APLICAÇÃO DA METODOLOGIA “TPM” PARA A REDUÇÃO DAS
PERDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS
FLAMOTUBULARES
Igor Fabiano Silveira – igorsilveira@manutencaoemacao.com.br Daniel Enrique Castro – plusengenharia@yahoo.com.br Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais - CEFET-MG
Resumo. Hoje, cada vez mais, existe um palco incessantemente mutável do mundo empresarial e seus processos produtivos. Ao contrário do observado em tempos atrás, os processos contemporâneos se caracterizam pelo dinamismo que a demanda do mercado exige. É neste contexto que o OEE – Overall Effectiveness Equipment (ou Rendimento Global dos Equipamentos) surge como ferramenta para medir a eficácia dos processos produtivos. O OEE, que tem sua origem estreitamente ligada ao TPM – Total Productive Maintenance (Manutenção Produtiva Total), antes era visto como indicador para se conseguir o prêmio dado pelo JIPM – Japan Institute of Plant Maintenance. Porém, atualmente é visto por vários consultores como ferramenta padrão para a medição da eficácia de processos produtivos e a identificação dos potenciais de ganho. Já a metodologia TPM, através dos seus oito pilares, propõe ações de gerenciamento de manutenção em seus diversos setores integrados buscando a máxima eficiência do processo. Este trabalho visa à medição do OEE e da eficiência térmica em caldeiras flamotubulares, considerando o processo em si, e a proposição de ações vinculadas ao programa TPM, na busca por melhorias dos processos medidos. Para isto são propostas metodologias para a medição do OEE e da eficiência térmica. Da mesma forma, as ações apresentadas neste trabalho são direcionadas à aplicação do TPM em caldeiras flamotubulares. Os valores de OEE observados na indústria em geral são muito baixos se comparados aos níveis propostos pelo JIPM, de 85% de eficiência global como valores apropriados para instalações industriais classe mundial. Por este motivo o presente trabalho procura analisar a forma de melhorar os valores de OEE e eficiência térmica para caldeiras flamotubulares, equipamento de ampla utilização na indústria.
Palavras chaves: rendimento global dos equipamentos, manutenção produtiva total, eficiência térmica, caldeiras flamotubulares.
1. INTRODUÇÃO
O Brasil vem se posicionando como um país periférico no contexto econômico internacional, especialmente se considerada a relação com países centrais como EUA, Alemanha e Japão, e as taxas de crescimento observadas em países como Índia e China (HANSEN, 2006).
Para que as empresas brasileiras possam desenvolver estratégias de produção competitivas eficazes, capazes de enfrentar as necessidades impostas pelas normas da concorrência globalizada, é essencial compreender em profundidade a relação entre os fatores de produção vigentes no país. É fundamental explicitar as diferenças econômicas entre os países ditos em desenvolvimento (entre os quais o Brasil se inclui) e os países centrais (EUA, Japão, Alemanha, dentre outros). É possível afirmar que os investimentos em ativos fixos no Brasil tendem a ser consideravelmente onerosos quando comparados com a realidade dos países desenvolvidos, fazendo com que esse tipo de recurso seja um elemento restritivo da competitividade das empresas. Parece relevante apresentar alguns questionamentos:
As empresas brasileiras medem a eficiência de utilização das suas máquinas?
A utilização dos ativos fixos existentes nas empresas brasileiras é eficaz?
As empresas brasileiras determinam a eficiência das máquinas, a sua capacidade produtiva e a relação entre a capacidade produtiva e a demanda de mercado?
As possíveis respostas às questões acima passam pelo domínio do OEE cuja origem encontra-se intimamente relacionado com a tecnologia de gestão intitulada TPM. Conceitualmente, é necessário perceber que a adoção e utilização do OEE como forma de calcular a eficiência operacional pressupõe uma ação integrada entre os profissionais responsáveis pela produção, manutenção, qualidade, processo, grupos de melhoria, logística, etc (HANSEN, 2006).
A partir de uma perspectiva pragmática, medições realizadas em empresas brasileiras que atuam em segmentos tão diversos como metal-mecânica, alimentos, têxtil, calçados, moveleira, plástico e petroquímica tendem a mostrar que os recursos produtivos ‘gargalo’ das empresas analisadas operam, via de regra, com OEE insuficiente, tendo um conjunto significativo de casos com valores inferiores a 50%. Estas medições evidenciam (HANSEN, 2006):
Os valores obtidos são muito baixos se considerados os índices propostos pelo JIPM, da ordem de 85%; O elevado potencial de melhorias na utilização dos equipamentos já instalados nas empresas nacionais; A necessidade de aprofundar os estudos relativos à utilização de máquinas na indústria brasileira.
Ainda, é razoável relacionar as análises de eficiência das máquinas com os aspectos financeiros decorrentes das ações propostas para melhorias. Tais ações são norteadas pelo TPM. A metodologia TPM é uma técnica revolucionária em termos de visão empresarial. Seus resultados são quantitativos e qualitativos, e cada vez mais empresas no mundo estão implantando TPM para garantir níveis de excelência mundial nos seus processos (CASTRO, 2006).
Anualmente é publicado o ranking das empresas na qual se certificaram pelo JIPM. Para se certificar, as empresas se submetem a uma auditoria dos seus processos na qual será avaliado o nível de utilização do TPM. A certificação é definida por vários fatores, tais como: tempo de permanência do programa, resultados quantitativos e qualitativos, etc.
No ano de 2008 foram certificadas 61 plantas industriais em todo o mundo, sendo 5 no Brasil. Já no ano de 2009 foram certificadas 44 plantas industriais em todo o mundo, sendo apenas uma no Brasil (JIPM, 2010).
Este trabalho será reduzido à aplicação do TPM em apenas um equipamento buscando demonstrar suas ferramentas de forma mais detalhada. A escolha da aplicação do TPM em caldeiras flamotubulares e a busca por uma maior eficiência térmica foram levadas em consideração os fatores descritos a seguir.
Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte utiliza vapor de água como fluido de trabalho em ciclos termodinâmicos, transformando a energia química de combustíveis fósseis em energia mecânica, e em seguida, energia elétrica. Cerca de 80% das indústrias de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores, etc. Mesmo outros setores industriais, como metalúrgico e metal-mecânico podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos. As caldeiras e os dispositivos térmicos que utilizam combustão são os principais consumidores energéticos mundiais. Dois terços dos combustíveis fósseis são usados em sistemas térmicos com combustão.
A melhoria da eficiência energética – uso de menos energia para uma dada tarefa – é uma importante forma de uso racional de recursos energéticos mundial. Uma grande quantidade de avanços de eficiência energética em processos industriais foi desenvolvida e introduzida nas últimas décadas. A adoção dessas tecnologias vem se expandindo, contribuindo para uma redução substancial do uso e da intensidade da energia em muitos países (GELLER, 2003). 2. OBJETIVO
O objetivo geral deste trabalho é a proposição de ações vinculadas à metodologia TPM para aplicação em caldeiras flamotubulares para reduzir as perdas do OEE e eficiência térmica.
Como objetivos específicos pretende-se:
Medir a eficiência térmica de uma caldeira de laboratório e tratar estatisticamente os resultados.
Medir o OEE de três caldeiras, de pequeno, médio e grande porte, identificando as perdas e comparando os resultados.
Propor ações vinculadas aos oito pilares do TPM para aplicação em caldeiras flamotubulares visando à redução dessas perdas e, consequentemente, das perdas de eficiência térmica.
