um sistema de energia ininterrupta com
corrente alternada. Este, embora muito mais confiável que a rede normal,
depende principalmente da confiabilidade do Inversor, que possui tempo médio
entre falhas muito menor que o estágio Retificador + Bateria. Por este motivo,
os No-Breaks ou UPS como são chamados os equipamentos que fornecem CA
críticos, permitem alimentação alternativa (by-pass pela rede), conseguindo-se
assim alguma redundância, sempre com o objetivo de aumentar a
confiabilidade. Na Figura II, podemos observar o diagrama em blocos de um
No-Break convencional.
Figura II – Diagrama em Blocos de um No-Break ou UPS típico.
Na Tabela II estão indicados os MTBF’s típicos de um sistema de alimentação
de 120VCA através de um No-Break. Os valores indicados na Tabela I e
Tabela II foram obtidos em consulta a fabricantes e representam a média entre
diversos dados fornecidos.
SISTEMA
Rede CA normal
Retificador + Bateria = Sistema CC
UPS ou NO-BREAK = Sistema CA
UPS com chave estática (by-pass
automático).
MTBF (horas)
10.000
6.000.000
70.000
400.000
Tabela II- MTBF’s de um sistema No-Break.
2.
APRESENTAÇÃO
O estudo trata apenas dos sistemas de alimentação elétrica crítica em Corrente
Alternada (120 VCA), embora em alguns momentos, tratemos do estágio
retificador e bateria, pois fazem parte de um No-Break. O desenvolvimento está
baseado em um sistema elétrico de uma refinaria da Petrobras, embora possa
ser perfeitamente aplicado em qualquer instalação industrial, comercial,
subestações elétricas do sistema de potência e hospitais.
A Petrobras há alguns anos vem sofrendo com ocorrências de paradas
completas e parciais de plantas petroquímicas, no refino e na produção de
petróleo, com elevado risco às pessoas, ao meio ambiente e às instalações,
devido às falhas de alimentação elétrica em sistemas críticos. Grupos especiais
de análise já foram criados, procedimentos e padrões de operação e
manutenção foram elaborados com o objetivo de minimizar os efeitos
indesejáveis acima citados.
Este estudo vai conduzir a um aprofundamento e entendimento das
necessidades de consumidores críticos, analisar os modos de falhas mais
comuns e propor uma nova forma de solução. Muitas das falhas ocorridas
nestes sistemas partem de erros humanos, operacionais e de manutenção,
que, através de uma proposta de configuração redundante e distribuída, serão
minimizados, proporcionando melhoria da confiabilidade.
A Refinaria Presidente Getúlio Vargas (REPAR) já implantou em parte dos
seus sistemas de 120 VCA crítico a solução aqui indicada, estando em
processo de implantação os demais sistemas, com previsão de conclusão para
2007.
3.
LEVANTAMENTO DE DADOS
Foram levantados os dados de falhas de relatórios de manutenção da REPAR
e outras Unidades com registros de falhas, objetivando identificar os blocos,
estágios e até mesmo quais componentes mais apresentavam defeitos. Neste
levantamento foram incluídas as falhas humanas que ocasionaram
desligamentos de equipamentos críticos. Foi necessário realizar uma pesquisa
junto aos homens de manutenção, pois desejávamos saber das dificuldades e
dos tempos de reparos, uma vez que estes não puderam ser obtidos dos
registros de falhas.
O resultado com os tipos de falhas e o número de vezes que ocorreram, estão
indicadas no Gráfico I. Quanto ao tempo de reparo, alguns dados obtidos foram
de grande valor e serão utilizados para embasar decisões na seqüência deste
estudo.
Gráfico I – Número de falhas por tipo de falha
A Tabela III foi obtida de fabricantes, especificamente para os blocos internos
de um No-Break. Como podemos observar, o tempo médio entre falhas indica
claramente a performance dos diversos blocos.
SISTEMA
Retificador
Bateria
Inversor
Chave Estática
MTBF (horas)
70.000
6.000.000
50.000
500.000
Tabela III - Tempo Médio Entre Falhas típico por Bloco de No-Break
4.
ANÁLISE DOS DADOS
Do Gráfico I, podemos verificar que o inversor é a parte que mais falha. Isto
coincide com os dados de MTBF dos fabricantes. Com algum esforço, pode-se
verificar que dentro do bloco inversor, a parte de potência é o ponto fraco e
com maior número de falhas.
Fazendo um cruzamento com a falha nos ventiladores do circuito de potência
do inversor e a sujeira que prejudica a dissipação térmica e provoca outras
falhas em cartões eletrônicos, chegamos às seguintes conclusões para
aumento da confiabilidade:
1. O bloco inversor, pelo menos seu estágio de potência, deveria ser modular
e o ventilador deveria ser instalado de forma que o fluxo de ar tivesse
apenas contato com o dissipador e não com as placas eletrônicas.
2. Este módulo deveria ser extraível, evitando-se assim manobras, diminuindose o tempo de reparo.
3. Este módulo deveria ser padronizado, diminuindo-se itens de estoque e
aumentando-se a qualidade da manutenção (menos itens para
treinamento).
