Recomissionamento de instalação elétrica industrial

jan, 2014

Edição 95 – Dezembro de 2013
Artigo – Instalação Ex
Por Gil Gonçalves de Lima e Alvaro Antpack*

Principais problemas encontrados no sistema elétrico de uma plataforma marítima de produção de óleo e gás natural, as correções praticadas, as soluções implementadas e os ganhos obtidos com segurança e confiabilidade operacional

A Plataforma Marítima de Produção de Óleo e Gás Natural (PMPOG) tem como finalidade principal a coleta do óleo exportado por outras cinco plataformas, utilizando um complexo composto por uma unidade flutuante de estocagem (FSO), dois conjuntos flutuantes de válvulas (monoboias), quilômetros de dutos e dezenas de válvulas submarinas.

A PMPOG bombeia a produção destas cinco unidades para um FSO, que, por sua vez, pode realizar off load para um “navio aliviador” e para dois petroleiros de longo curso, simultaneamente, por meio das duas monoboias. A PMPOG transmite em
13,8 KV energia elétrica para o FSO, sendo capaz de suprir 30 MW por meio de quatro multicabos eletro-óticos submarinos.

Os serviços tratados neste trabalho foram realizados nos seguintes equipamentos:

  • · Painel de Distribuição de Cargas Normais em 13,8KV (PNCN);
  • · Painel de Distribuição de Cargas Essenciais (PNCE);
  • · Painel de Distribuição de Cargas Normais em 480 V (PNDCN);
  • · UPS de Cargas Gerais e Baterias UPSCG / BTCG;
  • · UPS de Iluminação de Emergência e Baterias (UPSIL / BTIL);
  • · Iluminação de Emergência;
  • · Gerador de Emergência.

Painel de Distribuição de Cargas Normais (PNCN)

Alimentado diretamente pela geração principal (três turbogeradores 13,8 KV / 31.250 kVA) ou auxiliar (um gerador a diesel de 13,8 KV / 3.300 KVA). Projetado para corrente nominal (In) de 2.500 A, suporta corrente de curto-circuito (Icc) simétrico de 50 KA e assimétrico de 125 KA (pico).

É composto por cinco barramentos (A, B, C, D e E), cinco disjuntores de interligação (TIE) e pode operar em regime permanente na configuração de anel fechado. Os disjuntores são a vácuo e estão distribuídos em 32, dos 40 cubículos que o painel possui (Figura 1).

Tensão de controle e proteção em 120 VAC, proveniente dos painéis de distribuição dos UPSCG. Dotado de relés de proteção microprocessados, interligados em rede ProfiBus DP e relés de bloqueio (86) eletromecânicos.

Problemas corrigidos:

1) Percursos das cordoalhas dos cabos de potência:

As blindagens dos cabos passam pelo TC janela e são unidas por meio de cordoalhas que são aterradas. Para garantir o funcionamento adequado da função de proteção contra falhas à terra, é necessário que a cordoalha termine antes do TC para depois ser aterrada. 

Se ela passar por dentro do TC, deverá ser conduzida de volta, para depois ser aterrada. Dessa forma, caso haja circulação de corrente por ela, o fluxo que entra no TC anulará o que sai (ver Figura 2, copiada da IEEE 242).

Houve correção no percurso das cordoalhas, que estavam atravessando o TC de proteção tipo janela, junto ao respectivo cabo de potência, antes de ser conectado à terra.

A situação encontrada poderia gerar erro na atuação do relé de proteção 50 GS. Pois, em caso de falta à terra, a corrente que circula pela cordoalha entraria no cálculo do relé (Figura 3).

Na situação atual, uma eventual circulação de corrente pela cordoalha não interferirá nos cálculos do relé. A cordoalha foi desconectada do ponto de aterramento original e foi realocada de forma a retornar por dentro do TC e conectada a outro ponto de aterramento. Dessa forma, a segurança e a confiabilidade das proteções contra faltas à terra foram restabelecidas.