3. MEDIÇÃO DA EFICIÊNCIA TÉRMICA DA CALDEIRA FLAMOTUBULAR
Neste tópico será apresentado o cálculo da eficiência térmica da caldeira ATA-2 do laboratório de máquinas térmicas do CEFET – MG operando em diferentes pressões de trabalho. Estas medições visam conhecer a eficiência térmica da caldeira, os parâmetros que determinam esta eficiência e a influência da variação desses parâmetros sobre a eficiência calculada. A busca por maiores eficiências térmicas resulta no melhor aproveitamento da energia disponível no combustível para a produção de vapor. Será calculada a eficiência térmica usando o método direto. Este método é calculado pelo percentual dado pela divisão do calor utilizado real (produção de vapor) pela capacidade de produção dada pelo PCI – Poder Calorífico Inferior do combustível utilizado, conforme expresso na Eq. (1):
(1) Primeiramente esta equação será utilizada para o cálculo da eficiência térmica teórica, substituindo os dados fornecidos pelo fabricante, para que posteriormente seja utilizado no cálculo do tamanho da amostra, onde:
ηT = eficiência térmica teórica
mv = 500 kg/h (vazão mássica de vapor)
hs = 2780 kJ/kg (entalpia do vapor para uma pressão de trabalho máxima de 10,55 kgf/cm²)
he = 92,2 kJ/kg (entalpia da água para uma temperatura ambiente de 22°C)
mc = 40 kg/h (vazão mássica de combustível)
PCI = 41000 kJ/kg (Poder Calorífico Inferior do combustível)
Substituindo esses dados na Eq. (1), temos que ηT = 81,94%. Apesar do valor encontrado, o fabricante da caldeira
fornece o valor da eficiência como sendo de 85 ± 2% (Fonte: www.aalborg-industries.com.br. Acesso em 12/10/10). Para o cálculo dos erros absolutos e relativos de ηT, teremos que calcular a derivada parcial de cada termo da Eq.
(1), sendo o erro absoluto de ηT encontrado de 1,44%, enquanto que o erro relativo foi de 1,76%.
( ) v s e c m h h m PCI h= × -×
Antes de iniciar a coleta dos dados amostrais dos experimentos, teremos que calcular o tamanho das amostras a serem coletadas, utilizando o erro relativo. Adotando um fator de risco de 0,10, média estimada de 80% e desvio padrão de 9%, determinamos o valor do tamanho da amostra de n=6,35≅6.
Os dados utilizados no estudo são as medições ocorridas a cada ciclo de acionamento da bomba d’água. A cada seis ciclos de acionamento, se caracteriza como uma amostra. No total, foram coletadas 10 amostras.
O Gráfico 1 apresenta a relação entre a eficiência térmica e a vazão mássica de combustível para as 10 amostras. As quatro primeiras amostras foram coletadas com a caldeira trabalhando com regulagem em “fogo baixo”. As demais foram operadas em “fogo alto”. Percebe-se que a vazão mássica de combustível está diretamente relacionada à regulagem de operação da caldeira no que diz respeito ao regime de operação da fornalha (fogo alto e fogo baixo). Isto porque à medida que se espera maior produção de calor, necessita-se maior quantidade de combustível. Porém a eficiência térmica não variou proporcionalmente à vazão mássica de combustível.
GRÁFICO 1: RELAÇÃO ENTRE A EFICIÊNCIA TÉRMICA E A VAZÃO MÁSSICA DE COMBUSTÍVEL O Gráfico 2 apresenta a relação entre a eficiência térmica e a vazão mássica de vapor. Nota-se que o comportamento da vazão mássica de combustível é semelhante à de vapor, já que em fogo baixo seu valor é menor do que em fogo alto. Porém a eficiência térmica também não varia proporcionalmente à vazão mássica de vapor.
GRÁFICO 2: RELAÇÃO ENTRE A EFICIÊNCIA TÉRMICA E A VAZÃO MÁSSICA DE VAPOR
Já no Gráfico 3 é apresentada a relação entre a eficiência térmica e a pressão de trabalho da caldeira. Em todas as amostras a válvula de abertura do vapor foi totalmente aberta, com exceção da primeira, apresentando uma pressão de trabalho maior pois a abertura da válvula foi menor, mantendo uma pressão interna mais alta. Percebe-se também que em fogo baixo a pressão se mantém em níveis mais baixos que em fogo alto, uma vez que com mais calor se consegue pressões de trabalho mais elevadas. Assim como nas análises anteriores, a eficiência térmica não varia proporcionalmente à pressão de trabalho.
GRÁFICO 3: RELAÇÃO ENTRE A EFICIÊNCIA TÉRMICA E A PRESSÃO DE TRABALHO
Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 Amostra 7 Amostra 8 Amostra 9 Amostra 10 μ mc (Kg/h) 33,90 33,68 34,21 30,51 47,98 45,90 47,35 45,33 47,13 37,73 40,37 η (%) 79,99% 87,58% 85,98% 86,44% 84,93% 86,01% 77,51% 81,82% 85,38% 83,95% 83,96% 0 10 20 30 40 50 60 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% η x mc Kg/h
Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 Amostra 7 Amostra 8 Amostra 9Amostra 10 μ mv (Kg/h) 448 460 465 412 630 613 568 570 623 494 528 η (%) 79,99% 87,58% 85,98% 86,44% 84,93% 86,01% 77,51% 81,82% 85,38% 83,95% 83,96% 0 100 200 300 400 500 600 700 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Kg/h η x mv
Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 Amostra 7 Amostra 8 Amostra 9 Amostra 10 μ Pressão (Kgf/cm²) 5,97 3,03 2,97 2,50 4,11 3,83 4,72 4,33 3,61 3,22 3,83 η (%) 79,99% 87,58% 85,98% 86,44% 84,93% 86,01% 77,51% 81,82% 85,38% 83,95% 83,96% 0 1 2 3 4 5 6 7 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Kgf/cm² η x Pressão
O Gráfico 4 apresenta a relação entre a eficiência térmica e a temperatura da água na entrada da caldeira. Nota-se que não tem nenhuma relação direta entre os termos apresentados. A temperatura de água na entrada da caldeira define a entalpia de entrada, porém este termo influencia a eficiência térmica em conjunto com a entalpia de saída, dada pela pressão de trabalho. Portanto, no Gráfico 5 é apresentada a relação entre a eficiência térmica e a diferença entre as entalpias de saída e a de entrada.
GRÁFICO 4: RELAÇÃO ENTRE A EFICIÊNCIA TÉRMICA E A TEMPERATURA DE ENTRADA DA ÁGUA
GRÁFICO 5: RELAÇÃO ENTRE A EFICIÊNCIA TÉRMICA E A DIFERENÇA ENTRE AS ENTALPIAS DE SAÍDA E A DE ENTRADA
A diferença entre as entalpias de saída e a de entrada (Gráfico 5) variam da mesma forma que a pressão de trabalho, uma vez que a temperatura de entrada da água e consequentemente a entalpia de entrada da água não variam muito. Portanto a variação de entalpia estará ligada mais fortemente à entalpia de saída, determinada pela pressão de trabalho. Nota-se que este delta não variou com a eficiência térmica, pois, ainda que a diferença entre entalpias represente a energia que foi disponibilizada ao vapor pela queima do combustível, a eficiência térmica dependerá da quantidade de vapor que recebeu esta energia.
O erro da eficiência térmica real, agora utilizando todos os dados coletados experimentalmente e mantendo os erros dos instrumentos, foi de 1,40% absoluto e 1,67% relativo. O teste de hipóteses é aplicado para validar os dados coletados nas amostras. Para isso, consideramos a média estimada de 80% para o cálculo do tamanho da amostra, como uma hipótese verdadeira, a menos que existam evidências suficientes para sua rejeição. A eficiência térmica média encontrada nos experimentos foi de 83,96%. Agora é necessário verificar se a diferença entre esta média e a eficiência térmica prevista na hipótese nula de 80% é o suficientemente significativa para rejeitar ou não a hipótese proposta. Para verificar a hipótese nula é necessário calcular um valor crítico, neste caso do lado direito da distribuição (porque a média amostral de 83,96% foi superior à hipótese nula de 80%), tal que, se a média amostral estiver acima dele, a hipótese nula será rejeitada. O valor crítico encontrado foi de 89,14% com base no nível de significância de 2,5% definido no teste e, portanto maior do que 83,96%. Desta forma a hipótese nula da média igual a 80% deve ser aceita.
