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Por Markos Max Herrera Román fecha 13:50 , 29/05/2007 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación CONTENIDOS GARANTÍA............................................................................................. 6 1 INTRODUCCION ................................................................................ 7 Generalidades................................................................................................................. 7 Acerca de Este Manual................................................................................................... 7 Manuales de Aplicación Relacionados........................................................................... 8 Seguridad........................................................................................................................ 8 2 DISEÑO PRELIMINAR....................................................................... 10 Generalidades................................................................................................................. 10 Requerimientos de Potencia ........................................................................................... 10 Requerimientos Generales......................................................................................... 10 Requerimientos Específicos........................................................................................ 10 Tipos de Sistema y Rangos........................................................................................ 10 El Diagrama de Una Sola Línea ..................................................................................... 12 Guías para los Rangos de Potencia del Generador ...................................................... 13 Rango de Potencia de Emergencia............................................................................ 13 Rango de Potencia Primaria ....................................................................................... 13 Rango de Potencia de Carga -Base (Rango de Potencia Continua).......................... 15 Tamaño ........................................................................................................................... 15 Consideraciones de Ubicación ....................................................................................... 16 Consideraciones de Ubicación en Exteriores............................................................. 16 Consideraciones de Ubicación en Interiores.............................................................. 17 Consideracione s de Selección de Combustible ............................................................. 18 Diesel........................................................................................................................... 18 Biodiesel...................................................................................................................... 18 Gas Natural.................................................................................................................. 18 LPG (Gas Licuado de Petróleo).................................................................................. 19 Gasolina....................................................................................................................... 19 Combustibles Substitutos............................................................................................ 19 Consideraciones Ambientales........................................................................................ 19 Ruido y Tratamiento del Ruido.................................................................................... 19 Regulaciones y Leyes para el Ruido .......................................................................... 20 Regulaciones para las Emisiones de Escape del Motor............................................ 20 Regulaciones de Almacenaje de Combustible ........................................................... 20 Protección contra Incendios........................................................................................ 21 Checklist de Diseño Preliminar....................................................................................... 22 3 IMPACTO DE LA CARGA ELÉCTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR ........................................................................................ 23 Generalidades................................................................................................................. 23 Aplicaciones en Rangos de Trabajo ............................................................................... 23 Rangos de Trabajo de Generador .............................................................................. 23 Aplicaciones Obligatorias y Opcionales...................................................................... 23 Entendiendo las Cargas.................................................................................................. 24 Requerimientos de Arranque y Funcionamiento de Cargas ...................................... 24 CONTENIDOS 2 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Secuenciación de Pasos de Cargas........................................................................... 25 Tipos de Carga............................................................................................................ 25 Características de la Carga......................................................................................... 32 4 SELECCIÓN DE EQUIPO.................................................................. 35 Generalidades................................................................................................................. 35 Alternadores de CA......................................................................................................... 35 Voltaje.......................................................................................................................... 35 Aislamiento y Rangos.................................................................................................. 35 Devanados y Conexiones ........................................................................................... 35 Fundamentales y Excitación ....................................................................................... 36 Motores............................................................................................................................ 45 Gobernadores.............................................................................................................. 45 Sistemas de Arranque de Motor................................................................................. 46 Controles......................................................................................................................... 49 Basados en Relevador ................................................................................................ 49 Electrónicos (Basados en Microprocesador).............................................................. 49 Electrónicos de “Autoridad Total”................................................................................ 50 Opciones de Controles................................................................................................ 50 Accesorios y Opciones.................................................................................................... 50 Seguridades de los Controles y Anunciadores........................................................... 50 Breakers de Circuito de Línea Principal...................................................................... 51 Baterías y sus Cargadores.......................................................................................... 51 Sistemas de Escape y Silenciadores.......................................................................... 52 Casetas (Cabinas)....................................................................................................... 53 Config uraciones Alternativas de Enfriamiento y Ventilación ...................................... 53 Sistemas de Mantenimiento de Nivel de Aceite Lubricante ....................................... 54 Dispositivos de Calentamiento para Generadores de Emergencia ........................... 54 Tanques de Combustible (Diesel)............................................................................... 56 Montaje de Aisladores de Vibración ........................................................................... 56 Equipo de Interrupción de Voltaje ............................................................................... 57 Necesidades de Equipo Adicional .............................................................................. 57 5 DISEÑO ELÉCTRICO......................................................................... 58 Generalidades................................................................................................................. 58 Consideraciones de Diseño............................................................................................ 58 Conexiones Eléctricas..................................................................................................... 58 General........................................................................................................................ 58 Conexiones de Potencia CA en el Generador............................................................ 59 Conductores de Potencia CA...................................................................................... 61 Factor de Potencia de Carga de Inicio........................................................................ 64 Aterrizado de Sistema y Equipo.................................................................................. 64 Coordinación Selectiva................................................................................................ 67 Protección de Falla y Sobrecorriente con Generadores................................................ 70 Tamaño de un Breaker de Circuito de Generador de Línea Principal....................... 70 Fuentes de Generador................................................................................................ 71 Protección de Sobrecarga de Generadores ............................................................... 72 Voltaje Medio, todas las Aplicaciones......................................................................... 76 CONTENIDOS 3 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO.......................................................................... 78 Cimientos y Montaje ........................................................................................................... 78 Montaje del Generador y Aislamiento de Vibración ................................................... 78 Provisiones para la Cimentación................................................................................. 79 Cimentación Aislante de Vibración ............................................................................. 79 Aisladores de Vibración............................................................................................... 81 Resistencia a Terremotos ........................................................................................... 83 Alivio de Tensión en Cableado de Potencia y Control ............................................... 84 Sistema de Escape ......................................................................................................... 84 Guías Generales del Sistema de Escape ................................................................... 84 Cálculos del Sistema de Escape................................................................................. 89 Enfriamiento del Motor.................................................................................................... 93 Radiador Montado en el Patín .................................................................................... 93 Radiador Remoto ........................................................................................................ 95 Sistema de Radiador Remoto de Tipo De -aereación................................................. 97 Radiador Remoto con Bomba Auxiliar de Refrigerante ............................................. 97 Radiador Remoto con Pozo Caliente.......................................................................... 99 Enfriamiento de Motor Multi-Circuito, Radiadores Remotos...................................... 101 Rad iadores para Aplicaciones de Radiador Remoto.................................................. 101 Enfriamiento de Combustible con Radiadores Remotos............................................ 105 Cálculos de Tamaño de Tubería de Enfriamiento ...................................................... 106 Ventilación ....................................................................................................................... 108 Guías Generales......................................................................................................... 108 Cálculos de Flujo de Aire ............................................................................................ 111 Probado en Campo de Sistemas de Ventilación........................................................ 111 Ventilación de Radiador Montado en el Patín ............................................................ 111 Ventilación de Intercambiadores de Calor o Radiador Remoto ................................. 114 Ejemplo de Cálculo de Flujo de Aire de Ventilación................................................... 114 Suministro de Combustible ............................................................................................. 115 Suministro de Diesel ................................................................................................... 115 Tubería de Diesel........................................................................................................ 120 Tanque de Combustible Sub -Base ............................................................................. 121 Tanques de Día ........................................................................................................... 121 Suministro de Combustible Gaseoso.......................................................................... 121 Calidad del Combustible Gaseoso.............................................................................. 122 Diseño del Sistema de Combustible del Generador................................................... 124 Diseño del Sistema de Combustible del Sitio............................................................. 124 Cálculos del Sistema de Combustible Gaseoso, Presión de Combustible................ 126 Reducción de Ruido en Aplicaciones de Generador..................................................... 132 La Ciencia del Ruido ................................................................................................... 132 Ruido del Generador................................................................................................... 135 Reducción del ruido Transmitido por la Estructura..................................................... 136 Reducción del Ruido Transmitido por el Aire ............................................................. 136 Casetas (Cabinas) con Atenuación de Sonido ........................................................... 137 Desempeño del Silenciador de Escape ...................................................................... 137 Protección contra Incendios............................................................................................ 137 Diseño del Cuarto de Equipo.......................................................................................... 138 Consideraciones Generales........................................................................................ 138 CONTENIDOS 4 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 7 APENDICE .......................................................................................... 140 A. Definición del Tamaño del Generador con GenSize ................................................. 140 Generalidades............................................................................................................. 140 Parámetros del Proyecto............................................................................................. 141 Introduciendo Cargas.................................................................................................. 143 Definición de los Términos.......................................................................................... 145 Cálculos Detallados de Cargas................................................................................... 145 Introduciendo las Cargas en Pasos............................................................................ 152 Consideraciones de Pasos de Carga ......................................................................... 152 Guías de Secuencia de Pasos.................................................................................... 152 Recomendaciones y Reportes.................................................................................... 153 Reportes ...................................................................................................................... 157 B. Arranque de Motores con Voltaje Reducido .............................................................. 159 Comparación de Métodos de Arranque ...................................................................... 159 Arranque de Motores con Voltaje Total...................................................................... 160 Arranque de Motores De Autotransformador, Transición Abierta.............................. 160 Arranque de Motores De Autotransformador, Transición Cerrada ............................ 161 Arranque de Motores de Reactor, Transición Abierta ................................................ 161 Arranque de Motores de Reactor, Transición Cerrada .............................................. 162 Arranque de Motores Estrella-Delta, Transición Abierta ............................................ 162 Arranque de Motores con Parte de Devanado, Transición Cerrada .......................... 163 Arranque de Motores de Rotor Devanado .................................................................. 163 Arranque de Motores Sincrónicos............................................................................... 164 Nota de Aplicación General ........................................................................................ 164 C. Voltajes y Suministros Mundiales .............................................................................. 165 D. Fórmulas Útiles........................................................................................................... 167 E. Mantenimiento y Servicio ........................................................................................... 168 F. Códigos y Estándares................................................................................................. 170 Estándares de Productos Relacionados..................................................................... 170 Modificaciones de Productos ...................................................................................... 170 G. Glosario ...................................................................................................................... 171 Indice de Fórmulas.......................................................................................................... 179 Indice de Tablas.............................................................................................................. 179 Indice de Figuras............................................................................................................. 180 CONTENIDOS 5 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación GARANTIA Garantía: Este manual se publica únicamente con propósito de informar y no debe considerarse como incluyente de todo. Si se requiere mas información, consulte a Cummins Power Generation. La venta del producto mostrado descrito en esta literatura está sujeto a los términos y condiciones especificados en las políticas de ventas apropiadas de Cummins Power Generation u otros acuerdos contractuales entre las partes. No es la intención de esta literatura agregar o aumentar a dichos contratos. La única fuente de gobierno de los derechos y remedios del comprador de este equipo, es el contrato entre el comprador y Cummins Power Generation. LA INFORMACION, RECOMENDACIONES Y DESCRIPCIONES CONTENIDAS EN ESTA LITERATURA NO CREAN NI DAN NINGUNA GARANTIA EXPRESA O IMPLICITA, INCLUYENDO GARANTIAS DE CAPACIDAD PARA UN USO EN PARTICULAR O COMERCIALIZACION, ASI COMO TAMPOCO GARANTIAS QUE SE DESPRENDAN DE TRATOS O USOS. Cada cliente es responsable del diseño y funcionamiento de de los sistemas de sus edificios. No podemos asegurar que las especificaciones de los productos de Cummins Power Generation son apropiadas y suficientes para sus propósitos. Usted debe estar satisfecho en cuanto a ese punto. Cummins Power Generation no será en caso alguno, responsable con el comprador o usuario en el contrato, de agravio (incluyendo negligencia), responsabilidad directa o indirecta, incidental o consecuencial de ningún daño o pérdida de ningún tipo, incluyendo, pero sin limitarse a, daño o pérdida del equipo, planta o sistema de energía, costos de capital, pérdidas de energía, gastos adicionales en el uso de las instalaciones de energía existentes, o reclamaciones en contra del comprador o sus clientes resultando de el uso de la información, recomendaciones y descripciones contenidas en esta literatura. GARANTIA 6 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 1 INTRODUCCION Generalidades El mundo se está volviendo cada vez más dependiente de la electricidad. Los suministros de electricidad son críticos para toda instalación, y un suministro de confiable de electricidad es vital para un número cada vez más gra nde de instalaciones. Grandes edificios de oficinas y grandes fábricas, así como instalaciones de telecomunicaciones, centros de datos y proveedores de servicios de Internet dependen de energía eléctrica que esté disponible las 24 horas del día, siete días a la semana esencialmente sin interrupciones. Esta necesidad también está alimentada por la continua proliferación de computadoras electrónicas en el proceso de datos, control de procesos, sistemas de soporte de vida y comunicación global – todos los cuales requieren de un flujo continuo e in-interrumpido de energía eléctrica. Aparte de la confiabilidad, hay cada vez más incentivos económicos que favorecen la instalación en-sitio de generadores impulsados por motor. Como resultado, los generadores impulsad os por motor se especifican rutinariamente en la construcción de nuevos edificios, así como en la adaptación a sistemas que antes no los tenían. Estos proveen de energía de emergencia en el caso de una falla de la red pública y se pueden usar para reducir el costo de la electricidad en lugares donde la estructura de tarifas ofrece esa opción. Dada su importancia, los generadores deben especificarse y aplicarse de manera que suministren energía eléctrica confiable y de la calidad y capacidad requeridas. Los suministros de energía principal, a comunidades remotas que no tienen el servicio de una red pública, y a sitios donde la red pública no está disponible durante largos periodos de tiempo, se están convirtiendo también en una necesidad, más que en un lujo, para muchos usuarios. Cualquiera que sea la intención de uso de energía en-sitio, la confiabilidad en el servicio del equipo, desempeño y efectividad 1 INTRODUCCION de costo son preocupaciones principales para los usuarios. El propósito de este manual es dar una guía a los diseñadores de instalaciones para la selección del equipo apropiado para la instalación en particular, y el diseño de la instalación para que se puedan satisfacer las necesidades comunes del sistema. Acerca de este Manual Este manual describe la especificación y aplicación de generadores estacionarios, impulsados por motores diesel y de chispa, enfriados por líquido, llamados “generadores” en el curso de este manual. Este manual consiste de siete secciones principales: Diseño Preliminar, Impacto de la Carga Eléctrica en el Tamaño del Generador, Selección del Equipo, Diseño Eléctrico, Diseño Mecánico y Apéndice. El Diseño Preliminar describe consideraciones preliminares para el proyecto de generador. Los requerimientos de equipo e instalación varían dependiendo de las razones de tener un generador y la intención de su uso. El revisar y entender estas razones es un útil punto de partida en el diseño del sistema y la selección del equipo. El Impacto de la Carga Eléctrica en el Tamaño del Generador explica varios tipos de carga, sus características y su impacto en el tamaño del generador, su operación y selección del equipo. También se cubre el tema de la secuencia de conexión de las cargas. La Selección del Equipo explica las partes fundamentales de un generador y su equipo periférico, sus funciones e interrelaciones y los criterios para su selección. Se cubren las características funcionales, criterios de selección y equipo opcional necesario. El Diseño Eléctrico cubre el diseño de instalación del generador y sistemas eléctricos relacionados, sus interfaces con las instalaciones y temas acerca de la protección de la carga y el generador. El diseño eléctrico y la planeación de un 7 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación sistema de generación en-sitio son críticos para su operación adecuada y confiabilidad. cambiado o de que el párrafo es nuevo desde la última revisión. El Diseño Mecánico cubre el diseño de instalación para el generador y sus sistemas mecánicos relacionados, junto con las interfaces con las instalaciones. El diseño mecánico y la planeación de un sistema de generación en-sitio, son criticas para a operación apropiada y confiabilidad del sistema. Los temas incluyen, cimientos y montaje, sistemas de escape, sistemas de enfriamiento, ventilación, sistemas de combustible, reducción de ruido, protección contra el fuego y cuarto de equipos. Manuales de Aplicación Relacionados El Apéndice contiene numerosos temas útiles incluyendo generalidades de los contenidos del software GenSize y Power Suite. También se incluye una discusión sobre el arranque de motor de voltaje reducido y útiles referencias a los voltajes mundiales, temas de mantenimiento, fórmulas, referencias a los códigos y sistemas y un glosario de términos. Este manual describe la aplicación de generadores estacionarios. Este manual no cubre la aplicación de generadores comerciales estacionarios que se usen en aplicaciones móviles, los cuales e consideran generalmente una aplicación incorrecta. Cummins Power Generation (CPG) no aprueba ninguna aplicación móvil de sus generadores comerciales excepto en aquellas aplicaciones diseñadas y probadas por CPG. Si los distribuidores o clientes desean aplicar un generador comercial estacionario en otras aplicaciones móviles, lo harán solamente después de un extenso análisis, pruebas y clara comunicación con el usuario final en cuanto a las posibles limitaciones en el uso o el diseño de vida del generador. CPG no puede asegurar que los atributos del producto sean apropiados y suficientes para las aplicaciones móviles del cliente, por lo tanto cada cliente debe satisfacer ese punto él mismo. Cada cliente es responsable del diseño y función de su propia aplicación e instalación. Una barra negra al lado izquierdo del párrafo es una señal de que el texto en ese párrafo ha 1 INTRODUCCION Cada instalación de generador requerirá de equipo de transferencia, ya sean interruptores de transferencia o equipo de paralelismo. El sistema apropiado para el trabajo y su aplicación apropiada son cruciales para una operación segura y confiable. Los siguientes manuales de aplicación de Cummins Power Generation se refieren a aspectos específicos de sistemas energía de emergencia. Puesto que estos manuales cubren aspectos que requieren decisiones que deben tomarse en las partes iniciales del proceso de diseño, se deberán revisar junto con este manual. Manual de Aplicación T-011, Sistemas Automáticos de Transferencia. Muchas aplicaciones utilizan fuentes múltiples de energía para aumentar la confiabilidad del sistema de energía. Estas a menudo incluyen el servicio de red pública y generadores para cargas críticas. El T-011 cubre los diferentes tipos de sistema de transferencia disponibles y consideraciones para su uso y aplicaciones. La cuidadosa consideración de los sistemas de interruptores al principio de un proyecto habilitará al diseñador para ofrecer el sistema más económicamente viable y de servicio más confiable al usuario de las instalaciones. El Manual de Aplicación T-016, Equipo de Paralelismo e Interruptores de Paralelismo. El Equipo de paralelismo hace que dos o más generadores funcionen como un generador más grande. Esto puede ser económicamente ventajoso, especialmente cuando la carga total es de más de 1000 kW. La decisión de usar equipos en paralelo debe hacerse en las primeras etapas de diseño, especialmente si el espacio y las y las necesidades de crecimiento futuro son factores críticos. 8 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Seguridad La seguridad debe ser la preocupación principal del ingeniero diseñador de la instalación. La seguridad involucra dos aspectos: la operación segura del generador en sí mismo (y sus accesorios), y la operación confiable del sistema. La operación confiable del sistema se relaciona con la seguridad porque equipos que afectan la vida y la salud son a menudo dependientes del generador, tales como equipos de soporte de vida en hospitales, iluminación de salida de emergencia, ventiladores de edificios, elevadores, bombas contra incendios, seguridad y comunicaciones. Consulte la sección de Referencias Técnicas para información acerca de leyes y códigos eléctricos y de incendio aplicables a Norte América, América Central y Europa. 1 INTRODUCCION Los estándares y los códigos a los que se refieren son actualizados continuamente y requieren revisión continua. El cumplimiento de con todas las leyes aplicables son responsabilidad del ingeniero diseñador de las instalaciones. Por ejemplo, algunas áreas podrían requerir un certificado de necesidad, permisos de zona, permisos de construcción u otros certificados para el sitio en particular. Asegúrese de consultar con las autoridades locales tempranamente en el proceso de diseño. NOTA: Aunque la información en este y otros manuales relacionados intenta ser precisa y útil, no hay sustituto para el juicio de un profesional de diseño de instalaciones hábil y experimentado. Cada usuario final debe determinar si el generador seleccionado y el sistema de emergencia son apropiados para la aplicación. 9 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 2 DISEÑO PRELIMINAR Generalidades El diseño de la instalación de un generador requiere considerar el equipo y los requerimientos de la instalación. Estos varían dependiendo de las razones para tener un generador y la intención de su uso. Revisar y entender estas razones es un punto apropiado para el diseño del sistema y la selección de equipo. Requerimientos de Energía Requerimientos Generales La necesidad de electricidad de emergencia es generalmente mandada por instalaciones obligatorias para cumplir con la ley de construcción, y/o el riesgo de pérdida económica debido a la pérdida de la energía eléctrica. Las instalaciones obligatorias de electricidad de emergencia vienen de los requerimientos legales de construcción exigidos por las autoridades locales, estatales y federales. Estas instalaciones se justifican en la base de la seguridad de la vida humana, donde la pérdida del suministro normal de energía eléctrica crearía peligro a la vida o a la salud. Las instalaciones voluntarias de energía de em ergencia por razones económicas se justifican típicamente en una reducción del riesgo de perder servicios, datos u otros activos valiosos. Las instalaciones obligatorias y voluntarias de generación en-sitio se pueden justificar sobre la base incentivos de tarifas favorables ofrecidos por la red pública. El mismo sistema de generación en -sitio se puede usar para estas dos necesidades generales, suponiendo que las necesidades de seguridad de vida tengan una prioridad, es decir, la capacidad del generador y los arreglos de transferencia de carga. Arreglos Específicos Un amplio rango de requerimientos específicos resultarán en la necesidad de sistemas de generación en-sitio. Algunas necesidades comunes se mencionan a continuación. Iluminación: Iluminación de salida para evacuaciones, letreros de salida iluminados, iluminación de seguridad, luces de advertencia, iluminación de salas de operaciones, iluminación 2 DISEÑO PRELIMINAR en elevadores, iluminación en el cuarto de generador, etc. Potencia de Control: Energía para el control de calderas, compresores de aire y otro equipo de función critica. Transporte: Elevadores para departamento de bomberos. el uso del Sistemas Mecánicos: Control de humo y ventiladores de presurización, tratamiento de aguas de desecho, etc. Calentamiento: Calor critico para procesos. Refrigeración: Bancos de almacenamiento de alimentos, etc. sangre, Producción: Energía critica de procesos para laboratorios, procesos de producción farmacéutica, etc. Acondicionamiento de espacios: Enfriamiento para cuartos de cómputo, enfriamiento y calentamiento para personas vulnerables, ventilación en ambientes peligrosos, ventilación de contaminantes biológicos, etc. Protección contra incendio: Bombas incendio, alarmas y anunciación. contra Procesamiento de Datos: Sistemas UPS y de enfriamiento para prevenir la pérdida de datos, pérdida de memoria, corrupción de programas. Soporte de Vida: Hospitales, asilos y otras instalaciones de cuidado de la salud. Sistemas de Comunicación: Servicio 911, estaciones de policía y de bomberos, sistemas de información pública en rascacielos, etc. Sistemas de Señales: Control de tráfico aéreo, ferroviario y marítimo. Tipos de Sistema y Rangos Los sistemas de generación en -sitio se pueden clasificar por tipo y rango de equipo de generación. El equipo de generación es clasificado usando los rangos de emergencia, primario y continuo. Es importante entender las definiciones de los rangos cuando se aplica el equipo. Por favor consulte las guías a continuación. El tipo de sistema de generación en-sitio y el rango apropiado a usar se basan en la aplicación. Vea la Tabla 2-1 y las descripciones de lo siguiente. 