2) Correção dos intertravamentos mecânicos:

A situação encontrada em alguns cubículos possibilitava a inserção do disjuntor com a chave seccionadora de aterramento acionada e, até mesmo, aterrava a saída de um disjuntor que estivesse ligado.

Em alguns cubículos, o defeito no intertravamento mecânico impedia a extração de disjuntores. Em outros, impedia a inserção. A Tabela 1 mostra os testes que foram realizados nos 32 disjuntores a vácuo do painel:

Todas as não conformidades identificadas foram corrigidas. A situação atual permite que a operação elétrica da PMPOG realize todas as manobras pertinentes, com toda a segurança prevista no projeto do painel.

3) Correção da indicação de estado dos disjuntores na Estação Central de Operação e Supervisão (ECOS):

A situação encontrada não permitia ao operador da sala de controle ter confiança nas indicações disponíveis na ECOS, pois alguns disjuntores não refletiam o estado em que se encontravam.

Foram simuladas, nos disjuntores do PNCN, todas as condições previstas no projeto.

Conforme o caso, a correção foi realizada no circuito de comando e micro switches do painel ou na configuração PLC – VXL.

A situação atual permite que a operação realize manobras no sistema elétrico da frente do painel ou remotamente e com toda a segurança. Confira, na Tabela 2, os testes funcionais que foram realizados.

Outros testes realizados nos disjuntores:

  • Tempo de carregamento da mola (seg);
  • Resistência Contato (μ?);
  • Tempo de Abertura (ms);
  • Tempo de Fechamento (ms);
  • Resistência Isolação. (M?);
  • Testes operacionais.

4) Adequ

ação da seletividade lógica e proteção contra falhas na abertura de disjuntores (50 BF), conforme projeto:

O PNCN é composto por três disjuntores de saída dos turbos geradores, um disjuntor de saída do gerador auxiliar, 23 disjuntores (feeders) de saída para as cargas e cinco disjuntores de interligação de barras (Ties).

A filosofia de proteção foi concebida de forma que, ocorrendo curto-circuito em uma das cargas, a seguinte sequência lógica será desencadeada para isolar o defeito e/ou a barra defeituosa:

  • A função 50 do circuito em falta e dos geradores serão sensibilizadas (pick up).
  • A função 68, do relé do disjuntor da carga em falta, irá enviar sinal para bloqueio da atuação dos relés dos geradores.
  • Se o disjuntor da carga em falta não “tripar”, a função 50BF irá comandar a atuação do rele de bloqueio (86) do gerador da barra faltosa, dos TIES e de todas as outras cargas desta barra.
  • Com os disjuntores TIES abertos, a seletividade lógica é parcialmente ou totalmente desfeita.

Na situação encontrada, apenas na barra “A” ocorria o efeito esperado. Nas demais barras, somente o trip do disjuntor do gerador ocorria. Os disjuntores ties e as demais cargas não recebiam sinal de trip. Dessa forma, o defeito não seria isolado do sistema.

Foi realizado um trabalho em conjunto com o fabricante do painel para identificar quais ligações e/ou parametrizações do projeto não estavam sendo satisfeitas. Foi constatado que a programação do PLC concentrador não estava conforme a última revisão do projeto, de forma que a função 68 não bloqueava os incomers dos geradores de fora barra defeituosa nem tripa os disjuntores de interligação da barra (TIES) onde houvesse a carga defeituosa.

Por exemplo, TG-A e TG-C alimentando todas as cargas do sistema e TG-C desligado. Havendo falta em uma das cargas da barra C, os incomers dos TG-A e B não sofrerão bloqueio via 68 do feeder da carga defeituosa. Dessa forma, os disjuntores dos TG poderão receber sinal de trip desnecessariamente, já que não “esperarão” o feeder da carga em falta isolar o defeito.

Também não haverá trip nos dois disjuntores de interligação (TIES) da barra C, efeito desejado para isolar a barra C, caso o feeder da carga defeituosa não seja desligado dentro do intervalo de tempo previsto no projeto.