Apesar de não ser o foco deste trabalho, PERA, 1996, define que as perdas por eficiência térmica são as parcelas de calor do combustível alimentado na fornalha não aproveitada na produção de vapor. A maior parte dessas perdas se dá na fornalha e podem ser divididas em sete principais perdas:
Calor do próprio combustível caído no cinzeiro (P1);
Calor sensível da própria cinza (P2);
Fuligem arrastada através de toda a caldeira até a chaminé (P3); Gases CO e H2 que se desprendem na chaminé (P4);
Irradiação através das paredes da caldeira (P5);
Calor sensível dos gases da combustão para a atmosfera, conhecidos como perdas da chaminé (P6);
Amostra
1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 Amostra 7 Amostra 8 Amostra 9 Amostra 10 μ T (°C) 21,8 21,6 22,4 22,4 22,7 22,7 22,0 22,0 22,3 22,3 22,2 η (%) 79,99% 87,58% 85,98% 86,44% 84,93% 86,01% 77,51% 81,82% 85,38% 83,95% 83,96% 21 21 21 22 22 22 22 22 23 23 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% °C η x T
Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 Amostra 7 Amostra 8 Amostra 9 Amostra 10 μ Δh (KJ/Kg) 2664,85 2634,59 2629,60 2622,92 2644,03 2641,16 2653,62 2649,79 2639,93 2634,78 2641,53 η (%) 79,99% 87,58% 85,98% 86,44% 84,93% 86,01% 77,51% 81,82% 85,38% 83,95% 83,96% 2600 2610 2620 2630 2640 2650 2660 2670 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% KJ/Kg η x Δh
Parada-partida e variação de carga da caldeira (P7).
A perda por eficiência térmica total apresentada neste trabalho é em média de 16,04% ( ), porém este valor não será estratificado nessas sete perdas, pois não foram medidas nos experimentos.
4. AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA GLOBAL DE CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
Neste tópico será apresentado o cálculo do OEE para três caldeiras flamotubulares inseridas em diferentes processos produtivos. Serão calculados os OEE’s separados em disponibilidade, desempenho e taxa de qualidade. Para o cálculo do OEE das caldeiras aqui apresentadas, primeiramente defini-se como cada termo das equações que formam este indicador de eficácia será medido.
(2) Da Eq. (2), os termos serão assim definidos:
TC: tempo de carga
TT: intervalo de tempo total que estão sendo analisadas as amostras coletadas (tempo calendário);
TP: tempo planejado previamente para não haver produção, não considerado no cálculo do OEE;
(3) Da Eq. (3), os termos serão assim definidos:
TO: tempo operacional
TM: tempo de paradas planejadas para manutenção da caldeira;
TN: tempo de paradas não planejadas (corretivas) para manutenção da caldeira;
(4) A Eq. (4) define o primeiro termo do OEE, a disponibilidade.
(5) Da Eq. (5), para o cálculo do desempenho, os termos serão assim definidos:
VP: quantidade de vapor produzido (kg) medido através da vazão de vapor ou da diferença de nível do
reservatório de água, uma vez que a quantidade de água que entra é a mesma quantidade de vapor que sai da caldeira, por hipótese;
CN: tempo mínimo necessário para se produzir uma unidade de vapor (h/kg). O tempo de ciclo teórico ou
capacidade nominal é definido como a maior produtividade observada através das medições.
(6) Da Eq. (6), para o cálculo da taxa de qualidade, os termos serão assim definidos:
UB: vapor produzido com a qualidade desejada ao processo a que ele se destina.
UT: total de vapor produzido no intervalo de tempo analisado.
(7) A Eq. (7) define, enfim, o OEE como o produto dos fatores apresentados nas equações anteriores.
4.1 CALDEIRA ATA-2 (CEFET-MG)
A Caldeira ATA-2, como apresentado no item anterior, é um equipamento que não está inserido num processo produtivo. Os mesmos dados usados para a medição da eficiência térmica, serão utilizados para o cálculo do OEE.
Assim, o cálculo do OEE para a caldeira ATA-2 será definido da seguinte forma:
DP (Disponibilidade) será de 100% uma vez que se trata de um equipamento de laboratório que, mesmo
que apresentassem paradas, não existe uma equipe de manutenção; VP (volume processado) será a diferença de nível de água do reservatório;
100% 83,96% -C T P T =T -T ( ) O C M N T =T - T +T O P C T D T = P N N O V C D T × = B L T U Q U = P N L OEE D D Q= × ×
CN (tempo de ciclo teórico) será definido como a maior produtividade observada através das medições, ou
seja, num mesmo intervalo de tempo, a máxima massa de vapor produzida;
QL (qualidade) também será de 100%, pois não existe um nível de qualidade desejado para o vapor.
Portanto, se os termos DP e QL são de 100%, OEE = DN. Neste caso são propostas duas formas de calcular o
desempenho. Como o vapor é o produto da caldeira, a primeira forma de cálculo do desempenho será dada pela divisão da vazão mássica de vapor de cada medição pela máxima vazão apresentada em todos os dados (675 kg/h). A segunda forma é a divisão da eficiência encontrada em cada amostra pela eficiência máxima encontrada (96,11%).
O Gráfico 6 apresenta uma comparação entre as duas formas de cálculo para OEE propostas neste trabalho. Pode-se notar que o OEE calculado a partir da vazão mássica de vapor variou da mesma forma que na própria vazão mássica de vapor e de combustível também, uma vez que a baixa vazão mássica de combustível é provocada pela regulagem da caldeira em fogo baixo e em consequência, uma baixa produção de vapor, conforme foi analisado no tópico anterior. Porém o OEE calculado pela eficiência térmica não variou da mesma forma que a vazão mássica de vapor e sim pela própria eficiência térmica real apresentada no tópico anterior.
GRÁFICO 6: COMPARAÇÃO ENTRE O RENDIMENTO GLOBAL DA CALDEIRA ATA-2 NAS DIFERENTES FORMAS DE CÁLCULO (VAZÃO MÁSSICA DE VAPOR E EFICIÊNCIA TÉRMICA)
De acordo com a Tab. (1), o OEE para a vazão mássica de vapor é de 78,26%. Isto significa que 1,23 horas foram perdidas num total de 5,67 horas medidas. A disponibilidade e a qualidade são de 100% como explicado anteriormente. Portanto o OEE foi o próprio desempenho e, como não houve registros de microparadas, toda a perda apresentada (Gap) se deve à redução de velocidade. Temos, portanto um potencial de ganho de 21,74%.
TABELA 1: OEE-mv DA CALDEIRA ATA-2 E SUAS PERDAS.
De acordo com a Tab. (2), o OEE para a eficiência térmica é de 87,36%. Isto significa que 0,72 horas foram perdidas num total de 5,67 horas medidas. Temos, portanto um potencial de ganho de 12,64%. Porém, aqui está sendo avaliado o potencial de ganho de eficiência energética, ou seja, com a mesma quantidade de combustível utilizado em todo o experimento poderia ter sido produzido 0,72 horas a mais de vapor.
TABELA 2: OEE-η DA CALDEIRA ATA-2 E SUAS PERDAS.
