15 de Octubre
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Gestión del Mantenimiento a Generadores eléctricos aplicando el método de Mantenimiento Basado en la condición

Este artículo presenta la implementación de un modelo de mantenimiento en generadores eléctricos basado en la condición, aplicando la metodología del Índice de salud y matriz de riesgo, procesos alineados a los principios de Gestión del Ciclo de vida, Revisión y Riesgo, Conocimiento de los activos y Toma de decisiones, conceptos claves de un modelo de gestión de activos. Cuando se labora en una empresa eléctrica de alcance nacional con equipos de generación de muy variables capacidades (desde 0.5 MW hasta 650 MW), diferentes tecnologías (hidráulica, térmica, ciclo combinado hasta nucleares) y vida útil que va desde 1 año y mayores de 40 años se debe tener un método que homologue a través de un indicador el estado de los activos, así como el riesgo de falla y poder tomar las mejores decisiones en cuanto a la asignación de recursos humanos, técnicos, materiales, económicos así como las tareas de mantenimiento, a fin de lograr un balance entre las inversiones de capital, los costos de mantenimiento y rendimiento operativo de los activos y en caso de ser necesario, contar con las justificaciones económicas y técnicas para los proyectos de remplazo de los activos.

El Índice de Salud (IS), el primer valor que se determina en este estudio, es un valor que está dado en términos de porcentaje el que se cuantifica con un 100% al generador que por sus características y condición se puede considerar “como nuevo” y 0% como equipo que se encuentra al final de vida operativa, se evalúa mediante la asignación de pesos y puntuaciones de los parámetros de condición que combina los resultados de las variables operativas, las inspecciones de campo, el estado de los componentes y las condiciones ambientales en sitio en un índice objetivo y medible cuantitativo, proporcionando la salud general del activo que junto al impacto de una eventual falla podemos determinar el riesgo, complemento de información para la toma de decisiones de mantenimiento. Mientras que la Matriz de riesgo, es la correlación gráfica entre la condición y el impacto de una falla, este último valor basado en la capacidad, tipo de operación e importancia para el sistema eléctrico.

Introducción

Existen diversas teorías referentes al tiempo de vida útil que debe tener un generador eléctrico, pero en promedio se considera que en condiciones continuas de operación duran en operación 30 años, esta afirmación depende de muchos factores involucrados, en el caso de la empresa, los generadores actualmente en funcionamiento tienen una vida útil promedio de 40 años, lo que se ha logrado entre otras cosas por adecuados mantenimientos y recursos importantes que cada vez son más escasos y por lo tanto se deben optimizar. Es por este motivo que para poder incrementar el tiempo de vida útil de un generador sin afectar las finanzas, disponibilidad y factor de planta, desde la concepción se deben consideran las condiciones, operativas, ambientales incluso de mantenimiento que influyen en el proceso de envejecimiento, deterioro y daño de los componentes para su adecuado monitoreo y control buscando el mayor rendimiento operativo de un equipo, así como prolongar su tiempo de operación, incrementando las ganancias de la organización como parte de un adecuado proceso de Gestión de Activos.

Esta metodología identifica y evalúan los factores influyentes más comunes y de mayor impacto en generadores eléctricos y los parametriza de forma que se logre realizar un Diagnóstico Integral y evaluar el Riesgo del activo y calcular:

  • Índice de la Condición.
  • Impacto.
  • Matriz de Riesgo.
  • Vida útil residual.

Los índices mencionados son las herramientas que se utilizan para programar actividades específicas de mantenimiento de los activos, reduciendo tiempos de parada, identificando los factores causales de deterioro, solicitando con tiempo los recursos necesarios para realizarlo, tomar decisiones de mantenimiento y reemplazo de componentes para mejorar su disponibilidad, así como para identificar el momento oportuno en el que es conveniente iniciar la gestión de reemplazo del activo considerando su condición.

Para lograr la parametrización de los factores influyentes se utiliza una metodología aplicada a nivel internacional para implementar el mantenimiento basado en la condición principalmente en la gestión de transformadores eléctricos y equipos de subestaciones que toma cuenta las propiedades y parámetros de condición relacionados específicamente con la degradación acumulativa a largo plazo y que dan como resultado el fin de vida de los activos.

Los parámetros evaluados son los Parámetros de Condición (PC) o Índices de la subcondición, los cuales se identifican como cualquier variable física que revele información acerca de las características de desempeño de un equipo o componente.