10 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Sistemas de Emergencia: Los sistemas de emergencia se instalan generalmente como se requiere para la seguridad del público y como lo manda la ley. Típicamente son para suministrar de energía e iluminación durante periodos cortos de tiempo para tres propósitos: Para permitir la evacuación segura de edificios, para el soporte de vida y equipo crítico para personas vulnerables, o para sistemas de comunicación crítica e instalaciones usadas para seguridad pública. La ley especifica típicamente la carga mínima a servir. Requerimiento Mínimo Legal de Emergencia: Los sistemas de emergencia requeridos legalmente, se instalan como lo mandan los requerimientos legales de seguridad pública. La intención típica de estos sistemas es suministrar energía e iluminación durante periodos cortos de tiempo donde sea necesario para prevenir peligro o para facilitar las operaciones del control de incendios. Los requerimientos legales típicamente especifican la carga mínima a servir. Opcionales de Emergencia: Los sistemas opcionales de emergencia se instalan generalmente donde la seguridad no esta en juego, pero la pérdida de energía podría causar una pérdida económica de negocio o ganancias, interrumpir un proceso crítico o causar una inconveniencia o incomodidad. Estos sistemas se instalan por lo general en centros de datos, granjas, edificios comerciales e industriales y residencias. El propietario del sistema indica que cargas se deben conectar a este. Además de suministrar una fuente de energía de emergencia en caso de pérdida de una fuente normal, los sistemas de generación en -sitio se usan para los propósitos siguientes: demandas de energía. Los sistemas de rasurado de picos requieren un controlador que arranca y hace funcionar el generador en-sitio en los momentos apropiados para aplanar las demandas pico del usuario. La generación instalada para propósitos de emergencia también se puede usar para rasurado de picos. Reducción de Tarifas: Las instalaciones de reducción de tarifas usan generación en-sitio de acuerdo a acuerdos de tarifa eléctrica con la red pública. A cambio de tarifas favorables, el usuario acepta usar los generadores y asumir una carga específica (kW) en tiempos determinados por la red, típicamente sin exceder un especificado número de horas por año. La generación instalada para propósitos de emergencia también se puede utilizar en la reducción de tarifas. Carga Base Continua: Las instalaciones de carga base continua usan generación en-sitio para suministrar energía constante (kW) típicamente a través de una interconexión con la red pública. Estas instalaciones son generalmente de redes públicas o están bajo su control. Co-generación: A menudo, la generación de carga base continua se usa en aplicación de CoGeneración. De forma simple, la co-generación utiliza la electricidad generada directamente y el calor del escape para sustituir la energía suministrada por la red. El calor de desecho se captura y cualquiera de los dos es usado directamente o convertido en electricidad. Energía Primaria: Las instalaciones de energía primaria usan la generación en-sitio en lugar de un suministro de red pública, típicamente donde la energía de red no está disponible. Un sistema simple de energía primaria usa cuando menos dos generadores y un interruptor de transferen cia para transferir el suministro a las cargas entre ellos. Uno o el otro generador funciona continuamente con una carga variable y el segundo generador funciona como respaldo en caso de una falla, y para permitir el tiempo muerto de mantenimiento requerido. Un reloj de cambio dentro del interruptor de transferencia alterna el generador líder en un intervalo predeterminado. Rasurado de Picos: Las instalaciones de rasurado de picos usan generación en -sitio para reducir o aplanar la electricidad pico con el propósito de ahorrar dinero en cargos por 2 DISEÑO PRELIMINAR 11 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación El Diagrama de Una Línea El diagrama de sistema eléctrico de una línea es un elemento importante para entender el sistema y el arreglo de las conexiones. Puede ser especialmente crítico para comunicar esa información durante la planeación, instalación, arranque y/o servicio del sistema. Estos diagramas ilustran los componentes principales 2 DISEÑO PRELIMINAR tales como generador(es), equipo de transferencia de energía, relevadores de protección, protección de sobre corriente y el esquema general de conexión. Se debe desarrollar un diagrama de una línea lo más temprano posible en la planeación del proyecto para ayudar el diseño del sistema. La Figura 2-1 es un típico diagrama de una línea de un sistema básico de generación. 12 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Guías para los Rangos de Potencia del Generador Los rangos de potencia de los generadores los publican los fabricantes 1. Esto s rangos describen las condiciones de carga máximas permisibles de un generador. El generador ofrecerá desempeño y vida aceptables (tiempo entre reconstrucciones) cuando se aplica de acuerdo a los rangos publicados. También es importante operar el generador a una carga mínima para lograr temperaturas normales y quemar el combustible apropiadamente. Cummins Power Generation recomienda que un generador opere a un mínimo de 30% del rango en su placa. Las explicaciones siguientes describen los tipos de rango usados por Cummins Power Generation. Las Figuras 2-2 a 2-5 ilustran los niveles de carga (T1, T 2, T3, etc.) permitidos durante los diferentes rangos. Rango de Potencia de Emergencia El rango de potencia de emergencia es aplicable a aplicaciones de emergencia donde la energía es suministrada toda la duración de una interrupción normal de energía. No hay capacidad de sobrecarga sostenida para este rango (Equivalente a Potencia al Corte de Combustible de acuerdo a ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Este ran go es aplicable a instalaciones servida por una fuente normal y confiable de red. Este rango solo es aplicable a cargas variables con un factor de carga promedio de 80% del rango de emergencia para un máximo de 200 de operación por año a 100% de su rango de emergencia. En instalaciones donde la operación podría exceder 200 horas por año a carga variable, o 25 horas por año a 100% de rango, debe aplicarse el rango de potencia primaria. El rango de emergencia solo debe aplicarse en aplicaciones de emergencia donde el generador sirve como respaldo de una red pública normal. No se permite operación paralela a la red sostenida con este rango. Para aplicaciones que requieran operación paralela con la red se debe utilizar el rango de potencia primaria o carga base. Rango de Potencia Primaria El rango de potencia primaria es aplicable cuando suministre energía eléctrica en lugar de la energía comprada comercialmente. El número de horas de operación permisibles por año es ilimitado para aplicaciones de carga variable, pero está limitado para aplicaciones de carga constante como se describe adelante. (Equivalente a Potencia Primaria de acuerdo a ISO8528, y Potencia de Sobre Carga de acuerdo a ISO3046, AS2789, DIN6271, y BS5514.) Potencia Primaria Tiempo Ilimitado de Funcionamiento: La potencia primaria está disponible durante un número ilimitado de horas de operación anuales en aplicaciones de carga variable. Las aplicaciones que requieren cualquier operación a carga constante paralela a la red, están sujetas a las limitaciones de tiempo de funcionamiento. En aplicaciones de carga variable, el factor de carga promedio no debe exceder 70% del rango de Potencia Primaria. Hay una capacidad de de sobrecarga de 10% por un periodo de una hora dentro de un periodo de operación de 12 horas, pero no debe exceder 25 horas por año. El tiempo total de operación en rango de Potencia Primaria no debe exceder 500 horas por año. Potencia Primaria Tiempo Limitado de Funcionamiento: La Potencia Primaria está disponible durante un número limitado de horas anuales de operación en aplicaciones de carga constante tales como reducción de carga o rasurado de picos interrumpibles y otras aplicaciones que normalmente involucren operación paralela con la red. Los generadores podrán opera r en paralelo con la red hasta 750 horas por año a niveles de potencia que no excedan el rango de Potencia Primaria. Debe hacerse notar que la vida del motor se reducirá por la operación constante a altas cargas. Cualquier aplicación que requiera mas de 750 horas anuales de a rango de Potencia Primaria, deberá usar el rango de Potencia de Carga Base. 1 Los rangos para los generadores de Cummins Power Generation se publican en el paquete de software Power Suite. 2 DISEÑO PRELIMINAR 13 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 2 DISEÑO PRELIMINAR 14 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Rango de Potencia de Carga base (Rango de Potencia Continua) El rango de carga base es aplicable para suministrar potencia continuamente a una carga de hasta 100% del rango base durante horas ilimitadas. No hay capacidad de sobrecarga sostenida en este rango. (Equivalente a Potencia Continua de acuerdo a ISO8528, ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Este rango es aplicable para operación de base de red. En estas aplicaciones los generadores son operados en paralelo con una fuente de red y funcionan a 2 DISEÑO PRELIMINAR cargas constantes durante largos periodos de tiempo. Es importante generar un programa de carga preciso lo mas pronto posible para presupuestar los costos del proyecto. Si toda la información de cargas no se encuentra disponible al principio del proyecto, se harán estimaciones para los primeros cálculos de tamaño. Estos cálculos deben ser modificados conforme se vaya obteniendo la información. Las cargas de motores grandes, fuentes de potencia ininterrumpibles (UPS), impulsores de frecuencia variable (VFD), bombas de incendio, y equipo médico de diagnostico tiene un efecto considerable en el tamaño de los generadores y 15 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación deben considerarse cuidadosamente. Las especificaciones precisas de desempeño en cambios, caídas de voltaje y frecuencia, tiempos de recuperación durante el arranque de motores y aceptación de carga en bloques también tienen un efecto considerable en la definición del tamaño. Vea la Sección 3, Impacto de la Carga Eléctrica en el Tamaño del Generador en este manual en cuanto a los cálculos de tamaño y las clases de información necesaria apara los diferentes tipos de equipo de carga. Para propósitos de estimación preliminar, se pueden usar con reserva las siguientes reglas generales: • Motores – 0.5 HP por kW. • UPS – 40% sobredimensionado por un diámetro y 6 pulsos, o 15% sobredimensionado por 6 pulsos con filtros de entrada y UPS de 12 pulsos. • VFD – 100% sobredimensionado a menos que sean de ancho de pulso modulado. Si es así, 40% sobredimensiona do. Cuando se carga un generador, la división de las cargas en bloques o pasos de carga discretos puede tener un efecto favorable en el tamaño del generador requerido. El uso de múltiples interruptores de transferencia u otros medios (retardos de tiempo, PLC, etc.) será necesario para permitir que el voltaje y la frecuencia del generador se estabilicen durante los pasos. Dependiendo de la carga total (generalmente sobre 500 kW), puede ser ventajoso poner generadores en paralelo. Aunque es técnicamente posible, es generalmente económicamente prohibitivo poner generadores en paralelo cuando la carga total es de 300 kW o menos. Consideraciones de Ubicación Una de las primeras decisiones de diseño será determinar si la ubicación de los generadores será dentro de un edificio o afuera en un cuarto propio. El costo total y la facilidad de la instalación del sistema de energía dependen de la disposición y ubicación física de de todos los elementos del sistema – generador, tanques de combustible, ductos de ventila ción y salidas, accesorios, etc. Para ubicaciones internas y externas, considere estos puntos: • Montaje del generador • Ubicación del tablero de distribución interruptores de transferencia 2 DISEÑO PRELIMINAR e • Circuitos ramales para calentadores de refrigerante, cargador de batería, etc. • Seguridad en inundaciones, incendio, heladas y vandalismo • Contención de derrames accidentales de combustible o refrigerante • Posible daño simultáneo a servicios normales y de emergencia • Acceso de servicio para mantenimiento general e inspeccion es • Acceso y espacio de trabajo para trabajos mayores como reconstrucciones o cambios de componentes • Acceso para pruebas con bancos de carga cuando se requiera para mantenimiento, ejercicio o certificación Consideraciones de Ubicación en Exteriores • Ruido y su tratamiento. Se podrían requerir barreras de sonido. Además, la distancia entre el generador y el área sensitiva al ruido reducirá el ruido percibido. Hay disponibilidad de casetas acústicas y talvez se requiera cubrir las expectativas del cliente o l a ley local acerca de ruido. • Se podría requerir una caseta a prueba de intemperie. Como su nombre lo indica, para proteger del medio ambiente, pero también para proveer cierto nivel de seguridad, así como presencia estética para el generador. • Llevar a cabo el arranque y aceptación de carga en tiempos específicos y en ambientes fríos podría ser difícil. Los sistemas de emergencia, como los define la ley requieren que la temperatura ambiente alrededor del generador se mantenga en niveles mínimos. Por ejemplo NFPA110, que requiere que la temperatura ambiente mínima alrededor del generador sea de 40°F (4°C), y CSA282, la cual requiere que dicha temperatura mínima sea de 10°C (50°F). Mantener estos requerimientos de temperatura mínima en una carcasa muy ajustada podría ser difícil o imposible. Podría requerirse una caseta aislada y posiblemente con calefacción. Una caseta que esté diseñada estrictamente para aislamiento acústico tendrá material aislante pero podría no contener suficientemente el calor. Las unidades de una sola pieza que se instalan por arriba, o las casetas de tamaño más grande están generalmente disponibles con aislamiento, persianas motorizadas o de gravedad y calentadores si fuera necesario. • Se podrían necesitar varios dispositivos auxiliares de calentamiento para el arranque o el mejoramiento de la aceptación de carga, aún si la aplicación no es un sistema de emergencia. Podrían ser necesarios 16 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • • • • • • • • calentadores de refrigerante, baterías y hasta aceite. Consulte la sección de este manual titulada Dispositivos de Calentamiento para Generadores en la Sección 4, Selección de Equipo para información más detallada. Calentamiento y acondicionamiento del combustible. En temperaturas frías el combustible diesel se volverá nuboso, tupirá filtros y bombas o no fluirá lo suficiente. Se usan combustibles combinados para resolver estos problemas, sin embargo se podría requerir calentamiento de combustible para una operación confiable. La sal en las regiones costeras puede causar problemas de corrosión en casetas para generador, rieles de base y tanques de combustible instalados a la intemperie. El uso de una caseta opcional de aluminio y un faldón, cuando los ofrezca CPG, se consideran una práctica sana de instalación debido a la adicional resistencia a la corrosión, y por lo tanto se requieren para aplicaciones en regiones costeras, definidas como ubicaciones a 60 millas (100 km) o menos de cuerpos de agua salada. El acceso de servicio para reparaciones mayores, reemplazo de componentes (radiador, alternador) o reconstrucción, deben considerarse al diseñar casetas y ubicaciones de generador cerca de otros equipos o estructuras. Si se requiere trabajo mayor debido a altas horas de operación, o a la falla/daño de un componente mayor, los accesos serán críticos. Estos accesos incluirán cubiertas, paredes removibles de la caseta, espacios adecuados con otras estructuras cercanas y acceso del equipo de apoyo requerido. Cercas de seguridad y barreras de visibilidad. Distancias a límites de propiedad. El escape del motor debe estar dirigido lejos de ventilas y aberturas en edificios. Aterrizaje – Se podrán requerir electrodos o anillos de aterrizaje para sistemas derivados separadamente, o para aterrizaje de equipo. Protección contra relámpagos Consideraciones de Ubicación e n Interiores • Cuarto especial para el generador – Para sistemas de emergencia, algunas leyes podrían requerir que el cuarto del generador sea solo para ese propósito. También considere el efecto que el flujo de ventilación tendrá en otro equipo en el mismo cuarto, tal como equipo de calefacción del edificio. • Certificación de Bomberos de la construcción del cuarto – La ley típicamente especifica 2 DISEÑO PRELIMINAR • • • • • • • una resistencia al fuego de 1 o dos horas mínimo. Consulte a la autoridad local para los requerimientos aplicables . Espacio de trabajo – El espacio de trabajo alrededor del equipo eléctrico esta usualmente especificado por la ley. En la práctica, debe haber cuando menos 3 pies (1 m) de espacio alrededor de cada generador. El alternador debe ser reemplazable sin quitar el generador o accesorios. Así mismo, se debe considerar acceso para trabajo mayor, (reconstrucción, o reemplazo de componentes como el radiador) desde el diseño de instalación. Tipo de sistema de enfriamiento – Se recomienda un radiador montado de fábrica, sin embargo, el ventilador del radiador puede crear presión negativa significativa en el cuarto. Las puertas de acceso deben por lo tanto, abrir hacia adentro del cuarto, o tener persianas, para que se puedan abrir cuando el generador está funcionando. Vea Enfriamiento del Generador en la sección Diseño Mecánico para opciones de enfriamiento adicionales. La ventilación involucra grandes volúmenes de aire. Un diseño óptimo de cuarto toma aire del exterior de este y descarga el aire directamente fuera del cuarto por la pared opuesta. Se requerirán ventiladores en el cuarto para configuraciones de enfriamiento opcionales que involucren un intercambiador de calor o radiadores remotos. Escape del motor – La salida del escape del motor debe ser tan alta como sea prácticamente posible en el lado del cuarto donde los vientos dominantes alejen los gases de el de las entradas de aire o ventilas. Almacenamiento y tubería de combustible – Loa ley local podría especificar métodos de almacenaje dentro de los edificios, y restringir las cantidades a almacenar. Consulte con el distribuidor de Cummins Power Generation o con el jefe de Bomberos. Se requerirá acceso para el rellenado de los tanques. Vea Selección de Combustible mas adelante. Se recomienda que se incluyan previsiones de conexión para la instalación temporal de un banco de carga de generador en el sistema de distribución eléctrica. La ubicación dentro de un edificio debe permitir el acceso para la entrega inicial del generador y para más tarde dar mantenimiento y servicio. La ubicación lógica preferida para un generador en un edificio basado en esto es en el piso inferior, cerca de un estacionamiento o acceso, o en una 17 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación rampa de estacionamiento abierta. Entendiendo que este es importante espacio de construcción de l edifico, si se forzara una ubicación alternativa, piense en que se podría necesitar equipo pesado para la instalación o servicio mayor de la unidad. También se necesitarán entregas de combustible, aceite, refrigerante, etc. Se diseñará un sistema de combustible con tanques de abastecimiento, bombas, líneas, tanques de día, etc., pero el cambio de aceite y de refrigerante podrían dificultarse si los materiales usados tuvieran que acarrearse a mano en cubetas o barriles. • Las instalaciones en el techo, aunque comunes, requieren más planeación y consideraciones del diseño estructural. La vibración y el almacenamiento y entregas de combustible podrían ser problemáticos. • Las ubicaciones en interiores generalmente requieren un cuarto dedicado con construcción a prueba de fuego. Proveer un cuarto interior del flujo de aire requerido podría ser complicado. Los amortiguadores de fuego en la ductería a cuartos internos generalmente no se permiten. Idealmente, el cuarto deberá tener dos paredes exteriores opuestas una a la otra para que el aire de admisión fluya sobre el generador y se descargue por la pared opuesta en el lado donde la unidad tiene el radiador. Consideraciones de Selección de Combustible La selección de gas natural, diesel o LPG afectarán la disponibilidad del generador y su tamaño. Considere lo siguiente: Diesel • Se recomienda diesel para aplicaciones de emergencia. Se recomienda diesel ATSM D975 de Grado No. 2-D para un buen arranque y máxima vida de motor. Consulte al fabricante del motor en cuanto al uso de grados alternativos de diesel para diferentes motores. • Se debe proveer de almacenaje de combustible en-sitio. Sin embargo el tacneño debe ser muy grande. El diesel dura hasta dos años en almacenaje, así que el tanque de suministro debe ser de un tamaño que permita la renovación del combustible basado en ejercicios programados y pruebas en ese periodo. Talvez se necesite agregar un microbicida al combustible si la renovación del combustible es baja, o si las condiciones de alta quedad promueven el 2 DISEÑO PRELIMINAR crecimiento de microbios. Los microbios en el combustible pueden tupir los filtros o deshabilitar o dañar el motor. • Climas fríos – Se debe usar combustible Premium de Grado 1-D cuando las temperaturas ambiente estén por debajo del punto de congelaci ón. Se podría requerir de calentadores de combustible para prevenir que los filtros se tupan cuando las temperaturas caen por debajo del punto de nubosidad del combustible, aproximadamente 20°F (-6°C) para el No. 2D y -15°F (-26°C) para el No. 1 -D. • Probablemente apliquen requerimientos de emisiones. Vea Consideraciones Ambientales. Combustible Biodiesel Los combustibles bio-diesel se derivan de una amplia variedad de recursos renovables tales como aceites vegetales, grasas animales y aceites de cocinar. Colectivamente, estos combustibles se conocen como Metil Esters de Ácido Graso (FAME). Cuando se usan en motores diesel, típicamente se reducen el humo, la potencia y la economía de combustible. Aunque el humo se reduce, el efecto en otras emisiones varía, incrementando algunos contaminantes mientras otros se reducen. El biodiesel es un combustible sustituto, lo que significa que el desempeño y las emisiones del motor no se pueden garantizar cuando se operan 2 con este combustible . Una mezcla de hasta 5% de concentración por volumen de bio-diesel con diesel de calidad no deberá causar serios problemas. Una concentración arriba del 5% y se deben esperar serios problemas de operación. Cummins no aprueba ni desaprueba el uso de bio-diesel. Consulte a Cummins para información adicional. Gas Natural • No se requiere almacenaje en-sitio para la mayoría de los sitios. • El gas natural puede ser una elección más económica donde esté disponible a los rangos de presión y flujo requeridos. • Se podría requerir un suministro de respaldo en-sitio de LPG para sistemas de potencia de emergencia. • Se puede usar gas natural de campo en ciertos generadores. Sin embargo, se 2 Cummins Power Generation no asume ninguna responsabilidad de garantía por reparaciones o incrementos en costos de operación con biodiesel. 18 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación requieren análisis de combustible y consultas con el fabricante del motor para determinar el derrateo potencial y si la composición del combustible podría generar daños en el motor debido a combustión pobre, detonación o corrosión. • Detonación y daño al motor pueden resultar cuando algunas redes ocasionalmente agregan butano para mantener la presión en la línea. Los motores de gas natural requieren gas de calidad, limpio y seco para generar su potencia de rango y asegurar su término de vida. • La estabilidad de frecuencia de los generadores de motor de chispa, podría no ser tan buena como la de los generadores con motor diesel. La estabilidad de frecuencia es importante cuando se suministra potencia a UPSs. • Los climas fríos – En temperaturas amiente debajo de 20°F (-7°C), los motores de chispa generalmente arrancan más fácilmente y aceptan carga mas rápidamente que los motores diesel. NOTA: Cummins Power Generation no recomienda entubar el gas natural de alta presión (5 psig [34 kPa] o más ) hacia adentro de los edificios. LPG (Gas Licuado de Petróleo) • La disponibilidad local de LPG debe investigarse y confirmarse antes de seleccionar un generador impulsado por LPG. • Se debe proveer almacenaje de combustible en-sitio. El LPG se puede almacenar indefinidamente. • La estabilidad de frecuencia de los generadores de motor de chispa, podría no ser tan buena como la de los generadores con motor diesel. Esto es importante cuando se suministra potencia a UPSs. • Los climas fríos – El tanque de almacenaje de LPG debe ser de un tamaño apropiado para que provea el rango correcto de vaporización a las mas bajas temperaturas esperad as. Si no, se debe proveer succión de líquido con un calentador de vaporización. NOTA: Cummins Power Generation no recomienda entubar LPG de alta presión (20 psig [138 kPa] o más) hacia líquido o vapor, hacia adentro de los edificios. La gasolina no es un combustible apropiado para generadores estacionarios de emergencia debido a su volatilidad y vida en almacenaje. Combustibles Sustitutos En general los motores diesel se pueden hacer funcionar con combustibles sustitutos con lubricidad aceptable durante periodos cuando el suministro de diesel No. 2-D es temporalmente limitado. El uso de combustibles sustitutos puede afectar la cobertura de la garantía, desempeño del motor y emisiones. Los siguientes combustibles sustitutos están generalmente dentro de los límites prescritos: • • • • • Diesel 1-D y 3-D Aceite combustible Grado No. 2 (combustible de calentamiento) Combustible de turbina de aviación Grado Jet A y Jet A-1 (combustible comercial de jet) Combustible de turbina de gas noaeronáutico Grado No. 1 GT y No. 2 GT Keroseno Grado No. 1 -K y No. 2-K Consideraciones Ambientales Lo siguiente es un pequeño método para evaluar las situaciones ambientales relacionadas con el ruido, emisiones de escape y almacenamiento de combustible. Consulte el capítu lo Diseño Mecánico para información más completa. Ruido y su tratamiento El tratamiento del ruido, si se requiere, necesita considerarse desde las primeras etapas de diseño preliminar. Generalmente, los métodos de tratamiento del ruido añadirán un costo considerable e incrementaran el área física requerida para la instalación. Un generador es una fuente compleja de ruido que incluye el ruido del ventilador de enfriamiento, y ruido de escape. U tratamiento eficaz de ruido debe considerar estas fuentes de ruido. En su mayor parte, los métodos de tratamiento de ruido modifican o corrigen el camino del ruido entre el generador y la gente que lo escucha. El simple hecho de usar un silenciador de grado crítico puede o no lograr la reducción de ruido en una ubicación especifica. Puesto que el ruido es direccional, se debe considerar cuidadosamente la ubicación, orientación y distancia del generador con respecto a los límites de propiedad o lugares donde se objete contra el ruido. Gasolina 2 DISEÑO PRELIMINAR 19 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Leyes y Reglamentos de Ruido En Norteamérica, la ley estatal y local establece niveles máximos de ruido para áreas específicas. La mayoría de los reglamentos de ruido de la comunidad especifican el máximo nivel de ruido permisible en los límites de la propiedad. La Tabla 2-2 muestra algunas regulaciones representativas de ruido exterior. El cumplimiento con las regulaciones de ruido requiere un entendimiento del nivel de ruido ambiente y el nivel de ruido resultante con el generador funcionando a carga máxima en ese ambiente. Las regulaciones de ruido también existen para proteger la audición del trabajador. Las personas que trabajan en cuartos de generador deberán usar siempre protección para los oídos mientras el generador esté funcionando. Reglamentos de Emisiones de Escape Los generadores, sin importar la aplicación, podrían estar sujetos a regulaciones de emisiones de escape a nivel local, o nacional o ambos. El cumplimiento de las regulaciones de emisiones generalmente requiere de permisos especiales. Algunas localidades podrían tener designaciones específicas requiriendo estrategias de post- tratamiento para los combustibles de los motores de gas o diesel. Consulte la agencia de calidad de aire local en la fase de diseño de cualquier proyecto para los requerimientos de permisos. En Norteamérica, los generadores móviles, (que se mueven más de una vez a la año) están sujetos a la certificación de la EPA que esencialmente limita las emisiones federales de NOx a 6.9 g/bph • hr. Vea a un distribuidor de Cummins Power Generation para los modelos disponibles. Reglamentos de Almacenaje de Combustible El diseño del tanque de abastecimiento en muchas áreas es controlado por reglamentos escritos generalmente con dos propósitos separados : protección ambiental y protección contra incendio. Puesto que las regulaciones, su aplicación y exenciones varían con la ubicación, es necesario investigar y entender los requerimientos locales. En Norteamérica las leyes de protección ambiental generalmente existen a nivel local y estatal. Hay diferentes regulaciones que aplican para tanques de almacenamiento sobre el terreno y debajo del terreno. Estas regulaciones cubren los estándares de diseño, y construcción, registro pruebas de tanques y detección de fugas. La Tabla 2-3 incluye emisiones típicas diesel para generadores de 40-2000 kW con escapes sin tratamiento los cuales se pueden usar para propósitos de estimación. Consulte al fabricante del motor para información detallada en productos específicos. También cubren requerimientos de cerrado, preparación de planes de prevención de derrames, provisiones para responsabilidad 2 DISEÑO PRELIMINAR 20 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación financiera y cobertura de fideicomisos. Como regla general sujeta a verificación local, se ofrecen exenciones de regulación para tanques de almacenamiento de diesel subterráneos o sobre el terreno que dan servicio en -sitio a generadores de emergencia donde 1) la capacidad de la instalación de almacenaje es de 1,320 galones (500 L) o menor, 2) ningún tanque tenga capacidad mayor de 660 gallones (250 L), y 3) el combustible se consume en las instalaciones (no se despacha). Aún cuando la instalación esté exenta de regulaciones, se debe reconocer que los gastos de limpieza podrían ser muy altos aún para un derrame muy pequeño que resulte de fugas, sobrellenado, etc. La tendencia en el almacenaje de diesel para generadores en sitio en interiores y exteriores ha sido hacia tanques de terceros certificados, de sub-base de doble Protección Contra Incendios En Norteamérica, las regulaciones de protección contra incendio típicamente adoptan o se refieren a una o más de los estándares de la Asociación Nacional de Protección contra Incendio (NFPA). Estos estándares cubren requerimientos tales como capacidad de almacenamiento en interiores, tubería de sistemas de combustible, el diseño y construcción de los tanques de combustible, ubicaciones de los tanques, diques y/o provisiones para un drenado seguro. Consulte el estándar NFPA No. 37, Instalación de Motores Estacionarios . Las autoridades de bomberos locales podrían tener requerimientos más restrictivos o interpretaciones de los requerimientos diferentes a los de los estándares nacionales. pared, sobre el terreno, con detección de fallas y protección contra sobrellenados. Vea la Sección 6, Diseño Mecánico, para más información en diseños de sistemas de combustible. 2 DISEÑO PRELIMINAR 21 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Checklist de Diseño Preliminar Tipo de Sistema Suministro de Combustible – Diesel De Emergencia De Emergencia obligatorio Legal De Emergencia Opcional Potencia Primaria Rasurado de Picos Reducción de Carga Carga Base Tanque seco Tanque Sub-base Tanque Externo Suministro de Combustible – LPG Remoción de Vapor Succión de Líquido Rango de Generador Rango de Emergencia Rango Primario Rango Continuo Tamaño del Generador Unidad Sencilla ___kW ___kVA___PF U. Paralelas___#___kW ___kVA___PF Voltaje y Frecuencia del Generador ___Voltaje ___Hz Mono-fásico Tri-fásico Ubicación Interiores Nivel de Piso Nivel Superior Subterráneo Exteriores Nivel de Piso Techo Acceso Directo para Instalar/Dar Servicio Si___ No___ Combustible Diesel Gas Natural LPG 2 DISEÑO PRELIMINAR Caseta Protege contra la Intemperie Acústica Caseta Walk-in Sobrepuesta Región Costera Accesorios Interruptores de Paralelismo Interruptor de Transferencia Automático Cargadores de Batería Interfase con Red Alarmas Remotas/Monitoreo Breakers de Circuito Módulos de Control de Paralelismo Silenciador Aisladores de Vibración Requerimientos Especiales de Alternador Rango reducido de Temperatura 105C 80C RTDs o Termistores Sistema de Enfriamiento Radiador Montado en Unidad Radiador Remoto 22 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 3 IMPACTO DE LAS CARGAS ELECTRICAS EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR Generalidades Aplicaciones Obligatorias y Opcionales Esta sección se concentra en el impacto de las cargas en el tamaño del generador. Es importante ensamblar un razonablemente preciso programa de cargas al principio del diseño de los proyectos de generación de energía, porque la carga es el factor más importante en la decisión del tamaño del generador. Si al principio del diseño del proyecto no se tiene disponible toda la información del equipo de carga necesaria para definir el tamaño del generador, los primeros cálculos de tamaño se tendrán que basar en estimaciones. Esto deberá ser seguido de recálculos cuando la información real y precisa se hace disponible. Los diferentes tipos de cargas – motores, UPSs, VFDs, equipo de diagnóstico médico y bombas de incendio tienen considerables y diferentes influencias en el tamaño del generador. Fundamentalmente las aplicaciones de generadores están agrupadas en dos categorías básicas, aquellas obligadas por la ley y las regulaciones, y aquellas que se desean por economía (generalmente asociadas con disponibilidad y confiabilidad de la energía). Estas categorías impulsarán un juego completamente diferente de elecciones cuando las decisiones se deben hacer en cuanto a que cargas se conecten al generador. Aplicaciones Trabajo y Rangos de Rangos de Trabajo de Generador Determinar las cargas que se requiere que el generador soporte es una función del tipo de aplicación y trabajo requerido. Generalmente hay tres clasificaciones de trabajo para aplicaciones de generadores: Emergencia, Primaria y Continua . Estas clasificaciones se definen en la Sección 2, Diseño Preliminar. Los rangos disponibles para generadores varían de acuerdo a estas tres clasificaciones. Un generador usado en aplicaciones de Emergencia es usado como respaldo de la fuente de potencia primaria (red) y se espera que sea usado poco frecuentemente, así que el rango de Emergencia es el más alto disponible para el generador. Los generadores clasificados como primarios deben trabajar horas ilimitadas y son considerados la fuente primaria de energía para varias cargas, así que el rango Primario es típicamente 90% del rango de Emergencia. En aplicaciones de trabajo Continuo, se espera que el generador produzca la salida establecida durante horas ilimitadas a carga constante (aplicaciones donde el generador sea operado en paralelo con una fuente de red y cargado de base), así que el rango Continuo es típicamente el 70% del rango de Emergencia. La capacidad de llevar carga del generador es una función de la vida esperada o del intervalo entre reconstrucciones. Obligatorias por la ley: Estas son las que las autoridades juzgan como requeridas legalmente de emergencia donde la seguridad de vida y soporte de vida son de máxima importancia. Este tipo de aplicaciones están estipuladas en códigos de construcción, o códigos específicos para la seguridad de vida, e involucran típicamente instalaciones de cuidado de la salud (hospitales, asilos, clínicas) construcción de rascacielos y lugares de asamblea (teatros, centros de conferencias, instalaciones deportivas, hoteles). Típicamente el generador proveerá de energía de respaldo a cargas como iluminación de salida, detección de fuego, ventilación, sistemas de alarma, elevadores, bombas de incendio, sistemas de comunicación de seguridad pública y hasta procesos industriales donde la pérdida de energía crea un peligro a la vida o a la salud. Otros sistemas son legalmente obligatorios cuando se determina que la pérdida de energía de la red normal constituye un peligro u obstaculizara las labores de rescate o bomberos. Para determinar las cargas mínimas a las que debe suministrar el generador, consulte con la autoridad local y los estándares relacionados. Se podrían aplicar cargas opcionales adicionales al generador en la mayoría de las aplicaciones si lo aprueba la autoridad local. Emergencia Opcional: Este tipo de sistemas se ha hecho mas frecuente conforme la disponibilidad de la energía se ha hecho más crítica. Estos sistemas dan energía a instalaciones tales como edificios industriales o comerciales y sirven cargas como calefacción, refrigeración, proceso de datos, comunicaciones y procesos industriales críticos. Los generadores son justificables donde las pérdidas de energía de la red podrían causar incomodidad o la interrupción de procesos críticos que amenacen productos o equipo de proceso. 