Gestione predittiva degli impianti di cogenerazione

Anticipare il guasto analizzando il lubrificante in esercizio

  • Aprile 7, 2014
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  • Figura 1 - Motore stazionario di cogenerazione
    Figura 1 - Motore stazionario di cogenerazione
  • Figura 2 - Trend ferro e potassio su alcuni motori per la cogenerazione
    Figura 2 - Trend ferro e potassio su alcuni motori per la cogenerazione
  • Figura 3 - Particolare della testa del cilindro
    Figura 3 - Particolare della testa del cilindro
  • Figura 4 - Particolare delle valvole soggette a corrosione
    Figura 4 - Particolare delle valvole soggette a corrosione

 

La manutenzione predittiva è uno strumento potente per evitare guasti e rotture impreviste, basando le azioni di manutenzione sull'effettivo stato di salute dei macchinari, al variare delle condizioni operative al contorno. In alcuni ambiti, queste condizioni possono essere ampiamente variabili ed influenzate da fattori spesso difficilmente controllabili: è il caso della cogenerazione con combustibili provenienti da fonti rinnovabili, come Biogas da biomasse, Biogas da discarica e Olio Vegetale (figura 1). In questi ambiti critici, i monitoraggi in chiave predittiva non sono utili soltanto per ottenere informazioni sull'effettivo stato di salute del macchinario, ma anche per tenere sotto controllo, in modo indiretto, la qualità del combustibile impiegato. Del resto i volumi consumati giornalmente in impianti 24/24 di taglia medio/grande sono talvolta imponenti; ed anche pochi "ppm" possono col tempo accumularsi in maniera irreparabile nei punti caldi del sistema.

 

Strategie di manutenzione e monitoraggio

Il mondo della cogenerazione, nelle sue varie accezioni e forme di alimentazione trova il suo punto di forza nell'attuale quadro normativo, che può garantire consistenti ritorni d'investimento del capitale iniziale, anche nel breve periodo. Tuttavia questi sistemi produttivi diventano ogni giorno più complessi da gestire a causa della continua ricerca di massimizzarne i rendimenti. In linea generale, questo si traduce nel mantenere in esercizio l'impianto fino ad esaurirne la reale capacità produttiva, fronteggiando in maniera reattiva, o addirittura anticipando, i molteplici fattori di rischio attraverso l'utilizzo di tutte le tecnologie, servizi e informazioni utili al mantenimento in efficienza del nostro sistema. Applicando queste tecnologie alla gestione e alla manutenzione di questi impianti, i servizi ad alto valore aggiunto (come ad esempio l'analisi dell'olio in esercizio) non sono più considerati meramente dei costi, anzi sono riconosciuti come i principali driver di futuri "successi" gestionali. Questi servizi (frutto di tecnologie innovative ed in continua evoluzione) permettono di preservare la capacità produttiva disponibile, al netto di eventi aleatori, sulla base di un flusso di informazioni tanto più intenso quanto più critico è il componente oggetto di monitoraggio. Sulla base dell'analisi di questo flusso di dati potremo fondare le nostre decisioni strategiche (per il lungo periodo), le decisioni tattiche (per il medio periodo) e le decisioni operative, attraverso le quali fronteggiare le criticità imminenti, nel modo più efficiente possibile.

 

La corretta gestione di un asset produttivo passa attraverso il giusto approccio manutentivo: in base alla criticità che il componente ha all'interno del processo scegliamo la strategia più idonea a mantenerlo in funzione cercando di intervenire sui fattori di rischio conosciuti. Una manutenzione adeguata non deve essere troppo onerosa, possibilmente adeguata agli intervalli programmati di fermo-impianto per consentire l'individuazione dei rischi in tempo utile ad una corretta gestione degli stessi.

 

 

La qualità del combustibile

Anche nella manutenzione degli impianti di cogenerazione ad olio vegetale, la sfida è saper scegliere il giusto compromesso tra costi e benefici. Il principale costo diretto nell'esercizio di questi impianti è costituito dall'acquisto del carburante, in un mercato globale in rapida espansione, dove domanda e prezzi di acquisto sono in continua crescita. Far funzionare un motore alimentato a combustibili di origine vegetale non è però cosa facile: sul mercato "green" questi prodotti non esterificati non hanno qualità omogenea e troppo spesso nel tragitto dal paese tropicale di turno verso in nostro impianto subiscono ulteriori variazioni e/o contaminazioni anomale. D'altra parte, è ampiamente dimostrato che la scarsa qualità del combustibile è responsabile di circa il 50% dei guasti con possibili conseguenze, fino al fermo-motore: in questo scenario, l'attività di monitoraggio sulle forniture di olio vegetale assume un'importanza cruciale. Per controllare e regolamentare questo mercato in rapida espansione sono nate diverse normative nazionali ed internazionali, tra cui la DIN 51605 per l'olio di colza puro, ed anche la Comunità Europea ha cercato di farvi fronte introducendo una normativa quadro per tutti gli oli vegetali puri destinati alla combustione in motori (CWA 16379:2011). Queste norme includono alcune specifiche sulle proprietà fisico-chimiche di questi carburanti, in termini di qualità di combustione e di livelli tollerati per alcuni elementi contaminanti (i più critici indicati dalla norma sono Calcio, Magnesio e Fosforo, limitati ad alcuni ppm). La presenza di questi elementi contaminanti favorisce la formazione di ceneri e depositi, con fenomeni di corrosione ed usura grave.