Los parámetros de la condición que se considera son los más críticos en generadores eléctricos que se evalúan son los parámetros eléctricos entre los que destacan las características dieléctricas de los aislamientos y la capacidad de conducción de los conductores, parámetros mecánicos como la conformación geométrica de los devanados y condición de los devanados, parámetros de limpieza y parámetros operativos. Estos parámetros se verán afectados durante su vida útil por diferentes condiciones operativas y factores de deterioro que van a traducirse en 4 tipos de esfuerzos individuales y combinados que afectarán el estado de sus componentes y por lo tanto su salud, estos son térmicos, eléctricos, ambientales y mecánicos. Cada uno de estos parámetros de condición tendrá un comportamiento particular y las pruebas y mediciones realizadas durante la operación como el mantenimiento indicarán que tanto se han visto afectados estos parámetros.

Factores de deterioro eléctricos

Uno de los diversos factores de deterioro relacionado a esfuerzos eléctricos está asociado con el fenómeno de descargas parciales (DP) actividad que se presenta en el entorno del sistema de aislamiento y que se presenta con la máquina energizada la cual por efecto de campo eléctrico ioniza el gas en el entorno del circuito produciendo pequeños arcos eléctricos de baja magnitud y de alta tasa de repetición que se presentan como causa del proceso de deterioro y en otras ocasiones es efecto del mecanismo de erosión de diversos componentes del aislamiento.

Devanado afectado por descargas parciales a la ranura
Devanado afectado por descargas parciales a la ranura

Factores de deterioro térmico

Algunos de los factores térmicos que influyen directamente en la condición de los generadores está relacionado con el proceso de operación (ciclos de carga) y otra por el sistema de enfriamiento y por lo tanto la temperatura del devanado. La fuente del calentamiento del devanado del estator está regida por la relación de pérdidas I2R en el conductor, por lo que siempre será este punto el de mayor temperatura en un estator y es la zona donde se comenzarán a presentar las primeras evidencias de deterioro del aislamiento.

Devanado delaminado por efecto térmico
Devanado delaminado por efecto térmico
 

Factores de deterioro mecánico

Algunas fallas de generadores por factores mecánicos, están originadas a vibraciones, este problema se presenta en ocasiones cuando los cabezales no son adecuadamente amarrados, en estos casos, las bobinas vibran dentro de las ranuras del núcleo degradando gradualmente el aislamiento.

Devanado dañado por vibración de bobinas
Devanado dañado por vibración de bobinas

La vibración generada tendrá un punto de apoyo donde se presentará un efecto de pivote a la salida de la ranura del estator en la zona de cabezales, por lo tanto, el devanado en esta área requiere soporte contra la vibración mecánica impulsada por fuerzas magnéticas y mecánicas.

Factores ambientales

La contaminación es un problema originado por factores ambientales que se observan principalmente en generadores de tipo abierto, con sistema de enfriamiento de aire forzado. A pesar de que se cuenta con filtros para el aire de enfriamiento, si los niveles de contaminación son elevados, las partículas contaminantes son capaces de ingresar al estator depositándose en el núcleo y los cabezales del estator. La contaminación acumulada propicia la ionización del aire que ocasiona que las bobinas se vean sometidas a la acción de las descargas parciales a la tensión de operación.

Devanado contaminado afectando
Devanado contaminado afectando

Para poder determinar los efectos presentados por los factores de deterioro antes mencionados, los Parámetros de la Condición se van a dividir por su parte en Parámetro Relevante de Condición (PRC) que son los que describen una característica específica del activo cuyo valor numérico indica y cuantifica la condición de un equipo o componente en cualquier instante de su vida operativa.

Los parámetros relevantes de la condición son todas y cada una de las mediciones operativas y pruebas de diagnóstico rutinarias que se realizan a los generadores, estas pueden ser fuera y dentro de línea, las cuales presentan un panorama de cómo es el desempeño operativo de la máquina, el aislamiento, estructura y conductores tanto del estator como del rotor, cada uno de ellos presenta un peso específico propio y característico de acuerdo con la importancia del resultado que nos esté indicando.

Parámetros eléctricos: son aquellos que indican el estado que guarda el aislamiento, capacidad de conducción eléctrica rigidez dieléctrica del aislamiento, parámetros que se evalúan con las mediciones de corriente de fuga en la prueba de factor de potencia (pérdidas dieléctricas), resistencia al aislamiento, descargas parciales, resistencia de devanados en el estator, impulso e impedancia en el rotor y detección de imperfecciones electromagnéticas en el núcleo (ELCID).

Parámetros mecánicos: corresponden a la condición de pinturas semiconductoras, rigidez de los componentes, la solidez y contacto de los conductores o la compactación y geometría de los aislamientos del estator y el rotor, parámetros que se evalúan con el análisis de pruebas como descargas a la ranura, frecuencias naturales en cabezales, medición de capacitancia en el estator y respuesta a la frecuencia en el caso del rotor.

Parámetros de limpieza: son los que indican que el aislamiento no se encuentra afectado por humedad o contaminación y esos los podemos determinar mediante evaluaciones como las pérdidas en la prueba de factor de potencia, resistencia del aislamiento y el índice de polarización.

