Actualización del Motor Eléctrico Síncrono de 2800 Kw del Tren de Compresión de una Planta de Ácido Nítrico

Bernardo Salvador Sánchez Ramos
Servicios y Asesoría integral en Control SA de CV
México, bsanchez@saic.mx


RESUMEN: Cuando un equipo crítico llega a su tiempo de vida útil o lo supera, es común ya no contar con las refacciones ni con el soporte técnico del fabricante original (OEM), este punto es el momento de iniciar la etapa de actualización ya que los mantenimientos disminuirán su efectividad y durabilidad por la escasez de refacciones por obsolescencia, desgaste del equipo por tiempo en operación, consumibles no disponibles por cambios de tecnología y falta de demanda.

Este documento describe la actualización de un motor síncrono incluyendo su control, ingeniería para modificación de las instalaciones y servicios asociados, protecciones y secuencias, la puesta en marcha, así como la capacitación del personal que lo opera.

Los motores síncronos son motores eléctricos de corriente alterna que operan con la velocidad del rotor igual a la velocidad del campo magnético del estator, funcionan a la velocidad de sincronismo sin deslizamiento. En consecuencia, la velocidad de rotación está asociada con la frecuencia de la fuente de corriente alterna. Al ser fija la frecuencia la velocidad del motor permanece constante en un amplio rango de variaciones de la carga o voltaje de la línea trifásica.

PALABRAS CLAVES: Obsolescencia, Motor Síncrono, Control, Ingeniería, Protecciones y Secuencias.


INTRODUCCIÓN

El tiempo de útil de una planta industrial depende de la vida útil de los equipos críticos que la integran. Mantenimientos preventivos y correctivos realizados con calidad, recursos y experiencia prolongan este tiempo.

La actualización de equipos críticos en plantas industriales con tiempo de vida útil cumplido, cercano o inclusive superado; requiere, además del imprescindible análisis de costo beneficio, la consideración de mejoras de tecnologías, disponibilidad de sustitutos directos, infraestructura para adaptaciones, disponibilidad de equipos de similares capacidades y características, cambios requeridos en los servicios auxiliares, controles y capacitación. El proyecto de una actualización deberá considerar además de los tiempos de suministro y libranza de la planta, los tiempos de Ingeniería necesaria para las modificaciones de la infraestructura, servicios auxiliares, sistemas y controles involucrados.

La Ingeniería incluirá la revisión de la información disponible y el entendimiento profundo del funcionamiento del equipo y su interacción con los demás equipos y sistemas, haciendo uso procedimientos dedicados a la actualización como son los levantamientos (inspecciones físicas comparativas con diagramas), recopilación y estudio de información de equipos similares del mismo fabricante y otras marcas.

Los motores síncronos son utilizados en máquinas de gran tamaño que tienen una carga variable que requiere una velocidad constante. El control de su operación y características se realiza por medio de la excitatriz que es un embobinado extra en el rotor, en el cual también está una caja de inducción de un motor de inducción regular. En el bobinado extra se hace circular corriente continua generada por un generador montado en la misma flecha del rotor y rectificado por un puente de semiconductores que convierte la corriente alterna en continua y un sistema que controla la inducción de voltaje al embobinado de la excitatriz en los arranques descargando el voltaje inducido cortocircuitándolo y retirando este cortocircuito para aplicar la corriente continua cuando el motor llega a plena velocidad y se requiere sincronizar su velocidad a la establecida por su diseño y frecuencia de la línea de alimentación.

Las características de funcionamiento de los motores síncronos también los hace aplicables en:

  • La corrección del factor de potencia. El motor sincrónico puede ayudar a reducir los costos de energía eléctrica y mejorar el rendimiento del sistema de energía al corregir el factor de potencia en la red eléctrica donde está instalado. En un periodo relativamente corto, el ahorro de energía eléctrica puede igualarse al valor invertido en el motor.
  • Requerimientos de alta capacidad de torque. El motor sincrónico es diseñado con alta capacidad de sobrecarga, manteniendo la velocidad constante incluso en aplicaciones con grandes variaciones de carga.
  • Alto rendimiento. Son más eficientes en la conversión de energía eléctrica en mecánica, resultando en mayor ahorro de energía. El motor sincrónico es construido para operar con alto rendimiento y suministrar un mejor aprovechamiento de energía para una gran variedad de carga.