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 23 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Primaria y Continua: Las aplicaciones para generadores que suministran energía de trabajo primario o continuo se hacen cada vez más presentes en países en desarrollo y en muchas aplicaciones generación de energía distribuida. Existen muchas oportunidades con las redes del lado de la generación y clientes de las redes del lado del consumo. La desregulación y regulaciones ambientales más estrictas tienen a las redes públicas de electricidad buscando producción y distribución de energía de formas alternativas a la construcción de nuevas plantas generadoras centrales. El rasurado de picos, y estructuras de tarifas interrumpibles son algunas de las formas en que se busca satisfacer la creciente demanda. Los clientes de las redes están usando la co -generación para reducir la demanda pico de la red y continúan persiguiendo oportunidades de co-generación donde la demanda simultánea de energía y calor existen. En cualquier caso, uno debe estar consiente de que los generadores son una pequeña fuente de energía comparados con la red pública normal, y las características de operación con carga pueden tener un profundo efecto en la calidad de la energía si el generador no es del tamaño apropiado. Dado el hecho de que un generador es una fuente limitada de energía, se deben esperar alteraciones en el voltaje y la frecuencia cada vez que se le conecten o desconecten cargas. Estas alteraciones se deben mantener dentro de los límites aceptables para todas las cargas conectadas. Además, habrá distorsión de voltaje en la salida del generador cuando se conecten cargas no-lineales que produzcan corrientes armónicas. La distorsión puede ser considerablemente mas grande cuando se opera de un generador que de la red pública, y causara calentamiento adicional en el generador y el equipo de carga si no se mantiene observada. Consecuentemente, para suministrar energía adecuada de funcionamiento se necesitan generadores más grandes de lo necesario para limitar las alteraciones de voltaje y frecuencia durante las transiciones por carga y para limitar la distorsión armónica cuando se da servicio a cargas no-lineales como computadoras, UPSs y VFDs. Los programas de definición de tamaño de generador, permiten en el presente la selección precisa del generador y dan un alto nivel de confianza en la compra de un sistema de tamaño justo para sus necesidades. Mientras que la mayoría de los ejercicios de definici ón de tamaño de generador se llevan a cabo de mejor manera con programas como GenSize de Cummins Power Generation, (Vea Apéndice A), o con la ayuda de un representante del fabricante, es aun muy educativo saber que es lo que se necesita para seleccionar el generador correcto para su aplicación. Además de la carga conectada, muchos otros factores afectan el tamaño del generador: requerimientos de arranque de cargas tales como motores y sus cargas mecánicas, imbalances de carga monofásica, cargas no lineales como equipo UPS. Restricciones de caída de voltaje. cargas cíclicas etc. Entendiendo las Cargas Requerimientos de Funcionamiento de Carga Arranque y La potencia requerida por muchos tipos de carga puede ser mucho mas alta cuando se arranca la carga que lo que se requiere para su funcionamiento continuo estable (la mayoría de las cargas movidas por motores que no emplean algún tipo de equipo de arranque suave). Algunas cargas también requieren de energía pico durante la operación que durante el funcionamiento (soldaduras o algún equipo médico por ejemplo). Otras cargas (no-lineales como UPSs, computadoras, VFDs y otras cargas electrónicas) causan excesiva distorsión del generador a menos que el generador sea de un tamaño mas grande de loa que se requiere para alimentar la carga. La fuente de energía debe ser capaz de suministrar todos los requerimientos operativos de la carga. Durante condiciones de arranque o de carga pico, las transiciones repentinas de carga pueden causar alteraciones de voltaje y frecuencia dañinos a las cargas conectadas, o lo suficientemente grandes para no arrancar exitosamente u operar apropiadamente si el generador es de un tamaño menor. Mientras que algunas cargas son bastante tolerantes a las transiciones de corto tiempo, otras cargas son muy sensibles. En algunos casos el equipo de carga puede tener controles protectores que causen que la carga se apague en estas condiciones. Aunque no tan críticas, otras condiciones como luces parpadeantes o jaloneos momentáneos en elevadores pueden ser cuando menos, incomodas. Un generador es una fuente limitada de energía en términos de potencia del motor (kW) y voltamperes de generador (kVA) independientemente del sistema de excitación. Debido a esto, las transiciones de carga causaran excursiones de transición en el voltaje y la frecuencia. La magnitud y duración de estas 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 24 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación excursiones son afectadas por las características de la carga y el tamaño del generador relativo a la carga. Un generador es una fuente relativamente grande de impedancia cuando se compara con un típico transformador de red pública, Vea más información en la Sección 4, Selección de Equipo. presión, etc. Las Tablas 3-1 y 3-2 algunos datos representativos útiles. contienen Secuenciación de Pasos de Carga En muchas aplicaciones puede ser recomendable limitar la cantidad de carga que el generador reciba o arranque en un solo momento. Las cargas generalmente son pasadas al generador en secuencia para reducir los requerimientos de arranque y, por lo tanto, el tamaño del generador requerido. Esto requiere control de las cargas y equipo para conectar la carga al generador 1. Interruptores múltiples de transferencia son comúnmente usados para este prepósito. Los interruptores de transferencia individuales se pueden ajustar para conectar cargas en diferentes momentos usando ajustes estándar de retardo de tiempo de transferencia para escalonar las cargas. Se recomienda un retardo de tiempo de unos cuantos segundos para permitir que el generador estabilice el voltaje y la frecuencia entre los pasos de las cargas. Esto, por supuesto, significará que cualquier carga de emergencia u obligatoria por la ley, deberán conectarse primero para cumplir los requerimientos legales. Las cargas que requieran más energía de arranque, como motores con cargas grandes, deben arrancarse mientras hay una carga mínima conectada. Las cargas de UPSs pueden dejarse hasta el último puesto que la carga de estos esta soportada por batería. Con esa información básica, las características de operación de cargas individuales se discuten adelante. Tipos de Carga Cargas de Iluminación: Los cálculos de iluminación son muy directos, una suma del wattaje de las lámparas o del voltaje requerido para circuitos de iluminación, mas el wattaje requerido por las balastras. Los tipos comunes de iluminación son incandescentes, focos estándar que típicamente usan un filamento de tungsteno, fluorescentes, una lámpara de gas ionizado impulsada por una balastra, también aplica para iluminación de descarga de gas y descarga de sodio a baja presión, sodio de alta 1 Cummins Power Generation ofrece sistemas de control de carga en cascada basados en red. Cargas de Aire Acondicionado: Las cargas de aire acondicionado son especificadas generalmente en toneladas. Para estimar los requerimientos de potencia en kilowatts, se usa una conversión de 2 HP/ton como un estimado muy conservador de la carga total de una unidad de baja eficiencia. Si quiere UD. un tamaño más exacto y conoce las cargas de motor de los componentes individuales del equipo de aire acondicionado, súmelas individualmente y llegue a un fa ctor de demanda para las cargas que podrían arrancar simultáneamente. Cargas de Motor: Hay una gran variedad de tipos de motor y tipos de cargas conectadas a esos motores, cada una de las cuales afecta las características de arranque y funcionamiento del motor. A continuación, una discusión de muchas de estas características y sus efectos en la definición del tamaño del generador. Alta y Baja Inercia: El momento de inercia de una masa rotatoria, como un motor y su carga, es una medida a la resistencia de aceleración por el torque de arranque del motor. El torque de arranque requiere mas potencia del motor del generador (SkW) que la carga en funcionamiento. Más que tener que hacer cálculos, sin embargo, es generalmente suficiente caracterizar las cargas como cargas de alta inercia y cargas de baja inercia para el propósito de determinar la potencia de motor necesaria para arrancar y acelerar las cargas de motor. Por lo tanto, las cargas de baja inercia son aquellas que pueden acelerarse cuando se puede asumir un factor de servicio de 1.5 o menos, mientras que, las cargas de alta inercia son aquellas donde se debe asumir un factor de 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 25 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación servicio mas grande de 1.5. Se debe asumir un factor de servicio más alto para cargas pulsantes o mecánicamente desbalanceadas. La Tabla 3-3 muestra la categorización de cargas comunes. * Ventiladores o bombas excepcionalmente grandes que trabajan contra cabezas altas, podrían no calificar como cargas de baja inercia. Si no está seguro, asuma que es de alta inercia. ** Las cargas de alta inercia incluyen cargas pulsantes o mecánicamente desbalanceadas. Más de 50 HP: Un motor grande arrancado a través de la línea con un generador, representa una carga de baja impedancia en mientras está en condición de roto r bloqueado o de caída inicial. El resultado es una corriente alta de entrada, típicamente 6 veces la corriente de rango. La alta corriente de entrada causa que el voltaje del generador caiga. Esta caída de voltaje está compuesta de la caída instantánea de voltaje de transición y la caída de voltaje de recuperación. La caída instantánea de voltaje de transición ocurre en el instante que el motor se conecta al generador y es una función de las impedancias relativas del generador y el motor. La caída instantánea de voltaje es la caída de voltaje cuya predicción se encuentra en las curvas de caída 2 publicadas en las hojas de datos del alternador . Estas curvas de caída dan una idea de lo que se puede esperar de la caída instantánea, asumiendo que la frecuencia es constante. Si el motor se desacelera debido al arranque de equipo de muchos kW, la caída de voltaje de transición podría exagerarse al disminuirse (por medio de la característica de empatamiento de torque del regulador) la excitación del alternador para ayudar al motor a recuperar la velocidad. Después de la detección de de la caída instantánea de voltaje de transición, el sistema 2 Las curvas de caída de voltaje de los equipos de Cummins Power Generation están disponibles en Power Suite Libray. de excitación del generador responde al incrementar la excitación de para recuperar el voltaje de rango, al mismo tiempo que el motor está acelerando a velocidad de funcionamiento (asumiendo que el motor desarrolle suficiente torque). El torque del motor, para motores de inducción, es directamente proporcional al cuadrado del voltaje aplicado. La aceleración del motor es una función de la diferencia entre el torque del motor y los requerimientos de torque de la carga. Para evitar excesivos tiempos de aceleración o paro del motor, el generador debe recuperar el voltaje de rango lo más pronto posible. La manera en que el voltaje del generador se recupera es una función de los tamaños relativos del generador y el motor, potencia del motor (capacidad en kW) y la capacidad de forzar la excitación del generador. Varios milisegundos después de la caída inicial del voltaje de transición, el regulador de voltaje aplica voltaje total de fuerza al excitador del generador, lo cual resulta en un crecimiento del campo principal de corriente de acuerdo a las constantes de tiempo del excitador y campo principal. Los componentes del generador están diseñados y empatados para lograr el tiempo de respuesta más corto posible y al mismo tiempo mantener la estabilidad del voltaje y evitar la sobrecarga del motor. Los sistemas de excitación que responden demasiado rápido o que son demasiado rígidos pueden de hecho sobrecargar el motor cuando arrancan motores de tamaño grande. Dependiendo de lo severo de la carga, el generador se debe recuperar hasta su voltaje de rango dentro de varios ciclos, o cuando mucho en unos cuantos segundos. Para aplicaciones de arranque de motores, deben considerarse la caída inicial de voltaje de transición y el voltaje de recuperación. Un generador debe tener el tamaño de manera que no exceda la caída de voltaje de transición inicial especificada para el proyecto, y así mismo que ese recupere a un mínimo de 90% de de su rango de voltaje de salida con la aplicación de los kVA del motor bloqueado. Por lo tanto el motor puede entregar 81% (0.9 x 0.9 = 0.81) de su torque de rango durante la aceleración, lo que ha demostrado ser ad ecuado para la mayoría de las aplicaciones de arranque. En lugar de especificaciones únicas para el proyecto, una caída de voltaje de arranque se considera aceptable en una situación de arranque de motor. Se encuentran disponibles varios tipos de arrancadores de motor de voltaje reducido para reducir los kVA de arranque de un motor en aplicaciones donde el torque reducido del motor 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 26 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación es aceptable. El reducir los kVA de arranque del motor puede reducir la caída de voltaje, el tamaño del generador y dar un arranque mecánico más suave. Sin embargo, como se explica a continuación, se debe tener cuidado cuando se aplican estos arrancadores a los generadores. Métodos de Arranque Trifásicos: Hay varios métodos disponibles para arrancar motores trifásicos, como se sumarizan en la Tabla 3-4 y como se explican más a detalle en el Apéndice C-Arranque de motor de Voltaje Reducido. El método más común de arranque es el arranque con toda la línea (voltaje total). Los requerimientos de arranque del motor se pueden reducir aplicando algún tipo de arrancador de voltaje reducido o de estado sólido, resultando en un generador más pequeño. Sin embargo, se debe tener cuidado cuando se aplican estos métodos de arranque reducido. Puesto que el torque de motor es una función del voltaje aplicado, cualquier método que reduce el voltaje del motor también reduce el torque del motor en el arranque. Estos métodos de arranque solo se deben aplicar a cargas de motores de baja inercia a menos que se pueda determinar que el motor producirá torque adecuado para la aceleración durante el arranque. Adicionalmente estos métodos de arranque pueden producir altas corrientes de entrada cuando cambian de arranque a funcionamiento (si la transición ocurre antes de que el motor alcance velocidad de operación), lo que resulta en requerimientos de arranque que se acercan a un arranque con toda la línea. Si el motor no alcanza velocidad de operación cercana a la de rango antes de la transición, pueden ocurrir caídas de voltaje y frecuencia excesivos cuando se utilizan estos arrancadores con generadores. Si no está seguro de cómo reaccionarán el arrancador y la carga, asuma arranque con toda la línea. Impulsores de Frecuencia Variable (VFDs): De todas las clases de carga no lineal, los VFDs que se usan para controlar la velocidad de los motores de inducción, inducen la más alta distorsión en el voltaje del generador. Se requieren alternadores más grandes para prevenir el sobre calentamiento del alternador debido a las corrientes armónicas de inducidas por el impulsor de frecuencia variable, y para limitar la distorsión de voltaje del sistema al bajar la reactancia del alternador. Por ejemplo, las cargas de VFD de tipo invertido de fuente de corriente convencional, en un generador deben ser menores que aproximadamente el 50% de la capacidad del generador para limitar la distorsión armónica total a menos de 15%. Más recientemente VFDs de Ancho de Pulso Modulado se han hecho más efectivos en los costos e inducen armónicos más bajos. El alternador necesita ser solo 40% más grande para estos impulsores. 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 27 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Para aplicaciones de velocidad variable, defina el tamaño del generador tomando en cuenta el rango de la placa del impulsor, no el rango del motor impulsado. Los armónicos podrían ser mas altos con el impulsor operando a carga parcial y podría ser posible que un motor más grande, hasta de la capacidad total del impulsor, se instale en el futuro. Letra de Código de Motor NEMA: En Norteamérica, el estándar NEMA para motores y generadores (MG1) designa rangos aceptables para kVA de arranque de motor con Letras Código de la “A” a la “V”. El diseño del motor debe limitar los kVA de arranque (rotor bloqueado) a un valor dentro del rango especificado por las Letras Código indicadas en el motor. Para calcular los kVA de arranque, multiplique los caballos del motor por el valor en la Tabla 3-5 que corresponda con la Letra Código. Los valores en la Tabla 3-5 son los promedios de los rangos especificados de los valores de las Letras Código. Diseño de Motores Trifásicos: En Norteamérica, los motores de diseño de tipo B, C, o D son motores trifásicos de inducción tipo caja de ardilla clasificados por NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos) con respecto a el valor máximo de corrien te con el rotor bloqueado y valores mínimos de torque con el rotor bloqueado, torque de subida y torque de rotura. Los motores de tipo de alta eficiencia son motores de inducción de jaula de ardilla trifásicos de eficiencia alta, con valores mínimos de torque similares a los de diseño tipo B, pero con una corriente de rotor bloqueado y eficiencia de carga total nominal mas altas. Vea la Tabla 3-6 para los valores estándar nominales de motores de diseño B, C, y D y de alta eficiencia. Diseño de Motores Mo nofásicos: Vea la Tabla 37 para valores estándar nominales para motores de inducción monofásicos. Cargas de UPSs (Fuentes de Poder Ininterrumpibles): Una fuente de poder ininterrumpible (UPS) estática utiliza rectificadores de control de silicón (SCRs) u otros dispositivos estáticos para convertir el voltaje CA a voltaje CD. El voltaje CD se utiliza para producir voltaje CA a través de un circuito de inversión en la salida del UPS. El voltaje de CD se utiliza también para cargar las baterías, el medio de almacenaje de las UPSs. Los SCRs de cambio en la entrada reducen las corrientes armónicas en el alternador del generador, Los efectos de estas corrientes incluyen calentamiento adicional de devanados, eficiencia reducida, y distorsión de la onda de CA. El resultado es un requerimiento de un alternador más grande para una salida dada de kW del generador. Los dispositivos UPS pueden también ser sensitivos a las caídas de voltaje y excursiones de frecuencia. Cuando el rectificador está rampeando hacia arriba, bandeos relativamente altos en la frecuencia y el voltaje pueden ocurrir sin molestar la operación. Sin embargo una vez que se habilita el sobrepaso, la frecuencia y el voltaje deben estar muy estables o se disparará la alarma. Los problemas pasados en te incompatibilidad de generadores y UPSs llevaron a muchas ideas incorrectas acerca del tamaño del generador para este tipo de cargas. En el pasado, los proveedores de UPSs recomendaban sobredimensionar el generador dos o tres veces sobre el rango del UPS, pero entonces tenían aun más problemas. Desde entonces los fabricantes de UPSs han resuelto el problema de la incompatibilidad y ahora es más efectivo en cuanto a costos requerir UPSs que sean compatibles con el generador que sobredimensionar el generador significativamente. Cuando defina el tamaño del generador use el rango de la placa del UPS, aún si el UPS no vaya a estar completamente cargado, más el rango de la batería. El UPS tendrá típicamente una capacidad de carga de la batería de 10 a 1% de su rango UPS. Si las baterías se descargan cuando el UPS está operando con el generador, el generador debe ser capaz de suministrar la carga de salida y el cargado de las baterías. La mayoría de los UPSs tiene un límite ajustable de corriente. Si este límite se ajusta al 110-150% del rango del UPS, esa es la carga pico que el 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 28 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación generador necesitará suministrar inmediatamente después de una falla de energía de red. Una segunda razón para utilizar el rango total del UPS es que se podrían agregar cargas adicionales hasta el rango de la placa en el futuro. Lo mismo aplica para sistemas redundantes de UPS. Defina el tamaño del generador para los rangos de palca combinados de los UPS individuales en aplicaciones donde, por ejemplo, un UPS se instala para respaldar a otro y hay dos en línea todo el tiempo con 50% o menos de la carga. Debido a que son cargas no lineales, los UPS inducen armónicos en la salida del generador. Los Dispositivos UPS equipados con filtros de entrada de armónicos, tiene menos corrientes armónicas que los que no están equipados así. Los filtros armónicos deben reducirse o dejarse fuera por medio de un interruptor cuando la carga en el UPS es pequeña. Si no, estos filtros pueden causar un factor de potencia inicial en el generador. Vea Carga de Factor de Potencia Inicial en la sección de Diseño Mecánico. El número de rectificadores (pulsos) también dicta el grado de sobredimensión del generador que se requiere. Un rectificador de 12 pulsos con un filtro armónico resulta en el generador de tamaño más pequeño recomendado. La mayoría de los dispositivos UPS tiene una función de de limitación de corriente para controlar la carga máxima que el sistema puede aplicar a su fuente de poder, la cual se expresa como un porcentaje de el rango de carga máximo del UPS. El total de la carga que el UPS aplica a su suministro es controlado a ese valor limitando su rango de carga de la batería. Si por lo tanto, la carga máxima es limitada al 125% y el UPS está 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 29 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación operando a 75% de su capacidad de rango, el cargado de la batería está limitado a 50% del rango del UPS. Algunos dispositivos UPS reducen la carga de la batería a un valor mas bajo durante el tiempo que el generador esta energizando el UPS. sada por las corrientes armónicas inducidas por el cargador. El número de rectificadores (pulsos) dicta el grado de sobredimensionado del generador. Un rectificador de 12 pulsos resulta en el generador más pequeño recomendado. Cargas de Cargador de Baterías: Los cargadores de baterías típicamente usan rectificadores de silicón (SCRs). Un cargador de baterías es una carga no lineal, lo cual requiere un alternador sobredimensionado para acomodar el calor adicional y minimizar la distorsión armónica cau - Equipo Medico de Imagen (Rayos X, Cat Scan, MRI): El equipo de imagen como los rayos X, Cat Scan y MRI producen características de arranque y funcionamiento únicas que se deben considerar al definir el tamaño del generador. La carga pico kVA (kVP x ma) y caída permisible de voltaje son factores esenciales para definir el tamaño de un generador para aplicaciones de imagen médica. Dos factores adicionales deben 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 30 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación comprenderse para todas las aplicaciones de imagen médica. Primero, cuando el equipo de imagen médica es energizado por un generador, la imagen podría ser diferente que cuando esta siendo energizado por la red pública. La razón de esto es debido a la diferencia en las características de la caída de voltaje. Como ilustra la Figura 3-1 , la caída tenderá a ser constante cuando la fuente de energía es la red pública. Los intentos del regulador de voltaje del generador por regular el voltaje también afectan la característica de la caída. Segundo, entre el tiempo que el operador hace el ajuste para la imagen y el tiempo que toman la imagen, no deben ocurrir grandes cambios e las cargas como las de elevadores o aires acondicionados arrancando o deteniéndose. El equipo de imagen médica es generalmente diseñado para usarse energizado por la red pública. La mayoría de los equipos, sin embargo, tiene un compensador de voltaje en línea, ajustable ya sea por el instalador o el operador. En aplicaciones donde el generador es la única fuente de energía, el compensador de línea puede ajus tarse para la caída de voltaje esperada con el generador. Cuando el equipo de imagen ha sido ajustado para energía de la red pública, el generador tendrá que imitar la caída de voltaje de la red lo más posible. Por experiencia, se pueden obtener imágenes satisfactorias cuando el rango kVA del generador alternador es cuando menos de 2.5 veces el kVA pico del equipo de imagen. Se puede esperar una caída de voltaje de 5 a 10% cuando se define el tamaño del generador por este medio. En la Tabla 3-8 se listan los kVA pico y los kVA de generador requeridos para equipo de imagen de diferentes rangos. 3 Aplicaciones de Bomba de Incendio : Se debe dar especial consideración a las bombas de incendio debido a su posición crítica y requerimientos especiales de código. El Código Eléctrico Nacional Americano (NEC) contiene requerimientos que limitan la caída de voltaje a 15% cuando se arrancan bombas de incendio. Este límite se impone para que los arrancadores de motor no se apaguen durante condi ciones de bloqueo de rotor extendidas y así los motores de las bombas den torque adecuado para acelerar las bombas a sus velocidades de rango para obtener así los rangos de presión y de flujo de las bombas. El tamaño del generador no tiene que ser para suministrar kVA de rotor bloqueado de la bomba de incendio indefinidamente. Eso resultaría en un generador de tamaño muy grande, lo cual generaría problemas de mantenimiento y confiabilidad debido a un generador sub-utilizado. 3 Esta es la interpretación de Cummins Power Generation de la edición 1996 del estándar No. 20 de NFPA, Bombas Centrífugas de Incendio. Los ingenieros de diseño deben revisar el estándar también. 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 31 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Características de la Carga Cuando se usa un arrancador de voltaje reducido para el motor de una bomba de incendio, sin importar el tipo, dé capacidad de generador para arranque con toda la línea. El controlador de la bomba de incendio incluye un medio ya sea manual-mecánico, manual-eléctrico o automático para arrancar la bomba con toda la línea en el caso de una falla del controlador. La capacidad adicional de generación puede ser manejada, si fuera práctico, proveyendo de controles automáticos de desecho de carga en cargas de baja prioridad conectadas de manera que esa capacidad de generador inactiva para la bomba de incendio se pueda usar para esas cargas. Otra opción es considerar una bomba de incendio impulsada por un motor diesel en lugar de una eléctrica. La economía generalmente favorece las bombas eléctricas, pero el ingeniero de protección contra incendio podría preferir una con motor diesel. De esa manera el sistema de protección contra incendio y la potencia de emergencia se mantienen separados. Algunos ingenieros y aseguradoras creen que esto mejora la confiabilidad de los dos sistemas. El costo de un interruptor de transferencia para la bomba de incendios se evitaría. El generador no tendría que ser de un tamaño para suministrar los kVA de un rotor bloqueado de la bomba de incendio indefinidamente, lo cual resultaría en un generador de tamaño más grande de lo necesario que podría tener problemas de manteniendo y confiabilidad por estar siendo subutilizado. Tolerancias del Voltaje y Frecuencia de Carga: La Tabla 3 -9 sumariza la tolerancia que diferentes cargas tienen para cambios en el voltaje y la frecuencia. Potencia Regenerativa: La aplicación de generadores a cargas que tienen impulsores motor -generador (MG) tales como elevadores, y grúas requieren la consideración de la potencia regenerativa. En estas aplicaciones el descenso del elevador o grúa es desacelerado por el motor generador el cual “bombea” energía eléctrica de regreso a la fuente para ser absorbida. La fuente normal de red absorbe la energía regenerada fácilmente porque es esencialmente una fuente ilimitada de energía. La potencia producida por la carga simplemente sirve a otras cargas reduciendo la carga real en la red. Un generador, por otro lado, es una fuente aislada de potencia que tiene una capacidad limitada de absorber potencia regenerativa. La absorción de potencia regenerativa es una función del caballaje de fricción del motor a una velocidad gobernada, caballaje del ventilador, fricción del generador, pérdidas de embobinado y cuerpo (la potencia necesaria para mantener el rango de voltaje de salida del generador). El rango de potencia regenerativa del generador aparece en la Hoja de Especificaciones del generador recomendado, y es típicamente, 10 a 20% del rango de potencia del generador. (El generador mueve al motor el cual absorbe la energía a través de pérdidas por fricción). 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 32 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación EQUIPO Motores de Inducción VOLTAJE +/- 10% FRECUENCIA +/-5% COMENTARIOS El bajo voltaje resulta en bajo torque y alta temperatura El alto voltaje resulta en torque y amperes de arranque incrementados. Bobinas, +/-10% N/A La fuerza de contención de una bobina y su Arrancadores de constante en el tiempo de decaimiento son Motor % proporcionales a las vueltas-ampere de la bobina. Las bobinas más pequeñas, pueden salir dentro de estas tolerancias para la caída de transición. Una caída de voltaje retransición de 30 a 40% durante más de dos ciclos puede causar la salida de la bobina. Iluminación +10%, -25% N/A El bajo voltaje resulta en 65% de luz. Incandescente El alto voltaje resulta en 50% de vida. La baja frecuencia hace que la luz parpadee. Iluminación +/-10% N/A El alto voltaje resulta en Fluorescente sobrecalentamiento. Iluminación HID +10%, -20% N/A El bajo voltaje resulta en apagados. El alto voltaje r esulta en sobrecalentamiento. UPS estático +10%, -15% +/-5% No se descarga la batería hasta el -20% del voltaje. Los UPSs son sensibles a un rango de cambio de frecuencia (slew rate) de más de 0.5Hz/seg. Podría ser necesario sobredimensionar el generador para limitar la distorsión armónica del voltaje. VFDs +105, -15% +/-5% Los VFDs son sensibles a los rangos de cambio de frecuencia de más de 1 HZ/seg. Podría ser necesario sobredimensionar el generador para limitar la distorsión armónica del voltaje. Si el voltaje no se recupera al 90% los dispositivos protectores de bajovoltaje se dispararán, los dispositivos de sobrecorriente podrían interrumpir, los arrancadores de voltaje reducido se bloquearán o brincarán y los motores podrían detenerse o no tener la aceleración aceptable. Tabla 3-9. Tolerancias típicas de Voltaje y Frecuencia Un rango de regeneración de potencia insuficiente, para la aplicación puede resultar en una velocidad de descenso excesiva y la sobrevelocidad del generador. NOTA: Las cargas regeneradoras excesivas pueden causar que un generador se sobrerevolucione y se detenga. Las aplicaciones más susceptibles a este tipo de problema son los edificios pequeños donde el elevador es la carga mayor del generador. Generalmente el problema de regeneración se puede resolver asegurándose de que haya otras cargas conectadas que absorban la potencia regenerativa. Por ejemplo, en edificios pequeños donde el elevador es la carga más grande, la carga de la iluminación debe transferirse al generador antes de transferir el elevador. E algunos casos, bancos auxiliares de carga con controles, serán necesarios para ayudar a absorber las cargas regenerativas. Factor de Potencia de Carga (FP): Las inductancias y las capacitancias en los circuitos de carga de CA causan el punto en el que la onda de corriente sinusoidal pasa por cero a arrastrar o ir al frente del punto en el cual la onda de voltaje pasa por cero. Las cargas capacitivas, motores sincrónicos sobreexcitados, etc., causan un factor de potencia de inicio, donde la corriente se adelanta al voltaje. El factor de potencia de arrastre, donde la corriente va detrás del voltaje, es el caso más típico y es el resultado de 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 33 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación inductancia en el circuito. El factor de inicio es el coseno del ángulo por el cual la corriente se adelanta o arrastra voltaje, donde un ciclo sinusoidal es de 360°. El factor de potencia se expresa generalmente en un número decimal (0.8) o como un porcentaje (80%). El factor de potencia es la relación de kW a kVA. Por lo tanto: kW = kVA x FP Note que los generadores trifásicos tiene rangos para cargas de FP de 0.8 y que los generadores monofásicos para cargas de FP de 1.0. Las cargas que causan factores de potencia más bajos que para los que tiene rango, podrían causa que GenSize recomiende un alternador o generador mas grande para servir la carga apropiadamente. Las cargas reactivas que causan factor de potencia de inicio pueden ser problemáticas, causando daños al alternador, cargas o disparando el equipo de protección. Las fuentes más comunes de factor de potencia de inicio son sistemas UPS con cargas ligeras usando filtros armónicos en la línea de entrada o dispositivos de corrección de factor de potencia (bancos de capacitores) usados con motores. El factor de potencia de inicio se debe evitar con los generadores. La capacitancia del sistema se vuelve una fuente de excitación para el generador y la pérdida del control del voltaje se puede convertir en un problema. Siempre conecte o desconecte los capacitores de corrección del factor de potencia del sistema con la carga. Vea cargas de Factor de Potencia de Inicio en la sección Diseño Eléctrico. Cargas Monofásicas y Balance de Cargas: Las cargas monofásicas deben estar distribuidas lo mas parejo posible entre las tres fases de un generador trifásico para utilizar completamente la capacidad del generador y limitar el desbalanceo de voltajes. Por ejemplo, un desbalanceo monofásico tan pequeño como del 10%, podría requerir limitar la carga balanceada a no más del 75% de la capacidad de rango. Para ayudar a prevenir la falla de sobrecalentamiento y aislamiento prematuro en motores trifásicos, el desbalanceo de voltaje se debe mantener debajo del 2%. Vea Cálculos de Desbalanceo de Carga Monofásica en la s ección Diseño Eléctrico. 3 IMPACTO DE LA CARGA ELECTRICA EN EL TAMAÑO DEL GENERADOR 34 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 4 SELECCIÓN DE EQUIPO Generalidades Cuando se ha tomado la decisión en cuanto al tamaño del generador y la secuencia de las cargas, se puede comenzar la tarea de seleccionar el equipo a utilizar. combinados con la reducción de conduit, estructuras de soporte, y tiempo de instalación, pueden compensar el costo más alto del generador. Esta sección trata con diferentes generadores para una instalación completa y funcional. Se plantean las características funcionales, criterios de selección y equipo opcional necesario. Aislamiento y Rangos. Alternadores CA Voltaje Bajovoltaje: La aplicación determina mayormente el voltaje del generador seleccionado. En aplicaciones de emergencia, el voltaje de salida del generador usualmente corresponde a la utilización de voltaje de las cargas. La mayoría de los voltajes y conexiones usadas comercialmente se encuentran disponibles como opciones estándar de los fabricantes de alternadores. Algunos voltajes de uso raros podrían requerir devanados especiales los cuales requieren considerable tiempo de anticipación para producirse. La mayoría de los alternadores tienen un ajuste de voltaje de cuando menos +/5% del voltaje nominal especificado para permitir ajuste a los requerimientos específicos del sitio. Vea la tabla de Voltajes del Mundo en el Apéndice B. 1 Mediovoltaje : En potencia Principal o aplicaciones de carga base, o cuando las condiciones de aplicación en general son conductivas, se están usando con mas frecuencia los generadores de mediovoltaje (más de 600 volts). Generalmente los voltajes medios deben considerarse cuando la salida excederá 2,000 amperes de un generador de bajovoltaje. Otro criterio que apunta hacia el uso de mediovoltaje es el tamaño y capacidad del equipo de transferencia de potencia y la cantidad de conductores requeridos contra el bajovoltaje. Mientras que el equipo de mediovoltaje será más caro, los conductores requeridos (del orden de 10-20 veces de menor capacidad de amperaje) Generalmente los alternadores en el rango de 20 a 2,000 kW tienen aislamiento de devanado de Clase F o Clase H. El aislamiento de Clase H está diseñado para resistir temperaturas más altas que el de Clase F. Los rangos de alternador lo refieren en términos de límites de elevación de temperatura. Los alternadores con aislamiento de Clase H tienen rangos de salida kW y kVA que se mantienen dentro de las elevaciones de temperatura de 80, 105, 125 y 150°C sobre una ambiente de 40°C. Un alternador operado en su rango de 80°C tendrá una vida más larga que en sus rangos de temperatura más altos. Los alternadores con una elevación de temperatura mas baja para un rango dado de generador, resultarán en mejor arranque del motor, menores caídas de voltaje, mayor capacidad de carga desbalanceada o no lineal, así como mayor capacidad de falla de corriente. La mayoría de los generadores de Cummins Power Generation tiene más de un tamaño de alternador disponible, haciendo posible cubrir un amplio rango de aplicaciones. Muchos alternadores para un rango específico tendrán rangos múltiples, tales como 125/150/80 (E,P,C). Esto significa que el alternador operará dentro de un límite diferente de temperatura dependiendo del rango del generador, esto es, se mantendrá dentro de la elevación de temperatura de 125°C en ele rango de emer gencia, dentro de la elevación de 105°C en el rango Principal y dentro de los 80°C en el rango continuo. Devanados y Conexiones Los alternadores están disponibles en diferentes configuraciones de devanado y conexión. El entendimiento de alguna de la terminología usada ayudará en la decisión que mejor se adapte a su aplicación. 