Parámetros operativos: estos datos expresan la forma en la que opera la unidad y los podemos determinar con el factor de planta, factor de carga, temperatura de operación y tiempo de operación.

Para que un PC sea un PRC, debe cumplir con los siguientes requisitos:

  1. Caracterizar la condición del equipo.
  2. Ajustar su valor continuamente durante su vida operativa.
  3. Describir numéricamente la condición del equipo o componente.

Para obtener el Índice de la Condición (Ic), se cuantifica antes que nada el estado de los equipos basados en las propiedades de los numerosos parámetros relevantes de condición que se relacionan a largo plazo con factores de degradación que acumulativamente lleva a un activo al término de su vida útil y de los cuales obtendremos un Índice de la subcondición que estará relacionado a cada uno de los parámetros de la condición o índice de la subcondición, en este caso, se tendrán 4 que son eléctrico, mecánico, limpieza y operativo.

Para obtener cada uno de los índices de la subcondición se sustituyen los parámetros relevantes de la condición en esta fórmula.

Donde: 

  • Isc = Índice de la subcondición 
  • Prc = Parámetros relevantes de la condición 
  • Pprc = Peso del parámetro relevante de la condición 
  • Pprcmáx = Máximo parámetro relevante de la condición 
  • βn = Coeficiente del parámetro relevante de la condición (1 cuando aplica, 0 No aplica)

Es importante destacar que, para determinar el valor de los parámetros relevantes de la condición, cada uno de los resultados está referido a criterios de evaluación normalizados dependiendo de las características particulares de cada generador, del nivel de tensión, clase de aislamiento, tecnología y tipo de enfriamiento que se traducen en un valor de calificación dependiendo el resultado de la prueba obtenida, dando un valor de 5 la mejor condición y 0 el valor de la peor condición. Por ejemplo, para la prueba de descargas a la ranura, Según la IEEE Std 1434-2000 [- Guide to the Measurement of Partial Discharges in Rotating Machinery] los límites correspondientes para determinar si existe deterioro de las pinturas semiconductoras del generador según el tipo de aislamiento el criterio es para, Mica asfáltica: 100 mA, para Mica poliéster: 30 mA y para Mica epoxi: 20 mA, esto se evalúa por niveles, entre más lejano se encuentre del valor máximo permitido, la evaluación es mejor y entre más cercano o si sobrepasa es peor la calificación, eso ocurre con cada una de las pruebas, si evaluamos un generador con aislamiento de Mica-Epoxi que tiene un valor de descarga a la ranura de 1 mA su calificación es de 5, si este valor es de 5 mA le estaremos dando un valor de 3 pero si este llegara a 20mA se le estará dando un parámetro relevante de la condición de 0, y finalmente, por tratarse de una evaluación importante, se le asigna un peso del parámetro relevante de 5.

Cada parámetro de la condición o índice de la subcondición se sustituirá en la siguiente fórmula para determinar el índice de la condición.

Donde: 

  • Ic = Índice de la condición 
  • Isc = Índice de la subcondición 
  • Pisc = Peso del parámetro del índice de la subcondición 
  • Pcmáx = Máximo parámetro de la condición 
  • αm= Coeficiente del parámetro de la condición (1 cuando aplica, 0 No aplica) 
Tabla descriptiva de los parámetros relevantes eléctricos de la condición evaluados
Tabla descriptiva de los parámetros relevantes eléctricos de la condición evaluados
Cuadro indicativo con las evaluaciones de un generador eléctrico
Cuadro indicativo con las evaluaciones de un generador eléctrico

De estas evaluaciones se determina el Índice de la Condición, que es el valor que representa el estado actual que guarda la unidad desde el punto de vista operativo, mantenimiento, calidad de sus componentes y vida útil, con el que se puede llevar la tendencia del proceso de envejecimiento y deterioro del equipo con los siguientes criterios de evaluación.

Tabla de valores de la condición de un generador
Tabla de valores de la condición de un generador

Al conocer de forma integral el estado de cada unidad se emiten recomendaciones específicas de acuerdo con la condición y los factores de riesgo identificados dando seguimiento a cada generador y comparando el estado actual con el periodo anterior de mantenimiento llevando la tendencia del estado que guardan los equipos cuidando que no empeoren los parámetros relevantes de la condición de la condición que presenten alarmas de riesgo operativo o valores fuera de rango y tomar acciones para detenerlos o mejorar su estado.

Este dato es de importancia para la central eléctrica para determinar la toma de acciones concretas de mantenimiento, además que, a partir del índice de Salud, se pueden estimar la Vida residual, los factores de riesgo, así como la matriz de riesgo.