A situação atual é de negociações com a assistência técnica do fabricante do painel. Assim que essas correções estiverem implementadas, o sistema elétrico terá a continuidade operacional e a segurança previstas no projeto do painel.

5) Adequação do monitoramento de arco voltaico, com a substituição das fibras acrílicas monofilares (cabos óticos) danificadas e preparação das fibras no extremo dos captores: 

Os PNCN / PNCE / PNDCN são dotados com sistema de monitoramento de arco voltaico. Em cada um dos cubículos do PNCN existem dois captores e nos dutos de barras deste painel um captor.

Nos PNCE / PNDCN os captores estão instalados somente nos cubículos de entrada e nos TIES. O sistema é composto por captores de luz, misturadores óticos, monitores de arco Slaves e monitores de arco Masters.

Ocorrendo detecção de luz (intensidade > 1.000 Lux) pelos captadores situados nos compartimentos monitorados, esta é transmitida por fibra ótica (comprimento máximo de 5 metros) até um misturador ótico, que pode unificar o sinal recebido de até três captores.

Este sinal é transmitido (comprimento máximo de 50 metros) via fibra ótica ao monitor de arco. Os monitores possuem entradas e saídas óticas, indicação visível, sensor de sobrecorrente, saídas de alarme e uma lógica de operação configurável.

Cada uma das cinco barras do PNCN possui dois monitores de arco slave e um master. O efeito esperado da detecção de arco por um dos captores é a abertura de todos os disjuntores da barra em que ocorreu o arco voltaico em até cinco milissegundos.

Na situação encontrada, todos os condutores óticos, cujo percurso havia alguma curva, estavam danificados. As curvaturas possuíam raio inferior a 25 mm e, desta forma, a transmissão da luz era praticamente interrompida.

Além disso, todas as fibras no extremo dos captores tinham corte reto (Figura 4). O resultado era que os captores só detectavam flashes muito próximos e frontais. As curvas foram refeitas de maneira mais suave, respeitando-se um raio mínimo de
25 mm e as fibras no extremo dos captores foram cortadas de forma cônica, fazendo um ângulo de aproximadamente 90º (45º em relação ao eixo do cabo)

Após os serviços descritos, foram realizados testes com flash em todos os captores. Ficou comprovado que os captores estão com sensibilidade adequada, que a transmissão da luz até os devidos monitores de arco está correta e que o efeito esperado, desligamento de todos os disjuntores da barra defeituosa, está ocorrendo.

A situação atual garante toda a segurança e continuidade operacional previstas no projeto do painel.

6) Correção na lógica do intertravamento de segurança da tensão de controle dos painéis:

A tensão de 120 VAC utilizada para controle e proteção nos PNCN / PNCE / PNDCN é proveniente dos UPSCGs. Em cada um destes, existe uma lógica feita com relés, que recebe 120 VAC dos dois UPS e distribui para todos os consumidores do determinado painel CDC. Este circuito é denominado “Distribuição geral de tensão comando 120 VAC”. Possui duas entradas e um contator auxiliar fazendo a função de TIE. Normalmente, o UPS A alimenta os consumidores da barra A e o UPS B, da barra B. 

Intertravamentos elétricos impedem o paralelo (inclusive o momentâneo) entre as duas fontes de entrada, que são os próprios UPSs.

Em caso de falta da fonte B (e vice-versa), o projeto permite que a fonte A venha suprir também os consumidores do lado B. Porém, neste caso, o lado que estava sendo alimentado pela fonte B ficará desligado durante o tempo que a lógica de reles levar para comandar o fechamento do contator TIE.

Esse tempo é suficiente para causar o desligamento de todos os consumidores barra B. Quando a fonte B for normalizada, outro desligamento ocorrerá na barra B, enquanto a lógica de relés comanda a abertura do contator TIE para depois receber a energia da fonte B.