Desta forma deve ser avaliada a melhor maneira de se medir o desempenho: através da vazão mássica de vapor ou da eficiência térmica. A decisão deve ser baseada na necessidade de análise de cada processo. Quando se deseja medir a capacidade de produção de vapor, o desempenho deve ser calculado a partir da vazão mássica de vapor. Quando se quer conhecer o potencial de ganho em relação ao consumo de combustível por vapor produzido, deve-se usar o método de cálculo do desempenho a partir da eficiência térmica da caldeira.
Amostra
1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra 6 Amostra 7 Amostra 8 Amostra 9 Amostra 10 μ OEE - η (%) 83,23% 91,12% 89,46% 89,94% 88,36% 89,49% 80,65% 85,13% 88,83% 87,35% 87,36% OEE - mv(%) 66,44% 68,15% 68,82% 61,06% 93,33% 90,86% 84,07% 84,44% 92,22% 73,21% 78,26% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% OEE - η x OEE - mv
DESCRIÇÃO DA PERDA GAP
Avarias 0,00
Setup 0,00
Produtivo Gap % Gap Microparadas 0,00
Tempo de carga Disponibilidade 100,00% 0,00% Redução de velocidade 1,23
Disponibilidade 5,67 0,00 Desempenho 78,26% 21,74% Defeitos e retrabalhos 0,00
Desempenho 4,44 1,23 Qualidade 100,00% 0,00% Perdas de início de produção 0,00
Qualidade 4,44 0,00 OEE 78,26% 21,74% TOTAL 1,23
TEMPO DE PRODUÇÃO (Horas) EFICIÊNCIAS
OEE-mv ATA-2
5,67
DESCRIÇÃO DA PERDA GAP
Avarias 0,00
Setup 0,00
Produtivo Gap % Gap Microparadas 0,00
Tempo de carga Disponibilidade 100,00% 0,00% Redução de velocidade 0,72
Disponibilidade 5,67 0,00 Desempenho 87,36% 12,64% Defeitos e retrabalhos 0,00
Desempenho 4,95 0,72 Qualidade 100,00% 0,00% Perdas de início de produção 0,00
Qualidade 4,95 0,00 OEE 87,36% 12,64% TOTAL 0,72
OEE-η ATA-2
TEMPO DE PRODUÇÃO (Horas) EFICIÊNCIAS
4.2 CALDEIRA HEATMASTER-500HP (CEDRO)
A segunda caldeira a ser estudada é da marca HEATMASTER, modelo Wood Fired 500 HP, inserida em um processo produtivo real. A caldeira está situada na Fábrica de Tecidos Cedro, em Sete Lagoas-MG, e tem a finalidade de produzir vapor para o processo de secagem, cozimento, alvejamento e estampagem de tecidos.
Esta caldeira se mantém em operação vinte e quatro horas por dia, todos os dias do mês. Portanto o tempo de carga será o próprio tempo calendário. A disponibilidade será o tempo de carga menos o tempo de paradas por manutenções preventivas ou corretivas, retiradas dos apontamentos de paradas. Para o cálculo do desempenho serão utilizados os apontamentos de produção, onde o operador da caldeira anota, de hora em hora, o consumo de água. Quanto à taxa de qualidade, será de 100% pois, ainda que pressões inferiores a 3 kgf/cm² comprometam os processos posteriores, não foi registrada esta situação. Isto se deve ao fato de que existem várias outras caldeiras conectadas entre si que mantém sempre a pressão de trabalho necessária aos processos seguintes nas tubulações de vapor. Inclusive, várias dessas caldeiras não necessitam estar ligadas todo o tempo devido à baixa demanda comparada à capacidade de produção.
Na Tab. (3) são apresentados os resultados do OEE separados em disponibilidade, desempenho e qualidade. TABELA 3: OEE DA CALDEIRA HEATMASTER-500HP (JAN A SET/2010).
Notamos que a média da disponibilidade dos nove meses avaliados foi de 80,78%, significando que temos um potencial de aproveitamento de 19,22% de perdas evitadas por paradas de manutenção da caldeira. Para o desempenho, a média foi de 73,12%, ou seja, 26,88% de potencial de ganho sobre os 80,78% medido na disponibilidade. A média geral do OEE foi de 59,02%, deixando um potencial de ganho de 40,98% no total. Mesmo que não garantisse um OEE de 100%, pode-se analisar em relação aos níveis esperados pelo JIPM de 85%. Assim, tem-se um potencial de ganho de 24,98% para chegar aos 85% tido como um valor consideravelmente alto de OEE.
Na Tab. (4) estão apresentadas as seis grandes perdas do processo de todos os meses analisados.
TABELA 4: SEIS GRANDES PERDAS DO OEE DA CALDEIRA HEATMASTER-500HP (JAN A SET/2010).
Percebe-se que o mês de junho/2010 apresenta o menor valor de disponibilidade e OEE entre os meses analisados, onde 346 horas foram perdidas por avarias. Isto se deve ao serviço realizado da troca de 151 tubos, ficando quase 12 dias com a caldeira parada para esta manutenção. Em média tivemos 138,22 horas de perdas por avarias e 156,37 horas de redução de velocidade, totalizando uma perda média de 294, 59 horas.
4.3 CALDEIRA AALBORG-10G (BELGO)
A terceira caldeira é da marca AALBORG, tipo M3P, modelo 10G, inserida em um processo produtivo real, situado na Belgo- Contagem-MG e tem a finalidade de produzir vapor para o processo de decapagem de arame de aço.
Os três termos do OEE (disponibilidade, desempenho e taxa de qualidade) serão calculados da mesma maneira que na caldeira HEATMASTER. Porém os apontamentos de consumo de água (produção de vapor) são realizados semanalmente. Portanto o desempenho, e consequentemente o OEE, serão calculados por semana. Além disto, foram
Disponibilidade (%) Desempenho (%) Taxa de Qualidade (%) OEE (%) jan/10 83,56% 72,32% 100,00% 60,43% fev/10 83,48% 69,02% 100,00% 57,62% mar/10 89,78% 71,97% 100,00% 64,61% abr/10 81,81% 69,94% 100,00% 57,22% mai/10 81,99% 72,18% 100,00% 59,18% jun/10 51,94% 74,63% 100,00% 38,76% jul/10 84,41% 79,55% 100,00% 67,15% ago/10 83,20% 74,94% 100,00% 62,35% set/10 86,88% 73,51% 100,00% 63,87% Média 80,78% 73,12% 100,00% 59,02%
DESCRIÇÃO DA PERDA jan/10 fev/10 mar/10 abr/10 mai/10 jun/10 jul/10 ago/10 set/10 Média Soma Avarias 110,50 111,00 76,00 131,00 134,00 346,00 116,00 125,00 94,50 138,22 1244,00
Setup 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Microparadas 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Redução de velocidade 155,42 173,80 187,24 177,05 169,70 94,88 128,43 155,12 165,69 156,37 1407,34
Defeitos e retrabalhos 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Perdas de início de produção 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 TOTAL 265,92 284,80 263,24 308,05 303,70 440,88 244,43 280,12 260,19 294,59 2651,34
apresentados casos em que o vapor produzido ficou com pressão abaixo da desejada no processo (6 kgf/cm²). A pressão é medida continuamente e são extraídos relatórios por turno. Desta forma a taxa de qualidade será menor do que 100% em alguns casos. Os apontamentos apresentados contemplam um intervalo de tempo que inicia no dia 25/04/2010 e termina em 31/07/2010.
O Gráfico 7 apresenta a comparação dos OEE’s médios por semana.
GRÁFICO 7: COMPARAÇÃO SEMANAL DO OEE DA CALDEIRA AALBORG-10G Na Tab. (5) são apresentados os dados do OEE do total das semanas analisadas da caldeira Aalborg-10G.
TABELA 5: OEE DA CALDEIRA AALBORG-10G E SUAS PERDAS (TOTAL).
