ANÁLISE DOS MODOS DE FALHA E EFEITOS FMEA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO DE UMA TURBINA A GÁS EM UMA USINA TERMELÉTRICA

ANÁLISE DOS MODOS DE FALHA E EFEITOS FMEA DO SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO DE UMA TURBINA A GÁS EM UMA USINA TERMELÉTRICA Ailton da Silva Ferreira Pós-doutorando em Engenharia de Reservatórios de Petróleo/UENF Professor Adjunto da Universidade Federal Fluminense/UFF ailtonsilvaferreira@yahoo.com.br Denise Cristina de Oliveira Doutora em Engenharia e Ciência dos Materiais/UENF dcristina@uenf.br Gilson Batista Junior Doutor em Ciências de Engenharia/UENF Junior.Gilson@uol.com.br Alcimar das Chagas Ribeiro Doutor em Ciências de Engenharia/UENF alcimar@uenf.br Alander Ornellas Mestre em Engenharia de Produção/UENF alander@petrobras.com.br Rodrigo Resende Mestre em Engenharia de Produção/UENF rodrigo@uenf.br RESUMO No setor elétrico, a qualidade em seus sistemas é de extrema importância, pois este setor trabalha de forma interligada, em que a ocorrência de problemas em uma unidade geradora, interfere no sistema de transmissão e, conseqüentemente, no cliente final. Este trabalho tem por objetivo a utilização do FMEA (Análise dos Modos de Falha e Efeitos), como uma ferramenta para análise das ocorrências de falhas e aumento da confiabilidade de um sistema numa usina termelétrica. O sistema escolhido na usina termelétrica para execução do FMEA é o de proteção contra incêndio do turbo-gerador. A metodologia utilizada no desenvolvimento deste trabalho está na formação de uma equipe multidisciplinar para a realização de brainstormings (tempestade de idéias), mapeamento das causas e efeitos das falhas e utilização de ferramentas de construção e discussão do FMEA. Os resultados mostraram-se eficientes no dia a dia sendo importantes no aspecto cognitivo dos empresários e funcionários. Palavras-chave: Turbo Gerador, FMEA, Termoelétrica. ABSTRACT In the electric section, the quality in their systems is very important, because this section works in an interlinked way, in that the occurrence of problems in a generating unit, interferes in the transmission system and, consequently, in the final customer. This work has for objective the use of FMEA (Analysis of the Manners of Flaw and Effects), as a tool for analysis of the occurrences of flaws and increase of the reliability 1