Os principais consumidores são relés de prote&

ccedil;ão microprocessados, bobinas de fechamento e abertura de disjuntores, lâmpadas de sinalização do painel, etc. A situação encontrada permitia um “terceiro” desligamento. Quando a fonte faltosa era normalizada, antes do contator TIE abrir para permitir o recebimento desta, o lado da fonte saudável era desligado também.Dessa forma, todos os consumidores dos PNCN / PNCE / PNDCN eram desligados momentaneamente, o que levava a PMPOG à condição de shut down.

Após negociações, o circuito da lógica de relés foi revisado pelo fabricante do painel e a equipe de bordo implementou as alterações necessárias para que não ocorresse o “terceiro” desligamento.

A situação atual garante toda a segurança e continuidade operacional previstas no projeto do painel.

Painel de Distribuição de Cargas Essenciais (PNCE)

Painel essencial com três entradas: duas através dos TF A / B (13,8 kV/ 0,48 kV) e uma do gerador de emergência.

Projetado para corrente nominal (In) de 3.000 A, suportar corrente de curto-circuito (Icc) simétrico de 65 KA e assimétrico 143 KA (pico).

Principais cargas essenciais: um compressor de ar de instrumentos, três bombas de captação, três bombas de resfriamento, quatro UPS, três CCM auxiliares dos turbos geradores e dois CCM essenciais. Todas as cargas motóricas são acionadas via soft starters. Os disjuntores são a ar, tipo power break.

A. Problemas corrigidos

1) Os mesmos do PNCN relativos ao monitoramento de arco voltaico, indicação de estado de disjuntores e tensão de controle e proteção. Os mesmos testes e inspeções foram realizados nos disjuntores power break:

2) Comando remoto (ECOS) para cargas motóricas essenciais: a situação encontrada não permitia que a sala de controle central (ECOS) visualizasse o estado, nem comandasse os disjuntores das sete cargas motóricas essenciais. Além disso, a atuação da função 27 (subtensão) gerava trip nos relés de bloqueio (86).

Durante o retorno de shut down, além das operações pertinentes, o operador de facilidades elétricas tinha também de rearmar sete relés de bloqueio, religar sete disjuntores e comunicar à sala de controle que os equipamentos estavam prontos para a operação (a sala de controle não visualizava o estado dos disjuntores). Somente após todo esse procedimento o operador da sala de controle conseguia ligar remotamente as cargas motóricas essenciais. Pela tela (ECOS) de processo era possível partir somente os soft starters, que dependem de os respectivos disjuntores estarem ligados.

Após reuniões com a participação de representantes do fabricante do painel e do suporte técnico da PMPOG, consolidou-se uma correção para o circuito de comando das cargas motóricas essenciais. A situação atual permite que todos os equipamentos essenciais necessários para a partida da planta de processo sejam ligados da sala controle, sem intervenção nenhuma do operador do campo.

Dessa forma, o tempo de retorno do processo após shut down foi reduzido e a segurança operacional aumentada.

3) Correção da lógica de shut down, de maneira a possibilitar que a ventilação forçada do radiador do gerador de emergência, não fosse bloqueada durante a ocorrência de ESD-3T: a situação encontrada não permitia o arrefecimento no gerador de emergência durante ESD-3T, consequentemente, a proteção contra sobretemperatura parava a máquina poucos minutos depois desta assumir as cargas do PNCE.

O motor elétrico do ventilador do radiador é uma das cargas do CCMCE – CCM de cargas essenciais. O CCMCE é uma das cargas do PNCE. Pela matriz de causa e efeito original, quando ocorria o evento ESD-3T, entre outras ações deflagradas, havia o desligamento e bloqueio do disjuntor 52.02 A-01 do PNCE, que é o alimentador do CCMCE.

Ocorreram algumas reuniões com o suporte técnico da PMPOG e a matriz foi corrigida. A situação atual permite que o gerador de emergência opere normalmente durante o evento ESD-3T. Dessa forma, a segurança da unidade e o restabelecimento operacional do processo se dão dentro do tempo estimado pelo projeto.