Primeiramente temos representado no primeiro quadro o tempo de carga (16x(7x24 h)=2.688 h) e os tempo perdidos (Gap) de disponibilidade (504 h), desempenho (646,46 h) e qualidade (3 h). O segundo quadro apresenta o resultado em percentual de horas perdidas. Finalmente o terceiro quadro apresenta as seis grandes perdas do processo, onde a disponibilidade está representada pelas avarias, o desempenho pela redução de velocidade e microparadas e a qualidade por defeitos e retrabalhos. Não foram registradas perdas de início de produção e setup. Notamos neste caso, diferentemente da situação anterior (caldeira Heatmaster-500HP), foram registradas 126,75 horas de microparadas, representadas pela interrupção da pressão apresentadas no monitoramento on line da pressão de trabalho.
Temos, portanto um potencial de ganho de 42,91%, o que significa que se não tivéssemos registros de paradas da caldeira e esta operasse o tempo inteiro em capacidade máxima de produção, teríamos um rendimento 42,91% maior do que o apresentado (57,09%).
Na Tab. (6) são apresentados os resultados do OEE separados em disponibilidade, desempenho e qualidade. TABELA 6: OEE DA CALDEIRA AALBORG-10G.
62,1% 53,2%54,1% 65,0% 100,0% 96,6% 69,8%74,3% 57,0% 77,7% 70,7%67,0% 22,1% 7,1% 26,2% 27,1% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
OEE DA CALDEIRA AALBORG-10G
DESCRIÇÃO DA PERDA GAP
Avarias 504,00
Setup 0,00
Produtivo Gap % Gap Microparadas 126,75
Tempo de carga Disponibilidade 81,25% 18,75% Redução de velocidade 519,71
Disponibilidade 2.184,00 504,00 Desempenho 70,40% 29,60% Defeitos e retrabalhos 3,00
Desempenho 1.537,54 646,46 Qualidade 99,80% 0,20% Perdas de início de produção 0,00
Qualidade 1.534,54 3,00 OEE 57,09% 42,91% TOTAL 1153,46
2.688,00
OEE AALBORG - Total
TEMPO DE PRODUÇÃO (Horas) EFICIÊNCIAS
SEMANA DISPONIBILIDADE DESEMPENHO QUALIDADE OEE
1 90,5% 68,9% 99,6% 62,1% 2 100,0% 53,2% 100,0% 53,2% 3 85,7% 63,2% 100,0% 54,1% 4 100,0% 65,0% 100,0% 65,0% 5 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% 6 100,0% 96,6% 100,0% 96,6% 7 100,0% 69,8% 100,0% 69,8% 8 100,0% 74,3% 100,0% 74,3% 9 100,0% 57,0% 100,0% 57,0% 10 100,0% 77,8% 99,9% 77,7% 11 100,0% 70,7% 100,0% 70,7% 12 100,0% 67,0% 100,0% 67,0% 13 28,6% 77,4% 99,9% 22,1% 14 14,3% 50,0% 99,7% 7,1% 15 33,3% 78,5% 99,3% 26,2% 16 47,6% 57,0% 100,0% 27,1% Média 81,3% 70,4% 99,8% 57,1%
Notamos que a média da disponibilidade das dezesseis semanas avaliadas foi de 81,3%, significando que temos um potencial de aproveitamento de 18,7% de perdas evitadas por paradas de manutenção da caldeira. Para o desempenho, a média foi de 70,4%, ou seja, 29,6% de potencial de ganho sobre os 81,3% medido na disponibilidade. A média geral do OEE foi de 57,1%, deixando um potencial de ganho de 42,9% no total. Mesmo que não garantisse um OEE de 100%, pode-se analisar em relação aos níveis esperados pelo JIPM de 85%. Assim, tem-se um potencial de ganho de 27,9% para chegar aos 85% tido como um valor consideravelmente alto de OEE. Da semana 13 até a semana 16 os valores do OEE estiveram bem abaixo das demais semanas analisadas devido ao alto tempo em que a caldeira ficou parada por manutenção.
4.4 COMPARATIVO ENTRE AS CALDEIRAS ESTUDADAS
Na Tab. (7) é apresentado um quadro resumo dos fatores de disponibilidade, desempenho e qualidade para as três caldeiras com o tempo total analisado em cada caso.
TABELA 7: COMPARATIVO DO OEE PARA AS TRÊS CALDEIRAS ESTUDADAS.
Os valores de disponibilidade apresentados para as caldeiras Heatmaster e Aalborg foram muito próximos. Vale lembrar que ambas as caldeiras inseridas em processos produtivos tem um alto índice de perdas por disponibilidade, mas, ainda que esta caldeira esteja indisponível para produzir vapor neste tempo, existem outras caldeiras para suprir a necessidade de vapor do processo através da produção por outras caldeiras também existentes na empresa. Desta forma, não há uma preocupação muito grande em relação à indisponibilidade do equipamento, porque o processo produtivo não fica comprometido, uma vez que o vapor está continua sendo produzido por outras caldeiras.
O desempenho, e consequentemente o OEE, apresentado para a caldeira ATA-2 leva em consideração a produção de vapor, uma vez que para comparar as medições deve ser utilizada uma mesma forma de cálculo padrão para todas as caldeiras. As perdas por desempenho representam de 20 a 30% nas caldeiras estudadas. É natural que uma caldeira de laboratório (ATA-2) tenha um desempenho maior, pois o equipamento é menos exigido e em consequência do seu baixo uso, tem-se um desgaste menor e uma desregulagem de mistura menor. Grande parte dessa perda está relacionada à deficiência de regulagem da mistura ar x combustível. Isto porque depois de ligada a caldeira, esta se mantém em funcionamento quase sem a interferência humana e mesmo assim há uma variação de produção de vapor, mesmo não havendo paradas de equipamento, variação de regulagem ou outras interferências externas.
A taxa de qualidade, mesmo que haja perdas na caldeira Aalborg, é praticamente de 100%, pois as perdas apresentadas são desprezíveis se comparada aos outros fatores.
As caldeiras estudadas têm características bem distintas uma das outras, como apresentadas na Tab. (8): TABELA 8: CARACTERÍSTICAS DAS CALDEIRAS ESTUDADAS.
5. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Este tópico trata da discussão dos resultados dos dados apresentados nos itens três e quatro. Para isso será realizada a análise das perdas de eficiência térmica e do OEE das caldeiras.
5.1 EFICIÊNCIA TÉRMICA
A eficiência térmica foi calculada apenas para a caldeira ATA-2. A média da eficiência térmica medida foi de 83,96% ± 1,40%, ou seja, 16,04% ± 1,40% de perdas de eficiência térmica. Parte dessas perdas advém do projeto da caldeira. Os gases quentes provenientes da queima do combustível trocam calor com a água produzindo o vapor. Porém a energia presente no combustível não é transmitida totalmente para a água. Desta forma, ainda há energia nos gases em sua descarga pela chaminé. Assim, existem novos projetos de caldeiras que consideram a construção de câmaras de água
EFICIÊNCIA ATA-2 HEATMASTER-500HP AALBORG-10G
Disponibilidade 100,00% 80,78% 81,25%
Desempenho 78,26% 73,12% 70,40%
Qualidade 100,00% 100,00% 99,80%
OEE 78,26% 59,02% 57,09%
CARACTERÍSTICAS ATA-2 HEATMASTER-500HP AALBORG-10G
Empresa/ instituição CEFET CEDRO BELGO
Processo produtivo Laboratório Tecidos Arames
Combustível Óleo BPF Lenha Gás natural
Produção teórica de vapor 500 kg/h 6630 kg/h 10000 kg/h
nos espelhos frontal e traseiro da caldeira para que seja aproveitada melhor a energia presente nos gases, ou seja, nestes casos se conseguem uma eficiência térmica de projeto maior.
