- OBJETIVO
Em um cotidiano cada vez mais corrido, onde os colaboradores das plantas se veem constantemente envolvidos em diversas atribuições emergenciais, é fundamental ter um Sistema preditivo confiável, que realize a Monitoração e o Diagnóstico Automático dos ativos, a partir de seus diversos parâmetros físicos.
Essa necessidade se torna ainda mais importante quando tratamos das Unidades Geradoras de Energia, que são máquinas extremamente complexas, com grande quantidade de componentes, que podem desenvolver diversos Modos de Falha e que, ao mesmo tempo, exigem alta confiabilidade e disponibilidade.
Neste trabalho apresentaremos como o Sistema de Monitoração e Diagnóstico Automático – Sistema MDM, identificou de forma precisa e automática um modo de falha que estava se desenvolvendo no estator do gerador.
- MODO DE FALHA – AFROUXAMENTO DO NÚCLEO DO ESTATOR DO GERADOR
O Afrouxamento do Núcleo do Estator do Gerador é um modo de falha, o qual as Unidades Geradoras estão propensas a desenvolver. O Afrouxamento do Núcleo, ou laminado, acarreta vibração de amplitude relativamente baixa e alta frequência, podendo levar ao desgaste do isolamento de lâminas menos apertadas, bem como, à fadiga de componentes de fixação do núcleo à carcaça do estator. Em casos extremos, onde ocorrem perdas significativas do isolamento entre as chapas do laminado, pode ser necessário realizar reparos extensivos no gerador, causando grande indisponibilidade.
Esse modo de falha pode ser identificado através de inspeção visual, porém sua efetividade depende da experiência do executor. Outra possibilidade de identificar o Afrouxamento é através da monitoração da vibração do Núcleo. Utilizando acelerômetros fixados no núcleo ou na carcaça do gerador e avaliando o componente correspondente ao dobro da frequência de rede elétrica, é possível identificá-lo. Porém essa tarefa não é tão simples, já que as normas utilizadas para avaliar a severidade de vibração, não contemplam esse componente da Unidade Geradora.
- MONITORAÇÃO BASEADA NO PONTO DE OPERAÇÃO
A identificação dos sintomas relacionados com o Afrouxamento do Núcleo do Estator é muito mais precisa e simplificada se o Sistema de Monitoração utilizar uma estratégia baseada no Ponto de Operação do equipamento.
O Sistema MDM utiliza essa estratégia em todas as suas versões. Ela funciona comparando assinaturas coletadas na própria Unidade Geradora para realizar a sua monitoração, seja de forma contínua (on-line) ou periódica (off-line). A estratégia apresenta como vantagem a redução do número de “Alarmes Falsos” e “Não Detecções” do processo de monitoração da condição, aumentando a representatividade dos alarmes identificados, bem como reduzindo o número de alarmes gerados. Além disso, para componentes ou parâmetros que não existam Normas, recomendação do fabricante ou histórico, essa é a única estratégia efetiva que pode ser utilizada.
No Sistema MDM as assinaturas também são conhecidas como Referências, sendo essa, uma característica avançada do Sistema e que possibilita a avaliação extremamente precisa da degradação da condição operacional da Unidade Geradora. Ela funciona comparando a assinatura atual com a inicial (condição sem defeitos). Além disso, as Referências são classificadas por pontos de operação, viabilizando a comparação dos dados para a mesma condição de operação e evitando alarmes falsos decorrentes das diferenças naturais do comportamento da UG.
- CASO REAL – PRIMEIRA PARTE – MONITORAÇÃO
No segundo semestre de 2019 o Sistema MDM identificou alguns alarmes nos acelerômetros (SA-GER-RD_0 e SA-GER-RD_180) instalados no gerador da Unidade 02, de uma Usina de Hidrelétrico de grande porte localizada no estado de Santa Catarina. Foram identificados alarmes para o valor RMS e para o valor da energia nas bandas que correspondem aos múltiplos do dobro da frequência da rede, ou seja, 120 Hz, 240 Hz, 360 Hz (freq_elet_mult_sup).
É fundamental que esses alarmes foram identificados pela função de Monitoração Baseada no Ponto de Operação do Sistema MDM. A figura abaixo apresenta o trecho do relatório gerado pelo Sistema e enviado de forma automática por e-mail, no qual são apresentados exemplos dos alarmes gerados.
Figura 1 – Tabela de alarmes padrão do Sistema MDM.
Avaliando os resultados acima, é possível observar que, houve aumento superior a 200 % para o valor RMS e de aproximadamente 1790 % para o teste de frequências elétricas (freq._elet_mult_sup), para a UG operando próximo a sua potência nominal (292,40 MW). Prosseguindo o processo de análise, avaliando os sinais dos acelerômetros, foi possível confirmar o aumento da amplitude na banda de frequência em torno de 240 Hz no seu espectro, conforme pode ser visto na Figura 2.