1 Los alternadores de mediovoltaje están disponibles en productos Cummins Power Generation en rangos de 750kW y más. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO 35 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Re-conectable: Muchos alternadores están diseñados con salidas individuales de los devanados separados de las fases que pueden re-conectarse a configuraciones WYE o Delta. A estos se les conoce a menudo como alternadores de 6 puntas. A menudo, los alternadores reconectables tiene 6 devanados separados, que se pueden reconectar en serie o en paralelo y o en configuraciones WYE o Delta. Estos tipos de alternador son producidos principalmente por flexibilidad y eficiencia de manufactura y se conectan y prueban en la fábrica a la configuración deseada. Rango Amplio: Algunos alternadores están diseñados para producir un amplio rango de salidas de voltaje nominal, tales como un rango de 208 a 240 o 190 a 220 volts con solo un ajuste del nivel de excitación. Cundo se combinan con la característica de re-conexión, se les llama Reconectable de Amplio Rango . Rango Extendido: Este término se refiere a alternadores diseñados para producir un rango de voltajes más amplio que los de amplio rango. Cuando uno de rango amplio produciría nominalmente 416-480 volts, uno de rango extendido producirá 380-480 volts. Rango Limitado: Como el nombre lo indica, los alternadores de rango limitado tiene un rango de ajuste nominal muy limitado (por ejemplo 440480 volts) o pueden estar diseñados para producir solo un voltaje nominal específico y conexiones tales como WYE. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO Arranque Incrementado de Motor: Este término es usado apara describir un alternador más grande o uno con características especiales en el devanado para producir una capacidad más alta de corriente de arranque de motor. La capacidad incrementada de arranque de motor también se podrá logra escogiendo un alternador con menor elevación de temperatura. Fundamentales y Excitación Es deseable tener un entendimiento de lo fundamental de los generadores de CA y los sistemas de excitación con respecto a la respuesta de transición de carga, y la respuesta del sistema de excitación alas fallas de salida del generador. Un generador convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. Consiste esencialmente de un rotor y un estator, como se muestra en el corte seccional en la Figura 4-1 . El rotor lleva el campo del generador (mostrado como de 4 polos), que es girado por el motor. El campo es energizado por una fuente de CD llamada excitador, el cual está conectado a las terminales “+” y “-“ de los devanados de campo. El generador está construido de manera que las líneas de fuerza del campo magnético cortan perpendicularmente a través de los devanados del estator cuando el motor gira el rotor, induciendo voltaje en los elementos del devanado del estator. El voltaje en un elemento de devanado, se voltea cada vez que la polaridad 36 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación cambia (dos veces cada revolución en un generador de 4 polos). Típicamente un generador tiene 4 veces mas “ranuras de devanado” como se muestra y esta “embobinado” para obtener una salida sinusoidal, alternante, monofásica o trifásica. El voltaje inducido en cada elemento del devanado depende de la fuerza del campo (el cual podría representarse por una más alta densidad de las líneas de fuerza), la velocidad con la que las líneas de fuerza cruzan los elementos del devanado (rpm), y la “longitud del banco”. Por lo tanto, para poder variar el voltaje de salida de un generador de un tamaño y velocidad de operación dados, es necesario variar la fuerza del campo. Esto lo hace el regulador de voltaje que controla la corriente de salida del excitador. Los generadores están equipados con sistemas de excitación auto-excitados o de excitación separada (PMG). Generadores Auto -excitados: El sistema de excitación de un generador auto -excitado es energizado, por medio del regulador de voltaje automático (AVR), derivando potencia de la salida del generador. El voltaje del regulador detecta el voltaje y la frecuencia de salida, la compara con los valores de referencia y entonces suministra una salida de CD a los devanados del campo del excitador. El campo del excitador induce una salida de CA en el rotor del excitador, el cual está en el eje giratorio del generador impulsado por el motor. La salida del excitados es rectificada por los diodos rotativos, que también están en el eje del generador, para suministrara CD al rotor principal (campo de generador). El regulador de voltaje incrementa o 4 SELECCIÓN DE EQUIPO decre ce la corriente del excitador al detectar cambios en el voltaje y frecuencia de salida debido a los cambios en la carga, incrementando o decreciendo así la fuerza del campo del generador. La salida del generador es directamente proporcional a la fuerza del campo. Consulte la Figura 4-2 . Típicamente, un sistema de excitación de generador auto-excitado, es el sistema más económico disponible de un fabricante. Da buen servicio e todas las condiciones de operación cuando el generador es del tamaño apropiado para la aplicación. La ventaja de un sistema autoexcitado sobre un sistema excitado separadamente, es que el sistema auto -excitado está inherentemente auto-protegido bajo condiciones de corto circuito simétricas porque el campo se “colapsa”. Debido a esto, no se considera necesario un interruptor de circuito en línea para proteger a generador y a los conductores al premier nivel de distribución, reduciendo así el costo del sistema instalado. Las desventajas de un sistema auto -excitado son: • Podría ser necesario seleccionar un generador más grande para proveer desempeño de arranque de motor aceptable. • Las máquinas auto-excitables de penden del magnetismo residual para energizar el campo. Si este no es suficiente, será necesario “flashear” el campo con una fuente de potencia CD. • Podría no sostener fallas de corriente lo suficiente para disparar interruptores de circuito más adelante en el circuito. 37 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Generadores Excitados Separadamente: El sistema de excitación de un generador excitado separadamente, es similar al de un generador auto-excitado excepto que un generador de magneto permanente separado (PMG) ubicado al final del eje principal del generador da potencia al regulador de voltaje. Consulte la Figura 4-3. Puesto que es una fuente separada de potencia, el circuito de excitación no es afectado por las cargas del generador. El generador es capaz de sostener 2 o 3 veces la corriente de rango durante aproximadamente 10 segundos. . Por estas razones, los sistemas de excitación de generador separadamente excitados son recomendados para aplicaciones donde se necesitan capacidad mejorada de arranque de motor, buen desempeño con cargas no lineales o desempeño con cortos circuitos de duración extendida. Con este sistema de excitación es necesario proteger el generador de condiciones de falla porque el generador es capaz de operar hasta la destrucción. El Sistema de Control PowerCommand® con AmpSentry™ da esta protección al regular la corriente de corto circuito sostenido y apagando el generador en el caso de que la falla de corriente persista pero antes de que el generador se dañe. Vea Diseño Eléctrico para más información al respecto. Carga de Transición: Un generador es una fuente limitada de potencia en términos de potencia del motor (kW) y volts-amperes de generador (kVA), sin importar el sistema de excitación. Debido a esto los cambios de carga causarán excursiones de transición en el voltaje y la frecuencia. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO La magnitud y duración de estas excursiones son afectadas principalmente por las características de la carga y el tamaño del generador relativo a la carga. Un generador es una fuente relativamente alta de impedancia cu ando se compara con un transformador de red pública. Un perfil típico de voltaje en una aplicación y remoción de carga se muestra en la Figura 4-4. Al lado izquierdo de la gráfica, el voltaje estable sin carga se regula al 100% del voltaje de rango. Cuando se aplica una carga el voltaje cae inmediatamente. El regulador de voltaje siente la caída de voltaje y responde incrementando el campo de corriente para recuperar el voltaje de rango. El tiempo de recuperación de voltaje es la duración entre la aplicación de la carga y el regreso del voltaje al rango de regulación (mostrado como +/-2%). Típicamente la caída inicial de voltaje va desde 15 a 45% del voltaje nominal cuando 100% de la carga de rango del generador (0.8 FP) se conecta en un paso. La recuperación a nivel de voltaje nominal sucederá en 1-10 segundos dependiendo de la naturaleza de la carga y el diseño del generador. La diferencia más significativa entre un generador y una red pública, es que cuando una carga se aplica repentinamente a la red, típicamente no hay variación de frecuencia. Cuando las cargas se aplican a un generador, las rpm del motor (frecuencia) caen. La máquina debe sentir el cambio de velocidad y reajustar su rango de combustible para su nuevo nivel de carga. Hasta que un nuevo rango de carga y combustible se igualen, la frecuencia será diferente a la nominal. Típicamente, la caída de 38 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación frecuencia va de 5 a 15% de la frecuencia nominal cuando una carga de 100% se agrega en un paso. La recuperación podría tomar algunos segundos. Nota: No todos los generadores pueden aceptar una carga en bloque de 100% en un paso. El desempeño varía entre generadores debido a diferencias en las características de regulador de voltaje, respuesta del gobernador, diseño del sistema de combustible, aspiración del motor, (natural o turbocargado), y a cómo están empatados los motores y generadores. Una meta importante en le diseño de los generadores es limitar el la excursión de voltaje y frecuencia a niveles aceptables. Curvas de Saturación de Generador: Las curvas de saturación de generador grafican el voltaje de salida para diferentes cargas al cambiar la corriente devanado de campo principal. Para el generador típico mostrado, la curva de saturación sin carga A cruza la línea de voltaje de rango del generador cuando la corriente de campo es aproximadamente de 18 amperes. En otras palabras se requieren aproximadamente 18 amperes de corriente de campo para mantener el voltaje de salida del generador sin carga. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO La curva de saturación a carga completa B muestra que se requieren aproximadamente 38 amperes de corriente de campo para mantener el voltaje de salida de rango del generador cuando el factor de potencia de carga completa es 0.8. Vea la Figura 4-5 . Respuesta del Sistema de Excitación: La corriente de campo no se puede cambiar instantáneamente en respuesta al cambio de carga. El regulador, el campo excitador y el campo principal tienen constantes de tiempo que tiene que sumarse. El regulador de voltaje tiene una respuesta relativamente rápida mientras que el campo principal tiene una respuesta significativamente más lenta que el campo excitador porque es muchas veces más grande. Debe hacerse notar que la respuesta de un sistema auto-excitado será aproximadamente la misma que aquella de un sistema excitado separadamente porque las constantes de tiempo para los campos principales y de excitación son los factores significativos en este aspecto, y son comunes a los dos sistemas. El forzamiento de campo está diseñado en consideración de todos los componentes de sistemas de excitación para optimizar el tiempo de recuperación. Debe ser suficiente para minimizar el tiempo de recuperación, pero no tanto para llevar a la inestabilidad o para sobre pasar al motor (el cual es una fuente limitada de potencia). Ver Figura 4-6. 39 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Respuesta de Arranque de Motor: Cuando se arrancan motores ocurre una caída de voltaje de arranque que consiste principalmente de una caída instantánea de voltaje, más una caída de voltaje como resultado de la respuesta del sistema de excitación. La Figura 4-7 ilustra estos dos componentes que juntos representan la caída de voltaje de transición. La caída instantánea de voltaje es simplemente el producto de corriente de rotor bloqueado de motor y la reactancia sub-transición del generador. Esto ocurre antes de que el sistema de excitación pueda responder incrementando la corriente de campo y por lo tanto no es afectado por el tipo de sistema de excitación. Esta caída de voltaje inicial puede ser seguida de mayor caída causada por la función de “empatamiento de torque” del regulador de voltaje, la cual reduce el voltaje para descargar al motor si siente una desaceleración significativa en el motor. Un generador debe estar diseñado para optimizar el tiempo de recuperación y al mismo tiempo evitar la inestabilidad o jaloneo del motor. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO kVA de Rotor Bloqueado: La corriente de arranque de motor, (rotor bloqueado) es aproximadamente 6 veces la corriente de rango y no disminuye significativamente hasta que el motor casi alcanza su velocidad de rango como se muestra en la Figura 4-8. Esta gran corriente de entrada causa caída en el voltaje del generador. Así mismo, la potencia requerida para arrancar el motor puede llegar a hasta 3 veces la potencia de rango del motor cuando el motor alcanza aproximadamente el 80% de la velocidad de rango. Si el motor no tiene si el motor no tiene tres veces la potencia de rango del moto r el regulador de voltaje reducirá la carga del generador para descargar al motor a un nivel en que la pueda llevar. Mientras que torque del motor sea siempre más grande que el torque de carga durante la aceleración, el motor podrá acelerar la carga a velocidad total. Una recuperación de 90% del voltaje de rango (81% de torque del motor es generalmente aceptable porque resulta solamente en un pequeño incremento en el tiempo de aceleración del motor. 40 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 4 SELECCIÓN DE EQUIPO 41 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Caída Sostenida de Voltaje: Después de la relativamente corta pero abrupta caída de voltaje de transición (típicamente menos de 10 ciclos pero de hasta algunos segundos), sigue un periodo de recuperación de voltaje como se muestra en la Figura 4-9. Los máximos kVa de arranque del motor en la Hoja de Especificaciones del generador son los máximos kVA que el generador puede sostener y aún re- 4 SELECCIÓN DE EQUIPO cuperarse hasta el 90% del voltaje de rango como se muestra en la Figura 4-10. Debe notarse que este es solamente el desempeño combinado del alternador, excitador y AVR. El desempeño de arranque de motor de un generador en particular depende del motor, gobernador y regulador de voltaje así como del generador. 42 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Respuesta de Falla: la respuesta de falla de generadores auto -excitados y excitados separadamente es diferente. Un generador autoexcitado es conocido como de “campo colapsante” porque el campo se colapsa cuando las terminales de salida del generador se ponen en corto (corto trifásico o corto L-L a través de las fases sensibles). Un generador excitado separadamente puede sostener el campo de generador en un corto circuito porque la excitación es suministrada por un generador de magneto permanente separado. La Figura 4-11 4 SELECCIÓN DE EQUIPO muestra la típica respuesta al corto circuito simétrico trifásico de generadores auto-excitados y excitados separadamente. La corriente corto circuito inicial es nominalmente 8 a 10 veces la corriente de rango del generador y es una función de la reactancia sub-transición reciproca del generador, 1/X”d. Para los primeros ciclos, (A), prácticamente no hay diferencia en respuesta ente los generadores auto-excitados y los separadamente excitados porque siguen la misma curva de decremento de corriente corto circuito al disiparse la energía de campo. Después de los primeros ciclos (B), un generador 43 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación auto-excitado continuará siguiendo la curva de decremento de corto circuito a prácticamente “cero” corriente. Un generador excitado separadamente, puesto que la corriente de campo es derivada separadamente, puede sostener 2.5 a 3 veces la corriente de rango con una falla trifásica aplicada. Este nivel de corriente se puede mantener por aproximadamente 10 segundos sin daño al alternador. La Figura 4-1 2 es otro medio de visualizar la diferencia de respuesta a una falla trifásica. Si el generador es auto -excitado, el voltaje y la corriente se “colapsarán” a cero cuando la corriente se incremente más allá de la rodilla de la curva. Un generador excitado separadamente puede sostener un corto directo porque no depende del voltaje de salida del generador para la potencia de excitación. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO Temperaturas de los Devanados de Corto Circuito: El problema a considerar en sostener una corriente de corto circuito es que el generador se podría dañar antes de que un breaker se dispare para liberar la falla. Las corrientes de corto circuito pueden calentar rápidamente los devanados del estator del generador. Por ejemplo, un corto desbalanceado L-N en un generador excitado separadamente diseñado para sostener 3 veces corriente de rango, resulta en una corriente de aproximadamente 7.5 veces la corriente de rango. A ese nivel de corriente, asumiendo una temperatura inicial de devanados de 155°C, puede tomar menos de 5 segundos para que los devanados alcancen 300°C – la temperatura aproximada a la cual ocurren daños inmediatos y permanentes a los devanados. Un corto L-L toma unos segundos mas para elevar la temperatura hasta 300°C, y un corto trifásico balanceado toma un poco más de tiem po. Vea la Figura 413. Vea también Protección del Alternador en la sección Diseño Eléctrico. 44 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Como el lector podrá ver de esta larga subsección de fundaméntales y excitación, solamente dos formas básicas de sistemas de excitación influencian una gran variedad de características de desempeño. La operación estable, las condiciones de la transición, el arranque del motor, la respuesta de falla y más, son afectados por este sistema. Estos efectos característicos son importantes en los estudios de desempeño de un sistema. Abajo se encuentra un pequeño sumario de las diferentes características de los sistemas auto-excitados y excitados separadamente. • Auto-excitados -Caídas de voltaje más altas -Campo col apsante -Detección de promedio monofase -Menor tolerancia a cargas no-lineales -Menor capacidad de arranque de motor • Excitado separadamente -Menores caídas de voltaje -Corriente de falla sostenida -Detección de RMS trifase -Mejor inmunidad a cargas no-lineales -Mejor arrancador de motores Motores Gobernadores Gobernadores Mecánicos: Los gobernadores mecánicos como lo indica su nombre, controlan la alimentación de combustible del motor basándose en la detección mecánica de las RPM a través de contrapesos o mecanismos similares. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO Estos sistemas exhiben una caída de velocidad de aproximadamente 3-5% de no-carga hasta carga total inherente al diseño. Este tipo de sistemas es generalmente el más económico y es apropiado para aplicaciones donde la caída de frecuencia no es un problema para las cargas que se sirven. Algunos, pero no todos los generadores tienen disponible gobernación mecánica opcional. Gobernadores Electrónicos: Los gobernadores electrónicos se usan en aplicaciones donde se requiere gobernación isócrona (cero caída) o donde se especifica equipo de sincronización y paralelismo activos. Las RPM del motor son generalmente detectadas por un sensor electromagnético y la alimentación del motor se controla por solenoides impulsados por circuitos electrónicos. Estos circuitos, ya sea autocontenidos o como parte de un control de generador por microprocesador, utilizan sofisticados algoritmos para mantener el control de la velocidad precisa (y por lo tanto la frecuencia). Los gobernadores electrónicos permiten que los generadores se recuperen más rápidamente de los pasos de de carga transición que los gobernadores mecánicos. Los gobernadores electrónicos se deben usar siempre que las cargas incluyan equipos UPS. Los motores modernos, especialmente los motores diesel con sistemas de combustible de autoridad total, solo están disponibles con sistemas de gobernación electrónica. La demanda o los requerimientos de la ley para lograr más alta eficiencia de combustible, bajas emisiones y otras ventajas requieren el control preciso ofrecido por estos sistemas. 45 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Sistemas de Arranque de Motor Arranque por Baterías: Los sistemas de arranque para los generadores son de 12 o 24 volts generalmente, los generadores más pequeños usando 12 volts y los más grandes 24. La Figura 4-14 ilustra las conexiones típicas bateríaarrancador. Considere lo siguiente al seleccionar o definir el tamaño de las baterías o equipo relacionado: • Las baterías deben tener suficiente capacidad (CCA, Cold Cranking Amps, Amperes de Arranque en Frío) ) para suministrar al motor de arranque la corriente indicada en la Hoja de especificaciones del generador. Las baterías pueden ser de plomo-ácido o de niquel -cadmio. Deben estar designadas para este uso y tal vez tengan que ser aprobadas por la autoridad local. • Un alternador impulsado por generador, con regulador de voltaje automático integrado, normalmente tiene provisión para recargar las baterías durante la operación. • Para la mayoría de los sistemas de potencia por generador, es recomendable o requerido un cargador de baterías auxiliar de tipo flotante, energizado por la fuente de energía normal para mantener las baterías completamente cargadas cuando el generador no está funcionando. Para los sistemas de emergencia, se requieren cargadores de tipo flotante. • La ley usualmente especifica un máximo de carga de batería. Se puede usar la siguiente regla general para definir el tamaño de los cargadores auxiliares de batería: • La ley local podría requerir calentadores de batería para mantener una temperatura mínima de la batería de 50°F (10°C) si el generador está sujeto a temperaturas de congelación. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO Vea mayor información en Accesorios y Opciones (esta sección), Dispositivos de Calentamiento para Generadores. • Los generadores estándar generalmente incluyen cables de batería y existen racks para baterías. Reubicación de Baterías de Arranque: Si las baterías están montadas a una distancia más lejana que lo que los cables estándar permitan, se deben diseñar los cables de acuerdo a esto. La resistencia total, cables mas conexiones, no debe resultar en una excesiva caída de voltaje entre la batería y el arrancador. Las recomendaciones del motor son que, la resistencia total del circuito de arranque, cables mas conexiones, no excedan 0.00075 ohms para sistemas de 12 volts y 0.002 ohms para sistemas de 24 volts. Vea el siguiente ejemplo de cálculo. Ejemplo: Un generador tiene un sistema de arranque de 24 volts a ser impulsado por dos baterías de 12 volts conectadas en serie (Figura 4-1 4). La longitud total del cable es de 375 pulgadas. Incluyendo el cable entre las baterías. Hay 6 conexiones. Calcule el calibre del cable como sigue: 1) Asuma una resistencia de 0.0002 ohms para el contacto del solenoide del arrancador (R CONTACT ). 2) Asuma una resistencia de 0.00001 ohms para cada conexión (RCONEXION), total de 6. 3) Basado en la formula que: • Resistencia de Cable Máxima Permisible = 0.002 – R CONEXION - RCONTACTO = 0.002 – 0.0002 – (6 x 0.00001) = 0.00174 ohms 4) Consulte la Figura 4-15 para las resistencias de cables AWG (American Wire Gauge). En este ejemplo, como se muestra con las líneas punteadas , el cable más pequeño que se puede usar es 2 - #1/0 cables AWG en paralelo. 46 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 4 SELECCIÓN DE EQUIPO 47 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Arrancado de Aire: Para algunos generadores de mayor tamaño, existen sistemas de arranque por medio de aires comprimido. Se podría preferir el arranque por aire en algunas aplicaciones de potencia principal suponiendo que el aire comprimido esté disponible. La Figura 4-16 muestra la tubería para un sistema de arrancador de aire típico. Se deben considerar los siguientes puntos para determinar las necesidades del equipo cuando se instale un sistema de arrancador de aire: • Se debe consultar al fabricante del motor para recomendaciones del tamaño de la tubería, y el volumen mínimo de tanque requerido para cada segundo de arranque. El tamaño del tanque dependerá del tiempo mínimo de arranque necesario. Todos los arrancadores disponibles de Cummins Power Generation tienen un rango de presión máxima de 150 psig (1035 kPa). 4 SELECCIÓN DE EQUIPO • Los tanques de aire (receptores) deben estar equipados con una válvula de drenado del tipo de destornillar, con asiento cónico (otros tipos son poco confiables y motivo de fugas). La humedad puede dañar los componentes del arrancador. • Todas las válvulas y accesorios del sistema deben estar diseñadas para servicio de arranque por aire de motores diesel. • Las conexiones de la tubería deben ser del tipo de sello seco y deben hacerse con sellador de uniones. La cinta de teflón no se recomienda porque no previene el aflojado de las conexiones y puede ser una fuente de basura que puede bloquear las válvulas. Nota: Las baterías, aunque de mucha menor capacidad, aún se requerirán para el control del motor y los sistemas de monitoreo cuando se use arranque por aire. 48 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Controles Basados en Relevadores Hasta hace algunos años los controles basados en relevador eran comunes en casi todos los generadores. Se pueden diseñar para ofrecer arranque manual o completamente automático, más funciones de básicas de protección al generador. Podrían incluir equipo suficiente para cumplir con los requerimientos legales locales para generadores. Los sistemas basados en relevador (ver Figura 4-17) controlan el arranque del motor y funciones operacionales, monitorean las funciones de motor y alternador buscando fallas, y proveen de instrumentos, medición y anunciación para la interfase con el usuario. Las funciones como control del voltaje del alternador se llevan a cabo por un circuito AVR separado. Similarmente, un circuito controlador separado opera la gobernación electrónica y otro equipo opcional. Hay numerosas características opcionales disponibles para aumentar el desempeño y agregar funcionalidad para tareas especiales como interfase con equipo de paralelismo y para monitorear funciones de equipo adicional como tanques de combustible, refrigerante o baterías. Electrónicos (Basados en Microprocesador) Las exigencias de la actualidad de un alto nivel de desempeño, funcionalidad, control de sofisticados sistemas e interfases con redes, requieren las capacidades de sistemas de control basados en microprocesador. La era de los microprocesadores y las computadores ha permitido el desarrollo de controles electrónicos basados en microprocesador completamente integrados tales como la serie de controles PowerCommand (ver Figura 4-19 ) de Cummins Power Generation. El sistema PowerCommand integra la operación del motor, control del alternador y monitoreo de funciones de un control basado en relevador completamente equipado, además de gobernación electrónica y regulación e voltaje con muchas características y capacidades adicionales. El monitoreo completo de las características de salida eléctrica, kW, kVA, Kva., sobre y bajo voltajes, potencia de reversa y más, permiten el control total de el sistema productor de energía. Algunos generadores están equipados con sistemas de control híbridos de relevador/estado sólido (ver Figura 4-18). Estos controles proveen de más funcionalidad que los sistemas de relevadores únicamente, pero aún están limitados en su habilidad para dar control complejo o interfases de operación avanzada. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO 49 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Electrónicos de “Autoridad Total” Los avanzados diseños de motor incorporan sofisticados sistemas de combustible, encendido o control del tiempo de la inyección, y monitoreo y ajuste activos del desempeño. Estos sistemas y funciones se requieren para logra eficiencia de combustible y bajas emisiones. Los motores de “Autoridad Total”, como se les conoce, requieren sistemas de microprocesador igualmente sofisticados para operar y controlar estas funciones. Una versión más avanzada del control PowerCommand incorpora capacidad dinámica de control de motor con características y funcionalidad de la versión mencionada antes, mas muchas características adicionales (ver Figura 4-20). En generadores con motores electrónicos de “autoridad total”, este tipo de avanzado sistema de control es parte integral del paquete motor-generador y no hay opción para sistemas de control de relevador o de otro tipo. También hay disponibles paquetes de relevadores para el control de equipo periférico. Accesorios y Opciones Seguridad en el Control y Anunciadores Los sistemas de monitoreo y control basados en relevador disponibles en muchos generadores pueden incluir múltiples advertencias y alarmas de paro para la protección del motor/generador. Generalmente se requiere de equipo opcional para el monitoreo y anunciación remotos, así como medición de CA en el generador. Se requiere equipo adicional si se desea comunicación de red, pero este tiene capacidad limitada generalmente. Con la llegada de complejos requerimientos electrónicas de control de alternador y generador, incrementados niveles de diagnóstico e información de servicio, los sistemas pueden encontrar limitaciones en estos tipos de sistemas de control. Los sistemas electrónicos de control y monitoreo, que son a menudo equipo estándar en muchos generadores, incluyen un menú completo de advertencias y alarmas de paro para proteger el equipo motor/generador y comunicar esas alarmas. Algunas de estas alarmas son seleccionables o programables por el cliente. Todas las alarmas se pueden mostrar en el tablero de control o en una ubicación remota. La anunciación remota se puede lograr por varios medios: 1. 2. Opciones de Control El equipo opcional para los sistemas electrónicos de control incluye todas las funciones necesarias para el control y monitoreo del paralelismo de generadores múltiples ente ellos mismos y con las redes públicas. También se encuentran disponibles controles actualizables de paralelismo de tipo intermedio. La capacidad de interfase con redes para estos tipos de controles, puede ser una característica importante a considerar como equipo opcional. La capacidad de red ofrece monitoreo y control remoto del generador así como integración a sistemas de edificios y sistemas automatizados de potencia. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO 3. Salidas de relevador para alarmas comunes o individuales. Tableros de anunciador diseñados específicamente para el sistema de control, impulsados por diferentes tipos de interfases de red. Comunicación a través de redes de área local (LAN) o conexiones de módem a ubicaciones remotas de monitoreo usando software para PC. La ley o los códigos podrían requerir diferentes tipos de anunciación para diferentes tipos de aplicaciones. Los códigos de seguridad crítica de vida (NFPA 110 Nivel 1 de E.U.A.) o todos los otros códigos de emergencia (NFPA 110 Nivel 2 de E.U.A.) o sus equivalentes especifican la anunciación mínima para esas aplicaciones. Otros códigos podrían también tener requerimientos específicos. Consulte los códigos 50 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación individuales vigentes para requerimientos de anunciación. Los controles PowerCommand de Cummins Power Generation están diseñados para cumplir o exceder estos tipos de requerimientos y otros muchos estándares. (Consulte la hoja de especificación del control PowerCommand para más detalles.) Interruptores (Breakers ) de Circuito de Línea Principal Se pueden usar breakers de circuito del tipo de caja moldeada o del tipo de circuito de potencia en los generadores. Los de caja moldeada se montan por lo general en directamente en el generador. Sin embargo, muchos breakers deben montarse en un gabinete separado en un muro o pedestal. Los tamaños va n desde 10 a 2,500 amperes y se pueden montar en una caja de salida directamente en el generador. Los breakers de sistema de potencia están disponibles en tamaños de 800 a 4,000 amperes y son más grandes, operan más rápido, y son considerablemente más caros que los breakers de caja moldeada. Los breakers de circuito de potencia se montan generalmente en un tablero independiente junto al generador en lugar de en él, debido a su tamaño y susceptibilidad a daños por vibración. Cuando se necesitan breakers de línea principal para un proyecto, la especificación del proyecto debe incluir el tipo de breaker, tipo de unidad de disparo, y base de rango (continuo o no-continuo). Vea la sección de Diseño Eléctrico para más información en cuanto a la selección de breakers. Interruptores de Caja Moldeada: En casos donde se desea un medio de desconexión pero no se requiere protección para el generador o conductores, (esta protección la ofrece AmpSentry™ o un generador auto -excitado), a menudo se usa un interruptor de caja moldeada en lugar de un breaker de circuito. Estos interruptores tiene os mismos contactos y mecanismos de interrupción que los breakers de circuito, excepto por la detección de la cor riente de disparo. El interruptor también proveerá una ubicación de conexión y terminales para la conexión de conductores de carga. Cajas de Entrada: Una caja de entrada es esencialmente una caja de breaker de circuito sin un BC. Si no se necesita o no se desea un breaker la caja de entrada ofrece espacio adicional para la entrada, ruteo y conexión de conductores. Breakers Múltiples de Circuito: Los breakers múltiples se requieren a menudo y están disponibles de fábrica en la mayoría de los 4 SELECCIÓN DE EQUIPO generadores. Las opciones estándar disponibles son dos breakers de circuito montados (excepto en los alternadores más grandes). En algunos alternadores y generadores simplemente no es práctico o no hay lugar para montar los gabinetes de los breakers de circuito. Consul te a los representantes del fabricante para la disponibilidad de equipo específico. Se pueden considerar órdenes especiales para montar tres o más breakers en algunos generadores, pero generalmente esto genera el uso de un tablero de distribución independiente o montado en un muro. Baterías y sus Cargadores Probablemente el sub-sistema más crítico en un generador es el sistema de baterías para el arrancado del motor y el control del generador. La selección y mantenimiento adecuados de las baterías y sus cargadores son esenciales para la confiabilidad del sistema. El sistema consiste de baterías, racks para baterías , un cargador de baterías energizado por la fuente normal de energía durante el tiempo de espera y un cargador energizado por el alternador del motor para cargar las baterías y dar potencia CD para el control del generador cuando esta funcionado el generador. Cuando los generadores se ponen en paralelo, los bancos de baterías para los generadores individuales a menudo se ponen en paralelo para dar potencia de control al sistema. Siempre se debe consultar al fabricante del sistema de control para determinar si el sistema de potencia de control del motor es apropiado para este servicio, porque las caídas de voltaje del banco de baterías pueden afe ctar algunos sistemas de control de paralelismo y requieren el uso de estaciones de baterías separadas para el equipo de paralelismo. Las baterías deben ubicarse tan cerca como sea posible al generador para minimizar la resistencia del circuito de arranque. La ubicación debe permitir la facilidad de servido de las baterías y minimizar su exposición al agua, polvo y aceite. El gabinete de las baterías debe proveer amplia ventilación para que los gases explosivos que se desprenden de la batería se puedan disipar. Los códigos en zonas sísmicas requieren que los racks de baterías tengan características especiales para prevenir el derramamiento de electrolito y rompimiento de las baterías durante un terremoto. El diseñador del sistema debe especificar el tipo de sistema de baterías (generalmente limitado a 51 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación plomo-ácido o níquel-cadmio NiCad como se explica abajo) y la capacidad del sistema de baterías. La capacidad del sistema de baterías depende del tamaño del motor (desplazamiento) refrigerante mínimo del motor, aceite lubricante y las temperaturas esperadas de batería (vea Dispositivos de Calentamiento para Generadores de Emergencia abajo), la viscosidad recomendada por el fabricante del aceite de lubricación y el número requerido de ciclos de 1 arranque y su duración . El proveedor del generador debe poder hacer recomendaciones basado en esta información. costosos que las baterías de plomo-ácido, pero tiene una vida de servicio más larga. Las baterías de plomo-ácido son la elección más común para generadores. Son relativamente económicas y dan buen servicio en temperaturas ambiente entre los 0°F (-18°C) y los 100°F (38°C). Las baterías de plomo-ácido pueden ser recargadas con cargadores de batería convencionales los cuales pueden ser montados en la pared cerca del generador, o en un interruptor automático de transferencia (si el generador NO es parte de un sistema de paralelismo). El cargador debe ser de un tamaño que pueda recargar el banco de baterías en aproximadamente 8 horas mientras que suministra todas las necesidades de control del sistema. Sistemas de Escape y Silenciadores. Una batería de plomo-ácido puede ser del tipo sellado “libre de mantenimiento” o de celdas húmedas. Las baterías libres de mantenimiento soportan mejor la falta de éste, pero no se pueden monitorear ni mantener tan fácilmente como las baterías de celdas húmedas. Se requiere que todas las baterías de plomoácido se carguen en el sitio de trabajo antes de su uso inicial. Hasta las baterías libres de mantenimiento no retienen la carga indefinidamente. Las baterías de celdas húmedas requieren agregar electrolito en el sitio de trabajo, y llegaran hasta aproximadamente el 50% de sus condición de carga total poco tiempo después de que el electrolito se le agrega a la batería. Los sistemas de baterías de NiCad (níquelcadmio) se especifican a menudo donde se espera temperatura ambiente extremosamente alta o baja, porque su desempeño es menos afectado por los extremos de temperatura que las baterías de plomo-ácido. Los sistemas de baterías de NiCad son considerablemente más 1 Las aplicaciones NFPA 110 requieren ya sea dos ciclos de arranque continuo de 45 segundos con un periodo de descanso entre ellos, o dos ciclos de arranque de 15 segundos con un periodo de 15 segundos de descanso entre ellos. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO Una desventaja mayor de los sistemas de baterías de NiCad es que su desecho podría ser difícil y costoso porque los materiales de las baterías se consideran peligrosos. También, las baterías de NiCad requieren cargadores especiales para llevarlas a su nive l de carga máxima. Estos cargadores deben tener filtros para reducir la “onda de cargador” que puede afectar los sistemas de control de los motores y generadores. Dos elementos principales son importantes en la elección de sistemas de escape y silenciadores, el ruido por supuesto, y acomodar el movimiento relativo entre el sistema de escape y el generador. Las regulaciones de ruido o las preferencias son los principales puntos a considerar en la elección de un silenci ador. Las elecciones de sistemas de escape y silenciador también dep enden obviamente de si el generador está en interiores o exteriores. Una caseta protectora para exteriores suministrada por el fabricante del generador tendrá usualmente varias opciones de silenciador con éste montado generalmente en le techo. Las opciones son generalmente clasificadas como industriales, residenciales o críticas dependiendo de su atenuación. Las casetas acústicas por lo general incluyen un sistema de silenciador integrado como parte del paquete acústico. Para mas información acerca del ruido y entendimiento de los niveles de sonido, vea la Sección Diseño Mecánico. Un elemento clave concerniente al sistema de escape en general es que el generador vibra, esto es, se mueve dentro de la estructura que lo contiene. Por lo tanto se requiere una pieza de tubo flexible e la salida de escape del generador. Los sistemas en interiores con corridas largas de tubos de escape también requieren espacio para la expansión para evitar el dañ o al sistema de escape y a los múltiples de escape o turbocargadores. Otra consideración para el equipo del sistema de escape concierne a la medición de las temperaturas de los gases de escape. Al sistema de escape del motor se le pueden instalar termoco ples y equipo de monitoreo para medir con precisión la temperatura de escape del motor con el propósito de diagnóstico de servicio, o 52 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación para verificar la temperatura si el motor está operando a un nivel de carga suficiente para prevenir problemas de operacionales por carga ligera. Vea el Apéndice E Mantenimiento y Servicio para más información. Casetas (Cabinas) Se puede categorizar a las casetas en 3 tipos: contra la intemperie (a veces llamadas “entalladas”), acústicas y Walk -in. Contra la Intemperie: A veces llamadas “entalladas”, Estas casetas protegen y aseguran el generador. A manudo están disponibles con cerrojos. Tiene persianas o paneles perforados para permitir el flujo del aire. So obtiene muy poca o nula atenuación de ruido, y a veces puede haber mas ruido inducido por la vibración. Estas casetas no retendrán calor o temperatura sobre la temperatura ambiente. Acústicas: Las casetas atenuadoras de sonido se especifican basadas en una cierta cantidad de atenuación de ruido, o un rango de sonido publicado exteriormente. Los niveles de ruido deben especificarse a una distancia específica y para compara los niveles deben convertirse a la misma base de distancia. La atenuación de ruido usa material y espacio, así que asegúrese de que los dibujos de la unidad incluyan la información apropiada de la caseta acústica. Mientras que algunas de estas casetas exhibirán algo de capacidad para mantener el calor, esta no es la intención del diseño. Si se requiere mantener el generador sobre las temperaturas ambiente, se necesita un cuarto o habitación. Casetas Walk -in: Este término agrupa una gran variedad de casetas que se construyen especialmente a las especificaciones del cliente. A menudo incluyen, atenuación de ruido, equipo de monitoreo e interrupción de potencia, iluminación, sistemas contar incendio, tanques de combustible y otros equipos. Este tipo de casetas se construyen de forma de cubiertas de una sola unidad o como unidades integrales con grandes puertas o paneles removibles para acceso de servicio. Estas casetas se pueden construir con aislantes y capacidad de calentamiento. Regiones Costera s: Otra consideración en cuanto a casetas es la unidad en una región costera. Una región costera es 60 millas o menos de un cuerpo de agua salada. En estas áreas, las casetas de acero, aún cuando estén recubiertas especialmente, los rieles, tanques de combustible, etc. Son más susceptibles a la corrosión por los efectos del agua salada. El uso 4 SELECCIÓN DE EQUIPO de casetas de aluminio opcionales y faldones (donde estén disponibles) en regiones costeras se recomienda. Nota: No se recomienda poner casetas de exteriores (especialmente acústicas) en interiores por dos razones principales: Una, las casetas acústicas utilizan la capacidad de restricción excesiva de ventilador para lograr la reducción de ruido por medio de barreras de ventilación. Por lo tanto no hay poca o ninguna restricción disponible para ductos de aire, persianas u otro equipo que invariablemente agregará restricción. Dos, los sistemas de escape de las casetas exteriores no son necesariamente sistemas sellados, esto es, tiene junta y uniones con abrazaderas o de ensamble en lugar de conexiones roscadas. Estas conexiones pueden dejar que los gases escapen al cuarto. Configuraciones Alternativas de Ventilación y Refrigeración Los motores enfriados por líquido se enfrían bombeando refrigerante (una mezcla de agua y anticongelante) a través de pasajes en el bloque de cilindros del motor y cabezas por medio de una bomba impulsada por el motor. El motor, la bomba y radiador o el intercambiador de calor líquido-líquido, forman un sistema cerrado presurizado de enfriamiento. Se recomienda que siempre que sea posible, el generador incluya este tipo de radiador de enfriamiento y ventilación montado de fábrica. Esta configuración resulta en un costo mas bajo, mejor confiabilidad del sistema y mejor desempeño general del sistema. Aún más, el fabricante de estos generadores puede hacer pruebas en prototipos para verificar el desempeño del sistema. Rangos del Sistema de Enfriamiento: La mayoría de los generadores de Cummins Power Generation tienen rangos opcionales de sistemas de enfriamiento disponibles en los modelos con radiador montado de fábrica. Hay sistemas de enfriamiento a menudo disponibles son los diseñados para operar en temperaturas ambiente de 40°C y 50°C. Cheque las hojas de especificación de la unidad individual para el desempeño o disponibilidad. Estos rangos tienen una capacidad de restricción estática máxima asociada a ellos. Vea Ventilación en la sección Diseño Mecánico para más información acerca de este tema. Nota: Sea cauteloso cuando compare rangos de sistemas de enfriamiento de que el rango está basado en temperatura ambiente, no en aire al radiador. Un rango de aire al radiador restringe la temperatura del aire que fluye al radiador y no 53 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación permite que incremente la temperatura del aire debidos a la energía de calor radiada del motor y el alternador. El rango del sistema a temperatura ambiente considera este incremento de temperatura en su capacidad de enfriamiento. menos que se agregue filtración especial al sistema. Alternativas de Enfriamiento Remoto: En algunas aplicaciones, la restricción de flujo de aire podría ser muy grande, debido a largos ductos por ejemplo, para que un radiador con ventilador impulsado por el motor se provea del flujo de aire requerido para enfriamiento y ventilación. En tales aplicaciones, y donde el, ruido del ventilador es una consideración, se debe evaluar una configuración que involucre un radiador remoto o un intercambiador de calor líquido-líquido. En estas aplicaciones, un gran volumen de aire de ventilación aún se requiere para mover el calor rechazado por el motor, generador, silenciador, tubería de escape y otro equipo para mantener la temperatura del cuarto de generador a niveles apropiados para la operación correcta del sistema. Arranque en Frío y Aceptación de Carga: Una preocupación crítica del diseñador del sistema es el tiempo que le toma al sistema de potencia de emergencia el detectar una falla de energía, arrancar ale generador y transferir la carga. Algunos códigos y estándares para sistemas de potencia de emergencia estipulan que el generador de be ser capaz de tomar todas las cargas de emergencia dentro de los siguientes 10 segundos de la falla de potencia. Algunos fabricantes de generadores limitan el rango de desempeño de arranque en frío a un porcentaje del rango de emergencia del generador. Esta prá ctica reconoce que en muchas aplicaciones, solo una porción de la carga total conectable es carga de emergencia (se permite que las cargas no críticas se conecten después), y que es difícil arrancar y lograr aceptación total de cargas con generadores diesel. Radiador Remoto: Una configuración de radiador remoto requiere de un cuidadoso diseño del sistema para proveer de enfriamiento adecuado. Se debe prestar cercana atención a detalles como la fricción y las limitaciones estáticas de la bomba de refrigerante del motor y a la deaereación apropiada, llenado y drenado del sistema de enfriamiento así como la contención de fugas de anticongelante. Intercambiador de Calor: Una configuración de intercambiador de calor líquido-líquido requiere de atención al diseño del sistema que provee el medio de enfriamiento del intercambiador de calor. Se debe hacer notar que las regulaciones ambientales y de conservación locales podrían no permitir que el agua de la ciudad se utilice para enfriar y que en regiones sísmicas el agua de la ciudad se puede cortar durante un terremoto. Vea la Sección Diseño Mecánico para mayor información acerca de alternativas de enfriamiento. Sistemas de Mantenimiento de Nivel de Aceite Lubricante Los sistemas de mantenimiento de aceite lubricante pueden ser deseables en aplicaciones donde el generador funciona en condiciones de potencia primaria, o en aplicaciones de emergencia desatendidas que podrían funcionar durante más del número de horas normal. Los sistemas de mantenimiento de nivel no extienden el intervalo de cambio de aceite del generador, a 4 SELECCIÓN DE EQUIPO Dispositivos Generadores de Calentamiento para Los criterios de diseño de Cummins Power Generation para el arranque en frío y aceptación de cargas son que el generador sea capaz de arrancar y tomar todas las cargas de emergencia hasta el rango de emergencia dentro de los primeros 10 segundos de una falla de energía. Este nivel de desempeño presume que el generador esté ubicado en un mínimo de temperatura ambiente de 40°F (4°C) y que el generador esté equipado con calentadores de refrigerante. Esto se debe lograr instalando el generador en una caseta o cuarto con calefacción. Las casetas exteriores protectoras al ambiente generalmente no están aisladas y hacen difícil el mantener un generador caliente en temperaturas ambiente frías. Debajo de 40°F (4°C) y hasta -15°F (-32°C), la mayoría de los generad ores de Cummins Power Generation Arrancarán pero no aceptarán carga de un paso en 10 segundos. SI se debe instalar un generador en una caseta no calentada en una ubicación con bajas temperaturas ambiente, el diseñador debe consular con el fabricante. El operador de las instalaciones es responsable de monitorear la operación de los calentadores de refrigerante de el generador (NFPA 110 requiere una alarma de baja temperatura del refrigerante para este propósito) y de obtener combustible de la mejor calidad para las condiciones del ambiente. Se requiere que los generadores en aplicaciones de emergencia arranquen y tomen toda la carga 54 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación de emergencia en los primeros 10 segundos después de una falla de energía. Los calentadores de refrigerante de motor son necesarios hasta en ambientes tibios, especialmente, con generadores diesel, para cubrir ese requerimiento. NFPA 110 tiene requerimientos específicos para sistemas de Nivel 1 (donde la falla del sistema puede causar heridas graves o la perdida de la vida): • Se requieren calentadores de refrigerante a menos que el ambiente del cuarto del generador nunca caiga por debajo de 70°F (21°C). • Se requieren calentadores de refrigerante para mantener el bloque del motor a no menos de 90°F (32°C) si la temperatura del cuarto cae a 40°F (4°C) pero nunca menos. El desempeño a temperaturas más bajas no se define. (A temperaturas ambiente más bajas el generador podría no arrancar en 10 segundos o no podría tomar carga tan rápidamente. Así mismo, las alarmas de baja temperatura p odrían señalar problemas porque el calentador de refrigerante no está manteniendo la temperatura del bloque de motor a un nivel lo suficientemente alto para un arranque de 10 segundos). • Se requieren calentadores de baterías si la temperatura del cuarto del generador puede caer por debajo de 32°F (0°C). • Se requiere una alarma de baja temperatura de motor. • Los calentadores de baterías deben operar desde la fuente normal de energía. Calentadores de Refrigerante: Se requieren calentadores de refrigerante termostáticamente controlados para arranque rápido y buena aceptación de carga en generadores que se usan 2 en aplicaciones de emergencia . Es importante entender que los calentadores de refrigerante están diseñados para mantener al motor lo suficientemente caliente para un arranque y toma de carga rápidos y confiables, no para mantener el área alrededor del motor caliente. Así que en adición al calentador de refrigerante del motor en operación, se debe mantener la temperatura ambiente alrededor del motor a un 3 mínimo de 40°F (10°C) . Si no se mantiene el espacio alrededor del generador a esta temperatura, se deben dar consideraciones al uso de calentadores especiales de combustibles (para generadores diesel), calentadores de alternador y calentadores de baterías. La falla de los calentadores de agua de bloque, o la reducción de la temperatura ambiente alrededor del motor no necesariamente no permitirá que el motor arranque, pero si afectará el tiempo que le toma al motor arrancar y que tan rápidamente se le puede agregar carga al sistema en-sitio. Comúnmente se le agregan funciones de alarma de baja temperatura de motor al los generadores para alertar a los operadores de este potencial problema de operación del sistema. Los calentadores de agua de bloque de motor (ver Figura 4-21) son un articulo de mantenimiento, así que se puede esperar que se requiera cambiar el elemento calorífico algunas veces durante la vida de la instalación. Para poder cambiar el elemento calorífico sin drenar todo el sistema de refrigerante del motor, se deben proveer válvulas de aislamiento (u otros medios). Los calentadores de agua de bloque deben operar a temperaturas considerablemente más altas que las líneas de refrigerante, así que es deseable usar mangueras de silicón de al ta calidad, o manguera trenzada para prevenir la falla prematura de las mangueras asociadas con el calentador de agua de bloque. Se debe tener cuidado durante el diseño de la instalación del calentador de evitar “loops” elevados en el ruteo de la manguera que podrían resultar en bolsas de aire que causen que el sistema se sobrecaliente y falle. 2 Nota de Código de E.U.A.:Para sistemas de emergencia de nivel 1, NFPA 110 requiere que el refrigerante de motor se mantenga a un mínimo de 90°F (32°C). NFPA 110 también requiere que se provea de monitoreo de falla del calentador en forma de de una alarma de baja temperatura del motor. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO 3 Nota de Código Canadiense:CSA282-2000 requieren que los generadores usados en aplicaciones de emergencia, se instalen siempre de manera que el generador esté en una temperatura ambiente mínima de 10°C (40°F). 55 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Los calentadores de refrigerante de motor generalmente operan cuando el generador no está funcionando, así que están conectados a la fuente de energía normal. Se debe deshabilitar el calentador cuando esté funcionando el generador. Esto se puedes hacer por una variedad de medios, tales como el interruptor de presión de aceite, o con lógica del control del generador. Calentadores de Combustible y Aceite: Para aplicaciones donde el generador esté expuesto a temperaturas ambiente bajas (menos de 0°F [-18°C]), podrían necesitarse calentadores de aceite lubricante y de línea y filtro de combustible para prevenir el encerado del combustible. Calentadores Anti-Condensación: Para aplicaciones donde el generador estará expuesto a alta humedad o fluctuaciones de temperatura alrededor de la instalación, se recomiendan calentadores para el generador y la caja de control para evitar la conde nsación. La condensación en la caja de control, en las cajas de circuitos o en los devanados del generador pueden causar corrosión, deterioración de los circuitos y aislamientos de los devanados del 4 SELECCIÓN DE EQUIPO generador, y aún causar corto circuitos y fallas prematuras de los aislamientos. Tanques de Combustible (Diesel) Tanques de Día: Los tanques cercanos al generador de donde éste se alimenta, son llamados tanques de día (aunque no necesariamente contengan suficiente combustible para operar un día completo). Se usan como una conveniencia cuando no es práctico obtener combustible del tanque principal de almacenamiento. La distancia, la altura por arriba o por abajo, o el tamaño del tanque principal son razones para usar un tanque de día. Todos los motores diesel tienen limitaciones en cuanto a la capacidad de succión de combustible, (o restricción de succión) y la temperatura del combustible suministrado. El combustible es transferido del tanque principal al tanque de día usando una bomba de transferencia a menudo controlada utilizando sensores de nivel en el tanque de día. Si el tanque es pequeño, el combustible de retorno es bombeado de regreso al tanque primario para evitar el sobre calentamiento del combustible. Vea Sistemas de Combustible en la sección Diseño Me cánico. Tanques Sub -base: Estos tanques son generalmente más grandes que los tanques de día y están construidos en la estructura base del generador, o construidos de manera que el chasis del generador pueda estar montado directamente sobre ellos. Estos ta nques contienen una cantidad de combustibles para una cantidad especificada de horas de funcionamiento tales como 12 o 24 horas. Los tanque sub-base a menudo son de doble pared, incorporando un tanque secundario alrededor del tanque contenedor para contener el combustible en caso de una fuga del tanque principal. Muchas regulaciones locales requieren contención secundaria tal como construcción de pared doble, junto con monitoreo total de contenedores primario y secundario. Montaje de Aisladores de Vibración Para reducir la vibración transmitida al edificio o la estructura de montaje, los generadores a menudos se montan en aisladores. Estos aisladores existen en tipos de resorte y de hule, siendo el más común el de resorte. El desempeño del aislamiento de la vibración, es generalmente de 90% o más, y comúnmente más de 95%. La capacidad de peso y la ubicación correcta son críticos para su desempeño. En el caso de generadores de mayor tamaño con tanques sub-base, los aisladores son 56 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación frecuentemente instalados en tre el tanque y la estructura base. Equipo de Interrupción de Potencia El equipo de interrupción o transferencia de potencia, como interruptores de transferencia o de paralelismo, aunque no son el tema de este manual, son una parte esencial del sistema de potencia de emergencia. Se mencionan aquí para acentuar la importancia de su consideración y las decisiones acerca de estos equipos en las etapas tempranas del proyecto. El esquema de la interrupción de potencia de un proyecto esta directamente relacionado con el rango del generador (vea Diseño Preliminar) , la configuración del control y el equipo accesorio que se requiera para el generador. Para información mas específica en cuanto a este tema, consulte los otros manuales de aplicación: T011-Sistemas de Transferencia de Potencia y T016- Paralelismo y Equipos de Paralelismo. • Equipo para controlar la salida reactiva de potencia del generador y compartir apropiadamente la carga con otros generadores en operaci ón. Esto podría incluir compensación de corriente de cruce o controles activos de caída. • Controlador Var/PF para controlar activamente la salida reactiva de potencia del generador en aplicaciones de paralelismo con la red pública. Los equipos basados en relevadores o con equipo de relevadores/estados sólido requerirán de equipo adicional, para lograr los requerimientos anteriores. Desde el punto de vista de la conveniencia y confiabilidad, un control integrado basado en microprocesador que contenga todas las funciones mencionadas arriba (tal como el control de sistema PowerCommand de Cummins Power Generation) es muy deseable. Necesidades de Equipo Adicional Dispositivos Requeridos para Paralelismo del Generador: Los generadores en aplicaciones de paralelismo deben estar equipados con lo siguiente para aumentar su desempeño y proteger al sistema de fallas que normalmente ocurren: • Supresores de paralelismo para proteger el sistema de excitación del generador de los efectos del paralelismo fuera de fase. • Protección de pérdida de campo que desconecta el generador del sistema para prevenir posibles fallas del sistema. • Protección de potencia en reversa que desconecte el generador del sistema para que la falla del motor no cause una condición de potencia en reversa que podría dañar al generador o deshabilitar el resto del sistema. • Gobernación electrónica isócrona que permita el uso de sincronizadores activos y equipo isócrono de compartido de carga. 4 SELECCIÓN DE EQUIPO En algunas aplicaciones, tales como potencia primaria o continua, voltaje medio, paralelismo con red pública y otras, se podría requerir equipo adicional y este está generalmente disponible como opcional o de pedido especial. Algunos de estos incluyen: • RTDs, dispositivos de medición de temperatura resistiva en los devanados del alternador para monitorear la temperatura del devanado directamente. • Termistores en las vueltas de orilla del alternador para monitorear la temperatura del devanado. • CTs diferenciales para monitorear las fallas de aislamiento. • Monitoreo y protección de falla de tierra. • Pirómetr os para medición de temperatura del escape. • Sistema de recirculación de vapor de respiradero de motor. 57 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 5 DISEÑO ELÉCTRICO Generalidades El diseño eléctrico y planeación del sistema de generación en sitio son críticos para la operación apropiada y confiabilidad del sistema. Esta sección cubre el diseño de instalación del generador y los sistemas eléctricos relacionados, sus interfases con las instalaciones y temas que tiene que ver con la protección del generador y las cargas. Un elemento clave para el entendimiento y comunicación del diseño eléctrico es el diagrama de una línea como el que se muestra en l a Figura 2 -1 . La instalación eléctrica del generador y sus accesorios deben seguir el código eléctrico vigente usado por las autoridades de inspección. La instalación eléctrica debe llevase a cabo por contratistas/electricistas experimentados, calificados y hábiles. Consideraciones de Diseño En vista de as amplias diferencias de aplicación, instalaciones y condiciones, los detalles de cableado y protección de sobrecorriente del sistema de distribución eléctrica para generación en sitio se dejarán al juicio del ingeniero. Sin embargo, hay algunas guías generales que considerar en el diseño. • El diseño de la distribución eléctrica para sistemas de generación de emergencia en-sitio deben minimizar las interrupciones debido a problemas internos como sobrecarg as y fallas. Hay sub -juegos de esto para proveer la coordinación selectiva de dispositivos de protección de sobrecorriente y decidir el número y ubicación de de equipos de transferencia usados en el sistema. Para proveer la protección de fallas internas el equipo de transferencia debe ubicarse tan cerca del equipo de utilización de la carga como sea práctico. • La separación física de los alimentadores del generador de los alimentadores del cableado normal para prevenir destrucción simultánea como resultado de una catástrofe localizada como incendio, inundación o fuerzas. • Equipo de transferencia de sobrepaso aislado para que los interruptores de transferencia puedan mantenerse o repararse sin afectar equipos críticos de carga. • Provisiones para bancos de carga permanentes o para facilitar la conexión a bancos temporales sin molestar el cableado 5 DISEÑO ELECTRICO permanente, tales como un breaker alimentador extra convenientemente ubicado para el ejercicio del generador bajo una carga sustancial. Nota: Los bancos de carga instal ados al frente del radiador del generador deben estar soportados del piso o de otra estructura, no del radiador o del adaptador del ducto. Estos componentes del generador no están diseñados para soportar el peso inclinación del banco de carga. • Circuitos de desecho de carga o sistemas de prioridad de carga en caso de reducida capacidad del generador o pérdida de una unidad en sistemas paralelos. • Protección contar incendio de los conductores o equipo para funciones críticas como bombas de incendio, elevadores para el uso de los bomberos, iluminación de salidas para evacuación, ventiladores de remoción de humo o presurización, sistemas de comunicación, etc. • La seguridad y accesibilidad de tableros y paneles con dispositivos de sobrecorriente y equipo de transferencia en el sistema de distribución del generador en-sitio. • Provisiones para la conexión de generadores temporales (portátiles de renta) para periodos cuando el generador permanentemente instalado esté fuera de servicio o cuando faltas e energía largas hagan necesaria la potencia para dar energía a otras cargas (aire acondicionado, etc.). Conexiones Eléctricas General Aislamiento de la Vibración: Todos los generadores vibran durante su operación norma, un hecho que debe atenderse. Están diseñados ya sea con aisladores integrados o el patín completo está montado en aisladores de resorte para permitir el movimiento y aislar las vibraciones del edificio u otra estructura. También puede ocurrir un movimiento más grande en un evento de cambio repentino de carga o falla y durante el apagado o arranque. Por lo tanto, todas las conexiones al generador, mecánicas o eléctricas, deben ser capaces de soportar la vibración y los movimientote arranque y paro. La salida de potencia, funciones de control, anunciación y circuitos accesorios requieren cables flexibles trenzados y conduits flexibles 58 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación entre el generador y el edificio, montura o cimientos. Cables grandes y rígidos no tendrán la suficiente flexibilidad aunque se consideren flexibles, por ejemplo, cierto counduit de tipo impermeable es bastante rígido. Así mismo, recuerde que los cables o conduits no son comprimibles en su longitud, así que la flexibilidad en esa dirección debe acomodarse con suficiente longitud o dobleces. Aun m ás, los puntos de conexión eléctrica en el generador – bujes, barras de bus, bloques terminales, etc. – no están diseñados para absorber estos movimientos y tensiones. Esto vuelve a ser especialmente notable para cables grandes y rígidos, o para conduits “flexibles” rígidos. El no permitir suficiente flexibilidad resultará en daños a las casetas, cables, aislamiento o puntos de conexión. Nota: El simplemente añadir cable o conduit flexible podría no resultar en suficiente capacidad para absorber la vibración de un generador. Los cables y conduits flexibles varían en flexibilidad y no se comprimirán o estirarán. Esta condición se puede corregir incluyendo cuando menos un doblez ente la salida de la caseta del generador y la estructura (piso de cemento, charola, muro, etc.) para permitir m ovimiento tridimensional. Áreas sísmicas: El cableado de control CA y CD (al equipo de control y anunciadores remotos) deben correr en conduit separado de los cables de potencia para minimizar las interferencias del circuito de potencia en el circuito de control. Se deben usar conductores trenzados y una sección de conduit flexible para hacer las conexiones en el generador. Circuitos Ramales Accesorios: Se deben proveer circuitos ramales para todos los equipos accesorios necesarios para la operación del generador. Estos circuitos deben ser alimentados desde las terminales de carga de un interruptor automático de transferencia o desde las terminales del generador. Ejemplos de accesorios incluyen la bomba de transferencia de combustible, bombas de refrigerante para radiadores remotos y persianas motorizadas para ventilación. Los circuitos ramales, alimentados del tablero de 5 DISEÑO ELECTRICO energía normal, deben tener provisión para el cargador de baterías y los calentadores de refrigerante si se usan. Ver Figura 5-1. Conexiones CA en el Generador Verifique que el número de conductores por fase y su tamaño sean los mismos que las capacidades de los tornillos en el equipo (breakers de circuito, e interruptores de transferencia). Se debe supervisar y arreglar que un dispositivo de desconexión principal (breaker de circuito/interruptor) active una alarma cuando está abierto. Algunos proveedores iniciarán una alarma “No en Auto” cuando el CB está abierto. Las opciones de conexión en el generador pueden incluir los siguientes: Breakers de Circuito de caja moldeada montados en el generador (termo-magnéticos o de estado sólido): Se pueden hacer conexiones a un breaker de circuito montado en el generador. El broker seleccionado debe tener apropiada capacidad interruptora basada en una corriente corto circuito. Con un solo generador el corto circuito de corriente simétrico de primer ciclo disponible está típicamente en el rango de 8 a 10 veces la corriente de rango. Para un generador específico es igual a el reciproco de la reactancia sub-transicional por unidad del generador, o 1/X”d. Use la tolerancia mínima de reactancia sub-transicional de los datos del fabricante del generador para el cálculo. Interruptor de Desconexión Montado en el Generador (caja moldeada): Se pueden ha cer conexiones a un interruptor de desconexión montado en el generador. Esto es permisible donde el generador incluye un medio inherente de protección de sobrecorriente de generador, tal como el PowerCommand. La intención del interruptor no es interrumpir corrientes de nivel de falla, teniendo solamente un rango de interrupción para las corrientes de carga. Terminales del Generador: Se pueden hacer conexiones en las terminales del generador donde no se requiera breaker de circuito o interruptor de desconexión y donde el generador incluya un medio inherente de protección para sobrecarga del generador. 59 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 5 DISEÑO ELECTRICO 60 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Conductores de Potencia CA La salida del CA del generador se conecta a conductores instalados en el campo del tamaño requerido por las corrientes de carga, aplicación y códigos. Los conductores de las terminales del generador al primer dispositivo de sobrecorriente, se consideran conductores de derivación y se les permite corridas cortas sin protección de corto circuito. Se debe suministrar un breaker de circuito de generador en el lado de carga de los conductores de suministro del generador (por ejemplo, breakers de paralelismo en el tablero de paralelismo, o un breaker principal en el tablero de distribución) y aún proveer de protección de sobrecarga para los conductores. Si el generador no viene con un breaker principal instalado de fábrica, la ampacidad de los conductores de fase C A instalados en el campo desde las terminales de salida del generador al primer dispositivo de sobrecorriente deben ser cuando menos 115% del rango de la corriente total de carga, sin derrateos de temperatura o altitud. La ampacidad de los conductores debe ser del 100% del rango de corriente total de 5 DISEÑO ELECTRICO carga si el generador está equipado con PowerCommand. El fabricante del generador especificará los rangos de ampere-línea de un generador específico al voltaje requerido. Si no se conoce, calcule usando una de las siguientes fórmulas: Vea los esquemáticos (a) y (b) en la Figura 5-2. La longitud de corrida de conductores de derivación del conductor al primer dispositivo de sobre corriente debe mantenerse lo mas corto posible (generalmente no más de 25-50 pies). NOTA: Si el generador está suministrados con cables, el tamaño de los cables puede ser menor que lo requerido para conductores instalados en campo porque los cables del generador tienen aislamiento de alta temperatu ra tipo CCXL o similar de rango mayor de 125°C. 61 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Si el generador está equipado de fábrica con un breaker de circuito de línea principal, la ampacidad de los conductores de fase CA instalados en campo conectados a las terminales de carga del breaker de circuito debe ser igual o más grande que el rango del breaker de circuito. Vea el esquema © en la Figura 5 -2. La ampacidad mínima del conductor neutral, generalmente se permite que sea igual o más grande que el desbalance monofásico máximo calculado de la carga. Donde una porción significativas de la carga es no-lineal, el neutral debe ser del tamaño de acuerdo a la corriente neutral anticipada, pero nunca menor al 100% del rango. El neutral de generador suministrado por Cummins Power Generation es igual en ampacidad que los conductores de fase. Nota: El cable de voltaje medio (mas de 600 VCA) debe instalarse y terminarse exactamente como lo recomienda el fabricante de cable, por personas que hayan aprendido los procedimientos a través de entrenamiento y practica bajo supervisión. Cálculos de Caída de Voltaje: La impedancia del conductor y debido a la resistencia y la reactancia causan una caída de voltaje en el circuito CA. Para obtener el desempeño adecuado esperado del equipo de carga, los conductores deben ser de tamaño de forma que el voltaje no caiga más del 3% en un circuito ramal o de alimentación, o de más de 5% total entre la caída de servicio y el equipo de carga. Aunque poscálculos exactos son complejos, se pueden lograr aproximaciones razonables usando la relación siguiente: Ejemplo de cálculo: Calcule el porcentaje de caída de voltaje en 500 pies de cable de cobre 1/0 AWG en conduit de acero que suministra una carga (línea-línea) de 480 volts, 100 kW imponiendo un FP de 0.91. 