Mantenimiento de las camaras de combustión de turbinas



Introducción

Las empresas necesitan evaluar su sistema de mantenimiento en función de un balance costo beneficio. Esto implica establecer la relación apropiada entre los requerimientos de la operación y los costos del mantenimiento, que entre otros rublos incluyen la inversión de repuestos e insumos en almacenes. Concretamente, este estudio tuvo como objetivo determinar el tiempo óptimo de mantenimiento de las cámaras de combustión de cinco turbinas de gas con una capacidad unitaria de 100MW, de una planta de generación de energía eléctrica ubicada en las cercanías de Caracas, Venezuela. Esto comprendió el estudio de los históricos de mantenimiento que incluyen la aplicación de técnicas predictivas y ensayos no destructivos; el estudio de los históricos de operación, los cuales, enmarcados en las recomendaciones técnicas del equipo y aunados a la evaluación de la relación costo beneficio, permitió considerar el aumento de los tiempos de mantenimiento de las mencionadas cámaras de combustión. Este trabajo propone, con base a herramientas de confiabilidad operacional, una herramienta para la evaluación y optimización de tiempos de inspección de equipos.

Una falla es el cambio en un producto o sistema desde una condición de trabajo satisfactoria a una condición que está por debajo de un estándar aceptable. Las fallas de activos industriales pueden tener efectos de largo alcance en el funcionamiento y beneficios de una empresa.

La confiabilidad y el mantenimiento protegen tanto el rendimiento de la empresa como sus inversiones. Los sistemas deben ser diseñados y mantenerse en buenas condiciones para conseguir el rendimiento esperado y los estándares de calidad. La confiabilidad es la probabilidad de que un componente de una máquina o producto funcione adecuadamente durante un período de tiempo dado. El mantenimiento incluye todas las actividades asociadas a mantener en buen estado de funcionamiento el equipo de un sistema. El objetivo de la confiabilidad y el mantenimiento es conservar la capacidad del sistema mientras se controlan los costos.

En años recientes, grandes corporaciones, han volcado su atención hacia el modelo de decisión costo riesgo, debido a que el mismo permite comparar el costo asociado a una acción de mantenimiento contra el nivel de reducción de riesgo o mejora en el desempeño debido a dicha acción.; en otras palabras, el modelo permite saber cuanto obtengo por lo que gasto. El análisis "costo riesgo" resulta particularmente útil para decidir en escenarios con intereses en conflicto, como el escenario "operación – mantenimiento", en el cual el operador requiere que el equipo o proceso opere en forma continua para garantizar máxima producción, y simultáneamente, el mantenedor requiere que el proceso se detenga con cierta frecuencia para poder mantener y ganar confiabilidad en el mismo. El modelo costo-riesgo es el indicado para resolver el conflicto previamente mencionado, dado que permite determinar el nivel óptimo de riesgo y la cantidad adecuada de mantenimiento, para obtener el máximo beneficio o mínimo impacto en el negocio.

Objetivos

Determinar el tiempo óptimo de mantenimiento de la cámara de combustión del sistema de generación de energía eléctrica, para lo cual se pretende: Diagnosticar el sistema de la cámara de combustión, determinar el tiempo óptimo de parada del Sistema de la Cámara de Combustión, establecer un estudio costo-beneficio para la Planta, aumentando el tiempo de inspección del mantenimiento tipo "C".

Esta investigación se realizaró en un período de duración aproximadamente de catorce (14) semanas, en las instalaciones de la planta de generacion de energia electrica ubicada cerca de la ciudad de Caracas, Distrito Capital.

2.2 Tipo de Investigación

Fundamentalmente esta investigación corresponde a un proyecto de tipo descriptivo (Hernández, et al, 1991).. En las primeras etapas del proyecto se realizaron actividades de tipo exploratorio para recaba información que permitiera definir el problema, fundamentar las hipótesis (Tamayo, 1994) y afinar la metodología a seguir. En el desarrollo de la investigación se emplearon herramientas de análisis que permitieron evaluar las diferentes variables y por medio de ecuaciones características, se obtuvieron resultados tales como: componentes críticos del sistema de la cámara de combustión, tipo de distribución que simula los tiempos de operación, punto óptimo de mantenimiento, y el costo beneficio.