Painel de Distribuição de Cargas Normais (PNDCN)

Painel de cargas normais com três entradas pelos transformadores de força (13,8 / 0,48 KV). Projetado para corrente nominal (In) de 2500 A, suportar corrente de
curto-circuito (Icc) simétrico de 40 KA e assimétrico 100 KA (pico).

Principais cargas: um compressor de ar de instrumentos, quatro aquecedores de gás combustível, sistema de ar condicionado (três URAS), cargas auxiliares dos três turbo geradores e quatro CCMs. A carga motórica (compressor de ar) é acionada via soft starter. Os disjuntores são a ar, tipo power break.

Problemas corrigidos

Os mesmos do PNCN relativos ao monitoramento de arco voltaico, indicação de estado de disjuntores e tensão de controle e proteção. Os mesmos do PNCE relativos ao comando remoto (ECOS) para carga motórica. Os mesmos testes e inspeções foram realizados nos disjuntores power break.

Gerador de emergência

Diesel gerador 480 V / 1810 KVA / 1200 rpm. Situação encontrada: o sincronismo com a geração principal ou auxiliar era sempre em modo de operação manual e muito instável.

Este fato ficava evidenciado durante testes semanais e operações visando restabelecer o sistema após shutdown. Quando em paralelo, o motogerador tendia a assumir cargas muito rapidamente, não respeitando a taxa implementada anualmente pelo operador. Nessa condição, o operador era obrigado a intervir reduzindo a rotação do motor, antes que a máquina caísse por atuação da proteção de sobrecarga. Nesse momento, o gerador tendia ceder carga, também muito rapidamente, possibilitando motorização da máquina.

Todo o processo então se repetia de modo cíclico, situação que geralmente terminava com o operador decidindo interromper a manobra, abrindo o disjuntor do gerador antecipadamente ou com atuação do relé de proteção, evitando motorização ou sobrecarga.

Realizou-se estudo da topologia do sistema de geração de emergência, após o que se concluiu necessária a intervenção do fabricante dos módulos de controle de velocidade.

A bordo da PMPOG, foram realizados diversos testes, ajustes e criados procedimentos operacionais. A equipe de operação foi convidada a acompanhar os testes finais e a realizar um treinamento no local de trabalho, em que teve a oportunidade de executar os procedimentos recém-criados, de forma assistida pelos técnicos envolvidos e pelo prestador de serviços.

Na situação atual, a equipe de opera&cced

il;ão tem confiança de realizar o sincronismo do gerador de emergência com os demais geradores, nos testes semanais e durante o retorno de shutdowns. Assim, está garantida toda a segurança operacional prevista no projeto do gerador de emergência da PMPOG.

Iluminação de emergência

Iluminação proveniente de baterias. Acionada automaticamente durante falha total da geração de energia elétrica. Requisitos do projeto para alguns ambientes da plataforma: “3.3.3.4 The emergency lighting system shall be designed in such way that when the normal and essential lighting fails, it shall supply the minimum lighting levels below indicated:

– Emergency and Auxiliary generators area, areas where essential services are located: 15 LUX;

– Panel Front (essential. switchboards, process & All generators (main, auxilary and emergency) control panels,only): 50 LUX”.

Na situação encontrada, a PMPOG enfrentava condições de grave deficiência no nível de iluminamento nas salas de UPS, salas dos Diesel Geradores e sala de painéis essenciais.

Apesar de os UPS de iluminação de emergência estarem operando normalmente, o nível de iluminamento desses ambientes ficava abaixo do recomendado pelas diretrizes de projeto da unidade e, em alguns casos, era nulo.

Foi realizado um trabalho de realocação das luminárias dessas salas e de sua alimentação elétrica, trazendo a iluminação de emergência a níveis compatíveis com as diretrizes de projeto.

Na situação atual, todos os ambientes citados possuem iluminação de emergência adequada, facilitando a circulação da equipe de emergência e de manutenção, garantindo a segurança prevista no projeto da PMPOG.

