ESTUDO DE CASO Marathon Oil Yates Field and Indian Basin Gas Plants Iraan, Texas and Lakewood, New Mexico Constatação da Importância dos Relés Digitais de Proteção nas Instalações de Usinas de Petróleo e Gás A empresa líder na indústria de petróleo e gás, Marathon Oil, passa a utilizar os Relés SEL-351 para melhorar a estabilidade do fornecimento de energia, intensificar o controle e segurança, eliminar as interrupções de energia de alto custo e aperfeiçoar o conhecimento operacional nas duas instalações de produção de gás natural. Iraan, TX e Lakewood, NM Na área de produção de gás e petróleo, instalações industriais tais como refinarias petroquímicas e usinas de gás natural são normalmente amplas, envolvendo diversas experiências químicas, onde cada processo representa uma etapa importante dentro de um conjunto complexo. Assim como qualquer parte importante de uma operação industrial moderna, elas dependem de fornecimento contínuo e estável de energia elétrica para manter os equipamentos em funcionamento. Entretanto, diferentemente de uma usina manufatureira, quando da ocorrência de interrupção no fornecimento de energia em função de uma falta no sistema de potência ou atuação incorreta do relé de proteção, toda a produção pode se transformar em chamas, literalmente, no caso da usina de gás natural, além de ocorrer interrupção da produção e dos processos; isso representa um montante de centenas de milhares de dólares em perda de faturamento por dia. Como resultado, a maioria das instalações de grande porte de usinas de petróleo e gás mantém um sistema de geração de energia no local; sua conexão ao sistema da concessionária tem a função de um sistema de backup, uma filosofia de segurança. A proteção e monitoração adequadas dessa geração local são de grande importância para instalações do tipo das usinas de petróleo e gás Marathon Oil s Yates Field e Indian Basin Gas, localizadas respectivamente em Iraan, Texas e Lakewood, Novo México. Essas duas instalações constituem os componentes principais do ativo da Unidade de Negócios do Sul da empresa, conforme declarou Charlie Adams, engenheiro sênior da Marathon Oil. Figura 1 A maioria das instalações de grande porte de usinas de petróleo e gás mantém um sistema de geração de energia no local; sua conexão ao sistema de potência da concessionária tem a função de backup da fonte de energia. Trabalhando por quase 20 anos na indústria de gás e petróleo, sendo que os 15 primeiros foram na Exxon após ter se formado em engenharia elétrica na Texas A&M em 1983, Adams é um dos engenheiros da Marathon requisitados para fornecer suporte aos sistemas de potência que alimentam as operações do setor de produção da empresa ( company s upstream operations ). Seu trabalho em diversos projetos inclui o desenvolvimento e instalação dos sistemas de medição SCADA, controles, instrumentação e sistemas de potência. Rua Ana Maria de Souza, 61 Campinas-SP CEP: 13084-660 Tel: (19) 2103-8111 Fax: (19) 2103-8112 Pg: 1
A usina Yates tem como função principal ser uma instalação de suporte para a Yates Oil Field, atuando como uma estação compressora de grande porte que recicla gás para injeção no reservatório. primeiro projeto foi em Yates, uma situação que Adams descreveu posteriormente como francamente, um pouco assustadora. Em Yates, a concessionária tem a função de backup, uma filosofia de segurança. Os equipamentos de geração são auto-suficientes; logo, o desligamento da concessionária não significa necessariamente que a usina vai parar, porém indica que perdemos nosso sistema de retaguarda e que, portanto, é somente uma questão de tempo até que sejamos atingidos, ele declarou. De acordo com Adams, uma interrupção de energia de curta duração representa um risco real de perda do controle dos processos da usina onde funções químicas e criogênicas passam a operar fora da especificação ( off spec ). Baseando-se nos valores de mercado, isso pode custar US$ 15.000,00 somente em combustível para recompor a instalação de Yates, o qual tem de ser adquirido comercialmente. Além desses custos decorrentes do desligamento de curta duração da usina, uma interrupção de energia prolongada pode também representar uma queda significativa na produção da Yates Oil Field, a qual gera