4. Os módulos seriam na configuração N+1, ou seja, para um bloco de cargas
de 5 kVA, teríamos 03 módulos de 2,5 kVA. Quando um dos módulos
entrasse em falha, sairia de operação automaticamente, sem
comprometimento da potência fornecida. Para substituir seu ventilador,
seria tirado de operação de manualmente, sem afetar os demais módulos e
sem manobra na parte de potência, como os atuais No-Breaks. A
substituição por um módulo em reserva seria a simples retirada e colocação
de novo módulo, com tempos de reparos curtos e poucas manobras (menos
falhas humanas). A Figura III mostra um esquema simplificado do estágio
inversor e chave estática com a visão de inversores modulares.
Figura III – Diagrama simplificado Inversor Modular N+1
É importante observar que nesta configuração atuamos em pelo menos quatro
das maiores falhas do sistema: inversor, ventilador, sujeira e falha humana.
Para o item bateria, a análise baseia-se na configuração redundante de
instalações existentes.
Se em uma Casa de Controle de Processo (CCP), temos quatro No-Breaks,
seriam necessários 04 bancos de baterias, um para cada equipamento. Isto
leva ao inconveniente que para um determinado equipamento, a falta do banco
por falha ou por retirada de operação quer para troca, quer para ensaio de
capacidade, implica em diminuição drástica da confiabilidade e em manobras
nos sistema crítico.
Idealizamos então um novo conceito de projeto, onde teremos o bloco de
corrente contínua separado do inversor. Para cada área, serão necessários
apenas dois sistemas ou blocos de corrente contínua redundantes. Cada
sistema deve ser capaz de fornecer toda a energia necessária, tornando assim
o fornecimento de corrente contínua para os inversores de fácil liberação, para
troca e ensaios de capacidade, sem perder confiabilidade.
A alimentação em 120 VCC torna a configuração dos bancos de baterias e
retificador muito simples, pois de acordo com a NR10, até este valor de tensão
contínua, os requisitos de segurança são minimizados.
A alimentação para cada inversor deverá ser dupla com ligação através de
diodos, que permitam uma ligação redundante ativa, diminuindo as falhas
humanas por manobra indevida. A Figura IV mostra um diagrama elementar,
com as ligações e os sistemas envolvidos. Observe-se a fácil ampliação de
inversores com apenas dois sistemas de corrente contínua (dois retificadores e
duas baterias).
Figura IV – Diagrama com os estágios retificador e bateria separado do
inversor.
5.
ANÁLISE DO SISTEMA EXISTENTE
As análises apresentadas até o momento, indicam a possibilidade de um
aumento significativo da confiabilidade. Uma questão ainda deve ser abordada,
pois temos oportunidade de melhoria; o novo inversor embora modular (N+1),
com alimentação dupla de corrente contínua, refrigeração passando apenas
pelo dissipador, ventilador em cada módulo, com fácil substituição, reduzido
número de manobras para manutenção, pode falhar.
Considerando que cada inversor alimenta um bloco de cargas críticas em 120
VCA, uma eventual falha colocaria todo este bloco em situação de emergência
ou desligamento indevido. Deve-se buscar solução para evitar as falhas de
modo global, que por falta de uma fonte crítica, conduzem diversos sistemas ao
mesmo tempo a uma falha de operação.
Deve-se introduzir o conceito e a filosofia de alimentação distribuída, ou seja,
implementar dupla alimentação em cada consumidor. Esta solução, por sua
vez, torna necessária a utilização de uma chave estática para cada
consumidor, que deverá ter potência útil reduzida em relação à nominal e sem
ventilação forçada, com a melhor configuração, cujo MTBF seja o mais alto
possível. Devido ao grande número de peças empregadas, uma chave para
cada consumidor, por ser a etapa final da alimentação crítica.
Finalmente, faremos uma análise do próprio consumidor. Tomemos como
exemplo real, a alimentação das fotocélulas de uma das caldeiras da REPAR.
Cada caldeira possui 06 queimadores, com duas fotocélulas por queimador. O
desligamento do queimador se dará se as duas fotocélulas indicarem falha de
chama. A alimentação elétrica para os sensores destas fotocélulas é 120 VCA
e uma falha na alimentação elétrica leva o sistema a uma condição segura que
é o apagamento do queimador.
Estudando cada consumidor, com foco no aumento da confiabilidade de suas
alimentações elétricas, observou-se que com pequena alteração de projeto
poderíamos dividir a alimentação em dois grupos distintos. Somente ocorreria
um desligamento geral da caldeira por falha elétrica se os dois conjuntos, ao
mesmo tempo, perdessem a alimentação.
6.
DESENVOLVIMENTO DE FORNECEDORES.
Para a implantação do estudo e das propostas mencionadas, fomos ao
mercado nacional e internacional buscar equipamentos e tecnologias para
solução dos problemas que estávamos tendo. Iniciamos com cinco
fornecedores internacionais e quatorze fornecedores nacionais de No-Breaks.