5 DISEÑO ELECTRICO Donde Z = Impedancia del conductor R= Resistencia del conductor X=Reactancia del conductor L= Longitud del conductor en pies N= numero de conductores por fase PF= Factor de potencia X = 0.055 ohms/1000 pie (NEC Capítulo 9, Tabla 9, Reactancia para conductores de cobre 1/0 AWG en conduit de acero.) Imbalance de Carga Monofásica Permisible: Las cargas monofásicas deben distribuirse tan parejo como sea posible entre las tres fases de un generador trifásico para utilizar completamente la capacidad de rango (kVA y kW) del generador y para limitar el desbalanceo del voltaje. La Figura 5-3 se puede utilizar para determinar el máximo porcentaje de desbalanceo permisible de una carga monofásica. Como se ilustra en el ejemplo de cálculo. La potencia monofásica se puede llevar hasta el 67% del rango trifásico en los generadores de Cummins Power Generation, hasta 200/175 kW. Generalmente, mientras más grande es el generador, mas bajo es el porcentaje de potencia monofásica que se puede tomar. La Figura 5-3 incluye líneas de porcentaje para generadores de tamaño intermedio Marco 4 y 5 de Cummins Power Generation. Confirme el tamaño de marco consultando la Hoja de Datos de Alternador aplicable referenciada por la hoja de especificación del generador. Los desbalanceos de carga monofásica no deben exceder el 10%. 62 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 5 DISEÑO ELECTRICO 63 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Ejemplo de Cálculo: Encuentre la carga monofásica máxima que se puede energizar en conjunto con una carga total trifásica de 62 kVA por un generador de rango de 100 kW/125 Kva. 1. Encuentre la carga trifásica como porcentaje del rango kVA del generador: 2. Encuentre el porcentaje de carga monofásica permisible, como lo muestran las flechas en la Figura 5-3. En este caso, es aproximadamente 34% del rango trifásico. 3. Encuentre la máxima carga monofásica: 4. Note, como sigue, que la suma de las cargas trifásica y máxima permisible monofásica es menor que el rango kVA del generador. NOTA: Cargar desbalanceadamente un generador causa voltajes de fase desbalanceados. Los niveles de desbalanceo de cargas anticipados por estas guías no deben resultar en un daño para el generador. Los correspondientes niveles de desbalanceo de voltaje, sin embargo, podrían no ser aceptables por cargas tales como motores trifásicos. Debido a los voltajes de fase desbalanceados, las cargas críticas deben ser conectadas a la fase que el regulador de voltaje usa como referencia de voltaje (L 1 – L2 como se define en el esquemático del generador) cuando solamente se usa una fase como referencia. Carga de Factor de Potencia de Inicio Los generadores trifásicos tienen rangos de operación continua de 0.8 FP (de arrastre) y pueden operar por cortos periodos de tiempo a factores mas bajos, como cuando arrancan motores. Las cargas reactivas que causan factor de potencia de inicio pueden proveer potencia de excitación al generador, y si son lo suficientemente altas, pueden causar que el voltaje del alternador se eleve incontrolablemente dañando las cargas del alternador o disparando equipo protector. La Figura 5-4 es una curva 5 DISEÑO ELECTRICO típica de capacidad de potencia reactiva de alternador (kVAR). Una guía razonable es que el generador puede llevar hasta 10% de su capacidad kVAR en cargas de factor de Potencia de inicio sin dañarse o perder control del voltaje de salida. Las fuentes más comunes de factor de potencia de inicio son las UPS con filtros de entrada con poca carga y dispositivos de corrección de factor de potencia para motores. Cargar el generador con factores de potencia de arrastre antes de las cargas de factor de potencia de inicio puede mejorarla estabilidad. También es aconsejable apagar y prender con la carga los capacitores de corrección de factor de carga. Es generalmente impráctico sobredimensionar un generador (reduciendo por lo tanto el porcentaje de carga no-lineal) para corregir este problema. Aterrizaje de Sistema y Equipo La siguiente es una descripción general de aterrizaje de sistema y equipo para generadores CA instalados permanentemente dentro de una ubicación. Aunque esto es solo una guía, es importante seguir el código eléctrico local. Aterrizado de Sistema: El aterrizado de sistema es el aterrizado intencional del punto neutral de un generador conectado en WYE, la esquina de un generador conectado en delta, o el punto medio de un devanado monofásico de un generador conectado en delta a tierra. Es mucho mas común aterrizar el punto neutral de un generador conectado en WYE y sacar el neutral (conductor de circuito aterrizado) en un sistema de cuatro cables trifásico. Un sistema delta aterrizado en la esquina tiene un conductor de circuito aterrizado que no es neutral. También tiene un lado “loco” que se debe identificar con color naranja y conectarse al polo central de equipo trifásico. Aterrizaje Sólido: Un sistema aterrizado sólidamente es aterrizado directamente por un conductor (el electrodo conductor de tierra) sin impedancia intencional a tierra (electrodo de tierra). Este método es típicamente usado y es requerido por el código eléctrico en todos los sistemas de bajo voltaje (600 volts y menos) con un conductor de circuito de aterrizaje (a menudo neutral) que sirva cargas L -N . 64 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación El aterrizado correcto en sistemas de emergencia que están aterrizados sólidamente es una función del equipo de transferencia usado (neutral sólido o neutral interrumpido). Vea Figura 5-5 . La terminal neutral de un generador Cummins Power Gener ation no esta conectada a tierra cuando se embarca. Si el generador es una fuente de potencia derivada separadamente (interruptor de transferencia de 4 polos), entonces el neutral tendrá que ser conectado a tierra y un electrodo conductor de tierra conectado al sistema electrodo conductor por el electricista. Si el neutral del generador se conecta a una neutral aterrizado suministrado, típicamente en el bloque neutral de un interruptor de transferencia de 3 polos, entonces el neutral del generador no debe aterrizarse e el generador. En este caso, el código eléctrico podría requerir poner un aviso en el suministro de servicio que indique que el neutral del generador está aterrizado en ese lugar. 5 DISEÑO ELECTRICO Aterrizaje de Impedancia (Resistencia): Una resistencia de aterrizaje se instala permanentemente en la ruta desde e3l punto neutral del generador al electrodo de aterrizaje. Este método es ocasionalmente usado sistemas de tres cables, trifásicos (sin conductor de circuito aterrizado ) que operan a 600 volts o menos, donde es deseable mantener la continuidad de la potencia con la primera y solo accidental falla de tierra. Se podrían usar transformadores delta-wye para derivar un neutral a equipo de carga línea-neutral. Típicamente, un sistema aterrizado de alta resistencia de bajo voltaje usa una resistencia de aterrizaje del tamaño correcto para limitar la corriente de falla de tierra, en voltaje línea-neutral a 25,10 o 5 amperes nominales (rango de tiempo continuo). También se instalan sistemas de detección y alarma de falla de tierra. 65 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 5 DISEÑO ELECTRICO 66 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Seleccione una resistencia de tierra basándose en: 1. 2. 3. Rango de Voltaje: Voltaje fase-fase (voltaje de sistema) dividido entre la raíz cuadrada de 3 (1.73) Rango de Corriente: Lo suficientemente bajo para limitar el daño pero lo suficientemente alto para operar confiablemente los relevadores de protección. Rango de Tiempo: A menudo 10 segundos para sistemas con relevadores de protección y tiempo extendido para sistemas sin relevadores. NOTA: Se recomienda aterrizaje de baja resistencia en generadores operando de 601 a 15,000 volts para limitar el nivel de corriente de falla de tierra (a menudo 200-400 amperes) y dar tiempo para la coordinación selectiva del relevado de protección. Vea la Figura 5-6 y Aterrizaje de voltaje medio. Sin Aterrizar: No se hace conexión intencional entre el sistema de generación y tierra. Este método es ocasionalmente usado en sistemas de tres cables, trifásicos (sin conductor de circuito aterrizado) operando a 600 volts o menos. Donde se requiere o se desea mantener la continuidad de la potencia con una falla de tierra, y electricistas calificados se encuentran en el sitio. Un ejemplo sería el suministro de una carga de proceso crítico. Se pueden usar transformadores Delta-wye en el sistema de distribución para derivar un neutral para equipo de carga líneaneutral. Aterrizado de Equipo: El aterrizado de equipo es la conexión a tierra de todos los componentes que no llevan corriente (en operación normal) como conduit metálico, carcasas de equipo, marco del generador, etc. El aterrizaje de equipo da un camino eléctrico permanente y continuo de baja impedancia de regreso a la fuente de potencia. El aterrizaje apropiado prácticamente elimina el “potencial de toque” y facilita el restablecimiento de los dispositivos de protección durante las falla de tierra. Un pasacorriente en la fuente conecta el sistema de tierra del equipo al conductor de circuito de tierra (neutral) del sistema de CA en un solo punto. Se suministra 5 DISEÑO ELECTRICO una conexión de tierra en el marco del alternador o, si se suministra un breaker de circuito montado, se provee de una terminal de aterrizaje dentro de la caja del breaker de circuito. Vea Figura 5-7. Coordinación Selectiva Coordinación Selectiva: Es la eliminación positiva de una falla de corto circuito en todos los niveles de corriente de falla por el dispositivo de sobrecorriente del lado de línea de la falla y solo por ese dispositivo. La “limpieza de molestias” de una falla por dispositivos de sobrecorriente más arriba en el flujo, del más cercano a la falla, causa la afectación innecesaria de ramales sin falla en el sistema de distribución, y podría causar que el sistema de emergencia arranque innecesariamente. Las fallas de potencia eléctrica incluyen fallas externas, como falla de la red pública o su baja y fallas internas dentro de un sistema de distribución de edificio, como una falla de corto circuito o sobrecarga que cause que un dispositivo de protección abra el circuito. Puesto que la intención de los sistemas de generador de emergencia es mantener la potencia para cargas seleccionadas, el sistema de distribución de potencia debe estar diseñado para maximizar la continuidad de la potencia en el evento de una falla dentro del sistema. El sistema de protección de sobre corriente debe por lo tanto ser coordinado selectivamente. La protección de sobrecorriente para el quipo y los conductores que son parte del sistema potencia de emergencia, incluyendo el generador en-sitio, deben seguir los códigos eléctricos aplicables. Sin embargo, donde el sistema de potencia de emergencia sirve a cargas que son críticas para la seguridad de la vida, tales como hospitales o rascacielos, se debe dar más prioridad a mantener la continuidad de la potencia que a proteger el sistema de emergencia. Por ejemplo, sería más apropiado tener una indicación de ´solo alarma´ de una sobrecarga o falla de tierra, que tener un breaker de circuito que abra para proteger el equipo si el resultado fuera la pérdida de potencia de emergencia en cargas críticas para la seguridad de vida. 67 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 5 DISEÑO ELECTRICO 68 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 5 DISEÑO ELECTRICO 69 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Para propósitos de coordinación, la corriente corto circuito en los primeros ciclos de un generador es importante. Esta corriente es independiente del sistema de excitación y solamente depende las características eléctricas y magnéticas del generador mismo. La máxima corriente de primer ciclo, de corto circuito simétrico trifásico total (ISC), disponible de un generador en sus terminales es: ISC P.U. = 1/X” d E CA es el voltaje de circuito abierto y X”d es la reactancia sub-transición de eje directo por unidad del generador. Un generador típico de Cummins Power Generation dará 8 a 12 veces su corriente de rango en una falla trifásica total, sin importar el sistema de excitación usado. (Consulte las hojas de especificación del generador y las hojas de datos del alternador para X” d.) Las reactancias del generador se publican en por unidad a una base especificada de rango de alternador. Los generadores, sin embargo, tienen diferentes rangos base. Por lo tanto, para convertir reactancias por unidad de la base del alternador a la base del generador use la siguiente fórmula: Ejemplo de cálculo: Encuentre X” d (reactancia sub-transición de alternador) para el generador diesel Cummins Power Generation modelo 230DFAB con rango de 230 kW/288 kVA a 277/480 VCA. El boletín para este modelo da la referencia de Hoja de Datos de Alternador (ADS) no. 303. La ADS no. 303 indica que X” d = 0.13 para el alternador a un punto en rango de carga total de 335 kW/419kVA y 277/480 VCA (elevación de temperatura de 125°C). Al sustituir estos valores en la ecuación anterior: Recomendaciones de Ubicación de Equipo: Para la coordinación selectiva se recomienda que los interruptores de transferencia se ubiquen en el lado de carga del circuito ramal del dispositivo sobrecorriente, cuando sea posible en el lado de 5 DISEÑO ELECTRICO línea de un tablero de circuito ramal. Con el interruptor retransferencia montado en el lado de carga del circuito ramal del dispositivo sobrecorriente, las fallas el lado de carga del interruptor de transferencia no resultarán en que ramales sin falla del sistema de emergencia sean transferidas al generador junto con el ramal en falla. Esta recomendación es consistente con las recomendaciones para la confiabilidad en general para físicamente ubicar los interruptores de transferencia lo mas cerca quesea posible del equipo de carga, y para dividir las cargas del sistema de emergencia en los circuitos más prácticamente pequeños usando múltiples interruptores de transferencia. Una segunda recomendación es usar un generador sustentable (excitación PMG) para limpiar positivamente los breakers de circuito de ramal de caja moldeada. Un generador sustentable puede dar una ventaja en la limpieza de los breakers de circuito de caja moldeada del mismo rango de corriente pero de diferentes características de tiempo -corriente. Protección de Falla y Sobrecorriente con Generadores Determinando el Tamaño Circuito de Línea Principal del Breaker de La determinación del tamaño de breaker de circuito generalmente sigue uno de los siguientes tres métodos: El más común es usar un breaker de circuito de tamaño igual o del rango inmediato superior desde el rango del corriente a plena carga del generador. Por ejemplo, se seleccionaría un breaker de circuito de 800 amperes con un generador de rango de corriente a carga máxima de 751 amperes. La ventaja de este método es de costo; el tamaño de los cables y el tablero de distribución de un interruptor de transferencia se emparejan con el rango de 800 amperes del breaker de circuito. Si el breaker de circuito tiene un rango estándar (80% continuo), se podría abrir automáticamente a niveles por debajo del rango de corriente a carga total del generador. Sin embargo, probablemente no se haga funciona al generador cerca o en su carga máxima de kW y a su rango de factor de potencia el tiempo suficiente para disparar el breaker en uso real. Alternativamente, se puede usar un breaker de circuito de rango de 100% que lleve 800 continuamente. 70 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Un segundo método que usa breakers de circuito de rango estándar (80% continuo) es sobredimensionar el breaker 1.25 veces la corriente de carga total del generador. Por ejemplo, un breaker de circuito de 1000 amperes se seleccionaría para un generador con un rango de corriente de carga total de 750 amperes (751 amperes X 1.25 = 939 amperes). Un breaker que se selecciona de esta forma no debe dispararse bajo carga total en el rango de factor de potencia (kVA de rango). La desventaja de este método es que los cables y el tablero de distribución necesitarían ser de un tamaño de cuando menos 1000 amperes. El tercer método es definir el tamaño del breaker como resultado de los cálculos de diseño para un alimentador y su dispositivo de sobre corriente, reconociendo que el propósito principal del breaker es proteger los conductores del alimentador. La ampacidad del alimentador y el rango del dispositivo de sobrecorriente se calculan sumando las corrientes de los circuitos ramales multiplicados por cualquier demanda de factor de potencia (FP) que permitan los códigos eléctricos aplicables. Sin dejar espacio para capacidad futura, la mínima ampacidad de alimentador requerida para una aplicación típica de generador que involucra cargas de motor y no de motor debe ser igual o exceder: • 1.25 X la corriente de carga continua de no motor, mas • X el FD (factor de demanda) X las corrientes de carga de no motor no continuas, mas • 1.25 X la carga total de motor mas grande, mas • X la suma de las corrientes de carga total de todos los otros motores. Puesto que el generador tiene le tamaño para arrancar y hacer funcionar la carga, y también podría tener el tamaño para incluir capacidad futura, la corriente de carga total del generador puede ser más grande que la ampacidad calculada de los conductores del alimentador del generador y el breaker de circuito. S este fuera el caso, considere incrementar la ampacidad de conductores del alimentador y el rango del breaker de circuito para que el breaker no se dispare a la corriente total de la placa del generador. Esto también provee capacidad futura para la adición de circuitos ramales. códigos aplicables para definir el tamaño correcto del conductor del alimentador. NOTA: Las pruebas extensas de carga total, podrían disparar un breaker de circuito de línea principal que sea del tamaño de o menor que el rango de corriente de carga total del generador. Fuentes de Generador Cuando la potencia de emergencia es provista por un generador, es necesario proveer a los breakers de circuito ramal (generalmente del tipo de caja moldeada) con una alta probabilidad de disparo, sin importar el tipo de falla que podría ocurrir en un circuito ramal. Cuando un generador se sujeta a una falla fasetierra, o alguna falla fase-fase, suministrará varias veces más su corriente de rango sin importar su sistema de excitación. Generalmente esto dispara el elemento magnético de un breaker de circuito ramal y limpia la falla. Con un generador auto-excitado, hay instancias de fallas trifásicas y algunas fallas fase-fase en las que la corriente de salida del generador se elevará inicialmente a un valor de casi 10 veces su corriente de rango, y después rápidamente decaerá a un valor bastante más bajo que su corriente de rango en cuestión de ciclos. Con un generador auto-sustentable, las corrientes de falla inicial son las mismas, pero la corriente decae a una corriente corto circuito que va desde aproximadamente 3 veces la corriente de rango para una falla trifásica hasta aproximadamente unas 7.5 veces la corriente de rango para una falla de fase-tierra. El decaimiento en ala corriente de falla de un generador auto-excitado requiere que los breakers de circuitos ramales se suelten y limpien en los 0.025 segundos durante los cuales circula la corriente máxima. Un breaker de circuito ramal que no se dispara y limpia una falla puede causar que un generador auto -excitado se colapse, interrumpiendo la potencia a los ramales que no están en falla del sistema de emergencia. Un generador sustentable (PMG) no se colapsa y tiene la ventaja de proveer hasta 3 veces la corriente de rango durante varios segundos, lo que debe ser suficiente para limpiar los breakers de circuitos ramales. NOTA: La ampacidad de conductor del alimentador es regulada y determinada por los códigos como NFPA o CSA. Aunque se basa en la capacidad del generador y el breaker, otros factores críticos también aplican. Consulte los 5 DISEÑO ELECTRICO 71 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Usando los rangos de corriente a plena carga de un generador y de los breakers de circuito ramal, el método siguiente determina si un breaker de circuito ramal se disparará en una falla simétrica trifásica o fase-fase. El método determina solamente si el disparo es posible en condiciones de corto circuito con la corriente de falla disponible, y no garantiza disparos para todos los valores de la corriente de falla (en fallas de arco, donde la impedancia de la falla es alta). Puesto que la mayoría de las gráficas de breaker de circuito expresan la corriente como porcentaje de del rango del breaker, la corriente de falla disponible debe convertirse a porcentaje de rango de breaker de circuito. Use la siguiente formula para determinar la corriente de falla disponible como porce ntaje del rango del breaker de circuito (CB) para un generador capaz de entregar 10 veces la corriente rango inicialmente, (X” d = 0.10), ignorando la impedancia del circuito entre el generador y el breaker : (Figura 5-9 ), el breaker talvez no se dispare con el 3470% de la cantidad disponible inicialmente, pero se disparará en aproximadamente 3 segundos si la corriente de falla se sostiene a 1040% del rango del breaker (tres veces el rango del generador. La conclusión es que un generador sostenible (PMG) ofrece una ventaja en que suministra suficiente corriente de falla para limpiar breakers de circuito ramal. La aplicación del generador, sus sistema de excitación y voltaje de operación determinan el alcance de protección provisto para los generadores y los dispositivos de protección usados. NOTA: El siguiente tratado aplica para instalaciones de una sola unidad, 2000 kW y menos. Consulte la publicación T-16 Paralelismo e Interruptores de Paralelismo de Cummins Power Generation para los requerimientos de protección de generadores múltiples en paralelo. Protección de Sobrecarga en Generadores Considere el efecto de una falla (corto circuito) en un breaker de circuito de ramal de 100 amperes cuando la potencia es suministrada por un generador que tiene una corriente de rango de 347 amperes. En este ejemplo, la corriente de falla disponible durante los primeros 0.025 segundos, independientemente de la excitación del sistema es: En bajo voltaje, (600 volts) y menos, las aplicaciones de emergencia donde se sirven cargas críticas y donde el generador funciona un relativamente pequeño número de horas al año, se deben cumplir los requerimientos mínimos de protección de los códigos eléctricos aplicables. Después de eso, el ingeniero de especificación debe considerar los intercambios entre protección al equipo y continuidad de potencia a las cargas críticas, y podría decidir dar más que el mínimo nivel de protección. Si el generador es del tipo que puede sostener tres veces la corriente de rango, use la siguiente fórmula para determinar la corriente disponible aproximada como porcentaje del rango de breaker de circuito: En aplicaciones de bajo voltaje de potencia primaria o interrum pible, la pérdida de potencia que resultaría de la operación de los dispositivos de protección podría ser tolerable y, por lo tanto, sería apropiado un nivel más alto de equipo de protección. Las Figuras 5-8 y 5-9 muestran los resultados con dos breakers de circuito de terno-magnéticos de caja moldeada que tiene diferentes características de disparo. “A” y “B”. Con al característica “A” (Figura 5-8) la falla inicial de corriente de 3470% disparará el breaker en 0.025 segundos. Con la característica de disparo “B” Zona de Protección: La zona de protección para el generador incluye al generador y los conductores de las terminales del generador hasta el primer dispositivo de sobrecorriente; un dispositivo de sobrecorriente de línea principal (si se usa), o al bus del dispositivo de sobrecorriente de alimentador. La protección de sobrecorriente para el generador debe incluir protección para fallas de corto circuito en cualquier lugar de esta zona. 5 DISEÑO ELECTRICO 72 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación En el lado de flujo abajo del bus de alimentación, aplica la práctica estándar para la protección de sobrecorriente de conductores y equipo. La relación de corriente rango de generador al rango de los dispositivos de sobrecorriente flujo abajo, multiplicada por la corriente corto circuito disponible desde el generador en los primeros ciclos, debe ser suficiente para disparar estos dispositivos en uno o dos ciclos. esto significa que el generador debe ser equipado con dispositivos de sobrecorriente fase tales como fusibles o breakers de circuito, o pueden protegerse por diseño inherente , como el PowerCommand AmpSentry™. En algunas aplicaciones, el código eléctrico podría requerir indicación de falla de tierra. Sistemas de Emergencia de 600 volts o Menos: Se recomienda la protección mínima de sobrecarga de generador requerida por los códigos eléctricos para aplicaciones de emergencia de 600 volts o menos. Típicamente 5 DISEÑO ELECTRICO 73 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Breaker de Circuito de Generador: La práctica convencional en los generadores sin protección de sobrecorriente inherente, es la de suministrar un breaker de circuito de caja moldeada (MCCB), ya sea termo-magnético o de estado sólido, del tamaño apropiado para proteger los conductores del alimentador del generador, para satisfacer los requerimientos de protección de sobrecarga del generador del código eléctrico. Sin embargo, un MCCB termo-magnético típico del tamaño que pueda llevar la corriente de rango del generador no provee protección efectiva del generador. Generalmente, si los breakers de circuito se us an para protección del generador, se requerirá un breaker de estado sólido con ajustes completos (LSI de tiempo Largo, tiempo Corto e Instantáneo) para coordinar la curva de 5 DISEÑO ELECTRICO protección dentro de la curva de capacidad del generador. Donde el generador está protegido por diseño inherente, como los generadores PowerCommand AmpSentry™, no se requiere el uso de un breaker de circuito principal para protección de sobrecarga del generador. Hay otras razones para considerar el uso de un breaker de circuito; incluyendo proteger los conductores del alimentador del generador, y tener un medio de desconexión, Para poder mejorar la confiabilidad general del sistema, se puede suministrar un medio de desconexión en la forma de un interruptor de caja moldeada u otro medio no automático. 74 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Diseño Inherente, Fallas Balanceadas: Se puede considerar que un generador auto-excitado, está protegido por diseño inherente, puesto que no es capaz de sostener una corriente de corto circuito en fallas trifásicas balaceadas el tiempo suficiente para que se dañe. Considerando la necesidad de potencia de alta confiabilidad a cargas críticas, el uso de auto-excitación, a veces se considera suficiente para cumplir la protección mínima de generador requerida por los códigos eléctricos para diseño inherente y hacen innecesarios los dispositivos protectores de sobrecorriente del generador. Nota: En Norteamérica, el código eléctrico permite que los conductores de alimentador de generador, de tamaño aproximado de 115% de la corriente de rango de generador, corran distancias cortas sin protección de sobrecorriente. Un generador de excitación PMG, pero sin PowerCommand, es capaz de sostener corriente de corto circuito con una falla balancead o desbalanceada. Si los dispositivos de sobrecorriente flujo abajo del generador fallan en limpiar una falla de corto circuito trifásica balanceada, el sistema de excitación PGM incluye una función de paro por sobreexcitación que servirá como “respaldo”.Esta función de sobreexcitación apagará el regulador de voltaje después de 8 a 10 segundos. Esta protección de respaldo es apropiada para fallas trifásicas solamente y podría no proteger al generador de daños debidos a fallas monofásicas. Controles PowerCommand y AmpSentry: PowerCommand usa un microcontrolador (microprocesador) con sensores de corriente trifásica para monitorear continuamente la corriente en cada fase. Bajo condiciones de falla monofásica o trifásica, la corriente es regulada a aproximadamente 300 del rango del generador. El microcontrolador integra la corriente contra el tiempo y compara el resultado con una curva de daño termal del generador que tiene almacenada. El microcontrolador protege el generador apagando la excitación y el motor. La Figura 5-10 muestra la curva 1 de protección de AmpSentry. Una corriente sobrecarga del 110% del rango durante 60 segundos genera una alarma de sobrecarga y la operación de los contactos de desecho de carga. Una sobrecarga protección de tiempo inverso. Estos controles dan protección al generador en un amplio rango de tiempo y corriente, desde cortos circuitos instantáneos, monofásicos y trifásicos, hasta sobrecargas de varios minutos de duración. En términos de coordinación selectiva, una importante ventaja de AmpSentry contra un breaker de circuito principal, es que AmpSentry incluye un retardo inherente de 0.6 segundos para todas las corrientes de falla arriba de 4 por unidad. Este retardo permite la respuesta instantánea de los breakers flujo abajo para limpiar las fallas sin disparar al gene rador fuera de la línea, proveyendo coordinación selectiva con el primer nivel de breakers flujo abajo. Protección/Indicación de Falla de Tierra: En Norte América, el código eléctrico requiere una indicación de una falla de tierra en generadores de emerge ncia (seguridad de vida) que están aterrizados sólidamente, operando a mas de 150 volts a tierra, y con dispositivos principales de sobrecorriente de rango de 1000 amperes o mas. Si se requiere, la práctica estándar en aplicaciones de emergencia es proveer solo una indicación asegurada de una falla de tierra, y no disparar un breaker de circuito. Aunque talvez se suministre una protección de falla de tierra que abra un breaker de circuito principal de generador para el equipo, no se requiere por el código, ni se recomienda en generadores de emergencia (seguridad de vida). La operación apropiada de los sensores de falla de tierra en generadores, típicamente requiere que el generador sea derivado separadamente, y el uso de un interruptor de transferencia de 4 2 polos (neutral). Potencia Primaria e Interrumpible, 600 volts y Menos: La protección de sobre corriente de generador requerida por el código eléctrico de Norte América, se recomienda para aplicaciones de potencia primaria e interrumpible de 600 volts o menos. Típicamente, esto significa que el generador debe estar provisto con dispositivos de sobrecorriente de fase tales como fusibles o breakers de circuito, o ser protegidos por diseño inherente. arriba del 110% causará la respuesta protectora en un tiempo determinado por la curva de 1 La curva de protección de AmpSentry está disponible con los representantes Cummins Power Generation; forma de orden R-1053. 5 DISEÑO ELECTRICO 2 Vea la publicación T-016, Paralelismo e Interruptores de Paralelismo de Cummins Power Generation. 75 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación TIEMPO EN SEGUNDOS Las unidades equipadas con el control PowerCommand con AmpSentry ofrecen esta protección. Si se desea un nivel más alto de protección, PowerCommand también provee las siguientes protecciones inherentes en todas las fases: • Corto circuito • Sobrevoltaje • Bajovoltaje • Pérdida de campo • Potencia en reversa 5 DISEÑO ELECTRICO TIEMPO EN SEGUNDOS Como se dijo antes, el control PowerCommand con AmpSentry ofrece protección de sobrecorriente y pérdida de campo inherente en su diseño. Voltaje Medio, Todas las Aplic aciones En aplicaciones de medio voltaje (601 – 15,000 volts), la práctica estándar de dar protección de generador no comprometerá la confiabilidad de la fuente de poder puesto que la selectividad de los dispositivos se puede lograr. El costo de la 76 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación inversión en equipo también garantiza el nivel más alto de protección. La protección básica mínima incluye (ver Figura 5-1 1): • Detección de sobrecorriente de respaldo trifásica (51V) • Un relevador de tiempo-sobrecorriente aterrizado de respaldo (51G) • Detección de pérdida de campo (40) • Detección de sobrecorriente instantánea trifásica para protección diferencial (87) Consulte el Estándar ANSI/IEEE no. 242 para información adicional acerca de la sobreprotección adicional de estos generadores. 5 DISEÑO ELECTRICO Protección de Impulsos de Generadores de Medio Voltaje: Se debe dar consideración a proteger a los generadores de mediovoltaje contra impulsos de voltaje causados por relámpagos en las líneas de distribución y por las operaciones de cambio. La protección mínima incluye: • Arrestores de línea en las líneas de distribución • Arrestores de impulsos en las terminales del generador • Capacitores de impulsos en las terminales del generador • Adherencia estricta a prácticas correctas de aterrizaj e 77 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO Cimientos y Montaje Montaje del Generador y Aislamiento a la Vibración El diseño de instalación debe dar un cimiento apropiado para soportar el generador, y para prevenir que niveles de vibración molestos o dañinos lleguen hasta la estructura del edificio. Además, la instalación debe asegurar que la infla estructura de soporte para el generador, no permita la vibración del generador llegue a la porción estacionaria del equipo. 6 DISEÑO MECANICO Todos los componentes que se conectan físicamente al generador deben ser flexibles para absorber el moviendo vibratorio sin daños. Los componentes que requieren aislamiento son: el sistema de escape del motor, las líneas de combustible, el cableado de suministro de poten cia CA, cableado de control (que debe ser trenzado en lugar de sólido), el generador (de la placa de montaje), y los ductos de aire de ventilación (para generadores con radiadores montados en el patín) (Ver la Figura 6-1). LA falta de atención de aislamiento a estos puntos de interconexión física y eléctrica, puede resultar en un daño por vibración al edificio o al generador, y falla del generador cuando esté en servicio. 