Parte importante de la información fue obtenida a través de la observación (Muñoz, 1998). y entrevistas no estructuradas e informales al personal de operaciones y mantenimiento involucrado, así como también a partir de la base de datos, de los boletines del fabricante y de los informes de las inspecciones realizadas a los equipos. Esta investigación se desarrolló sobre una muestra de la población de los elementos de los sistemas de las cámaras de combustión de las turbinas No 9, 11 y 12, las cuales tienen el mismo contexto operacional (tipo de combustible gas natural y carga a la que operan). El tipo de muestreo es intencional (Sabino, 1996), ya que las unidades escogidas fueron seleccionadas en forma arbitraria. La información corresponde a catorce paradas de mantenimiento. Los elementos estudiados fueron los siguientes:

Tabla 1: Muestra de la población de los elementos de los sistemas de las cámaras de combustión de las turbinas No 9, 11 y 12

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El primer paso de la investigación fue analizar los boletines de mantenimiento emitidos por el fabricante, Siemens Westinghouse, de los referidos elementos de la cámara de combustión, determinando, a partir de las recomendaciones en ellos especificada, los niveles aceptables de deterioro permisible para que dichos elementos puedan seguir o no operando en la unidad UTG marca Westinghouse modelo W501D5. Igualmente, se recopiló información a partir de las inspecciones realizadas a los elementos de las cámaras de combustión.

Como segundo paso se identificaron fallas críticas y no críticas originadas en los elementos del sistema de la cámara de combustión aplicando el diagrama de Pareto. El proceso de recolección de fallas se realizó durante 2 meses. La información se obtuvo a través de las inspecciones por condición de los mantenimientos tipo "C" ejecutados. En algunas de estas inspecciones se realizaron ensayos visuales, no destructivos (líquidos penetrantes y análisis metalográficos).

El tercer paso consistió en la realización de un análisis de criticidad para determinar los elementos más críticos. Este análisis permitió identificar los componentes sobre los cuales se tendrá una mayor atención de mantenimiento y consiste fundamentalmente en establecer parámetros internos que permitan identificar cuales son los componentes más críticos. Los parámetros utilizados fueron el tiempo promedio entre paradas, los costos de reparación, el nivel de producción y el tiempo promedio para reparar. En los costos de reparación se incluyen costos de horas hombre, materiales e insumos. El nivel de producción manejado, es la capacidad de KWh que se deja de producir durante la realización de un mantenimiento tipo "C". Esta pérdida de producción se calculó a base de siete 7 días como máximo e intervalos de 1, 2 y 3 días que representa el tiempo de reemplazo de cada uno de los componentes. Con los valores recopilados para estos parámetros se construyó la matriz de criticidad que permitió llevar a cabo el análisis de criticidad.

El cuarto paso de la investigación consistió en determinar el Tiempo óptimo de Parada del Sistema de la Cámara de Combustión. Para llevar a cabo este propósito se realizó un estudio de costo-beneficio para la planta generadora de potencia, con miras a aumentar el tiempo de inspección del mantenimiento tipo "C. En el estudio se utilizó el programa Microsoft Excel, en su versión 97-2000, herramienta con la que se realizaron las respectivas tablas para el análisis estadístico, denominado intervalo de clase y poder identificar así la distribución que simulan las horas de operación y la ejecución del diagnóstico de los elementos de la cámara de combustión. Sistema de Variable Objeto de Estudio.

Resultados

Identificación de las fallas críticas y no críticas originadas en los elementos del sistema de la cámara de combustión aplicando el diagrama de Pareto. A continuación se presentan los resultados obtenidos:

Tabla 2: Identificación de las fallas críticas y no críticas originadas en los elementos del sistema de la cámara de combustión.