 

Sodio e Potassio sono contaminanti tipici degli oli vegetali, ma non vengono regolamentati dalle normative esistenti: in questo modo le loro concentrazioni risultano spesso fuori controllo nelle forniture destinate agli impianti di cogenerazione.

 

La criticità della qualità dell'olio combustibile è ulteriormente complicata da una sostanziale mancanza di raccomandazioni da parte dei costruttori dei motori (con poche eccezioni limitate agli impianti di grandi dimensioni). Molti costruttori non prevedono e quindi non autorizzano ufficialmente l'olio vegetale come combustibile nei loro motori; ma molti di questi sono presenti in impianti "chiavi in mano" forniti da installatori di terza parte, specificatamente per l'alimentazione con olio vegetale.

 

Monitoraggio di impianti di cogenerazione ad olio vegetale

L'olio lubrificante ha tra le sue funzioni principali il compito di rimuovere eventuali residui originati da una cattiva combustione o altre contaminazioni anomale, depositate sulle parti critiche del motore soggette anche a fenomeni di corrosione.

 

Nel programma di monitoraggio di una flotta di motori stazionari adattati a olio vegetale, l'analisi del lubrificante ha fornito informazioni essenziali riguardo allo stato di salute dei motori e anche sulla qualità del combustibile impiegato abitualmente.

 

Su 8 motori della flotta di un nostro cliente, alimentati dalla stessa fornitura di combustibile, le analisi Mecoil sul lubrificante in esercizio hanno rilevato un'anomala contaminazione da Potassio. In tutti i motori coinvolti dal monitoraggio, lo studio del trend del principale indicatore di usura del motore (il valore del Ferro espresso in ppm) ha evidenziato un incremento anomalo contemporaneo o immediatamente conseguente ad un elevato livello di Potassio nell'olio motore (figura 2).

 

Gli altri parametri relativi alla contaminazione e alla condizione olio (viscosità, livello di olio vegetale incombusto, acqua, glicole, fuliggini sospese ed additivi) risultavano tutti a valori accettabili.

 

 

Escludendo l'origine del Potassio come conseguenza di un trafilaggio di liquido refrigerante (mancando gli altri elementi caratteristici legati di solito a tale contaminazione, quali Boro, Sodio e Molibdeno), abbiamo rivolto la nostra attenzione all'olio vegetale come principale "imputato". La partita di combustibile in uso presentava un livello di Potassio di circa 11 ppm, mentre tutti gli altri contaminanti risultavano entro i limiti previsti dalla norma DIN 51605.

 

La successiva ispezione visiva dei motori coinvolti ha evidenziato presenza di depositi e fenomeni di corrosione a livello delle teste e delle valvole, come dimostrano le immagini scattate a seguito dell'ispezione, suggerita da parte del laboratorio Mecoil che ha attribuito il giusto grado di severità al problema (Figura 4). L'aver programmato con tempestività l'intervento tecnico, in base alle condizioni critiche in cui i motori esercivano, ha escluso il rischio, più che imminente, di una rottura catastrofica e quindi di fermo-impianto straordinario.Siamo oggi in grado di affermare che il Potassio, presente come contaminante nel combustibile, è il responsabile principale dello stato d'usura precoce riscontrato sui componenti di questi motori.

 

Nel caso descritto, l'approvvigionamento di un "lotto" di Olio Vegetale di scarsa qualità, ma economicamente vantaggioso, è stato prontamente evidenziato attraverso le analisi dell'olio in esercizio, ed anche grazie allo studio del trend di "degrado olio" che questi motori storicamente presentavano.

 

 

 

Tramite l'analisi dell'olio lubrificante in esercizio è oggi possibile capire il quando, il come e il perché il lubrificante ha iniziato a subire trasformazioni che col tempo potrebbero riflettersi negativamente sul funzionamento del motore; nei casi meno fortunati di quello in oggetto, ottenere informazioni sulle condizioni olio può rilevarsi comunque un elemento diagnostico fondamentale per indirizzare il troubleshooting a seguito di un evento di guasto.

 

 

 

 

Questa esperienza dimostra quanto sia importante monitorare i propri impianti, mediante controlli periodici, senza trascurare l'analisi di elementi "estranei" come il Potassio. In questo particolare campo di applicazione, possiamo considerarlo con cognizione di causa un dannoso elemento contaminante negli Oli Vegetali combustibili, di cui è necessario valutarne continuamente la presenza.

 

Il tutto nell'auspicabile ottica di potere includere tale contaminante nella lista degli elementi "indesiderati" della prossima normativa comunitaria riguardante gli Oli Vegetali combustibili.

 

 

 

 

Gianmarco Alberesi, Supporto Tecnico, Mecoil Diagnosi Meccaniche

Alessandro Paccagnini, Responsabile di Laboratorio, Mecoil Diagnosi Meccaniche

Giacomo Mariani, Supporto post Vendita, Mecoil Diagnosi Meccaniche

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