of a system in a term-electric plant. The chosen system in the term-eletric plant for execution of FMEA is it of protection against fire of the darken-enerating. The methodology used in the development of this work is in the formation of a multi-discipline team for the accomplishment of brainstormings, indicating the causes and effects of the flaws and the use of construction and discussion tools of FMEA. The results were shown efficient in the day by day being important in the entrepreneurs' cognitive aspect and employees. Keywords: Analysis of the Manners of Flaw and Effects (FMEA); term-eletric plant; electric section 1. Introdução Os estudos foram desenvolvidos em uma Usina Termelétrica, aplicando um estudo de caso em um de seus sistemas. A geração de energia elétrica é o produto final, mas a disponibilidade para geração sem a ocorrência de falhas é o foco principal da operação e integração da usina em todo sistema elétrico. A Análise dos Modos de Falhas e Efeitos (FMEA) surgiu em meados dos anos 60 pela NASA, posteriormente, teve uma ampla divulgação nas indústrias aeronáuticas por volta dos anos 70. Esta ferramenta passou a ser utilizada na indústria automobilística na década de 80, ampliando-se para seus fornecedores na indústria de autopeças. A norma americana QS 9000, por exemplo, desenvolvida pelas grandes montadoras nos Estados Unidos, Ford, Chrysler e GM, especifica o FMEA como técnica de análise e prevenção de falhas (ALVES; COSTA, 2004). Segundo Hellman e Andery (199) o FMEA auxilia eficientemente na etapa de busca das causas primárias dos problemas, objetivando a eliminação das causas com a elaboração de planos de ação. Utilizando um conjunto de critérios para priorizar as ações gerenciais na solução de problemas. Para Palady (2007) o FMEA é uma técnica que oferece três funções distintas: é uma ferramenta para prognóstico de problemas; é um procedimento para desenvolvimento e execução de projetos, processos ou serviços novos ou revisados; é um diário do projeto, processo ou serviço. A utilização desta ferramenta implicará na diminuição das chances do produto ou processo falharem durante sua operação, ou seja, está se buscando aumentar a confiabilidade, que é a probabilidade de falha do produto/processo (ALMEIDA; ALMEIDA, 1998). Arthur e Silva (200) contribuem ao definirem confiabilidade como sendo a capacidade de um produto desempenhar a sua função sem falhar quando submetido a condições especificadas durante um período de tempo determinado ou número mínimo de ciclos ou eventos. Carvalho (200) acrescenta os conceitos anteriormente citados e conceitua a confiabilidade como uma característica relacionada pela probabilidade de que o produto realize uma função esperada, entre um intervalo de tempo e sob condições de uso para o qual foi criado. Normalmente é representada com base em parâmetros médios de números de falhas ou do intervalo de tempo entre falhas. Este artigo tem como objetivo aplicar uma ferramenta da qualidade, que melhore o nível de confiabilidade no sistema de combate a incêndio, em uma turbina a gás, reduzindo a taxa equivalente de indisponibilidade forçada na Usina Termoelétrica em Macaé/RJ. A seguir são tecidos alguns comentários sobre gestão da qualidade, FMEA (Modo de efeitos de falhas) e termoelétricas. Finalmente, é apresentada a aplicação realizada na empresa em estudo, seguida das considerações finais. 2. A evolução da melhoria da qualidade A qualidade pode ser observada desde o início das atividades manufatureiras, quando a produção era totalmente artesanal onde os mestres-artesãos usavam a observação como instrumento de controle da qualidade, objetivando evitar falha no processo de manufatura (ADAM; FOSTER, 2000). A Segunda Guerra Mundial teve uma grande influência na qualidade durante a década de 40, pois o volume de produtos era maior e o tempo disponível para a inspeção no processo era menor, consolidando assim o controle estatístico por amostragem (GARVIN, 1992). No período pós-guerra, a partir do meado do século XX, há uma grande evolução no gerenciamento das empresas, principalmente no Japão, motivada pela recuperação de sua economia. Desenvolveram-se 2

quatro elementos básicos no processo de evolução da qualidade: a Quantificação dos Custos da Qualidade, o Controle Total da Qualidade, a Engenharia da Confiabilidade e o Programa de Zero Defeito. Inicia-se, assim, a Era da Garantia da Qualidade. (GARVIN, 1992; IRVINE, 2000). Ainda na década de 0, Armand Feigenbaum apresentou um conceito mais avançado, o Controle Total da Qualidade. A qualidade fazia parte de toda cadeia produtiva, vista como uma estratégia competitiva (NILSSON et al., 200; MIZUNO et al., 1993). A aplicação dos programas de qualidade deu origem às certificações ISO, que incorporam rigorosos parâmetros de avaliação do desempenho organizacional, avaliando as conformidades determinadas pela organização, através de processos internos como procedimentos, padrões e normas. Assim a norma ISO 9000 era utilizada como critério qualificador, no caso da seleção de fornecedores, eliminando assim, a necessidade de enormes contingentes de auditores, passando a utilizar as certificações e as auditorias de terceira parte, credenciadas para este fim. Neste âmbito várias ferramentas da qualidade foram desenvolvidas entre elas o FMEA. 3. Análise dos Modos de Falha e Efeitos (FMEA) O setor elétrico nacional, cada vez mais, vem buscando disponibilidade de geração de suas unidades geradoras de energia elétrica; sendo assim, faz-se necessário o uso de ferramentas eficientes na minimização de falhas (BRAGLIA; MAFMA, 2000). O FMEA é uma técnica de engenharia utilizada para definir, identificar e eliminar falhas conhecidas ou potenciais, de sistemas, projetos, processos e/ou serviços (STAMATIS, 2003, CARBONE & TIPPETT, 2004). Segundo Palady (2007), o FMEA, quando utilizado como ferramenta, é uma técnica de baixo risco e alta eficiência para prevenção de problemas e identificação das soluções mais eficazes em termos de custo. Essa ferramenta tem grande êxito quando a sua aplicação é realizada em equipe, pois as melhores avaliações são extraídas de um conjunto de idéias. As vantagens e desvantagens de cada abordagem podem ser estimadas relacionando-se custo e benefício associados a cada uma. O desenvolvimento do FMEA realizado por uma equipe tem seus custos maiores se comparado a um desenvolvido individualmente; porém são maiores as chances de melhor identificação e prevenção dos modos de falha quando desenvolvido por uma equipe, e o retorno de qualidade/confiabilidade supera os custos de desenvolvimento e manutenção do FMEA (COTNAREANU, 1999; FERNANDES, 200). O FMEA é considerado uma ferramenta pro ativa, pois analisa problemas potenciais antes mesmo que eles ocorram sem a necessidade de se criar protótipos ou esperar o problema acontecer durante sua operação; devida a essa subjetividade, este método requer um trabalho de suposição em relação às possibilidades e à sua prevenção, utilizando das experiências práticas acumuladas pelos especialistas nos projetos, processos ou serviços. Neste contexto, de acordo com Gilchrist (1994) e Magalhães (2008), desde o desenvolvimento do FMEA, em meados dos anos 60, surgiram duas modalidades derivadas deste método. FMEA de projeto FMEA de processo São cinco elementos básicos que devem compor a estrutura do FMEA, a falta de algum desses elementos pode prejudicar sua eficácia ou seu sucesso, em termos de qualidade/confiabilidade, os resultados podem ser mínimos ou nulos. Os elementos básicos de FMEA são mostrados na figura 1 (GILCHRIST, 1994): 3