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Tabla 3. Matriz de Criticidad Elementos de las Turbinas 09, 11, 12

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El desarrollo del análisis se muestra en la siguiente tabla, en la cual se ubican todos los componentes del sistema de la cámara de combustión tomados como muestra y a su vez una serie consecutiva de números los cuales hacen referencia a los parámetros de la matriz de criticidad. Con las informaciones obtenidas a través de las inspecciones de mantenimiento tipo "C", cronogramas de actividades, planes de mantenimiento, entrevista a operadores, jefe de mantenimiento y mecánicos, se obtuvo la ponderación correspondiente a cada uno de los ítems establecidos. Luego se realizó la sumatoria para obtener el mayor valor y determinar cuales eran los componentes más críticos a considerar, para continuar el transcurso de la investigación y determinar el tiempo óptimo de mantenimiento tipo "C".

Tabla 4. Análisis de Criticidad

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Con los resultados obtenidos en la matriz de criticidad se pudo observar en la distribución de barras las tres zonas específicas de los componentes: Alta criticidad, Mediana criticidad y baja criticidad, llegando a la conclusión que los componentes más críticos son: los cestos combustores y la pieza de transición. En el gráfico siguiente se presentan los resultados de manera porcentual.

Si se observa el gráfico el comportamiento que simula es de una distribución normal. Con este resultado se obtiene una media &µx para las horas de operación de cada uno de los elementos de la cámara de combustión 9906,142857, con una desviación estándar sx de 3484.495281.

Para comprobar que los resultados obtenidos obedecen a una distribución normal, se aplicó el test de Kolgomorov, tomando en cuenta las horas de operación, el número de paradas y los valores de las integrales de la distribución normal. Como resultado de ese proceso se obtuvo que en efecto se estaba en presencia de una distribución normal.

Seguidamente se utilizó la metodología de política de reemplazo en bloque, la cual consiste en realizar reemplazos preventivos que ocurren a intervalos fijos de tiempos, se remplazan componentes o elementos en momentos predeterminados sin tener en cuenta la edad del componente.

Se realizaron cálculos estimando la función paramétrica hallando el número de renovaciones durante el intervalo de tiempo (0, 13000] usando aproximaciones de tiempos discretos en la escala de horas de operación (tabla No.16). Con la función paramétrica estimada "distribución normal", se hallaron los valores de las integrales por tabla de la normal, y luego los números esperados de paradas del intervalo de (0, 13000]. Al obtener estos resultados se procedió a estimar los costos de mantenimientos de reemplazos preventivos y correctivos durante el intervalo de (0, 13000], para luego obtener la curva de los costos totales y determinar el punto óptimo de mantenimiento tipo "C" del sistema de la cámara de combustión. A continuación se muestran tablas, gráficos y ecuaciones referentes a la política de reemplazo en bloque aplicado a lo anteriormente descrito.

Número de paradas esperado

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Gráfico 1. Histograma De Los Tiempos De Parada De La Cámara De Combustión

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El costo de mantenimiento preventivo fue hallado por la sumatoria de costo de repuestos, costo de mano de obra de ingenieros, técnicos y mecánicos de la empresa. Su monto fue de 733146,12 y este mismo monto se utiliza como costo correctivo, porque ambos mantenimiento tienen igual impacto en los mismos períodos de tiempos de inspecciones (en los reemplazos de mantenimiento tipo "C" no han ocurrido fallas catastróficas).

Después de obtener los números de fallas esperados (Tabla # 18) y los costos de reemplazo preventivo y correctivo presentados se aplicó la fórmula de costos totales para determinar el tiempo óptimo de mantenimiento (Elsayed, 2000, a), esta ecuación se presenta a continuación:

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Establecimiento del costo-beneficio para la Planta.