aproximadamente 20.000 barris por dia. A um custo de US$ 25,00 o barril, representa um faturamento diário em torno de US$ 500.000,00. A usina Indian Basin está muito mais exposta em função do grande volume de gás natural que entra em combustão durante uma interrupção. Operando com níveis de produção da ordem de 250 milhões de pés cúbicos por dia, se o gás natural for vendido a US$ 3,00 por mil pés cúbicos, o faturamento diário de US$ 750.000,00 transforma-se em fumaça a uma taxa aproximada de US$ 30.000,00 por hora, sem considerar os custos fixos de recomposição da instalação da ordem de US$ 100.000,00. Seus desafios no sistema de potência de Marathon começaram em 2000, envolvendo diversos problemas complicados nas instalações de dois cubículos principais. O Figura 2 Com um histórico do sistema de fornecimento de energia não confiável e registros de manutenção mostrando 1.000 desligamentos do disjuntor de interligação com a concessionária, para um total de 24 horas de interrupção de energia, a prioridade era reduzir o índice de desligamentos e aumentar a confiabilidade no fornecimento de energia para a usina. A usina de gás Yates apresentava um histórico de serviços de fornecimento de energia não confiável; um dos pontos que enfatizei inicialmente foi a definição de uma forma consistente para medir os resultados de nosso trabalho. Um dos métodos utilizados foi avaliar criteriosamente o número de desligamentos dos disjuntores dos alimentadores da concessionária que interligam com a barra; neste ponto, temos um disjuntor de interligação com a concessionária e dois grupos de equipamentos de geração que fornecem potência para a barra. Consideramos essa freqüência de desligamentos como o índice de desligamentos, ele disse. Considerando os registros de manutenção que indicavam 1.000 desligamentos do disjuntor de interligação com a concessionária em apenas três anos, o que representa aproximadamente um trip por dia, Adams percebeu que era primordial reduzir esse índice de desligamentos. Verificações adicionais mostraram uma série de problemas interligados relativos aos controles do gerador e regulador, desligamentos por potência reversa, aspectos transitórios significativos, além de relés Rua Ana Maria de Souza, 61 Campinas-SP CEP: 13084-660 Tel: (19) 2103-8111 Fax: (19) 2103-8112 Pg: 2
eletromecânicos sem confiabilidade, com históricos de manutenção questionáveis. Em conseqüência, a solução dos problemas não poderia ser efetuada a curto prazo. Os equipamentos de hardware existentes eram totalmente analógicos, sem recursos de captura do histórico de dados; dessa forma, a definição dos problemas consistia, na verdade, em uma série de suposições baseadas na experiência, uma vez que a maioria dos eventos no sistema elétrico de potência é de curta duração, além da quase total inexistência de dados indicadores do que realmente ocorreu, ele declarou. No final, o escopo do projeto incluiu a substituição dos relés não confiáveis dos alimentadores da concessionária por Relés SEL-351, instalação de dois Relés de Proteção de Geradores SEL-300G e substituição de 34 relés eletromecânicos antigos por um novo hardware da Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. (SEL). Fundada em 1984, a SEL, localizada em Pullman, Estado de Washington, USA, é uma empresa líder e inovadora no projeto e desenvolvimento de relés de sistemas de potência e tecnologia de monitoração para usuários de energia de concessionárias e indústrias. Adams tomou conhecimento da SEL pela primeira vez na Exxon, através do engenheiro da concessionária David Renfro, que recomendou a instalação do SEL-351 simplesmente para demonstrar sua capacidade de coleta de dados numa determinada aplicação. Figura 3 Confiabilidade é um aspecto relevante em função de a concessionária pública ficar extremamente exposta; portanto, eles decidiram trocar os outros relés exclusivamente por Relés SEL-351. Quando ouvi tal declaração, percebi que era a única prova necessária. A apresentação de tais fatos para minha equipe, referente aos problemas enfrentados pela citada concessionária, foi um fator decisivo. Minha recomendação não foi nem colocada em discussão, declarou Charlie Adams. Instalamos a unidade, conectamos um modem e passamos a monitorar o