Planejando o FMEA Modos de Falha Causa Efeitos Ocorrência Severidade Detecção Interpretação Acompanhamento Figura 1: Elementos Básicos do FMEA. Fonte: Adaptado de Palady, 2007 Após definir as funções que desempenham os produtos/processos são classificados e listados as suas causas e seus efeitos (PUENTE et al., 2002). O processo seguinte é criar um esquema para identificar os modos de falhas mais importantes, quantificando e classificando cada uma das três categorias, como mostrado na figura 2. Modos de Falha Causas Efeitos Ocorrência Detecção Severidade Figura 2. Abordagem dos Modos de Falha. Fonte: Adaptado de Palady, 2007 4. O contexto das usinas termelétricas no Brasil A geração de energia elétrica no Brasil tem em sua história, uma forma diferenciada na utilização de suas fontes de energia em relação à média mundial. O Brasil utiliza seu grande parque hídrico para geração de energia elétrica, enquanto a média mundial utilizou ao longo de sua história a dependência de fontes energéticas fósseis (MOREIRA, 2002; ONS, 2002). O governo, prevendo o crescimento da demanda de energia elétrica, criou em 2000, o Programa Prioritário de Termoeletricidade, incentivando a implantação de termelétricas no país, aumentando assim a importância das termelétricas na matriz energética brasileira (MOREIRA, 200; SEGISMUNDO, 2008). Em 2001, no auge da crise energética brasileira, as termelétricas foram construídas em caráter de emergência, por se tratar de um empreendimento de curto prazo, comparado à construção de uma hidrelétrica. A figura 3 mostra o aumento da geração de energia no Brasil nos anos de 2007 e 2008, dado o crescimento dos setores produtivos brasileiros e a compensação dos níveis dos reservatórios. 4

Termelétrica - Geração (GW) 400 4000 300 3000 200 2000 100 1000 00 0 2007 2008 Jan Mar Mai Jul Set Nov Figura 3: Geração Elétrica (GW). Fonte: Operador Nacional do Sistema Elétrico - ONS/2008 Nas usinas termelétricas, são utilizadas máquinas térmicas para geração de eletricidade, transformando a energia térmica em trabalho, o combustível utilizado vem de diferentes fontes como: gás natural, óleo diesel, bagaço de cana, carvão mineral, etc. As máquinas podem ser agrupadas de acordo com o tipo de combustão: combustão interna (motores e turbina a gás) ou combustão externa (Turbina a vapor) (MOREIRA, 200). Outro tipo de turbina utilizada nas termelétricas é a turbina a vapor, que tem a função de transformar a expansão do vapor produzido nas caldeiras e gerar trabalho, conforme mostrado na figura 4. Abaixo são citados alguns tipos de turbinas a vapor (MOREIRA, 200): Contra-Pressão O vapor após expandir-se na turbina é destinado a algum outro processo ou liberado para a atmosfera. É a turbina mais simples e é utilizada, principalmente, em circuitos de cogeração. Extração-Contrapressão Quando os processos a jusante da turbina operam em mais de um nível de pressão adotam-se turbinas com extração do vapor. Existem sistemas com extrações controladas (válvulas de controle) e outros em que a vazão de extração é função das condições de escoamento na turbina e pressões de processo. Extração Condensação O vapor após deixar a turbina cede calor em um condensador, trocando de fases e sendo novamente bombeado à caldeira. A turbina pode apresentar extração de vapor para processo. Neste sistema, a flexibilidade de operação é muito maior e o condensador absorve a variação de carga quer na demanda de energia elétrica, quer na demanda de vapor para processo.