El riesgo, de acuerdo con la ISO 31000 se expresa como la posibilidad de que ocurra un acontecimiento que tenga impacto en el alcance de los objetivos. El riesgo se mide en términos de impacto y probabilidad. En el caso de este estudio la probabilidad será el índice de la condición, mientras que el impacto lo determinaremos a través del índice importancia que representa cada una de las unidades en el sistema por capacidad y su tipo de operación aplicando la misma metodología de parámetros de la condición. El contar con el índice de la condición y el índice de importancia permite graficar ambos valores en una matriz, la cual cruzará las evaluaciones de la condición con la importancia obteniendo una matriz como la que se presenta a continuación con la siguiente tabla de riesgo.

Matriz de riesgo y criterios generales de acciones a emprender ante las evaluaciones
Matriz de riesgo y criterios generales de acciones a emprender ante las evaluaciones

La matriz de riesgo presentada está definida en términos del índice de salud y el índice de importancia en términos de valores numéricos para una condición excelente o probabilidad de falla muy baja y color verde y en el otro extremo, condición muy baja y un alto impacto para la organización en un color rojo.

De esta forma se identifican los generadores que requieren acciones inmediatas para su atención, en equipos que están en etapas de riesgo alto y muy alto se ha invertido en monitoreo en línea, reducción de carga nominal y reducir las variaciones de carga, evitar operación a cargas superior a la nominal, así como la regulación con esas unidades y reducir el tiempo entre mantenimientos para poder programar las acciones de remplazo de componentes o equipo completo dependiendo del análisis a detalle de las causas de deterioro y el grado de daño de los componentes.

Se ha podido identificar por tecnología de generación cuales son los fabricantes de generadores mas confiables y por marca cuales son los mecanismos de deterioro que afectan a cada uno de estos fabricantes, así como los componentes mas sensibles y propensos a desgaste.

Por tiempo de operación y tecnología de aislamiento se conocen cuáles soportan diferentes esfuerzos.

Esta información también ha permitido detectar las áreas de mejora en el proceso de selección de materiales, procesos de mantenimiento, tiempos entre evaluaciones, así como proveedores de servicios de mantenimiento.

Otro de los beneficios de medir y llevar el control sistemático de la condición de los equipos ha permitido actualizar especificaciones de mantenimiento, compra y fabricación de componentes de generadores todo apegado a la experiencia además de dar soporte técnico y administrativo para la justificación de remplazo de los equipos.

Conclusión

La gestión del riesgo de generadores eléctricos basado en su condición permitirá cumplir con elementos importantes considerados en un modelo de gestión de activos.

Conocimiento de activos, este elemento requiere de la experiencia de especialistas en puesta en servicio, mantenimiento, pruebas y diagnóstico, operación y protecciones que deben trabajar en conjunto para determinar las acciones y factores influyentes en el proceso de deterioro de los generadores.

El elemento de la gestión del ciclo de vida permite tener los elementos para la concepción, especificación, operación y mantenibilidad de los equipos con fundamentos técnicos que permitirán incrementar la vida útil de los generadores.

Revisión y Riesgo, un proceso sistémico y sistematizado de evaluación, seguimiento y comunicación fortalecerá la mejora en la disponibilidad, reducción de tiempos de paro por falla, reducción de fallas y gestión de riesgo al tener claro el estado que guardan los componentes, así como la causa que los origina.

 Toma de decisiones acertadas y oportunas, elemento que se facilitará al tener los datos claros y medibles seguros con información en tiempo real para incrementar los tiempos de operación óptimos y eficientes para la oferta de energía en el mercado.

Referencias

  • [1] Generators in Combustion Turbine (CT) Applications Failure Mechanisms: EPRI
  • [2] IEEE Guide for Operation and Maintenance of Turbine Generators: IEEE Std 67
  • [3] Condition Monitoring of Rotating Electrical Machines: Peter Tavner, Li Ran, Jim Penman and Howard Sedding
  • [4] La Implementación de Mantenimiento Proactivo Richard Widman
  • [5] Manual de pruebas a Generadores: Ángel Aranda Carmona
  • [6] Assessment of Power Transformers Conditions Based on Health Index Conference Paper · October 2012 CITATIONS 3 READS 1,023 7 authors, G. Tanasescu1*, O. Dragomir1, L. Voinescu1, B. Gorgan2, P. V. Notingher2, T. Suru3, C. Melintesc Simtech International University Politehnica Of Bucharest Hidroelectrica Sa – Sh Bistrita Romania

Autor: Ángel Javier Aranda Carmona
Maestría en Ingeniería eléctrica del ITESI y un posgrado en Gestión de Activos en el PMM Institute For Learning, especializado en pruebas y diagnóstico a equipos eléctrico de potencia.
Correo: angelaranda@hotmail.com

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