Por outro lado, existem fatores operacionais que determinam a variação da eficiência térmica, já que as medições mostraram que esta não se mantém constante. Desta forma, com ações vinculadas à metodologia TPM pretende-se conseguir uma troca térmica mais eficiente em um mesmo projeto. No capítulo três a amostra 2 apresenta o maior valor de eficiência térmica (87,58%), conseguido através da melhor combinação entre os termos apresentados na Eq. (1), onde foi a melhor situação de aproveitamento do combustível para a produção do vapor.
Notamos que nos experimentos, quando a chama, observada pelo visor da fornalha, se mantinha constante, a eficiência térmica se apresentava maior, enquanto que, quando intermitente, se apresentava menor. A constância da chama está diretamente ligada à mistura ar x combustível, portanto a regulagem da mistura é um fator preponderante para se conseguir níveis maiores de eficiência térmica. A regulagem é feita por empresas especializadas que, através da combinação de regulagem dos componentes da caldeira, buscam um melhor aproveitamento do combustível. Além disto, ações como a limpeza do bico injetor de combustível na fornalha, por exemplo, evita que o combustível não seja pulverizado adequadamente.
Vale frisar neste momento a importância do tratamento da água de caldeiras que, além de prevenir que falhas venham a acontecer, também evita que se formem camadas de resíduos da água sobre os tubos, que com o passar do tempo, acabam por agir como isolante, tomando forma cerâmica, dificultando a troca térmica entre os gases quentes e a água, e consequentemente, perdendo eficiência térmica.
5.2 OEE
Como o OEE é a representação matemática dada pela multiplicação de três fatores, este item será dividido na discussão dos resultados desses fatores: disponibilidade, desempenho e qualidade, conforme será apresentado.
5.2.1 DISPONIBILIDADE
Este termo foi de 100% para a caldeira ATA-2 do Laboratório de Máquinas Térmicas do CEFET, 80,78% para a Heatmaster-500HP da Cedro Tecidos e 81,25% para a Aalborg-10G da Belgo.
No caso da primeira caldeira, como foi apresentado no item quatro, não foi registrado nenhuma parada por manutenção.
Já na caldeira Heatmaster-500 HP, a perda foi de 19,22% devido a paradas por manutenção. Esta perda representa em média 140 horas/mês, o que equivale a 5,83 dias/mês. O mês mais crítico foi em junho/2010 com 51,94%. Expurgando este mês a disponibilidade passaria de 80,78% para 84,39%. Neste mês houve a troca de 151 tubos de fogo da caldeira, no qual esta manutenção durou 12 dias. Outros 5 dias, dentre os 9 meses analisados, foram utilizados para a limpeza dos tubos e inspeção de segurança da caldeira. Ainda foram registradas 30 horas de paradas corretivas para soldar tubos e espelhos furados. Em entrevista com os mantenedores e operadores da caldeira, eles relataram que as paradas da caldeira não indisponibilizam a produção, pois existem outras caldeiras stand-by. A preferência pela operação desta caldeira é devido ao menor custo do combustível (lenha) comparado ao gás natural da caldeira reserva.
Na caldeira Aalborg-10G a perda por disponibilidade foi de 18,75%, representando 504 horas das 2.688 horas totais analisadas. Foram 36 dias com a caldeira parada dos 132 do total. Estes dias se devem a uma sequência de fatos, iniciado por um vazamento de água no visor de nível, com 7 dias de parada e se estendendo em outros 7 dias para sanar um vazamento de vapor na saída da caldeira. Desses 36 dias, 20 foram dedicados à espera pela assistência técnica, sua manutenção e inspeção (teste hidrostático, aferição dos instrumentos, etc). Isto porque o fabricante foi acionado após a falha, não havendo planejamento desta manutenção. Mas, assim como a caldeira Heatmaster, a Aalborg também tem uma stand-by cobrindo suas possíveis falhas e, portanto não indisponibilizando o processo produtivo. A desvantagem desta parada é que em certos casos, quando a produção é maior, é necessário ligar duas outras caldeiras para suprir a pressão mínima necessária para o processo, fazendo com que aumente o custo de combustível e manutenção.
5.2.2 DESEMPENHO
Já o fator de desempenho, como foi apresentado no capítulo 4, para a caldeira ATA-2, foram propostas duas diferentes maneiras para seu cálculo. A primeira se referindo à capacidade de produção de vapor, ou seja, pela vazão mássica de vapor. A segunda, pela comparação da maior eficiência térmica observada com as amostras coletadas.
O cálculo do desempenho proposto pelo JIPM, originalmente, considera a comparação entre a produção real e a nominal de um processo e avalia o tempo de produção perdida e o quanto poderia ser produzido a mais. Como os processos avaliados neste trabalho são caldeiras flamotubulares e seu produto é o vapor, seria natural que o cálculo do desempenho levasse em consideração este princípio. Porém, esta análise é válida quando se quer conhecer quanto vapor poderia ser produzido a mais do que foi realmente, comparando-se com sua capacidade nominal. Diferentemente, o cálculo do desempenho proposto pela eficiência térmica, mede a quantidade de vapor que seria produzido a mais com a mesma quantidade de combustível consumido. Quando se quer maximizar o aproveitamento do combustível consumido para a
produção de vapor, é interessante que o desempenho seja calculado pela eficiência térmica. Porém quando se quer conhecer o potencial de ganho na produção de vapor, ou ainda, quando o processo a que o vapor se destina requer níveis controlados de vazão, é mais apropriado calcular o desempenho pela vazão mássica de vapor.
Nos dados dos experimentos apresentados no item 4, a média do desempenho calculado pela eficiência térmica foi de 87,36%, o que representa uma perda de 0,72 horas das 5,67 horas totais. Isto significa que, com a mesma quantidade total de combustível consumido, poderia ter sido produzido 0,72 horas a mais de vapor que, pela capacidade nominal, daria 486 kg a mais de vapor, sendo o total produzido de 3.343 kg.
No cálculo do desempenho pela vazão de vapor, a média foi de 78,26%, representando 1,23 horas de perdas, das 5,67 horas totais. Ou seja, poderia ter siso produzido 830 kg a mais de vapor neste mesmo tempo.
Assim como foi apresentado anteriormente para as perdas de eficiência térmica, as perdas de vazão mássica de vapor, para a caldeira ATA-2, também foram observadas quando sua chama não se mantinha constante.
A caldeira Heatmaster-500HP apresentou uma perda de 21,74% de desempenho. O maior valor de produtividade registrado foi de 9.875 kg/h, e sua média de 7.221 kg/h (73,12%), representando 2.654 kg/h de perda. As perdas estão todas representadas pela redução de velocidade, não havendo histórico de microparadas. O desempenho foi o fator de maior perda do OEE desta caldeira. Por outro lado, se comparada a maior produtividade observada com a capacidade nominal de projeto para a produção de vapor, de 6.630 kg/h, o valor médio de desempenho ficou acima do proposto pelo fabricante. Mas não podemos esquecer que sua produção de vapor conseguiu níveis mais elevados do que este e, sendo assim, o cálculo do desempenho leva em consideração a máxima produtividade já atingida na prática, para que se possa visualizar o potencial de ganho para a produção de vapor.
Da mesma forma, o comportamento da caldeira Aalborg-10G foi semelhante à Hetamaster-500 HP. A maior perda do OEE também foi de desempenho, com 70,40%, representando 1.234 kg/h de perda, onde a máxima registrada foi de 7.143 kg/h. Porém, no caso desta caldeira, foram apontadas perdas de redução de velocidade (519,71 h) e microparadas (126,75 h) num total de 646,46 horas das 16 semanas estudadas. Se comparada à capacidade de produção de vapor fornecida pelo fabricante (10.000 kg/h), a média de produção de vapor (5.028 kg/h) fica bem abaixo desta, representando quase 50% de defasagem. Neste caso, se o desempenho fosse calculado pela capacidade nominal fornecida pelo fabricante, a perda seria ainda maior.