Caldeira Vapor Combustível Turbina Gerador Bomba de Água Eletricidade Água Condensador Figura 4: Esquema simplificado - Turbina a vapor. Fonte: MONTICELLI, A. & GARCIA, 2003. O sistema de proteção contra incêndio do turbo-gerador também é composto por um sistema de detecção de gás combustível. Esse sistema conta com três conjuntos sensor/transmissor, sendo que os sensores estão localizados dentro do compartimento da turbina, enquanto os transmissores encontram-se na parte externa. Existem dois níveis de alarme de detecção de gás, sendo um com atuação de 20% LEL (Lower Explosive Limite) e outro em 60% LEL; o nível mais baixo (20%) é responsável por alertar a existência de gás e a atuação de 60% de presença de gás é responsável pela parada automática do turbo-gerador, com o acionamento dos exaustores para a retirada dos gases. Os sistemas de proteção existentes na planta foram projetados e calculados de acordo com as normas e códigos da National Fire Protection Association (NFPA). A figura ilustra a localização e o número de sensores que compõe o sistema de proteção contra incêndio da turbina e do gerador. Exaustão Ar Resfriamento Exaustão Exaustão HC-033 Ar Resfriamento BD-031 Ar Resfriamento Compartimento do Gerador BD-034 HC-032 HC-03 BD-013 BD-010 Compartimento da Turbina BD-011 Compartimento de Combustível HC-036 BD-012 AD-020 AD-023 AD-021 Qnt 4 6 3 Sensores Detector Térmico Detector Ótico Detector Gás de Figura : Distribuição dos sensores nos compartimentos do Turbo-Gerador. Fonte: MONTICELLI, A. & GARCIA, 2003. 6

. Análise e aplicação do FMEA na termoelétrica A equipe de construção do FMEA a partir do diagrama de blocos como representado na figura 6, pode separar o sistema de proteção em três partes, assim o entendimento fica uniformizado. ENTRADA PROCESSAMENTOO SAÍDA SENSOR DE GÁS SINAL LUMINOSO SENSOR DE CALOR Modulo de Controle SINAL SONORO SENSOR DE CHAMA ACIONAMENTO MANUAL LIBERAÇÃO CO2 Figura 6: Diagrama de blocos do sistema de proteção contra incêndio. Fonte: MONTICELLI, A. & GARCIA, 2003 O primeiro brainstorm é realizado em função dos componentes de entrada, classificando seus modos de falha e seus efeitos, avaliando a severidade e a detecção. A causa da falha é identificada utilizando outra ferramenta: Diagrama Ishikwa. Quanto à ocorrência, a equipe utiliza dados históricos relacionados às quantidades de falhas ocorridas nesse sistema. Como resultados deste trabalho, seguem os quadros com o FMEA de cada componente do sistema de proteção contra incêndio. A equipe escolhida para desenvolver este FMEA, é composta por quatro integrantes, a fim de obter o máximo de aproveitamento com a troca de experiência desses profissionais. A equipe foi formada por (STASHEVSKY; ELIZUR, 2000): 01 Engenheiro Elétrico 01 Engenheiro de Produção 01 Operador 02 Técnicos de Manutenção Ao realizar o levantamento da documentação do sistema de proteção contra incêndio, foi definido que o sistema seria dividido em subsistemas e seus componentes seriam tratados no FMEA por sua funcionalidade. Para um entendimento melhor da funcionalidade dos subsistemas e seus componentes, foi construído um diagrama de blocos, conforme as Figura 7 (FMEA- Sensor) e 8 (FMEA Strobe Light): 7