Não foi encontrada qualquer empresa que fornecesse a solução requerida.
Assim, foi iniciado trabalho de desenvolvimento chamando várias empresas e
mostrando a solução esperada.
Não foi admitido solução com adaptação de sistemas existentes, mas sim, foi
mostrado que os equipamentos existentes estavam comprometendo as
unidades cujo objetivo era alta performance e maior segurança. Empresas
internacionais insistiram em adquirirmos suas soluções, argumentando que
eram soluções já testadas e aprovadas no mundo inteiro, mas soluções
parecidas com aquelas que estavam proporcionando situações indesejadas.
Foi com observações na área de telecomunicações que se começou a
identificar, que parte de nosso estudo já tinha algum desenvolvimento com
equipamentos produzidos no sistema modular. Havia apenas a necessidade de
projetar para nossos níveis de tensão de entrada (120VCC) e tensão de saída
(120VCA).
Apenas quatro empresas nacionais concordaram em iniciar o estudo para
desenvolvimento e projeto visando atendimento à nossa necessidade. Os
prováveis fornecedores, para poderem apresentar suas propostas comerciais
deveriam apresentar um protótipo de inversor modular e chave estática de
pequena potência com as características anteriormente descritas. Os protótipos
seriam analisados, com ensaios e testes, objetivando a mitigação das atuais
falhas em sistemas semelhantes existentes.
Apenas duas empresas completaram todos os requisitos de fabricação do
protótipo para inversor modular e três empresas para chave estática e, apenas
estas foram capacitadas a participar das propostas para fornecimento.
7.
DIAGRAMAS
A Figura V apresenta um diagrama simplificado de um sistema existente antigo,
hoje já modificado, de uma das unidades da REPAR. Deve-se observar que
cada No-Break possuía seu banco de baterias e seu retificador. Seu estágio
inversor era único, com uma chave estática alimentando um bloco de
consumidores de 120 VCA crítico.
Figura V – Diagrama configuração antiga.
Neste diagrama pode ser observados os inconvenientes citados anteriormente,
como fotocélulas da caldeira 1 que são alimentadas por um único No-Break,
com um banco de baterias e uma única chave estática. Os bancos de baterias
não são redundantes. Os compressores C e D são alimentados por um único
No-Break e uma falha neste, pode provocar a interrupção de fornecimento de
ar de instrumentos e em muitas situações a parada geral da Refinaria.
O próximo diagrama, Figura VI, mostra a nova topologia, já com as
considerações apresentadas até o momento. Deve-se observcar que, com este
novo sistema de alimentação, as fotocélulas da caldeira 1 têm, além da
alimentação dupla, provenientes de diferentes inversores modulares, com
MTBFs mais altos, também chaves estáticas próximas ao seu painel de
controle (alimentação distribuída).
Para o desligamento de uma caldeira por perda de alimentação são
necessários desligamentos simultâneos de 03 fontes de 120 VCA (dois
inversores e um By Pass).
Figura VI – Diagrama configuração atual.
FCA = Fotocélulas Caldeira, lado A dos queimadores.
FCB = Fotocélulas Caldeira, lado B dos queimadores.
CE = Chave Estática.
8.
Conclusão
O estudo apresentado teve todo seu embasamento em informações obtidas
das equipes de manutenção, principalmente dos relatórios de falhas, onde
haviam informações dos modos de falhas e de alguns tempos envolvidos para
reparos.As informações, sobre os valores de MTBF’s de alguns blocos de
equipamentos, fornecidas pelos fabricantes, deram embasamento teórico sobre
as ações e propostas envolvidas.
Em cada passo do estudo, verificou-se que havia evolução não só no aumento
do MTBF, mas em outras questões como menor probabilidade de falha
humana e menor tempo de reparo, porém, o sistema ainda poderia apresentar
falhas.
Observou-se que, na tentativa de descobrir formas menos ortodoxas, foram
encontradas soluções simples e antes não observadas, o que indicou a
necessidade de ampla análise de todo o sistema envolvido e não apenas
substituir equipamentos.
Fato relevante foi a não aceitação de equipamentos prontos e em desacordo
com o requerido, gerando adaptações de projeto e de instalação, como o
sistema existente, onde para cada No-Break havia três transformadores de
adaptação das tensões de entrada e saída. O acompanhamento de todas as
etapas de desenvolvimento e fabricação, tendo como meta corrigir as falhas
anteriores, levaram a uma produção final com bons níveis de detalhes e
aumento de confiabilidade.
Atualmente, com uma etapa do projeto já implantada, outros órgãos da
Petrobras e outras empresas estão realizando os mesmos estudos e
implantando soluções similares, baseadas em aumento de confiabilidade de
equipamentos e sistemas.
9.
Bibliografia.
KARDEC, ALAN; LAFRAIA, JOÃO R. Gestão estratégica e técnicas preditivas.
Rio de Janeiro, RJ: Qualitymark: ABRAMAN, 2002.
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2005.
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