78 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación El motor del generador, alternador y otro equipo están montados típicamente en una base de patín. La base de patín es una estructura rígida que da integridad estructural y un grado de aislamiento de la vibración. Los cimientos, el piso o techo, deben ser capaces de soportar el peso del generador ensam blado y sus accesorios (como el tanque sub-base), así como resistir cargas dinámicas y no transmitir vibración o ruido que sea motivo de objeción. Note que las aplicaciones donde el aislamiento de la vibración es crítica, el peso instalado del paquete podría incluir un cimiento de montaje masivo (vea Provienes para la Instalación en esta sección). El tamaño físico, pesos y la configuración de montaje varían grandemente entre los fabricantes y los tamaños diferentes de equipo. Consulte las instrucciones de ni stalación del fabricante para información detallada de pesos y dimensiones de montaje1. Provisiones de Cimientos Plancha de Piso: Para muchas aplicaciones, no es necesario un cimiento masivo para el generador. Los generadores con aisladores de vibración integrados pueden reducir la vibración transmitida en un 60-80% y poner resortes de acero entre le generador y la plancha pueden aislar hasta más del 95% de las vibraciones (vea aisladores de vibración mas adelante en esta sección). Si la transmisión de la vibración al edificio no es una preocupación crítica, el problema mayor será instalar el generador para que su peso esté apropiadamente soportado y para que la unidad sea fácilmente accesible para su servicio. Se debe colar una plancha de concreto sobre el piso de concreto para elevar el generador a una altura que haga el servicio conveniente y la limpieza alrededor del generador más fácil. • La plancha debe estar construida de concreto reforzado con una fuerza compresiva de 28 días de cuando menos 2500 ps i (17,200kPa). • La plancha debe ser cuando menos 6 pulg. (150 mm) de alto y extenderse cuando menos 6 pulg. (150 mm) más allá del patín por todos los lados. Vea los planos del fabricante para las ubicaciones físicas de las líneas de combustible, interconexiones de control y de potencia y otras interfases que estén planeadas para vaciarse en el concreto. Estas interfases varían considerablemente de proveedor a proveedor. Los aisladores de vibración deben asegurarse a la plancha de montaje con tornillos tipo J o L puestos en la plancha de concreto. El posicionamiento de tornillos “vaciados” es problemático, puesto que aún pequeños errores de ubicación pueden causar lentas reperforaciones en el patín. Algunos diseños de generador permiten el uso de tornillos de anclaje. Estos requerirán cuidadoso marcaje de los puntos basados en los puntos de montaje reales del generador y sus aisladores. La plancha del generador debe ser plana y a nivel para permitir el correcto montaje y ajuste del sistema de aislamiento de vibración. Verifique que la plancha de montaje este a nivel a lo largo, a lo ancho y diagonalmente. Durmientes: Como forma alternativa, el generador se puede montar en durmientes de concreto orientados a lo largo del generador. Esto permite el fácil posicionamiento de una charola de derrames debajo del generador y da más lugar para dar servicio al generador. Los durmientes deben estar sujetos físicamente al piso. Cimiento Aislante de Vibración En aplicaciones donde la transmisión de vibración al edificio es altamente crítica, se podría requerir el montaje del generador en un cimiento aislante de vibración. En este caso, se hacen necesarias consideraciones adicionales. La Figura 6-2 ilustra un típico cimiento aislante de vibración. • El peso (W) del cimiento debe ser de cuando menos 2 veces (y hasta de 5-10 veces) el peso del generador para resistir las cargas dinámicas (el peso del combustible en un tanque sub -base no debe considerarse en el peso de un cimiento aislador de vibración aún que los aisladores están entre el tanque y el generador). 1 Se puede encontrar información detallada de los productos Cummins Power Generation en Cummins Power Suite, o se puede obtener de cualquier distribuidor autorizado. 6 DISEÑO MECANICO 79 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • El cimiento debe extenderse cuando menos 6 pulg. (150 mm) más allá del patín en todos los lados. Esto determina la longitud (l) y el ancho (w) del cimiento. • El cimiento debe extenderse cuando menos 6 pulg. (150 mm) sobre el piso para facilitar e servicio y mantenimiento del generador. • El cimiento debe extenderse por debajo la línea de congelamiento para prevenir tirones. • El cimiento debe ser de concreto reforzado con una fuerza compresiva de 28 días de cuando menos 2500 psi (17,200 kPa). • Calcule la altura (h) del cimiento necesario para obtener el peso necesario (W) usando la siguiente formula: 6 DISEÑO MECANICO Donde: h= Altura del cimiento en pies (metros) l= Longitud del cimiento en pies (metros) w= Ancho del cimiento en pies (metros) 3 d= Densidad del concreto – 145 lbs/f (2322 3 kg/m ) W= Peso total del generador en lbs (kg) 80 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • El peso total del generador, refrigerante, combustible y cimiento generalmente resulta en una carga de suelo (SBL) de menos de 2 2 2000 lbs/ft (9800 kg/m ) psi (96 kPa). Aunque esto esta dentro de la capacidad de carga de la mayoría de los suelos, encuentre siempre la SBL chocando el código local y el reporte de análisis de suelo del edificio. Recuerde incluir el peso del refrigerante, lubricante y combustible (si aplica) al hacer este cálculo. Calcule el SBL usando la siguiente formula: Ejemplos de cálculos (unidades de E.U.A.): Un generador de 500 kW pesa aproximadamente 10,000 libras (4540 kg) húmedo (esto es, que incluye refrigerante y lubricantes). Las dimensiones del patín son 10 pies (3 metros) de largo y 3.4 pies (1 metro) de ancho l= 10+ (2 x 0.5) = 11 pies w0 3.4 + (2 x 0.5) = 4.4 pies Peso del cimiento 0 2 x 10000 = 20000 lbs Peso total = generador + cimiento = 10000 + 20000 0 30000 lbs Aisladores de Vibración El motor y alternador de un generador deben estar aislados de la estructura de montaje donde se instalan. Algunos generadores, particularmente los modelos de menor kW, utilizan aisladores de vibración de hule/neopreno insertados en la máquina entre el motor/alternador y el patín 2. El patín de estos generadores generalmente se puede montar directamente al cimiento, piso o subestructura. Otros generadores pueden tener un diseño que tenga el motor/alternador montado sólidamente en el patín. Los generadores que no incluyen aisladores de vibración se debe instalar usando equipo de aislamiento de vibración tales como aisladores de almohadilla, res orte o aire. NOTA: El atornillar un generador que no incluye aisladores directamente al cimiento o piso resultará en ruido y vibraciones excesivas, y posibles daños al generador, el piso y otros equipos. Las vibraciones también se pueden transmitir a través de la estructura del edificio y dañarla. Aisladores de Almohadilla: Los aisladores de almohadilla están hechos de capas de materiales flexibles diseñados para amortiguar los niveles de vibración en aplicaciones no críticas, tales como las de generadores montados en su propia caseta de exteriores, o donde se usan aisladores integrados en el generador. Los aisladores de almohadilla varían en su efectividad, pero son aproximadamente 75% eficientes. Dependiendo de su construcción, también pueden variar en efectividad con la temperatura, puesto que las bajas temperaturas afectan la flexibilidad del medio de hule haciéndolo mucho menos flexible. Aisladores de Resorte: La Figura 6-3 ilustra un aislador de resorte de acero del tipo requerido para montar generadores que no incluyen aisladores integrados. Se muestran la almohadilla inferior de hule, el cuerpo del aislador, los tornillos de anclaje, resorte de soporte, tornillo de ajuste y tuerca de bloqueo. Estos aisladores de resorte de acero pueden amortiguar hasta 98% de la energía vibratoria producida por el generador. Ubique los aisladores como se muestra en la documentación del fabricante del generador. Puede ser que los aisladores no estén ubicados simétricamente alrededor del motor, porque se requiere que estén ubicados considerando el centro de gravedad de la máquina. El número de aisladores que se requieran varía con los rangos de los aisladores y el peso del generador. Vea la Figura 6-4 . Cuando la máquina se monta en un tanque de combustible sub-base, el tipo de aisladores de vibración requeridos para proteger el tanque subbase depende de la estructura de éste y el nivel de fuerza de vibración creado por la máquina. Si se instala aisladores de hule entre el motor/alternador y el patín, generalmente no se requiere aislamiento adicional entre la máquina y el tanque sub -base. Sin embargo, la frecuencia 2 Los generadores de 200/175 kW y más pequeños de Cummins Power Generation tienen aisladores de vibración de hule ubicados entre el patín y el motor - el conjunto generador/alternador no requiere el uso de aisladores de vibración externos para la mayoría de aplicaciones. 6 DISEÑO MECANICO 81 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación natural del tanque sub-base en los puntos de fijación al generador debe ser de 200 Hz o más. Si el motor/alternador está fijado sólidamente al patín, se necesita aislamiento de vibración entre 6 DISEÑO MECANICO el patín y el tanque sub -base, y aislar adecuadamente el edificio de la vibración. En todos los casos, siga las recomendaciones del fabricante para la combinación específica de generador y sub -base. 82 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Los aisladores de vibración de resorte deben seleccionarse e instalarse correctamente para producir aislamiento efectivo. El peso del generador debe comprimir el aislador lo suficiente para permitir libertad de movimiento sin llegar hasta el tope durante la operación. Esto se logra seleccionando los aisladores y su número basándose en el rango de los aisladores y el El aislador debe estar anclado positivamente a la plancha de montaje usando tornillos J o L o tronillos de anclaje en concreto. Aisladores de Aire: Un aislador de aire, (o resorte de aire) es una columna de gas confinada en un contenedor diseñado para utilizar la presión del gas como el medio de fuerza del resorte. Los aisladores de aire pueden proveer una frecuencia natural menor que la que se puede lograr con hule, y con diseños especiales, más baja que con resortes de acero. Proveen capacidad de ajuste ajustando la presión de gas en el resorte. Los aisladores de aire requieren más mantenimiento, y las limitaciones de temperatura son más restrictivas que para resortes helicoidales. La dureza de los aisladores de aire varía con la presión del gas, y no se mantiene constante como la dureza de los otros aisladores. Como resultado, la frecuencia natural no cambia con la carga en el mismo grado que con otros métodos de aislamiento. Una falla del sistema de suministro de aire o una fuga pueden causar la falla total de los aisladores. El amortiguamiento de los aisladores de aire es generalmente bajo con una relación de amortiguación de 0.05 o menos. Este amortiguamiento es provisto por la flexión en el diafragma o pared por fricción o por amortiguamiento en el gas. Incorporar resistencia al flujo capilar (aumentar un orificio al flujo) puede incrementar el amortiguamiento entre el cilindro del aislador de aire y los tanques de contención. Aisladores Usados en Ubicaciones Sísmicas: Se deben considerar factores adicionales para equipos instalados en áreas sísmicas Además de el papel típico de proteger al edificio o al equipo de las vibraciones de la máquina, durante un evento sísmico, los aisladores de vibración deben también asegurar que el equipo se mantenga anclado y que no se libere de la estructura a la que está sujeto. En áreas sísmicas, a menudos e usan aisladores de vibración entre la base del generador y la estructura a la que está sujeto. El aislador sísmico debe estar cautivo, lo que significa que restringen al generador de movimiento excesivo y deben ser lo suficientemente fuertes para resistir las fuerzas sísmicas. Los aisladores de vibración apropiados para usarse en estas aplicaciones están disponibles en tipos de hule y de resorte. Los aisladores de vibración, si se instalan entre el motor/alternador y el patín, deben también asegurar adecuadamente estos dos conjuntos. Normalmente este tipo de aisladores son de hule sintético peso total del generador y deben ser de diseño “cautivo” para asegurar el equipo adecuadamente. Se debe consultar al fabricante o proveedor del equipo para determinar la adaptación a la aplicación especifica. Donde sea que los eventos sísmicos sean una consideración importante, se debe consultar a un ingeniero estructural calificado. Resistencia a los Terremotos Los generadores de Cummins Power Generation, cuando se montan y se fijan de la forma correcta, son apropiados para su aplicación en regiones reconocidas como de riesgo sísmico. Se deben hacer consideraciones especiales de diseño de de montaje y anclaje de equipos de la masa típica de un generador. El peso del generador, su centro de gravedad y ubicaciones de montaje, está indicados en los dibujos de generador de Cummins Power Generation. Los componentes como las líneas de distribución para la electricida d, refrigerante y combustible deben diseñarse para recibir el menor daño y para facilitar las reparaciones en caso de un terremoto. Los interruptores de transferencia, paneles de distribución, breakers de circuito y controles asociados para aplicaciones críticas 3 deben ser capaces de llevar a cabo sus funciones durante los shocks sísmicos anticipados, así que se deben considerar provisiones de montaje y conexión específicas. 3 NOTA DE CODIGO DE E.U.A.: NFPA 110 requiere estas características para sistemas de Nivel 1 y 2. 6 DISEÑO MECANICO 83 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Alivio de Tensión en Cableado de Potencia y Control El cableado de potencia y especialmente el cableado de control, debe instalarse soportado a la estructura mecánica del generador y no a las conexiones físicas o terminales. Se deben tomar provisones de alivio de tensión, junto con el uso de cableado de control trenzado, en lugar de alambre de un solo hilo sólido para ayudar a prevenir la falla del cableado y sus conexiones debido a la vibración. Vea Conexiones Eléctricas en Diseño Eléctrico. Sistema de Escape Guías Generales para el Sistema de Escape debe estar diseñado para minimizar la retropresión en el motor. La restricción excesiva resultará en consumo excesivo de combustible, temperatura de sistema de escape anormalmente alta y fallas relacionadas a la alta temperatura del escape así como humo negro. Vea las Figuras 6-5 y 6-6. Los diseños de sistema de escape deben considerar lo siguiente: • Se puede usar tubo de hierro negro de grado 40 para tubería de escape. Otros materiales que se aceptan incluyen los sistemas prefabricados de acero inoxidable La función del sistema de escape es llevar con seguridad el escape del motor hacia fuera del edificio y dispersar los gases, hollín y ruido lejos de la gente y los edificios. El sistema de escape 6 DISEÑO MECANICO 84 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • Se debe conectar tubo flexible corrugado de acero inoxidable sin costura, de cuando menos 24 pulg. (610 mm) de largo, a las salidas de escape del motor para permitir la expansión térmica y el movimiento y vibración del generador cuando el generador está montado en aisladores de vibración. Los generadores más pequeños con aisladores de vibración integrados que se montan directamente al piso deben ser conectados con tubo flexible corrugado de acero inoxidable sin costura, de cuando menos 18 pulg. (457 mm) de largo. El tubo de escape flexible no se debe usar para formar curvas o compensar tubo de escape incorrectamente alineado. • Se puede proveer a los generadores con conexiones de tubo de escape de rosca, de ensamble con abrazadera o de herraje. Las conexiones de rosca y de herraje son menos propensas a las fugas, pero más costosas de instalar. 6 DISEÑO MECANICO • La tubería de escape debe ser soportada por soportes o colgantes no combustibles, NO por la salida del escape del motor. El peso en la salida de escape del motor puede causar daños al múltiple de escape u reducir la vida del turbocargador (cuando se usa). Y puede causar que la vibración del generador se transmita a la estructura del edificio. El uso de monturas con aisladores limita aún más la vibración que se transmite a la estructura del edificio. • Para reducir la corrosión debido a la condensación, se debe instalar un silenciador lo más cerca del motor que sea prácticamente posible para que se caliente rápidamente. Ubicar el silenciador cerca del motor también mejora la atenuación del silenciador. Los radios de doblez del tubo deben ser tan largos como sea práctico. 85 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • La tubería de escape debe ser del mismo diámetro nominal (o más grande) que la salida del escape del motor a lo largo de toda la corrida de esta. Verifique que la tubería es del diámetro suficiente para limitar la retropresión a un valor que esté dentro del rango especificado para el motor usado. (los diferentes motores tienen diferentes tamaños de salidas de escape y diferentes limitaciones 4 de retro-presión ). Nunca se debe usar tubo más pequeño que la salida de escape del motor. El tubo que es más largo que lo necesario está más sujeto a la corrosión debido a la condensación que un tubo más pequeño. La tubería que es demasiado grande también reduce la velocidad de los gases disponible para dispersar los gases hacia las corrientes de aire externas. • Todos los componentes del sistema de escape del motor deben incluir barreras para prevenir contactos accidentales peligrosos. La tubería de escape y los silenciadores deben estar aislados térmicamente para prevenir quemaduras accidentales, prevenir la activación de sistemas contra incendio, reducir la corrosión por condensación, y reducir la cantidad de calor irradiada al cuarto del generador. Nunca se deben aislar las juntas de expansión, los múltiples de escape, y los turbocargadores a menos que sean enfriados por agua. Aislar los múltiples de escape y los turbocargadores puede resultar en temperaturas de materiales que pueden destruir estos componentes, particularmente en aplicaciones donde el motor funcionará durante muchas horas. Conducir la tubería de escape a cuando menos 8 pies (2.3 metros) del suelo también ayudara a evitar contactos accidentales con el sistema de escape. • La tubería del sistema de escape debe conducirse a cuando menos 9 pulg. (230 mm) de construcciones combustibles. Use ojillos aprobados donde el sistema de escape deba pasar por muros o techos combustibles. (Figuras 6-7 y 6 -8). • También se debe considerar cuidadosamente la dirección de la salida del escape. El escape nunca debe dirigirse hacia le techo de un edificio o hacia superficies combustibles. El escape de un motor diesel es caliente y tiene hollín y otros contaminantes que pueden adherirse a las superficies circundantes. 4 El tamaño del escape y otros datos para generadores en específico se describen en Cummins Power Suite. 6 DISEÑO MECANICO • Ubique y dirija la salida del escape lejos de las entradas de ventilación. • Si el ruido es un factor, dirija la salida lejos de ubicaciones críticas. • El tubo de escape de acero se expande aproximadamente 0.0076 pulg. por pie de tubo por cada incremento de 100°F de temperatura en el gas de escape sobre la temperatura ambiente (1.14 mm por metro de tubo por cada 100°C de incremento). Se requiere que se usan juntas de expansión en tramos largos y rectos de tubería. Debe haber juntas de expansión en cada punto donde la tubería cambie de dirección. El sistema de escape debe estar soportado para que la expansión se aleje del generador. Las temperaturas de escape las suministra el fabricante del motor o generador para el motor usado específicamente 5. 5 Los datos de gas de escape para los productos Cummins Power Generation están disponibles en Power Suite. 86 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • Las corridas horizontales de tubería de escape deben estar inclinadas hacia abajo, lejos del motor hacia el exterior o hacia una trampa de condensación. • Se deben instalar una trampa de condensación y un tapón donde la tubería da la vuelta hacia arriba. Las trampas de condensación también deben tener u silenciador. Los procedimientos de mantenimiento para el generador deben incluir también el drenado re gular de las trampas de condensación del sistema de escape. • Se deben tomar provisiones para evitar la entrada de la lluvia al sistema de escape de un motor que no está operando. Estas pueden incluir una cubierta de lluvia o una trampa de escape (Figura 6-9 y 6 -1 0) en salidas verticales. Las salidas horizontales deben cortarse en ángulo y protegerse con malla. Las cubiertas de lluvia se pueden congelar en climas fríos, deshabilitando el motor, así que otros dispositivos de protección deben usarse para esas situaciones. • Un generador no debe estar conectado a un sistema de escape que otro generador usa. El hollín, condensados corrosivos y la alta temperatura del gas de escape pueden dañar al equipo que no opera si se usa un escape común. • La retro-presión no debe exceder la especificación del fabricante6. La retro6 La información de retro-presión de los generadores Cummins Power Generation se puede encontrar en Cummins Power Suite o se puede obtener de un distribuidor autorizado Cummins. 6 DISEÑO MECANICO presión excesiva reduce la potencia y vida del motor y puede generar altas temperaturas de escape y humo. La retro-presión de escape debe estimarse antes de que el se finalice diseño de la ruta de la tubería, y se debe medir en la salida del escape en operación de carga total antes de que el generador se ponga en servicio. • Vea Desempeño del Silenciador de Escape en esta sección para información acerca de los silenciadores y los diferentes criterios para la selección de estos dispositivos. ADVERTENCIA: El escape del motor contiene hollín y monóxido de carbono, un gas tóxico invisible y sin olor. El sistema de escape debe terminar afuera del edificio en una ubicación donde el humo del escape se disperse lejos de los edificios y las entradas de aire de estos. Se recomienda ampliamente que el gas de escape se lleve lo más alto que sea práctico en el lado de los edificios donde el viento predominante sopla alejándose de ellos, para descargar hacia arriba para maximizar la dispersión. El escape también debe descargar del lado del edificio donde se descarga del aire del radiador para reducir la probabilidad de que los gases de escape y el hollín sean succionados al cuarto del generador con el aire de ventilación. NOTA: Algunos códigos especifican que la salida del escape termine cuando menos a 10 pies (3 metros) de los limites de propiedad, 3 pies (1 metro) de una pared o techo exteriores, 10pies (3 metros) de aberturas de edificio y cuando menos 10 pies (3 metros) arriba del punto mas alto del techo. 87 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO 88 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Cálculos del Sistema de Escape de silenciadores de escape. Para cálculos más precisos obtenga datos del fabricante del silenciador. Para usar la Figura 6-12: a) Encuentre el área de sección transversal de la entrada de del silenciador usando 2 la Tabla 6-1 (0.1963 ft en este ejemplo). b) Encuentre el rango de flujo de escape del 7 fabricante del motor . Par a este ejemplo se dan 2715 cfm. c) Calcule la velocidad del gas de escape en pies por minuto (fpm) dividiendo el flujo (cfm) entre el área de la entrada del silenciador como sigue: Ejemplo de Cálculo de Retro-presión de Escape: La forma del sistema de escape en la Figura 611 especifica un tubo flexible de 5 pulg (125 mm) de diámetro y de 24 pulg (610 mm) de largo en la salida de escape del motor, un silenciador de grado crítico con una entrada de 6 pulg (150 mm), 20 pies (6.10 m) de tubo de 6 pulg (150 mm) y un codo de 6 pulg (150 mm) de radio amplio. La hoja de especificaciones del generador indica que el flujo de gas de escape del motor es de 2,715 cfm (pies cúbicos por 3 minuto) (76.9 m /min), y que el la retro -presión máxima permisible es de 41 pulg (1040) WC (columna de agua). d) Usando la Figura 6-12, determine la retro-presión causada por este flujo en el silenciador especificado. En este ejemplo, las líneas punteadas en la Figura 6-12 muestran que el silenciador de grado crítico causará una retro-presión de aproximadamente 21.5 pulg WC. Este procedimiento involucra determinar la retropresión del escape producida por cada elemento (tubo flexible, silenciador, codos y tubos), y comparar la suma de las retro-presiones con la máxima retro-presión permisible. 1. Determine la retro-presión del escape causada por el silenciador. La Figura 6-12 es una gráfica de las retro-presiones típicas 7 Los datos de escape de los productos Cummins Power Generation están en Cummins Power Suite. 6 DISEÑO MECANICO 89 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 2. Encuentre las longitudes equivalentes de todas las conexiones y de las secciones de tubo flexible usando la Tabla 6-2 . 1) 24 pulg de tubo flexible 4ft 2) 6 pulg de codo de radio amplio 11ft 3) 20 pies de tubo de 6 pulg 20ft 3. Encuentre la retro-presión en la longitud de tubo por unidad del flujo dado de escape por cada diámetro nominal usado en el sistema. En este ejemplo se usan tubos de 5 y 6 pulg nominales. El seguir las líneas punteadas de la Figura 6-13, el tubo de 5 pulg causa una retro-presión de aproximadamente 0.34 pulg WC por pie y el de 6 pulg de aproximadamente 0.138 pulg de WC por pie. 4. Sume el total de las retro-presiones para todos los elementos como sigue: 6 DISEÑO MECANICO 1) tubo flexible de 5 pulg (4 x 0.34) 1.4 2) codo de radio amplio (11 x 0.138 1.5 3) 20 pies de tubo de 6 pulg (20 x 0.138) 2.8 4) silenciador 21.5 Restricción Total (pulg WC) 27.2 El Cálculo indica que la forma del tubo es adecuada en términos de retro-presión de escape ya que la suma de las retro-presiones es menor que la retro-presión máxima permisible de 41 pulg WC. NOTA: En motores con dos escapes, el flujo de escape, como se lista en las hojas de especificación de Cummins Power Generation es el total del flujo de los dos bancos. El valor listado debe dividirse entre 2 para el cálculo correcto de de los sistemas de doble escape. 90 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO 91 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO 92 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 8 Enfriamiento del Motor detalles de requerimientos . Vea la Figura 614 para una representación esquemática de las líneas de enfriamiento y ventilación de un motor típico. • Se usa un termostato en el motor para permitir que el motor se caliente y para regular la temperatura del motor en el lado “caliente” del sistema de enfriamiento. • El diseño del sistema de enfriamiento debe tener en cuenta la expans ión del volumen del refrigerante al incrementarse la temperatura del motor. Se requiere provisión de expansión de refrigerante de 6% sobre el volumen normal. • El sistema debe estar diseñado para siempre haya un tanto positivo en la bomba de refrigerante del motor. • Los flujos apropiados para el enfriamiento dependen de minimizar la estática y la fricción en la bomba de refrigerante. El generador no se enfriará apropiadamente si se exceden las limitaciones de estática y fricción de la bomba de refrigerante. Consulte al fabricante del motor para la información acerca de estos factores en el generador seleccionado. Vea Cálculos del Tamaño de la Tubería de Enfriamiento en esta sección para las instrucciones específicas en la definición de los tamaños de la tubería de refrigerante y el cálculo de la estática y fricción. • Los sistemas de enfriamiento deben estar provistos con un drenado y aislamiento para permitir el servicio y reparación del motor. Vea los dibujos de ejemplo para la ubicación de drenados y válvulas típicamente usadas en diferentes aplicaciones. Los motores enfriados por líquido son enfriados al bombear una mezcla de refrigerante a través de pasajes en el bloque del motor y la(s) cabeza(s) por medio de una bomba impulsada por el motor. La configuración más común de generado r tiene un radiador y un ventilador impulsado por el motor para enfriar el refrigerante y ventilar el cuarto del generador. Los métodos alternativos para enfriar el refrigerante incluyen intercambiadores de calor líquido-líquido montados en el patín, radiador remoto, un intercambiador de calor líquidolíquido remoto y configuraciones de torre de enfriamiento. Los sistemas de enfriamiento para los generadores impulsados por motores reciprocantes tienen las siguientes características comunes, independientem ente del intercambiador de calor usado para remover el calor del motor. Estas incluyen: • La porción del motor del sistema de enfriamiento es un sistema cerrado, presurizado (10–14 psi/69.0 – 96.6 kPa) que se llena con una mezcla de agua suave (desmineralizad a) limpia, glicol etileno o propileno y otros aditivos. Los motores no deben ser enfriados directamente por agua sin tratar, puesto que esto causará corrosión en el motor y enfriado potencialmente incorrecto. El lado “frío” del sistema de enfriamiento se puede servir de un radiador, intercambiador de calor o torre de enfriamiento. • El sistema de enfriamiento del motor debe ser del tamaño apropiado para el ambiente y los componentes seleccionados. Típicamente, la temperatura del tanque superior del sistema (temperatura a la entrada del motor) no excederá 200°F (104°C) para aplicaciones de emergencia y 200°F (93°C) para instalaciones de potencia primaria. • El sistema de enfriamiento debe incluir deaereación y ventilación para prevenir el formado de aire en el motor debido al flujo turbulento del refrigerante, y permitir el llenado apropiado del sistema de enfriamiento. Esto significa que, además de las conexiones principales de entrada y salida de refrigerante, probablemente deba haber cuando menos un juego de líneas de ventilación en lo “alto” del sistema de enfriamiento. Consulte las recomendaciones del fabricante del motor en uso para los 6 DISEÑO MECANICO Radiador Montado en el Patín Un generador con radiador montado en el patín, (Figura 6-15) es un sistema integral de ventilación y enfriamiento montado en el patín. Se considera que un sistema de enfriamiento montado en el patín , es el sistema de enfriamiento más confiable y económico para generadores porque requiere la menor cantidad de equipo auxiliar, tubería, cableado de control, refrigerante y minimiza el trabajo que se tiene que hacer en el sitio en el sistema de refrigerante. El ventilador del radiador es generalmente impulsado mecánicamente por el motor, simplificando el diseño. Los ventiladores eléctricos se usan en algunas aplicaciones para permitir un control más conveniente, basándose en la temperatura del refrigerante. Esto es particularmente útil en climas severamente fríos. 8 Los requerimientos para el ventilado y de-aereación de los motores Cummins se encuentran en los documentos Cummins AEB. 93 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO 94 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Puesto que el fabricante del motor generalmente diseña sistemas montados en el patín, el sistema se puede probar para verificar el desempeño del mismo en un ambiente de laboratorio. Un ambiente de laboratorio controlado e instrumentado es útil en la verificación del desempeño del sistema de enfriamiento. A menudo, las limitaciones físicas en el sito del proyecto pueden limitar la precisión o lo práctico de las pruebas de verificación del diseño. La mayor desventaja del radiador montado en el patín es el requerimiento de mover un volumen relativamente grande de aire a través del cuarto del generador, puesto que el flujo de aire a través del cuarto debe ser suficiente para evacuar el calor radiado por el motor y para remover el calor del refrigerante del motor. Vea Ventilación en esta sección para detalles de diseño de ventilación y cálculos relacionados al sistema de ventilación. El ventilador del motor a menudo proporcionará suficiente ventilación para el cuarto de equipo, eliminando la necesidad de otros dispositivos y sistemas. Radiador Remoto Los sistemas de radiador remoto se usan a menudo cuando no se puede proveer de suficiente aire de ventilación para el sistema de enfriamiento montado en el patín. Los radiadores remotos no eliminan la necesidad de ventilación para el cuarto del generador, pero si la reducen. Si se requiere un sistema de enfriamiento de radiador remoto, el primer paso es determinar qué tipo de sistema remoto se requiere. Esto se determinara por el cálculo de de la estática y fricción que se aplicará al motor basado en su ubicación física. Si los cálculos revelan que el generador seleccionado para la aplicación se puede conectar a un radiador remoto sin exceder sus limitaciones de estática y fricción, se puede usar un radiador remoto simple. Ver Figura 6-16. Si se excede la fricción, pero a l estática no, se puede usar un sistema de radiador remoto con una bomba auxiliar de refrigerante. Vea la Figura 6-14 y Radiador Remoto con Bomba Auxiliar de Refrigerante en esta sección. Si se exceden las limitaciones de estática y fricción del motor, se necesita un sistema aislado de enfriamiento para el motor. Esto puede incluir un radiador remoto con un pozo caliente, o un sistema basado en un intercambiador de calor líquido-líquido. Cual sea el sistema que se use, la aplicación de un radiador remoto para enfriar el motor requiere un cuidadoso diseño. En general todas las recomendaciones para radiadores montados en el patín aplican para los radiadores remotos también. Para cualquier tipo de sistema de radiador remoto considere lo siguiente: • Se recomienda que el radiador y ventilador sean de un tamaño basado en una temperatura máxima de tanque superior de 200°F (93°C) y una capacidad de enfriamiento de 115% para permitir la suciedad. La temperatura mas baja del tanque superior compensa la pérdida de calor de la salida del motor al tanque superior del radiador remoto. Consulte al fabricante del motor para información en el calor rechazado al refrigerante por el motor y los rangos de flujo 9 de enfriamiento . • El tanque superior del radiador o un tanque auxiliar se deben ubicar en el punto más alto del sistema de enfriamiento. Debe estar equipado con: una tapa de llenado/presión apropiada, una línea de llenado al punto mas bajo del sistema (para que el sistema se pueda llenar de abajo hacia arriba), y una línea de ventilación del motor que no tenga puntos bajos o trampas (los puntos bajos y los “loops” por arriba pueden almacenar refrigerante y no permitir que el aire escape cuando se esta llenando el sistema. Los medios para llenar el sistema también deben estar en la parte más alta del mismo, y la alarma de nivel bajo de refrigerante se debe instalar ahí. • La capacidad del tanque superior del radiador o el tanque auxiliar deben ser equivalentes a cuando menos 17% del volumen de refrigerante en el sistema para dar una capacidad de m “ erma” (11%) y espacio para expansión térmica (6%). La capacidad de merma es el volumen de refrigerante que se puede perder por fallas no detectadas en el sistema y el soltado normal del tapón de presión antes de que se succione aire a la bomba de refrigerante. El espacio para expansión térmica se crea por el cuello de llenado cuando se está llenando un sistema frío. Ver Figura 6-14. 9 La información de los productos de Cummins Power Generation se suministra en Cummins Power Suite. 