relé. Foi impressionante. Renfro é o meu mentor e, como um respeitado engenheiro de sistemas de potência de uma concessionária, sua opinião tem grande peso. Quando comecei a perguntar a colegas de outras empresas e concessionárias sobre o produto, o feedback foi 100% positivo. Não foi dita uma só palavra negativa sobre a tecnologia da SEL, declarou Adams. Diante do fato de que Marathon ainda tinha instalações com relé de outro fabricante, ele sabia que precisaria reunir dados para justificar a troca pelo produto SEL. Questionando diversas pessoas que tinham usado ambos os relés, recebeu relatórios extremamente favoráveis à SEL. Em seguida, procurou um representante de uma empresa concessionária de energia elétrica de grande porte, vizinha, no Texas, que recentemente também tinha sido fonte de energia para a usina Yates. Quando Adams começou a fazer perguntas, descobriu que a concessionária tinha adquirido recentemente diversos disjuntores para suas subestações e os mesmos relés do outro fabricante que estavam sob avaliação. A experiência não tinha sido positiva e a lista de problemas incluía serviços e firmware. Confiabilidade é um aspecto relevante em função de a concessionária pública ficar extremamente exposta; em conseqüência, eles decidiram trocar os outros relés exclusivamente por Relés SEL-351. Quando ouvi tal declaração, percebi que era a única prova de que eu precisava. A apresentação de tais fatos para minha equipe, referente aos problemas enfrentados pela citada concessionária, foi um fator decisivo. Minha recomendação não foi nem colocada em discussão, ele declarou. O retrofit do cubículo de 12,5 kv da usina de gás Yates foi significativo e teve de ser realizado dentro de um período restrito, num desligamento de uma semana determinado pelo cronograma de manutenção mecânica da usina. Seis meses de planejamento e preparação para integração do relé, trabalhando junto com a SEL e colegas de Marathon, anteviram cada aspecto do projeto. Além de retirar os relés Rua Ana Maria de Souza, 61 Campinas-SP CEP: 13084-660 Tel: (19) 2103-8111 Fax: (19) 2103-8112 Pg: 3
antigos, instalar e programar o novo hardware, eles também instalaram novos capacitores para correção do fator de potência, estabilizando os grupos geradores de forma que pudessem operar com maior eficiência e mais próximo do valor unitário. A medição definitiva do sucesso do projeto consistiu numa melhoria da ordem de quatro vezes no índice de desligamentos inicial, o qual foi reduzido de um valor próximo de 1,0 para aproximadamente 0,25. Adams declarou que, sem qualquer dúvida, os Relés SEL-351 foram os principais responsáveis por tal melhoria. Os engenheiros também passaram a coletar dados que propiciaram a investigação das principais causas dos problemas encontrados; dessa forma, puderam descobrir com precisão se os mesmos eram gerados no lado da fonte de energia ou no lado da carga. Finalmente, a validação da coleta de dados e relatórios propiciou focar nos problemas mais complexos; algumas vezes, fomos até a empresa de energia e dissemos: Temos informações obtidas através da coleta de dados que gostaríamos de lhes mostrar. Esses dados nos ajudaram a solucionar problemas no lado do sistema da empresa de energia, ele disse. Como resultado do projeto de Yates, a primeira aplicação dos relés SEL em Marathon Oil, Adams recebeu um chamado da usina Indian Basin, que possui um sistema de potência mais complexo, formado por uma barra de 480 V, três turbinas geradoras, uma conexão com a concessionária e um alimentador de reserva, pronto para entrar em operação ( standby feeder ). O desafio: Integrar dois geradores distribuídos adicionais e um motor de 900 HP que fornecem e absorvem energia da barra. Diversos problemas similares aos da usina Yates foram também observados em Indian Basin, incluindo trips por causa desconhecida e controles inadequados do gerador. De acordo com o que Adams havia efetuado em Yates, solicitaram o seu parecer. Um SEL-351 foi instalado no alimentador da concessionária, porém os relés dos geradores e outros dispositivos de hardware antigos não foram substituídos. Foi um processo de aquisição muito mais complicado, pois não havíamos conquistado plena confiança do superintendente da usina. Ele queria a nossa