Planilha: Análise de Falhas - FMEA Processo: Proteção contra incêndio do turbo-gerador UG01 Sistema: Detecção de Gás. Equipamento: Sensor de Gás Planilha N : 01 Revisão: 0 Coordenador: Gilson Equipe: Data: 28/10/08 Folha: 1/1 Descrição do Item: O sistema de detecção de gás é composto por três sensores, sendo dois sensores localizados no compartimento da turbina e um no compartimento de combustível. O sinal dos sensores é enviado aos transmissores, que são responsáveis por transmitir os sinais ao controlador. Ao se detectar a presença de gás ao nível maior que 60% de concentração, o controlador envia um sinal de desligamento da UG (unidade geradora). Ítem Função Modo de Falha Efeito da Falha Causa da Falha SEV OCO DET RPN Ações Recomendadas RESP FREQ. DA TAREFA PRAZO AD-020 - Sensor de Gás Medir a concentr ação de gás a nível de 0% a 100% Saturação do elemento sensor 1-Falha no sistema 2-Erro na medição 1- Vapor de óleo 2- Poeira 3-Perda de sensibilidade natural 6 6 6 4 2 120 60 10 Limpeza do compartim ento, sempre que houver vazamento de óleo. Calibração do sensor. Operação Manutenção Ocasional 4 dias Imediato 30 dias Queima da unidade eletrônica 1-Falha no sistema 2- Indisponibiliza a UG. 1- Baixa isolação. a) vapor de óleo 7 3 10 Limpeza do compartim ento, sempre que houver vazamento de óleo. Operação Ocasional Imediato Figura 7: FMEA Sensor de Gás. Fonte: Própria SEV: OCO: DET: RPN: Legenda: Severidade Ocorrência Detecção Índice de Prioridade de Risco 8

Planilha: Análise de Falhas - FMEA Processo: Proteção contra incêndio do turbo-gerador UG01 Sistema: Sinalização luminosa. Equipamento: Strobe Light. Planilha N : 06 Revisão: 0 Coordenador: Gilson Equipe: Data: 28/10/08 Folha: 1/1 Descrição do Item: Quando existe uma condição de alarme no sistema de proteção contra incêndio, é acionado um aviso luminoso, onde a strobe emite luz da cor vermelha, indicando uma emergência no local. Ítem Função Modo de Falha Efeito da Falha Causa da Falha SEV OCO DET RPN Ações Recomendada s RESP FRE Q. DA TAR EFA PRAZO XL-128 Strobe Light Sinal luminoso quando se há presença de alarme no sistema de incêndio. Queima da lâmpada 1- perda da sinalização luminosa durante uma condição de alarme. 2- Sinal de alarme no módulo de controle, indisponibilizando o sistema. 1- Baixa isolação. a) alta umidade 2- Vida útil da lâmpada. 4 7 2 3 40 10 Desenvolver plano de manutenção preventiva. Manutenção 180 dias 30 dias Figura 8: FMEA Strobe Light. Fonte: Própria SEV: OCO: DET: RPN: Legenda: Severidade Ocorrência Detecção Índice de Prioridade de Risco A análise das Figuras 7 e 8 demonstra a necessidade de implementação de novos sistemas de segurança e melhorias prementes no sistema da fabrica. 6. Considerações Finais O setor elétrico é composto por vários sistemas como: geração, transmissão e distribuição. O estudo focou o sistema de geração e apresentou um estudo de caso a um sistema específico, que foi o sistema de proteção contra incêndio de uma turbina. Para empresa de geração de energia elétrica, o trabalho vem a contribuir para redução de seus custos, mapeando as falhas dos seus sistemas tornando-os mais confiáveis, assim evitando multas por alta taxa de indisponibilidade forçada TEIF, índice este utilizado pela Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, que mensura a confiabilidade das Usinas Geradoras. Para formação acadêmica, o trabalho tem contribuições imensuráveis, pois é resultado do conhecimento em evolução, é a utilização da Engenharia de Produção ao bem estar comum, contribuindo com a melhoria da geração de energia elétrica e não apenas a redução de custos e maximização dos lucros. As recomendações documentadas no FMEA encontram-se em fase de implantação, assim, uma avaliação comparativa com os dados históricos, fica impossibilitada. Os resultados não dependem apenas de uma avaliação comparativa, pois alguns benefícios podem ser percebidos imediatamente. As falhas foram mapeadas e os tratamentos foram apresentados; fatores que influenciam positivamente no aumento da confiabilidade. 9

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