En la planta de Ácido Nítrico 1, un motor síncrono, trifásico de 2800 KW (3755 HP), 4160 VCA,  se utilizaba para mover un compresor de aire, mediante una caja de engranes multiplicadora. En este tren de compresión también se encuentra instalado una turbina de expansión de gases calientes que utiliza los generados en el proceso de la planta ya estabilizada, para aprovechar la energía de estos y mover el compresor de aire directamente quitando al motor carga mecánica con el consecuente ahorro de energía eléctrica.

Este motor presentaba fallas cada vez más frecuentes que provocaban tiempos fuera de operación prolongados ya que el motor se tenía que reparar en los devanados del estator y rotor además de la excitatriz con escobillas. La frecuente remoción y des ensamblaje del motor deterioraban los elementos de montaje asociados tanto mecánicos como eléctricos contribuyendo a las fallas. Los sistemas de control de secuencias y protecciones también sufrían similar situación con su consecuente deterioro y pérdida de capacidad de controlar y proteger el motor aumentando los tiempos fuera de la planta e incrementando los riesgos para el personal.

La poca confiabilidad del motor se empezó a extender a otros dispositivos y sistemas por los constantes paros y arranques de la planta creándose un círculo vicioso en perjuicio de la producción de la planta. La Figura 1 muestra el motor síncrono original en proceso de desmontaje.

Los directivos de la planta nos solicitaron una propuesta por una solución integral para toda la planta, que incluyera las áreas eléctricas, control e instrumentación.

Figura 1. Motor Síncrono Original

ALCANCES Y CAMBIOS DEL PROYECTO

La propuesta fue entregada considerado la actualización, no solo del motor y su control, sino considerando el control e instrumentación de toda la planta para minimizar las interfaces de sistemas y mejorar la confiabilidad de la planta.

A pesar de demostrar en la propuesta, un aceptable factor de costo-beneficio, el cliente decide solo actualizar el control de secuencias de arranque paro y protección del motor síncrono. Adaptándola a las decisiones del cliente, sin omitir las recomendaciones de realizar revisiones y mantenimientos a los sistemas detectados con problemas, para asegurar la correcta y segura interacción con el nuevo sistema a proveer, se realizó la revisión a la propuesta tanto en su parte económica como en el programa del proyecto. El cliente aceptó esta opción parcial.

Entregado el control, el cliente pospuso la instalación del control debido a compromisos de producción contraídos que no permitían la planta fuera de operación.

Durante este periodo la situación del motor síncrono se tornó crítica ya que las reparaciones que requería el motor, incluyendo la excitatriz, eran cada vez más extensas, costosas y consecuentemente más tardadas. Por lo anterior, el cliente optó por solicitar la actualización más económica posible del motor síncrono. Consecuentemente, se realizó la propuesta correspondiente incluyendo las modificaciones al control ya entregado, debido a que el motor propuesto seria de tecnología más reciente y excitatriz sin escobillas.

El cliente aceptó la propuesta y los trabajos de este proyecto se adecuaron considerando la actualización del motor con un motor síncrono reconstruido, trifásico, 4000 HP, 4160 VCA con excitatriz por inducción y rectificador rotatorio de estado sólido; en la parte del control, aunque nuevo, estaba diseñado para un motor de escobillas, se consideró la conversión en sitio adquiriendo las partes y configuraciones de las protecciones con el OEM y realizando en sitio la conversión a motor sin escobillas.

DESARROLLO DEL PROYECTO

Como parte fundamental del desarrollo de este proyecto se consideró en entendimiento profundo de los sistemas y equipos que integran la planta para actualizar con éxito y mínimos efectos a la producción. Parte de este entendimiento se describe a continuación:

Figura 2. DTI Planta de Ácido Nítrico 1

La Planta de Ácido Nítrico 2 produce solución de ácido nítrico a partir de solución de amoniaco, la planta evapora la solución de amoniaco y la mezcla con aire proveniente del compresor, esta mezcla pasa por un catalizador de platino para hacer reaccionar los componentes químicos que se convertirán en Óxido Nítrico más agua y calor; posteriormente, se enfría la mezcla resultante y mediante un proceso de absorción se produce la solución de Ácido Nítrico. Debido a la naturaleza de la reacción química y del catalizador, el tiempo de contacto con el catalizador es breve y debe ser mantenido dentro de un rango de variación muy reducido para que la reacción sea eficiente y completa, por esto se requiere que la velocidad de la mezcla entrante sea alta y constante por lo que el flujo y la presión de aire que suministre el compresor son críticas y deberá asegurarse su constancia a pesar de variaciones de carga y su suministro de potencia.