UPSs e baterias

Sistema composto por dois UPS de 100 KVA + duas baterias de 240 V / 2.250 A para “Cargas Gerais” e dois UPS de 50 KVA + duas baterias de 240 V / 2.250 A para iluminação de emergência. As salas dos UPSs e das baterias são climatizadas.

A) UPS

A situação encontrada nas entradas de ar para arrefecimento de todos os UPSs, depois de dois anos de operação, poderia comprometer a operação dos equipamentos. Ver Figura 6.

Na situação atual, todas as chapas, que foram instaladas com a finalidade de evitar entrada de poeira durante a obra foram retiradas. O resfriamento do equipamento foi normalizado.

B) Baterias

Na situação encontrada, as baterias tinham uma maioria absoluta de elementos apresentando a densidade da solução de ácido sulfúrico acima de 1.240 g/dm³, valor considerado elevado para as características construtivas de baterias ventiladas OPzS (1.215 g/dm³ @ 25°C). 

Essa mesma situação foi identificada em baterias de fabricantes diferentes.

Concluiu-se que à época do comissionamento da PMPOG seus elementos foram completados com eletrólito inadequado à aplicação, possivelmente, o mesmo destinado a baterias automotivas (1270 g/dm³ @ 25°C) ou em algum momento o nível do eletrólito foi completado com solução ácida e não água destilada, como deve ser efetuado.

Realizou-se estudo do problema e identificou-se como será a correção da densidade do eletrólito de cada uma das baterias com desvio. Na situação atual, a execução do serviço de correção está em fase de planejamento em conjunto com especialistas que provêm suporte técnico à PMPOG. 

Gerenciamento de alarmes

A partir de iniciativa do suporte técnico da PMPOG, foi estabelecida uma meta máxima para o número de alarmes por hora gerados nas Estações de Controle e Operação do Sistema (ECOS) para todas as plataformas da Unidade Operacional.

Há estudo de ergonomia realizado no Reino Unido, que definiu que é necessário um tempo mínimo de dois minutos para que o operador receba um determinado alarme, entenda o que está acontecendo no processo e tome uma ação para contornar o problema e evitar o shutdown.

Um alarme a cada dois minutos é equivalente a 30 alarmes por hora, e esta foi a meta estabelecida. Na situação encontrada, foi identificada na PMPOG uma média de 150 alarmes por hora, chegando a picos de até 400 alarmes por hora. Essa condição dificultava bastante a ação dos operadores, que tinham de decidir rapidamente quais eram os alarmes mais relevantes para então tomar as ações cabíveis. Além disso, a grande quantidade de alarmes espúrios ou desnecessários gerava um descrédito, podendo induzir a equipe de operação a erros.

Foi realizado trabalho em que, a partir dos relatórios quinzenais emitidos pelo suporte técnico, eram identificados os alarmes gerados com maior frequência e suas causas analisadas. Foram tomadas ações conjuntas com o suporte técnico, por exemplo, a reclassificação de determinados alarmes como eventos de processo, ou tratamento de situações em que certos instrumentos entravam em falha, mas sua manutenção não era priorizada em favor de outros serviços.

Na situação atual, a taxa de alarmes tem se mantido há doze meses dentro da meta de 30 alarmes por hora, e há nove meses abaixo de 20 alarmes por hora, com incremento da segurança operacional, da relevância dos alarmes gerados e do controle exercido pela equipe de operação da unidade.

Conclusões

Com a aplicação dos trabalhos citados, a segurança e a continuidade operacional da PMPOG foram incrementadas. Assim que os demais trabalhos, atualmente em planejamento, forem concluídos e postos em prática haverá novas melhorias.

É gratificante acompanhar a evolução do desempenho do sistema elétrico, bem como saber que está cada vez mais seguro e robusto.

A otimização na segurança e continuidade operacional é diretamente proporcional à redução de custos da unidade e aumento de tranquilidade para os mantenedores operadores.

Referências bibliográficas

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