5.2.3 QUALIDADE
O único caso em que se registrou essa perda foi na caldeira Aalborg-10G, onde o gap foi de 0,2% devido à pressão de trabalho estar abaixo daquela exigida pelo processo. Portanto, as perdas de qualidade são quase desprezíveis se comparada às demais. Esta perda está muito mais vinculada a uma decisão sobre o dimensionamento do equipamento, em sua compra, para atendimento das condições necessárias ao processo a que se destina o vapor.
5.2.4 COMENTÁRIOS GERAIS
Tanto o fator de disponibilidade, quanto o de desempenho das caldeiras inseridas em processos produtivos foram bastante semelhantes. Já que a perda por qualidade foi quase nula nesses processos, consequentemente o OEE dessas caldeiras tiveram valores bem próximos, mostrando potenciais de ganho da ordem de 40 a 45% do tempo gasto na produção de vapor.
A definição pela metodologia mais adequada para o cálculo do desempenho cabe ao gestor do equipamento avaliar as informações mais importantes para se ter o controle, não impedindo com isso, que seja calculado o desempenho, tanto pelo método da eficiência térmica, como da produção de vapor. Assim, as ações de melhoria contínua propostas para a redução dessas perdas deverão ser condizentes com o que se está medindo.
No próximo tópico serão propostas ações para minimizar as perdas apresentadas neste capítulo. Essas ações são vinculadas aos pilares do TPM que direcionam os trabalhos para a maximização da eficiência do equipamento. Assim, o próprio entendimento das perdas apresentadas, bem como a proposição de ações para minimizá-las requer ferramentas de qualidade apresentadas na metodologia TPM.
5.2.5 PRIORIZAÇÃO DE RISCO
Para a avaliação das falhas causadoras das perdas de OEE e de eficiência térmica apresentadas será usada a metodologia FMEA (Failure Modes and Effects Analyzis) que também ajudará na priorização das ações. Assim, considera-se a função/ finalidade do FMEA como: “Otimizar o índice de OEE e a eficiência térmica das caldeiras estudadas.” A partir daí inicia-se pela identificação dos modos de falha, conforme apresentado na Tab. (9), utilizando de um modelo de formulário padrão para elaboração do FMEA.
TABELA 9: FMEA DAS PERDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA E OEE.
Os modos de falha são os principais fatores causadores das perdas de eficiência térmica e OEE observadas. A partir daí, é relatado o efeito produzido por cada modo de falha, dado em percentual de perda do OEE e eficiência térmica. Para cada efeito tem-se sua severidade correspondente. Tanto a severidade, quanto a ocorrência e a detecção são valores que variam de 1 a 5, de acordo com seu grau de importância. Estes valores foram definidos de acordo com a comparação entre os modos de falha estudados. Na sequência são apresentadas as causas básicas para cada falha. Porém em vários desses casos seria necessário um estudo mais aprofunadado para identificar suas causas raízes. A ocorrência de cada causa foi avaliada a partir dos apontamentos estudados nos capítulos anteriores. O controle é a proposição de ações imediatas para tentar evitar as causas dessas falhas. A detecção está vinculada à identificação das causas fundamentais dos modos de falha. No campo ação são apresentados apenas os pilares aos quais estão vinculados às ações que serão propostas no próximo capítulo. Finalizando, o RPN (Risk Priority Number) é a multiplicação dos termos quantitativos (severidade, ocorrência e detecção).
A média dos valores de RPN agrupados por pilar são organizados de forma decrescente, do maior potencial de ganho para o menor, de tal forma a identificar as ações mais prioritárias para serem implementadas na busca da redução das perdas de OEE e eficiência térmica, conforme apresentado no Gráfico 8.
GRÁFICO 8: IDENTIFICAÇÃO DAS AÇÕES PRIORITÁRIAS
As quatro ações mais prioritárias tratam da mesma causa, “Mistura ar x combustível deficiente” para os modos de falha relacionados à redução de velocidade e perda de eficiência térmica, cujo principal pilar relacionado a essa causa é a Manutenção Autônoma.
As quatro menos prioritárias estão ligadas às perdas de disponibilidade e de microparadas que, apesar de apresentarem valores menores, são mais fáceis de serem identificadas as causas e implementadas as ações.
No próximo tópico serão propostas ações para minimizar as perdas apresentadas no FMEA. Essas ações são vinculadas aos pilares do TPM que direcionam os trabalhos para a maximização da eficiência do equipamento. Assim, o
86 24 17 0 20 40 60 80 100 Manutenção
autônoma SHE especializadaManutenção RPN
Número Prioritário de Risco para os pilares do
TPM
próprio entendimento das perdas apresentadas, bem como a proposição de ações para minimizá-las requer ferramentas de qualidade apresentadas na metodologia TPM.
6. APLICAÇÃO DO TPM EM CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
Neste tópico serão propostas ações ligadas aos pilares do TPM, aplicadas às caldeiras estudadas, para a redução das perdas observadas do OEE e de eficiência térmica. Para isto, serão tratadas as causas dos modos de falha do FMEA apresentado na Tab. 21, buscando identificar e atacar diretamente as causas raízes dos problemas que geram tais perdas. Desta forma, este capítulo objetiva identificar os pilares que devem ser trabalhados para se conseguir níveis satisfatórios de OEE e eficiência térmica e implantá-los num curto espaço de tempo com ações direcionadas aos pontos de maiores riscos.
De acordo com as perdas observadas e a análise dos modos de falha são relacionados os pilares do TPM às perdas do OEE e de eficiência térmica na Tab. 10, direcionado ao tratamento de suas causas.
TABELA 10: PERDAS RELACIONADAS AOS PILARES DO TPM.
A seguir serão descritas as ações prioritárias recomendadas para o tratamento das perdas de OEE e eficiência térmica, separadas pelos pilares do TPM.
6.1 MELHORIA FOCALIZADA
O pilar de melhoria focalizada está sustentado no indicador OEE. Através da identificação das perdas relacionadas à disponibilidade, desempenho e qualidade são realizados estudos na busca da identificação das causas raízes e propostas ações de bloqueio às falhas identificadas. Portanto, os capítulos 3, 4 e 5 deste trabalho é parte das ações propostas neste pilar. Assim, todas as perdas observadas utilizam este pilar para identificar, analisar e propor melhorias para evitá-las, conforme apresentado na Tab. 10.
6.2 MANUTENÇÃO ESPECIALIZADA
Este pilar, como apresentada na Tab. 10, tem suma importância no tratamento das perdas de avarias, através de planos de manutenção consistentes e uma gestão de manutenção que garanta a confiabilidade do equipamento. No capítulo 5 foram analisadas as falhas da caldeira Heatmaster-500HP, onde foram observadas várias manutenções corretivas de vazamento de água, e na Aalborg-10G, a falha de planejamento na parada da caldeira para a manutenção preventiva realizada pela assistência técnica do fabricante. O setor de Manutenção deve se especializar em técnicas mais modernas de atuação nos equipamentos e formas eficazes de gestão deste processo.
6.3 MANUTENÇÃO AUTÔNOMA
Este é o pilar mais importante na priorização de risco, que trata as perdas de microparadas, redução de velocidade e eficiência térmica. O acompanhamento constante dos operadores e o cumprimento de procedimentos padrões de operação fazem com que se perceba com mais facilidade a combustão deficiente e que sejam tomadas ações de regulagem da mistura ar x combustível, otimizando a eficiência térmica e a capacidade de produção. Apesar de não ter sido registrada perdas de setup em nenhuma das caldeiras, poderiam ser criadas paradas para a limpeza do bico injetor de combustível na fornalha, considerando que esta atividade seja uma regulagem, uma vez que à medida que o bico fica sujo, a caldeira se desregula. Assim, apesar de gerar uma perda por setup (e talvez de início de produção provocado pelo setup) poderiam ser evitadas perdas maiores de eficiência térmica e redução de velocidade.