Figura 2 – Sinais dos acelerômetros gravados nos registros, com zoom na banda de frequência de 240Hz.
Considerando os sintomas apresentados na seção sobre o modo de falha Afrouxamento do Estator do Gerador, um Engenheiro com esse conhecimento seria capaz de identificá-lo analisando o Relatório de Alarmes do Sistema MDM e o espectro dos sinais dos acelerômetros. Porém, essa estratégia de identificação é pouco conhecida pelos Engenheiros das Usinas Hidrelétricas.
Na próxima seção apresentaremos como a função de Diagnóstico Automático do Sistema MDM identifica o Afrouxamento do Núcleo do Estator do Gerador.
- CASO REAL – SEGUNDA PARTE – DIAGNÓSTICO AUTOMÁTICO
O Sistema MDM possui uma capacidade extremamente interessante para Usinas com equipes muito enxutas e que não possuem especialistas em análise de vibração em seu quadro. A função de Diagnóstico Automático, através de técnicas de Inteligência Artificial é capaz de identificar qualquer modo de falha configurado no Sistema.
A função de Diagnóstico Automático Precoce baseado em Conhecimento de Engenharia do Sistema MDM realizada a automação do processo de identificação dos modos de falha que estão se desenvolvendo nos equipamentos monitorados. Como a função realiza a identificação a partir de conhecimento não existe a necessidade de investir tempo no treinamento de algoritmos. A figura abaixo apresenta o conhecimento relativo ao Afrouxamento do Núcleo do Estado do Gerador.
Figura 3 – Representação do Conhecimento no formato de Árvore de Falha.
O resultado do processo de inferência da função de Diagnóstico Automático é um Relatório informando a lista de modos de falha que estão se desenvolvendo na Unidade Geradora, as respectivas descrições, análises e grau de certeza, que pode ser interpretado como um número proporcional à severidade.
- RESULTADOS
Ao receber o e-mail com os Relatórios de Alarme e de Diagnóstico à equipe de Suporte Técnico da MD entrou em contato com os profissionais da Usina para informar o que foi observado no Relatórios e solicitar informações adicionais para confirmar o comportamento vibratório observado.
Após a realização da manutenção, ocorrida em agosto de 2019, foram obtidas algumas informações com a equipe da Usina sobre a manutenção, sendo as mais relevantes as apresentadas a seguir:
- Todos os tirantes de travamento do estator foram reapertados, o lado de jusante apresentava-se ligeiramente solto;
- As chavetas de travamento dos polos do rotor foram testadas, constatando boa fixação;
- Ao testar as chavetas de travamento da cruzeta superior no concreto, foi constatado que a número 02 de 04 se movimentaram.
.
Conforme pode ser observado nos gráficos a seguir, após a parada de manutenção e realização dos ajustes no estator do gerador é possível observar a redução da amplitude de vibração dos acelerômetros:
Figura 5 – Valores do teste de RMS nos acelerômetros do estator ao longo de 1 ano.
Figura 6 – Valores do teste freq._elet_mult_sup nos acelerômetros do estator no período de 1 ano.
- CONCLUSÃO
A função de Diagnóstico Automático Precoce baseado em Conhecimento de Engenharia, além da monitoração baseada no ponto de Operação do Sistema MDM é extremamente eficaz para identificar os modos de falha que estão se desenvolvendo nas Unidades Geradoras e em outros ativos, como transformadores, aerogeradores, turbinas.
A abordagem de Diagnóstico é melhor alternativa quando não existem dados para realizar o treinamento de algoritmos baseado em casos de falha.
- REFERÊNCIAS
[A] – Griscenko, M. Vitols R. STATOR CORE VIBRATION AND TEMPERATURE ANALYSIS OF HYDROPOWER GENERATION UNIT AT 100 HZ FREQUENCY. Engineering For Rural Development.Jelgava. 2015.
[B] – Bate, H. G. VIBRATION DIAGNOSTICS FOR INDUSTRIAL ELETRIC MOTOR DRIVES. Bruel & Kjaer. Naerum.
[C] – Freire, E. Paraná. Páginas 4-5. VIBRAÇÕES EM HIDROGERADORES FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS SA. Página 3. Encontro Nacional de Monitoramento, III ENAM. 2006.
[D] – DETECTING LOOSE WINDINGS IN HYDROELECTRIC GENERATORS. Bruel&Kjaer.Naerum
Sobre os Autores:
Daniel Pinheiro
Engenheiro Mecânico Sênior na MDM Sistemas
Especialista em Monitoramento de Vibração e demais parâmetros para avaliação das condições operativas de hidrogeradores e outras máquinas operativas.
Sanderson Souza
Gerente de Engenharia da MDM Sistemas
Mestre em Engenharia Mecânica, COPPE/UFRJ. Possui vários artigos publicados em congressos nacionais e internacionais, nas áreas de monitoração da condição, processamento de sinais para diagnóstico de máquinas e aplicação de inteligência artificial para diagnóstico de falhas em máquinas.