presença, porém estava bastante inseguro em relação a efetuar alterações nos sistemas e controles do gerador, uma vez que eram críticos para a usina. Não queria que trabalhássemos em nada além do que considerava necessário, Adams declarou. À medida que as histórias de sucesso do SEL-351 foram se acumulando, o superintendente ficou impressionado o suficiente com o que a equipe de Adams e a tecnologia da SEL haviam feito para a confiabilidade da usina, de forma que solicitou a instalação de um Relé SEL-351 adicional na sua barra. Adams está propondo o retrofit dos relés dos geradores, com esperança de instalar também os Relés SEL-300G em Indian Basin. A tecnologia similar vai tornar mais fácil a integração dos dados coletados, ele declarou. Embora a SEL tenha se estabelecido na fabricação de equipamentos próprios para uso em concessionárias de energia elétrica, fato evidente no projeto e funções de toda sua linha de produtos, Adams percebeu a importância dos mesmos para os potenciais usuários da tecnologia SEL na indústria. Na indústria, estamos do lado oposto do medidor. A potência flui na direção de nossa instalação ao invés de sair dela; contudo, sua tecnologia se adapta perfeitamente em qualquer situação, pois potência é potência, ele declarou. Um relé não diferencia a aplicação numa concessionária de uma industrial. Ele somente conhece corrente, tensão, vetores, e assim por diante. Adams ajudou pessoalmente os engenheiros da SEL no desenvolvimento de relatórios mais adequados, destinados aos usuários das indústrias. Uma outra função essencial que ele valoriza enormemente na tecnologia da SEL é o recurso de acesso e monitoração remotos. Considero Marathon um exemplo típico de uma indústria, onde não existem muitos Rua Ana Maria de Souza, 61 Campinas-SP CEP: 13084-660 Tel: (19) 2103-8111 Fax: (19) 2103-8112 Pg: 4
engenheiros de sistemas de potência, ele disse. Com um pequeno número de pessoas para gerenciar os sistemas de potência ao longo da empresa, que é bastante espalhada geograficamente, a existência do recurso de gerenciamento remoto dos dispositivos é uma enorme vantagem. Adams utiliza o acesso remoto para configurar os dispositivos e analisar os relatórios de monitoração, efetuando normalmente a conexão com os relés duas vezes por dia para verificar o status e ver os disparos e históricos. Com isso, são efetuadas diversas chamadas para os engenheiros locais, possibilitando a solução de problemas potenciais. Por exemplo, Adams percebeu um problema nas baterias dc que alimentam os circuitos de trip críticos dos disjuntores de Yates. Duas vezes por dia, ele observou ocorrências padrão em que os sistemas de baterias de 125 Vdc entravam no ciclo de recarga intensa com tensão acima de 140 V antes de retornar ao ciclo normal. Observando o padrão do evento durante algumas semanas, foi possível coletar dados que demonstravam a ocorrência; informou tal fato para os eletricistas, que localizaram e corrigiram alguns problemas nas conexões do carregamento. Fornecemos o modelo para o resto da empresa no lado de produção ( upstream side ) de nosso negócio; a solidificação do uso da tecnologia SEL indica que, posteriormente, ela será também adotada em nossas outras operações, incluindo as instalações petroquímicas no lado de distribuição de nossa indústria ( downstream petrochemical facilities ), Adams declarou. Desde que fui à Marathon, adquiri uma quantidade razoável de experiências obtidas na prática, além de conhecimento que suporta tudo que ouvi sobre a SEL; ela obteve o meu respeito. Sou um usuário industrial final e vou considerá-la em todas as oportunidades. # # # Sobre a SEL Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. (SEL) tem tornado a energia elétrica mais segura, mais confiável e mais econômica desde 1984. Essa empresa, com certificado ISO 9001, está presente na indústria de energia elétrica de todo o mundo através do projeto, fabricação, fornecimento e suporte dos produtos e serviços relativos à proteção, controle e monitoração dos sistemas de potência. Para mais informações, contate a SEL no endereço indicado abaixo. Rua Ana Maria de Souza, 61 Campinas-SP CEP: 13084-660 Tel: (19) 2103-8111 Fax: (19) 2103-8112 Pg: 5
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