6.4 EDUCAÇÃO E TREINAMENTO
Este pilar sustenta todos os demais no que diz respeito aos conhecimentos, habilidades e atitudes necessárias à aplicação das atividades contempladas nos pilares do TPM. Para isto, é necessário o uso de ferramentas de gestão que auxiliem na identificação da necessidade de treinamentos para os funcionários e a promoção de nivelamento do conhecimento necessário à função. Portanto, para todas as perdas apresentadas na Tab. 10 é proposta a utilização deste pilar.
No Brasil, a baixa capacitação da mão-de-obra é um desafio a ser enfrentado na implantação do TPM. O pilar de educação e treinamento tem suma importância na formação e sustentação das competências necessárias a cada função da mão-de-obra relacionada ao processo.
6.5 SAÚDE, SEGURANÇA E MEIO AMBIENTE
Todos os pilares devem estar atentos às exigências relacionadas à saúde, segurança e meio ambiente para atendimento às normas vigentes para caldeiras flamotubulares. A norma regulamentadora NR-13 estabelece todos os preceitos para se garantir a segurança na operacionalidade e manutenabilidade de caldeiras a vapor.
Na inspeção de segurança, exigida pela NR-13, também é o momento de realizar uma inspeção de manutenção interna da caldeira, para que possam prevenir possíveis perdas de avarias, conforme apresentado na Tab. 10.
Além disto, as caldeiras, para produzir o vapor, queimam algum tipo de combustível, seja gás, lenha ou óleo e por conseqüência emitem gases provenientes da combustão para o ambiente. Desta forma, é comum a instalação de ciclones e lavadores de gases na saída da chaminé para reduzir a emissão de particulados para o ambiente. É obrigatório, pelas leis ambientais vigentes no Brasil, o monitoramento periódico do índice de emissão de particulados nos gases de exaustão. Assim, mesmo que esta perda não seja mensurável quantitativamente, tem uma importância muito grande no que se refere às perdas qualitativas, envolvendo a responsabilidade ambiental e social das empresas e instituições.
6.6 OUTROS PILARES
Apesar dos outros pilares ter sua importância na implantação do TPM como um todo, o foco deste trabalho é a identificação das ações prioritárias para sua implantação rápida, buscando otimizar os níveis de OEE e eficiência térmica das caldeiras flamotubulares. Desta forma, implanta-se apenas os pilares apresentados neste capítulo, para conseguir a redução das perdas apresentadas neste trabalho de forma rápida e eficaz.
7. CONCLUSÃO
Os objetivos gerais e específicos foram todos atingidos através da medição do OEE e da eficiência térmica de caldeiras flamotubulares e a proposição de ações vinculadas à metodologia TPM para aplicação nestes equipamentos.
Foram coletadas 10 amostras nos experimentos realizados na caldeira ATA-2 do laboratório de máquinas térmicas do CEFET-MG. Cada amostra representa 6 ciclos de acionamento da bomba d’água. Com os dados coletados nessas amostras, a eficiência térmica média da caldeira foi de 83,96% ± 1,40%, onde se verificou uma perda significativa de eficiência quando a chama da caldeira se apresentava intermitente.
Além da eficiência térmica, foi calculado seu OEE a partir desses mesmos dados para que pudesse ser comparada à eficiência global de outras duas caldeiras inseridas em processos produtivos reais. A ATA-2 representa a caldeira de pequeno porte, onde seu OEE foi de 78,26%. A de médio porte é a caldeira Heatmaster-500HP da Cedro Tecidos, onde foram analisados os dados de janeiro a setembro de 2010 e encontrado um OEE de 59,02%. Já a caldeira de grande porte foi a Aalborg-10G da Belgo Contagem, na qual foram estudados os históricos dos apontamentos de abril a agosto de 2010 e seu OEE foi de 57,09%. As três caldeiras estão localizadas em processos distintos, com capacidades variadas e cada qual utilizando um tipo diferente de combustível. O potencial de ganho se apresentou bastante atrativo para todas as caldeiras, ficando o termo “desempenho” com a maior parcela de perdas.
Na análise completa das perdas pode-se dizer que há uma parte da energia, contida no combustível, não aproveitada diretamente na produção de vapor, representada pela ineficiência térmica, causada pelo projeto do equipamento ou por fatores operacionais. Neste trabalho foram exploradas apenas as perdas causadas por fatores operacionais, medindo-as, identificando suas causas e propondo ações para minimizá-las. Por outro lado, analisando a capacidade nominal de produção de vapor das caldeiras estudadas, observa-se perdas de disponibilidade, provocadas por paradas para manutenção corretiva e preventiva e perdas de desempenho, ligadas ao desequilíbrio da mistura ar x combustível para a produção de vapor.
Para minimizar as perdas apresentadas foi realizado um FMEA para identificar suas causas e priorizá-las. A partir daí, foram propostas ações vinculadas à metodologia TPM, identificando a associação das perdas de OEE e de eficiência térmica com os pilares nos quais farão o tratamento das mesmas.
Em várias empresas a implantação do TPM não chega ao seu final devido ao enorme tempo necessário para a aplicação de cada pilar. Desta forma, este trabalho propõe primeiramente o estudo da situação atual para que sejam priorizados os pilares realmente importantes para a redução das perdas levantadas. Assim, a metodologia TPM se mostra atrativa por sua rápida aplicação com ações direcionadas à otimização do OEE.
Por fim, este trabalho pretende contribuir para os estudos relativos ao TPM, OEE, eficiência térmica e caldeiras flamotubulares, além de propor ações para a redução das perdas de forma rápida e eficaz para as caldeiras estudadas em particular e para caldeiras flamotubulares em geral. Esta dissertação também mostra a extrema importância do estudo de perdas relacionadas à eficiência térmica e à eficiência de processo em caldeiras flamotubulares e a busca por melhores resultados, uma vez que é grande seu potencial de ganho. Com isso, novas propostas de trabalho poderão ser exploradas através da proposição de ações vinculadas ao TPM, na busca por maiores índices de OEE e de eficiência energética de equipamentos industriais em geral.
REFERÊNCIAS
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Abstract. Today, increasingly, there is a constantly changing stage´s business world and production processes. Unlike what was seen some time ago, contemporary processes characterizes because the dynamism that the market demand requires. In this context OEE - Overall Effectiveness Equipment (or Overall Equipment Efficiency) represents a tool to measure the effectiveness of production processes. OEE, which has its origin closely related to TPM - Total Productive Maintenance, was once seen as an indicator for achieving the award given by JIPM - Japan Institute of Plant
Maintenance. Currently, however, is seen by many consultants as a standard tool for measuring the effectiveness’ production processes and the identification of potential gain. Since the TPM methodology, through its eight pillars, propose management actions of maintenance in its various integrated sectors seeking the maximum efficiency´s
process. This work aims a measurement of OEE and thermal efficiency in fire-tube boilers considering the process itself and the propositions of shares subject to TPM program looking for improvements’ measured process. To reach this goal methodologies are proposed for the OEE’s and the thermal efficiency measurement. Likewise, the actions reported here are directed to the implementation of TPM in fire-tube boilers. OEE values’ companies in general are very low compared to the levels proposed by the JIPM, 85% overall efficiency as appropriated values to world class industrial installations. Because that, this work intends to analyze the way to improve OEE’s values of fire-tube boilers, equipment of many utilizations in the industry.