Otra característica importante de esta reacción es la energía calorífica que se produce, la cual es tan considerable que se aprovecha en la planta para precalentar y evaporar flujos del mismo proceso y hasta es suficiente para impulsar una turbina de expansión de gases calientes que utiliza los “gases de cola” producidos por la planta. Esta turbina esta acoplada directamente al compresor de aire y su potencia nominal es capaz de mover por si sola al compresor. El DTI (Diagrama de Tubería e Instrumentación) de la Figura 2 nos muestra el arreglo del compresor de aire y sus servicios auxiliares, como son el agua de enfriamiento y el aceite de lubricación.

Específicamente, el patín de compresión está integrado por el compresor centrífugo con dos motores, el motor eléctrico síncrono acoplado al compresor por medio de una caja de engranes multiplicadora y la turbina de expansión acoplada directamente.

Esta combinación de motores planteó el primer reto para especificar y diseñar el sistema de control contratado como primera etapa. El sistema además de contar con los equipos, dispositivos y protecciones regulares para operar, controlar y proteger un motor síncrono, debería contar con previsiones para la posible sobre excitación del motor debido a la disminución de carga al entrar los gases calientes a la turbina y proporcionar potencia que será equivalente a la del motor eléctrico. La sobre excitación de un motor es un evento que lo convierte de ser una carga que consume energía eléctrica a un generador que al estar conectado a la línea podría causar sobre voltajes, que en el mejor de los casos serian instantáneos, y que podrían dañar los dispositivos del control, inicialmente, y hasta los conectados a las líneas de distribución de energía si el evento dura lo suficiente.

Figura 3. Control y Arrancador del Motor Síncrono en Fábrica

Dentro de la revisión de la red del sistema eléctrico de las plantas se detectó el hecho de la eliminación progresiva de cargas inductivas (motores) debido al cierre de plantas y secciones de servicios auxiliares que como consecuencia requerirá de la disminución de corrección de factor de potencia, que es otra función de los motores síncronos. Originalmente, la corrección del factor de potencia de la red eléctrica la realizaban los dos motores síncronos de las instalaciones en las plantas de ácido nítrico 1 y 2. La reducción de cargas de los motores y modificaciones consecuentes realizadas a la red reducen el requerimiento de la entrega de kVARs de los motores para corregir el factor de potencia lo que los hacen más propensos a la sobre excitación.

Por las particularidades detectadas y descritas arriba, el sistema de control se diseñó con protecciones por sobre voltaje tanto en su parte de manejo de energía como en la excitatriz. Se incluyó en la parte de operación el control del factor de potencia o kVARs, a elegir. El sistema de control se entregó al cliente para el motor síncrono original, el cual era de escobillas, incluyendo el control del generador de la excitatriz y arranque en tensión reducida. En la Figura 3 se ilustra el control y arrancador después de las pruebas de aceptación (FAT), dirigidas y presenciadas por nuestro personal, listo para su embalaje y transporte al sitio de instalación.

Figura 4. Documentación Despiece del Motor Síncrono

Al incluir el proyecto el suministro de un motor re manufacturado GE de 4000 HP el control entregado tenía que ser modificado ya que el motor de remplazo fue construido con tecnología moderna, sin escobillas y semiconductores instalados en el rotor para el control del generador de la excitatriz. La ingeniería de las adecuaciones se realizó y las modificaciones se aplicaron en sitio. Estas adecuaciones incluyeron la reconfiguración de dos relevadores de secuencias y protecciones, que son sistemas digitales basados en microprocesadores, los cuales monitorean las variables eléctricas y de temperatura del motor y actúan en consecuencia a una serie de parámetros y curvas de carga pre configuradas de acuerdo a estándares eléctricos internacionales para mantener al motor operando en parámetros seguros.