Tiempo de parada del Sistema de la Cámara de Combustión = (T.P.S.C.)

Es la suma del tiempo de reparación (Elsayed, 2000,b), tiempo de traslado y compra de materiales, repuestos y tiempos administrativos.

Costos de Mantenimiento tipo "C" = (C.M.)

Es el costo de mantenimiento, donde se incluyen los costos de repuestos para la inspección recomendados por el fabricante (c.r), costos mano de obra, horas hombres de reparación (h – h), y los costos de insumo (c.i).

C.M. = h-h + c-i + c.r.

Costos de Perdida de Producción = (C.P.P)

Equivale al 5% del producto de la generación de las unidades turbogeneradores (UTG), durante el tiempo de mantenimiento tipo "C" (7 días que equivalen a 168 horas) por el costo de un KWh en $.

C.P.P =(T)*( H-O* G-U *C) * 5%,

Donde:

H-O = Horas de operacion en 24 horas

G-U = Generacion de las Unidades en 1 horas

C = Costo del un (1) Kw/h

T = Tiempo de para de mantenimiento (3 días).

Impacto = (I)

El impacto es el resultado de la sumatoria entre el costo de perdida de producción y el costo de mantenimiento.

I = C.P.P + C.M.

Debido a que la variable ha sido manipulada por el mantenedor los costos de mantenimientos correctivos y preventivos son iguales, por esto no se toma el costo de perdida de producción, ya que en realidad en 10 años de operación aproximadamente de las unidades no ha ocurrido una falla total o catastrófica en el sistema de la cámara de combustión que detenga el proceso de generación.

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La estimación de los costos de la política actual y propuesta de los mantenimientos tipo"C", se realizaron tomando la frecuencia de mantenimiento tipo C por el costo de los mismos. Para valores mínimos se tomó el promedio de ambos y para valores máximos se tomó el costo de repuestos nuevos únicamente.

El impacto se obtuvo de los costos de mantenimiento preventivo por la frecuencia de paradas en el transcurso de cinco años, para la política actual se tomó seis mantenimientos y para la política propuesta cinco mantenimientos, que fue lo que se obtuvo del tiempo óptimo de parada determinado en este estudio.

Por último el beneficio se calculó aplicando la siguiente fórmula:

Beneficio = CPA – CPP, donde:

CPA = costos de política actual

CPP = costos de política propuesta.

El costo beneficio indica que la empresa aumentará su rentabilidad omitiendo un mantenimiento tipos "C" de la política actual de un mínimo de 733146,17 y máximo de 1060549,43 de dólares. Esto representa un ahorro de 16,6% ~ 17% a una frecuencia de parada de cinco mantenimientos tipo "C" (cada 10000 horas de operación) durante un periodo de cinco años.

3. Conclusiones

A través de la aplicación del diagrama de Pareto y análisis de criticidad, se puede concluir que los componentes mayor criticidad de la cámara de combustión son los cestos combustores y las piezas de transición con un punto óptimo de parada de mantenimiento tipo "C" de 10000 horas de operación. Todo esto bajo un régimen de operación a carga base y utilizando gas natural como combustible.

A través del análisis costo-beneficio realizado se concluye que es posible aumentar las horas de operación antes de realizar paradas de mantenimiento Tipo "C" de 8000 a 10000, obteniéndose un beneficio estimado mínimo de 733146,17 y un máximo de 1060549,43 dólares, para un período de operación de cinco (5) años durante los cuales se realizarían cinco (5) paradas en vez de seis (6). Esto representa un ahorro de aproximadamente 16%.

Referencias

Enviado por: Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.

"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®

Santiago de los Caballeros, República Dominicana, 2016.

"DIOS, JUAN PABLO DUARTE, JUAN BOSCH Y ANDRÉS CASTILLO DE LEÓN – POR SIEMPRE"®

 

 

 

Autor:

Gabriel Gómez.

Javier Palencia.

Orlando Aguillón.

Eily Quiroz.