El motor de 4000 HP, 4160 VCA, 425 Amperes, fue adquirido en EUA e importado a México para su rehabilitación que incluyo el rebobinado del rotor, la renovación de sus rodamientos, balanceo del rotor y la renovación del generador de la excitatriz junto con la del ensamble rotatorio de semiconductores. Esta rehabilitación fue supervisada y documentada por el departamento de ingeniería para generar información de despiece y mantenimiento para futuras referencias propias y del cliente. La Figura 4 muestra parte de la documentación de la rehabilitación la cual condensa la progresión del des ensamblaje requerido para mantenimiento mayor.

Figura 6. Base del Motor Modificada

Para instalar el motor se requirieron adecuaciones mecánicas y eléctricas. La base del motor, construida al nivel del entrepiso de la planta, está hecha de figuras IPR de acero y fue modificada para soportar el peso del motor sustituto, el cual pesa 10 Toneladas métricas contra las aproximadamente 4 Toneladas métricas del motor original, además de compensar la diferente altura de las flechas y considerando el incremento del torque del motor. Por lo anterior se desarrolló un modelo digital en 3D, ilustrado en la Figura 5, para evaluar la integridad mecánica de la base rediseñada para el motor sustituto.

En la parte eléctrica se trazaron e instalaron líneas de conduit y charolas para instalar el alambrado de interconexión entre el control y el motor incluyendo la señalización, permisivos, alarmas y paros a el control de la planta de ácido nítrico por medio de las correspondientes interfaces.

Todas las adecuaciones fueron realizadas siguiendo la ingeniería desarrollada por personal de las diferentes disciplinas de la compañía utilizando herramientas de cálculo y desarrollo de modelos de última generación, como por ejemplo el software para desarrollar el modelo de la base que fue evaluado en su comportamiento al peso y torque del motor desarrollado en sus diferentes puntos de operación e inclusive evaluando su comportamiento a movimientos telúricos comunes de la zona. En cuanto a la parte eléctrica, la ingeniería se desarrolló siguiendo los estándares de las normas mexicanas e internacionales conciliando las prácticas de instalación europeas del motor original con las americanas del motor sustituto. La Figura 6 nos muestra la base modificada, el motor fijado a esta con las instalaciones eléctricas y de instrumentación terminada.

Figura 7 Descargado Datos del Relevador Digital

De acuerdo con el programa del proyecto, la instalación del control y el motor se llevó a cabo para entrar a la etapa de pruebas. Esta etapa se inició comprobando el correcto despliegue de las variables monitoreadas del motor, como son los RTDs que indican la temperatura de devanados del estator y los parámetros eléctricos (voltaje y corriente) de cada una de las fases de suministro de energía al motor. Después se comprobó la correcta interacción del control de la planta y el control del motor.

Las pruebas de arranque del motor desacoplado requirieron de la previa comprobación de que los servicios auxiliares de lubricación y enfriamiento de aceite funcionaran de acuerdo a los requerimientos del motor recién instalado comprobado flujos y temperaturas en los correspondientes instrumentos y despliegues de valores.

Para facilitar la rápida adaptación del personal operativo y de mantenimiento de la planta a las modificaciones y equipo instalado, los procedimientos de operación de la planta fueron conservados lo más posible en las adiciones y los cambios fueron anotados en instrucciones escritas en el mismo estilo que el manual original.

Por lo anterior, el personal operativo y de mantenimiento de la planta fue capaz de tener la planta lista para pruebas como regularmente lo hace. La primera prueba de arranque consistió en arrancar el motor desacoplado para confirmar el arranque a media tensión y su consecución a plena tensión. Una vez en plena velocidad, fue posible sincronizarlo mediante la aplicación de corriente al generador de la excitatriz que a su vez inyecto corriente al devanado de excitación del motor observándose una proporcional disminución de la corriente de consumo del motor de hasta poco menos del 15% de la corriente nominal de trabajo, concluyéndose que el motor, y el control estaban funcionando correctamente.

Figura 8. Graficas de Datos de Arranque de Motor Síncrono

La siguiente prueba fue con el motor acoplado. El primer arranque a media tensión fue interrumpido por la protección de sobrecarga y las pruebas se suspendieron para revisar datos del sistema de control, los equipos, servicios auxiliares y válvulas de control asociadas al compresor. Después de analizar la información almacenada en los relevadores digitales acerca de las corrientes y comportamiento térmico del motor y lo observado en el primer arranque se concluyó que era posible usar curvas térmicas de sobrecarga más tolerantes ya que el torque inicial del motor fue perfectamente manejado por la caja multiplicadora, parte critica del proyecto.

Ajustadas las curvas de sobrecarga y repartido el personal en el área de proceso y atentos a los instrumentos indicadores de presión y temperatura asociados, se procedió a la siguiente prueba. Esta prueba fue más amplia en tiempo ya que fue posible que entrara la etapa de arranque a plena tensión y casi llegar a la velocidad nominal del motor, sin embargo, un paro por sobrecarga volvió a detener la secuencia. El análisis de los datos del relevador digital en este arranque reveló que la corriente consumida por el motor descendía proporcionalmente al aumento de velocidad del motor como se esperaba, pero de pronto el consumo aumento y al comenzar nuevamente a disminuir la protección actuó para proteger al motor. La Figura 7 muestra el relevador digital de protección operando y su puerto de comunicación conectado para descargar los datos con los que fue posible elaborar las gráficas de la Figura 8 que resulto clave para continuar de modo analítico y seguro con las pruebas de arranque.

En reunión con el personal, se comentó por parte del encargado de vigilar la presión de descarga del compresor que durante el arranque la presión de descarga del compresor se elevó momentáneamente para después decaer, el personal de la planta alegó que ese evento no era posible ya que las posiciones de las válvulas del compresor aseguraban arrancar sin carga o elevación de presión en la secuencia de arranque.

Figura 9. Motor Síncrono de 4000 HP Instalado y Operando

En coordinación con personal de la planta se revisaron cada uno de las válvulas e instrumentos del compresor y se detectaron purgas que drenaron bastante agua a pesar de que, según, el personal las había drenado antes de los arranques; lo cual indicaba que el agua no provenía de la condensación en al compresor sino del circuito de enfriamiento del mismo. Personal de la planta indicó que posiblemente tenían una fuga interna, pero al desarrollar presión de aire en el compresor, esta desaparecería. Acordando minimizar el agua en el compresor mediante la purga y regulación de la presión de agua de enfriamiento se acordó realizar la siguiente prueba.

La siguiente prueba fue exitosa logrando un arranque completo con los parámetros eléctricos y temperatura esperados que aseguraban la durabilidad del motor. Al entrar la planta a producir, los gases calientes fueron aplicados a la turbina de expansión que consecuentemente quitó carga al motor, por lo que ajustes a la excitación del motor se realizaron para repartir el trabajo entre los dos motores de acuerdo a las potencias de trabajo normal de estos indicadas en el manual original.

En la Figura 9 se puede observar el motor instalado y operando acoplado a la caja de engranes con su guarda cople instalada (en color amarillo).

Días después de estar en operación continua la planta, un comentario del personal de operación confirmó el éxito de nuestro proyecto:


El catalizador del reactor (malla de platino) se consideraba casi agotado y a punto de cambiarlo, sin embargo, con el nuevo motor la producción se mantiene estable y posiblemente se aprovechara por un buen tiempo más.


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

  1. Powell Technical Brief #65, Starting Synchronous Motors, powellind.com
  2. Power Factor, The Basics, powerstudies.com

ACERCA DEL  AUTOR

Ing. Bernardo Salvador Sánchez Ramos es egresado del Instituto Politécnico Nacional de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica como Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica. Su experiencia en plantas industriales inició trabajando durante 17 años para el Instituto Mexicano del Petróleo en el área de instrumentación y control, especializándose en controles digitales de las diferentes instalaciones de Pemex Refinación, Petroquímica y Exploración y Producción. Posteriormente ha colaborado como personal de servicio en campo, coordinador y consultor para diferentes compañías internacionales en la actualización de equipos e instalaciones de Pemex y de otras compañías petroleras en Suramérica y Asia. Su experiencia de 37 años en las diferentes disciplinas de las plantas industriales lo ha llevado a desarrollar, dirigir y administrar proyectos de actualización de equipos y controles en el área petroquímica de una manera integral de las disciplinas eléctricas, mecánicas, instrumentación y operación.

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