6 DISEÑO MECANICO 95 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO 96 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • Para reducir el tupido de las aletas del radiador, para climas muy sucios se deben considerar radiadores que tengan mayor espacio entre aletas (9 o menos por pulg). • La fricción externa de refrigerante (pérdida de presión debido a tubería, conexiones, y fricción de radiador) y la estática de refrigerante (altura de la columna de líquido medida desde la línea central del cigüeñal) no deben exceder los limites máximos recomendados por el 10 fabricante del motor . Vea los ejemplos de cálculos en esta sección para el método de calcular la fricción del refrigerante. Si no se puede encontrar una configuración de sistema que permita que el motor opere dentro de los límites de estática y fricción, se debe usar otro método de enfriamiento. NOTA: La excesiva estática de refrigerante (presión) puede causar que el sello del eje de la bomba de refrigerante fugue. La excesiva fricción de refrigerante (pérdida de presión) resultará en enfriado insuficiente del motor. • Se debe usar manguera de radiador de 6 -8 pulg (152-457 mm) de largo, que cumpla con SAE20R1 o de un estándar equivalente, para conectar la tubería de refrigerante al motor para absorber la vibración y el movimiento del motor. • Se recomienda ampliamente que las mangueras del radiador estén sujetas con 2 abrazaderas de presión constante de primera calidad en cada lado para reducir el riesgo de presión repentina de refrigerante debido a la desconexión de una manguera bajo presión. Se puede generar un daño mayor si el motor se hace funcionar sin refrigerante en el bloque por solo unos cuantos segundos. • Se debe instalar una válvula de drenado en la parte más baja del sistema. • Se recomiendan válvulas de bola o de compuerta (las de globo son muy restrictivas) para aislar el motor para que no se tenga que vaciar todo el sistema para dar servicio al motor. • Recuerde que el generador debe impulsar los accesorios eléctricos tales como el ventilador remoto, ventiladores de cuarto, bombas de refrigerante y otros requeridos para la operación en aplicaciones de enfriamiento remoto. Así que la capacidad kW ganada por no impulsar el ventilador mecánico es generalmente consumida por la adición de los dispositivos eléctricos necesarios en el sistema remoto. Recuerde agregar estas cargas 10 eléctricas al requerimiento total de carga del generador. • Vea las Guías Generales de Ventilación y Aplicaciones Remotas de Intercambiador de Calor y Radiador, ambas en esta sección, para lo relacionado a la ventilación del cuarto cuando se usa enfriamiento remoto. Sistema de Radiador Aereación Remoto de tipo De- Se debe proveer un tanque superior de radiador o tanque auxiliar de tipo de de-aereación (también llamado tanque superior sellado). En este sistema una porción del flujo de refrigerante (aproximadamente 5%) es dirigido ala tan que superior del radiador, sobre la placa superior. Esto permite que el aire atrapado en el refrigerante se separe de este antes que regrese al sistema. Considere lo siguiente: • Las líneas de ventilación del radiador y motor deben subir sin ningún punto bajo o trampas que atrapen refrigerante y prevengan que el aire escape cuando el sistema se esté llenando. Se recomienda tubo de acero o poliestireno rígido para tramos largos, especialmente si son horizontales, para eliminar las caídas entre los soportes. • La línea de llenado debe también subir sin puntos bajos desde la parte más baja del sistema de tubería hasta la conexión en el tanque superior del radiador o el tanque auxiliar. No debe tener ningún otro tubo conectado. Este arreglo permite que e sistema se llene de abajo hacia arriba sin atrapar aire y dar la falsa indicación de que el sistema está lleno. Con las conexiones de ventilación y llenado apropiadas, debe ser posible llenar el sistema un rango de 5 gpm (19 l/min) (el rango aproximado de flujo de una manguera de jardín). Radiador Remoto con Bomba Auxiliar de Refrigerante Se puede usar un radiador remoto con una bomba auxiliar de refrigerante (Figura 6-17) si la fricción del refrigerante excede el valor máximo recomendado por el fabricante, y la estática está dentro de especificación. Además de las consideraciones de Radiadores Remotos, considere lo siguiente: Los datos para motores Cummins están en Power Suite 6 DISEÑO MECANICO 97 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • Se debe tener una bomba de refrigerante de tamaño correcto para el flujo de refrigerante recomendado por el fabricante del motor que desarrolle la suficiente presión para sobreponerse a la excesiva fricción del refrigerante calculada por el método mostrado en el ejemplo anterior. NOTA: Un pie de cabeza de bomba (datos del fabricante de la bomba) es equivalente a 0.43 6 DISEÑO MECANICO PSI de fricción de refrigerante (perdida de presión) o a un pie de estática de refrigerante (columna de altura de líquido). • Se debe instalar una válvula de sobrepaso de com puerta (las de globo son muy restrictivas) en paralelo con la bomba auxiliar, por las siguientes razones: -para permitir el ajuste de la cabeza desarrollada por la bomba auxiliar (la 98 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación válvula se abre parcialmente para recircular algo del flujo de regreso a través de la bomba). -para permitir la operación del generador bajo carga parcial si la bomba auxiliar falla (la válvula se abre totalmente). • La presión del refrigerante en la entrada de la bomba de refrigerante del motor, medida mientras el motor esta funcionando a velocidad de rango no debe exceder la estática máxima permitida mostrada en las hojas de especificación del generador. También, para sistema de enfriamiento de tipo de deaereación (generadores de 230/200 kW y mas), la cabeza de la bomba auxiliar no debe forzar refrigerante por la línea hacia el tanque superior del radiador o tanque auxiliar. En cualquier caso, la válvula de sobrepaso de la bomba debe ajustarse para reducir la cabeza de la bomba a un nivel aceptable. • Puesto que el motor del generador no tiene que mover un ventilador para el radiador, talvez haya capacidad kW adicional en el generador. Para obtener la potencia neta disponible del generador, sume la carga de generador indicada en la hoja de datos del generador al rango de potencia del generador. Recuerde que el generador debe impulsar los accesorios eléctricos tales como el ventilador remoto, ventiladores de cuarto, bombas de refrigerante y otros requeridos para la operación en aplicaciones de enfriamiento remoto. Así que la capacidad kW ganada por no impulsar el ventilador mecánico es generalmente consumida por la adición de los dispositivos eléctricos necesarios en el sistema remoto. Radiador Remoto con Pozo Caliente Se puede usar un radiador remoto con un pozo caliente (Figura 6-18) si la elevación del radiador sobre la línea central del cigüeñal excede la estática de refrigerante permitida recomendada en las hojas de especificación del generador. En un sistema de pozo caliente, la bomba de refrigerante del motor circula el refrigerante entre el motor y el pozo caliente y una bomba auxiliar circula el refrigerante entre el pozo y el radiador. Un sistema de pozo caliente requiere de cuidadoso diseño. Además de las consideraciones de Radiador Remoto, considere lo siguiente: 6 DISEÑO MECANICO • El fondo del pozo caliente debe estar sobre la salida de refrigerante del motor. • El flujo de refrigerante a través del circuito de pozo/radiador debe ser aproximadamente el mismo que el flujo en el motor. El radiador y la bomba auxiliar deben tener el tamaño correcto para esto. La cabeza de la bomba debe ser lo suficiente para sobreponerse al la suma de la estática y fricción del circuito pozo/radiador. NOTA: Un pie de cabeza de bomba (datos del fabricante de la bomba) es equivalente a 0.43 PSI de fricción de refrigerante (perdida de presión) o a un pie de estática de refrigerante (columna de altura de líquido). • La capacidad de contención de líquido del pozo caliente no debe ser menor que la suma de los siguientes volúmenes: -0.25 del volumen de refrigerante bombeado por minuto a través del motor (por ejemplo, 25 galones si el flujo es de 100 gpm) (100 litros si el flujo es de 400 l/min), mas 0.25 del volumen de refrigerante bombeado por minuto a través del radiador (por ejemplo, 25 galones si el flujo es de 100 gpm) (100 litros si el flujo es de 400 l/min), mas -el volumen requerido para llenar el radiador y la tubería, mas 5% del total del volumen del sistema para expansión térmica. • Se requiere cuidadoso diseño de las conexiones de entrada y salida y de las barreras para minimizar la turbulencia del refrigerante, permitir la libre de-aereación y maximizar el mezclado de los flujos de refrigerante del radiador y motor. • El refrigerante debe ser bombeado al tanque inferior del radiador y retornado del tanque superior, de otra forma la bomba no podrá llenar el radiador completamente. • La bomba auxiliar debe estar más abajo que el nivel bajo de refrigerante en el pozo caliente para que siempre esté purgada. • El radiador debe tener una válvula check de alivio de vacío para permitir la caída al pozo caliente. • El pozo caliente debe tener un tapón de respiración de alto volumen para que permita que el nivel de refrigerante baje al llenarse la tubería y el radiador con la bomba auxiliar. 99 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO 100 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • Recuerde que el generador debe impulsar los accesorios eléctricos tales como el ventilador remoto, ventiladores de cuarto, bombas de refrigerante y otros requeridos para la operación en aplicaciones de enfriamiento remoto. Así que la capacidad kW ganada por no impulsar el ventilador mecánico es generalmente consumida por la adición de los dispositivos eléctricos necesarios en el sistema remoto. Recuerde agregar estas cargas eléctricas al requerimiento total de carga del generador. Enfriado de Radiadores Motor Multi-circuito, Multi- Algunos diseños incorporan más de un circuito de enfriamiento y por lo tanto requieren de más de un circuito de radiador remoto o intercambiador de calor para las aplicaciones de enfriamiento remoto. Estos motores utilizan diferentes métodos para lograr el Postenfriamiento de Baja Temperatura (LTA) del aire de admisión para la combustión. La razón primaria para la creación de estos diseños es su efecto en la mejoría de los niveles de emisiones de escape. No todos los diseños de motor se adaptan fácilmente al enfriado remoto. Dos Bombas Dos Circuitos: Un método común para el post-enfriado de baja temperatura es tener dos circuitos separados completos con dos radiadores, dos bombas y refrigerante separado para cada uno. Uno de los circuitos enfría el bloque del motor y el otro enfría el aire de admisión de combustión después del turbocargador. Para enfriado remoto, estos motores requieren dos radiadores remotos separados o intercambiadores de calor completos. Cada uno tendrá sus propias especificaciones de temperatura, restricciones de presión, rechazo de calor etc., las cuales deben cumplirse. Esta información esta disponible con el fabricante del motor. Esencialmente se debe diseñar dos circuitos. Cada uno requiere y debe cumplir todas las consideraciones y criterios de un sistema remoto sencillo. Vea la Figura 6-19. Nota: La ubicación del radiador para el circuito de LTA puede ser crítico para lograr una adecuada remoción de energía calorífica en este circuito. Cuando los radiadores de bloque de motor y de LTA se montan uno detrás de otro, el radiador de LTA debe ser montado de forma que reciba el aire del ventilador primero, para que recib a el aire más frío. baja temperatura por medio de dos circuitos dentro del motor, dos radiadores pero solo una bomba de refrigerante. No se recomiendan estos sistemas para aplicaciones de enfriamiento remoto debido a las dificultades para lograr flujos balanceados de refrigerante y por lo tanto enfriamiento apropiado para cada sistema. Post-enfriamiento Aire-Aire: Otro método para lograr el post-enfriamiento de baj a temperatura es el uso de un circuito de enfriamiento de radiador aire-aire en lugar de un diseño aire-agua como se describe anteriormente. Estos diseños conducen el aire turbocargado a través de un radiador para enfriarlo antes de entrar al múltiple de admisión. Estos sistemas no se recomiendan para aplicaciones de enfriamiento remoto por dos razones. La primera es que el sistema de enfriamiento y su tubería operan bajo la presión del turbocargador. La menor fuga en el sistema reducirá significativamente la eficiencia del turbocargador y eso es inaceptable. Segundo, la longitud del tubo de aire al radiador y de regreso creará un retardo en el tiempo de respuesta del turbocargador y pulsos de presión que impedirán el desempeño apropiado del motor. Radiadores Para Aplicaciones Remotas Radiadores Remotos: Los radiadores remotos están disponibles en una variedad de configuraciones para aplicaciones de generador. En todos los casos, el radiador remoto utiliza un ventilador eléctrico que debe conectarse directamente a las terminales del generador. Se debe instalar un tanque de sobreflujo en el punto más alto del sistema de enfriamiento. La capacidad del tanque de sobreflujo debe ser de cuando menos 5% de la capacidad total del sistema de enfriamiento. El tapón de presión se selecciona en base al tamaño del radiador. Se necesitan líneas de ventilación que conduzcan al tanque de sobreflujo. Es deseable tener una mirilla de vidrio para mostrar el nivel de refrigerante en el sistema, Debe estar marcada con el nivel normal caliente y frío. Una característica deseable es un interruptor de nivel bajo de refrigerante para indicar una potencial falla del sistema cuando el nivel de refrigerante es bajo. Algunas instalaciones remotas operan con ventiladores termostaticamente controlados. Si este es el caso, el termostato generalmente se monta en la entrada del radiador. Una Bomba Dos Circuitos: Ocasionalmente los diseños de motor logran el post-enfriamiento de 6 DISEÑO MECANICO 101 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Los radiadores pueden ser horizontales (el cuerpo del radiador es paralelo a la superficie de montaje) o verticales (el cuerpo del radiador es perpendicular a la superficie de montaje) (Figura 6-19). Los radiadores horizontales se seleccionan a menudo porque permiten que la fuente mas grande de ruido (el ruido mecánico del ventilador) apunte hacia arriba donde probablemente no moleste a nadie. Sin embargo, los radiadores horizontales pueden ser inhabilitados por nieve o formación de hielo y no se usan mucho en climas fríos . Los radiadores remotos requieren poco mantenimiento, pero cuando se usan, si son impulsados por bandas, el mantenimiento anual debe incluir la inspección y re-tensado de las bandas. Algunos radiadores usan baleros engrasables que requieren de mantenimiento regular. Asegúrese de que las aletas estén limpias y no estén obstruidas por polvo y otros contam inantes. 6 DISEÑO MECANICO Intercambiador de Calor Montado en el Patín: El motor, bomba e intercambiador de calor liquidoliquido, forman un sistema presurizado cerrado (Figura 6-20 ). El refrigerante del motor y agua cruda de enfriamiento (el lado “frío” del sistema) no se mezclan. Considere lo siguiente: • El cuarto del equipo generador requerirá un sistema de ventilación eléctrico. Vea Ventilación en esta sección para información sobre el volumen de aire requerido para una ventilación adecuada. • Puesto que el motor del generador no tiene que mover un ventilador para el radiador, talvez haya capacidad kW adicional en el generador. Para obtener la potencia neta disponible del generador, sume la carga de generador indicada en la hoja de datos del generador al rango de potencia del generador. Recuerde que el generador debe impulsar los 102 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • • accesorios eléctricos tales como el ventilador remoto, ventiladores de cuarto, bombas de refrigerante y otros requeridos para la operación en aplicaciones de enfriamiento remoto. Así que la capacidad kW ganada por no impulsar el ventilador mecánico es generalmente consumida por la adición de los dispositivos eléctricos necesarios en el sistema remoto. • Se debe instalar una válvula de reducción de presión si la presión de agua en el lado frío del sistema excede el rango de presión del intercambiador de calor. Consulte al fabricante del intercambiador para más información11. • El intercambiador de calor y tubería de agua deben ser protegidos de la congelación si la temperatura ambiente puede caer por debajo de 32°F (0°C). • Las opciones recomendadas incluyen una válvula termostática (no eléctrica) para modular el flujo de agua en respuesta a la temperatura del refrigerante y una válvula de apagado normalmente cerrada (NC) operada por batería para cerrar el agua cuando el generador no está funcionando. • Debe haber suficiente flujo de agua cruda para eliminar el Calor rechazado al Refrigerante indicado en la hoja de especificaciones del generador. Note que para cada grado de incremento en la temperatura, un galón de agua absorbe aproximadamente 8 BTU (calor específico). También se recomienda que el agua cruda que sale el intercambiador de calor no exceda los 140°F (60°C). Por lo tanto: 11 Los datos para los intercambiadores de calor suministrados con productos Cummins Power Generation se encuentran en Cummins Power Suite. 6 DISEÑO MECANICO 103 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Donde: ∆T = Elevación de temperatura del agua en el cuerpo c = Calor especifico del agua Si un generador rechaza 19,200 BTU por minuto y la temperatura de agua de la entrada es 80°F, permitiendo un incremento en la temperatura de 60°F: 6 DISEÑO MECANICO Sistemas de Intercambiador de Calor Doble: Los sistemas de enfriamiento de intercambiador de calor doble (Figura 6-21 ) pueden ser difíciles de diseñar e implementar especialmente si un sistema secundario de enfriamiento, como un radiador es usado para enfriar el intercambiador de calor. En estas situaciones el dispositivo remoto podría ser significativamente mas grande de lo esperado, puesto que el cambio de temperatura a través del intercambiador de calor es relativamente pequeño. Estos sistemas deben 104 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación diseñarse para una aplicación en específico, considerando los requerimientos del motor, intercambiador de calor líquido-liquido y el 12 dispositivo intercambiador remoto . continuamente reducirá el agua en el sistema. El lado “caliente” del sistema de intercambiador de calor es similar al descrito antes como intercambiador de calor montado al patín. Aplicaciones de Torre de Enfriamiento: Los sistemas de torre de enfriamiento pueden usarse en aplicaciones donde la temperatura ambiente no cae por debajo de la congelación, y donde la humedad es lo suficientemente baja para permitir el funcionamiento eficiente del sistema. Un arreglo típico de equipo se muestra en la Figura 6-22. Enfriado de Combustible con Radiadores Remotos Los sistemas de torre típicamente utilizan un intercambiador montado en el patín cuyo lado “frío” esta conectado a la torre de enfriamiento. El balance del sistema está compuesto por una bomba de agua cruda (la bomba del motor circula refrigerante por el lado “caliente” del sistema) la cual bombea el agua de enfriamiento a la parte superior de la torre de enfriamiento, donde se enfría por evapo ración, y luego es regresada al intercambiador del generador. Note que el sistema requiere provisiones para compensar por el agua perdida, puesto que la evaporación Los generadores ocasionalmente incluyen enfriadores de combustible para cumplir los req uerimientos para motores específicos. Si se equipa un motor con un enfriador de combustible separado, estos requerimientos de enfriamiento deben ser acomodados en el diseño del sistema de enfriamiento. A menudo no es posible, y además es contra la ley el bombear combustible a una ubicación remota. Un método sería incluir un radiador y ventilador para el enfriado de combustible en el espacio del generador y dar cuentas del rechazo de calor en el diseño de ventilación del cuarto. Otro podría ser utilizar un sistema de enfriamiento de combustible del tipo de intercambiador de calor o una fuente de agua separada para el lado del refrigerante. 12 Los intercambiadores de calor montados en patín suministrados por Cummins Power Generation generalmente no son apropiados para usarse en aplicaciones de doble intercambiador. Los arreglos de doble intercambiador requieren componentes cuidadosamente empatados. 6 DISEÑO MECANICO 105 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Cálculos de Enfriamiento Tamaño de Tubería de El diseño preliminar de la tubería para un sistema de enfriamiento de radiador remoto mostrado en la Figura 6-16 requiere de 60 pies de tubo de 3 pulg. De diámetro, 3 codos de radio amplio, dos válvulas de compuerta para aislar el radiador para dar servicio al motor y una “T” para conectar la línea de llenado. La hoja de especificaciones del generador indica que el flujo de refrigerante es de 123 GPM y que la fricción permisible es 5 PSI. Este procedimiento involucra determinar la pérdida de presión causada por cada elemento, y comparar la suma de las pérdidas con la máxima permisible. 1. Determine la pérdida de presión en el radiador consultando los datos del fabricante. Para este ejemplo, asuma que la pérdida de presión es de 1 psi a un flujo de 135 gpm. 2. Encuentre las longitudes equivalentes de todas las piezas de tubería y válvulas usando la Tabla 6 -3 y súmelas al total del tubo recto. 6 DISEÑO MECANICO Tres codos de radio amplio-3 x 5.2=15.6 Dos válvulas de compuerta-2 x 1.7= 3.4 “T” (por el lado recto) = 5.2 60 pies de tubo recto =60.0 Longitud Virtual de tubo (pies) 84.2 3. Encuentre la retropresión del flujo dado por unidad de longitud de tubo para el diámetro nominal del tubo usado en el sistema. En este ejemplo, se usa tubo de 3 pulg nominales. Siguiend o las líneas punteadas en la Figura 6-23, el tubo de 3 pulg causa una pérdida de presión de aproximadamente 1.65 psi por 100 pies de tubo. 4. Calcule la presión en el tubo como sigue: 5. La pérdida total del sistema es la suma de las perdidas del radiador y de la tubería: Pérdida Total de Presión = 1.39 psi de tubería + 1.00 psi de radiador = 2.39 psi 106 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6. El cálculo para este ejemplo indica que el diseño para el sistema de enfriamiento con radiador remoto es adecuado en términos de fricción de refrigerante puesto que no es más alta que la fricción permitida. Si un cálculo indica fricción excesiva, repita el cálculo usando el tubo de diámetro mayor inmediato siguiente. Compare las ventajas y desventajas de usar un tubo mas grande con las de usar una bomba auxiliar. Tratamiento del Refrigerante: El anticongelante (etileno o propileno con base glicol) y el agua se mezclan para bajar el punto de congelamiento y elevar el punto de ebullición del sistema de enfriamiento. Consulte la 6 DISEÑO MECANICO Tabla 6-4 para determinar la concentración de etileno o propileno glicol para la protección contra la temperatura ambiente mas fría esperada. Se recomiendan porcentajes de mezcla de agua y anticongelante en los rangos de 30/70 a 60/40 para la mayoría de las aplicaciones. NOTA: El anticongelante basado en propileno glicol es menos ó t xico que el anticongelante b asado en etileno, ofrece superior protección interna y elimina los req uerimientos de derrames y desechos. Sin embargo, no es un refrigerante tan eficiente como el etileno glicol, así que la capacidad del sistema de enfriamiento (temperatura máxima de operación a plena carga) disminuirá de alguna forma por el uso de propileno glicol. 107 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Los generadores de Cummins Power Generation de 125/100kW y mas grandes, están equipados con filtros de refrigerante reemplazables y elementos tratantes para minimizar la suciedad en el sistema y la corrosión. Son compatibles con la mayoría de las fórmulas anticongelantes. Para generadores más pequeños, el anticongelante debe tener un inhibidor de corrosión. Los generadores con motores que tienen camisas de cilindros reemplazables requieren aditivos extras en el refrigerante (SCAs) para protegerlos contra la corrosión y el perforado de las camisas, como se especifica en los manuales de operador del generador. Ventilación Generalidades La ventilación del curto del generador es necesaria para eliminar el calor generado por el motor, alternador y otros equipos generadores de calor en el cuarto del generador, así como para eliminar gases peligrosos y proveer de aire para la combustión. El mal diseño de la ventilación 6 DISEÑO MECANICO crea altas temperaturas ambiente alrededor del gen erador que pueden causar baja eficiencia de combustible, pobre desempeño del generador, falla prematura de los componentes y sobrecalentamiento del motor. También resulta en pobres condiciones de trabajo alrededor del motor. La selección de las ubicaciones de ventilación de entrada y escape es crítica para el funcionamiento correcto del sistema. Idealmente, la entrada y el escape permiten que el aire de ventilación sea circulado a través del cuarto completo del generador. Los efectos de los vientos dominantes deben tomarse en consideración cuando se determine la ubicación de la salida del aire. Estos efectos pueden degradar seriamente el desempeño del desempeño de generadores con radiador montado en el patín. Si hay alguna duda en cuanto a la velocidad del viento y su dirección, se pueden usar paredes de bloqueo para prevenir que el viento sople hacia adentro de la salida de aire del motor. (Ver Figura 6-24). Se debe tener cuidad de evitar que la salida de aire de ventilación llegue e una región de recircul ación de un edificio que se forme debido a la dirección dominante del viento. 108 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación El aire de ventilación contaminado con polvo, fibras u otros materiales puede requerir filtros especiales en el motor y alternador para permitir la operación y enfriamiento adecuados, en especial en operaciones de potencia primaria. Consulte a la fábrica para la información en el uso de generadores en ambientes que incluyen contaminación química. Los sistemas de ventilación del motor pueden expeler aire cargado de aceite al cuarto del generador. El aceite se puede depositar en los radiadores u otro equipo de ventilación impidiendo su operación. El uso de trampas de ventilación de motor, o el ventilar el motor a la parte exterior es la mejor práctica. Se debe poner atención a la velocidad del aire que entra al cuarto del ventilador. Si esta es muy alta, los generadores tienden a succionar lluvia y nieve hacia adentro del cuarto cuando 6 DISEÑO MECANICO cuando están funcionando. Una buena meta de diseño es limitar la velocidad del aire a 500-700 f/min (150-220 m/min). En climas fríos el aire del radiador se puede recircular para modular la temperatura ambiente del cuarto del generador. Esto ayudará al generador a calentarse más rápido, y ayudará a mantener las temperaturas del combustible por arriba del punto de nubosidad. Si se usan amortiguadores de recirculación, se deben diseñar para cerrarse por gravedad cuando los amortiguadores principales están abiertos, para que el generador pueda operar cuando se le requiera. Los diseñadores deben darse cuanta de que la temperatura de operación del cuarto de generador será muy cercana a la temperatura exterior, y talvez sea mejor no conducir tubería de agua por el cuarto del generador o protegerla de la congelación. 109 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Al circular el aire de ventilación por el cuarto de equipo, incrementa su temperatura gradualmente, particularmente si se mueve sobre el generador. Vea Figura 6-25. Esto puede llevar a la confusión en los rangos de temperatura del generador y de todo el sistema. La práctica de Cummins Power Generation es dar rango al sistema de enfriamiento basado en la temperatura ambiente alrededor del alter nador. El incremento en la temperatura del cuarto es la diferencia entre la temperatura medida en el alternador y la medida en el exterior. La temperatura del cuerpo del radiador no impacta el diseño del sistema porque el calor del radiador se mueve directamente fuera del cuarto. Una buena meta de diseño para aplicaciones de emergencia es mantener la temperatura del cuarto a no más de 125°F (50°C). Sin embargo, limitar la temperatura del cuarto del generador a 100°F (40°C) permitirá que el generador sea suministrado con un radiador montado en el patín de tamaño más pequeño y menos costoso, y eliminará la necesidad de derrateo debido a las altas temperaturas de 13 aire de combustión . Asegúrese de que las especificaciones del generador describan completamente las suposiciones usadas en el diseño del sistema de ventilación para el generador. La pregunta real entonces es: “¿Cuál será la temperatura máxima de afuera cuando se necesite que opere el generador?” Esta es simplemente una cuestión de la máxima temperatura ambiente en la región geográfica donde se instale el generador. En algunas áreas del norte de los Estados Unidos, por ejemplo, es muy probable que la temperatura máxima no exceda 90°F. Así que un diseñador podría seleccionar el los componentes del sistema de ventilación basado en un incremento de temperatura de 10°F con un sistema de enfriamiento de generador de 100°F, o basado en un incremento de temperatura de 35°F con un sistema de enfriamiento de generador de 125°F. La clave para la operación del sistema es estar seguro de que las decisiones de temperatura máxima de operación y de incremento de temperatura se hagan cuidadosamente, y que el fabricante del generador diseñe el sistema de enfriamiento (no solo el radiador) para las temperaturas y ventilación requeridos. El resultado de un inadecuado diseño es que el generador se calentará cuando la temperatura ambiente y las cargas en el generador sen altas. A temperaturas mas bajas, o menores niveles de carga el sistema podría operar correctamente. 13 Consulte la información del fabricante para información en la práctica de derrateo para un motor específico. La información de los productos Cummins Power Generation se encuentra en Power Suite. 6 DISEÑO MECANICO 110 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Cálculos Flujo de Aire El rango de flujo de aire requerido para mantener un incremento específico de temperatu ra a en u cuarto de generador se describe con la fórmula: Donde: m= Q= cP ∆T= d= Rango de flujo de masa de aire 3 que entra al cuarto en ft /min 3 (m /min) Rechazo de calor al cuarto de el generador o de otras fuentes de calor BTU/min (MJ/min) Calor especifico a presión constante: 0.241 BTU/lb - °F (1.01 x 10 -3 MJ/kg -°C) Incremento de temperatura en el cuarto del generador sobre la temperatura ambiente exterior; °F (°C) Densidad del aire; 0.0754 lb/ft 3 (1.21 kg/cm 3) Lo que se puede reducir a: El flujo total de aire en el cuarto es el valor calculado por esta ecuación, más el aire de 14 combustión requerido por el motor . Probando los Sistemas de Ventilación en Campo Puesto que es difícil probar la operación adecuada, un factor que tener en cuenta en el probado del sistema es el incremento de temperatura en el cuarto en condiciones reales de operación vs. el incremento de temperatura diseñado. Si el incremento de temperatura a carga total y la baja temperatura ambiente son como se predijo, es mas probable que opere correctamente a niveles de temperatura y carga más altos. El procedimiento siguiente se puede usar para la calificación preliminar del diseño del sistema de ventilación. 1. Haga funcionar el generador a carga plena (fp de 1.0 es aceptable) lo suficiente para que se estabilice la temperatura del refrigerante. Esto tomará aproximadamente una hora. 2. Con el generador aún funcionando a carga de rango, mida la temperatura ambiente del cuarto del generador en la entrada del filtro de aire. 3. Mida la temperatura exterior en la sombra. 4. Calcule la diferencia de temperaturas entre la de afuera y la de adentro del cuarto. 5. Verifique que el incremento de temperatura diseñado del cuarto del generador y que la temperatura máxima del tanque superior no se excedan. Si el incremento de temperatura diseñado o la temperatura del tanque superior se exceden, se requieren pruebas más exactas de la instalación o correcciones en el diseño del sistema. Ventilación de Radiador Montada en el Patín En éste cálculo los factores mayores son obviamente el calor irradiado al cuarto por el generador (y otros equipos) y el incremento de temperatura máximo permisible. Puesto que el rechazo de calor al cuarto está fundamentalmente relacionado con el tamaño en kW del generador, y ese rango está controlado por la demanda local del edificio, la mayor decisión a hacer por el diseñador en cuanto a la ventilación es el incremento de temperatura en el cuarto. 14 Los datos requeridos para los cálculos de generadores específicos de Cummins Power Generation se pueden encontrar en Power Suite. Puede haber diferencias significativas en las variables usadas en estos cálculos para los productos de diferentes fabricantes. 6 DISEÑO MECANICO En esta configuración (Figura 6 -24), el ventilador toma aire a través de las entradas de aire en la pared opuesta y por sobre el generador y lo empuja a través del radiador que tiene herrajes para conectarse a un ducto hacia afuera de la construcción. Considere lo siguiente : • La ubicación del cuarto de generador debe ser tal que el aire de ventilación se puede succionar directamente del exterior y descargado directamente hacia fuera de la construcción. El aire de ventilación no debe ser tomado de cuartos contiguos. El escape también debe descargar en el lado de descarga del aire de radiador para reducir la 111 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación probabilidad de que los gases y el hollín se succionen hacia adentro del cuarto del generador con el aire de ventilación. • Las aberturas de entrada y salida de aire de ventilación deben estar ubicadas o protegidas para minimizar el ruido del ventilador y los efectos del viento en el flujo de aire. Cuando se usen, el escudo de descarga debe estar ubicado a no menos de la distancia de la altura del radiador de la abertura. Se obtiene mejor desempeño aproximadamente 3 veces la altura del radiador. En áreas restringidas, aletas de dirección pueden ayudar a reducir la restricción causada por las barreras. Cuando se usen aletas, diséñelas con una salida de agua para evitar que la lluvia entre en el cuarto del generador. • El flujo de aire a través del radiador es generalmente suficiente para la ventilación del cuarto. Vea el ejemplo de cálculo (en Cálculos de Flujo de Aire en esta sección) para el método de determinar el flujo de aire requerido para cumplir con las especificaciones de incremento de tem peratura del cuarto. • Consulte la hoja de especificaciones del generador recomendado para el diseño de flujo de aire a través del radiador y la restricción permitida de flujo de aire. No se debe exceder la restricción de flujo de aire. La presión estática (restricción de flujo de aire) debe medirse, como lo muestran las Figuras 6-24, 6-26 y 6-27, para confirmar, antes de que el generador se ponga en servicio que el sistema no es restrictivo. Esto aplica especialmente cuando el aire de ventilación es suministrado y descargado a través de ductos largos, rejillas restrictivas, pantallas y persianas. • Las reglas generales para el tamaño de las entradas y salidas de aire se han aplicado, y hasta publicado, en el pasado, pero han sido abandonadas. Debido a la gran variación en el desempeño de las persianas y las crecientes demandas en las instalaciones debido al espacio, ruido, etc., estas reglas han sido poco confiables en el menor de los casos. Generalmente, los fabricantes de persianas tiene tablas de restricción de la persiana vs. el flujo de aire. Estas tablas, combinadas con el diseño del ducto y otras restricciones se pueden comparar fácilmente con las especificaciones del generador para tener un método confiable de determinar un nivel de restricción aceptable. • Para las instalaciones en Norte América, con - 6 DISEÑO MECANICO sulte las publicaciones de ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) para recomendaciones en los diseños de ductos si es requieren estos para la aplicación. Note que el ducto de entrada debe manejar el flujo de aire de combustión (ver hoja de especificaciones), así como el flujo de aire de ventilación y debe tener el tamaño adecuado para esto. • Las persianas y las pantallas en las entradas y salidas de aire restringe n el flujo de aire y varían ampliamente en su desempeño. Una persiana con aletas delgadas, por ejemplo, tiende a ser mas restrictiva que una con aletas anchas. Se debe usar el área efectiva abierta especificada por el fabricante de las pantallas y persianas. • Puesto que el ventilador del radiador causará una ligera presión negativa en el cuarto del generador, se recomienda que equipo de combustión tal como calentadores de calefacción o calderas no se instale en el mismo cuarto con el generador. Si esto es inevitable, será necesario determinar si habrá efectos dañinos tales como retroflujo, y proveer los medios (aberturas mayores de salida y entrada y/o ductos, ventiladores de presurización, etc.) para reducir la presión negativa a niveles aceptables. • En climas fríos se deben utilizar amortiguadores automáticos para cerrar las entradas y salidas de aire para reducir la pérdida de calor en el cuarto del generador cuando este no esta funcionando. Se debe usar un amortiguador termostático para recircular una porción del aire de descarga del radiador para reducir el volumen de aire frío que se succiona hacia adentro del cuarto cuando el generador está funcionando. Los amortiguadores de entrada y salida deben abrir completamente cuando el generador arranca, El amortiguador de recirculación debe cerrar completamente a 60°F (16°C). • A excepción de recircular la descarga de aire del radiador al cuarto del generador en climas fríos, todo el aire de ventilación se debe descargar directamente afuera del edificio. No se debe usar para calentar ningún espacio que no sea el cuarto del generador. • Un conector flexible de ducto debe ser usado en el radiador para prevenir la recirculación de aire alrededor del radiador, para absorber la vibración y movimiento del generador y preve nir la transmisión del ruido. 112 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Nota: Los adaptadores de ducto o tolvas de radiador no deben estar diseñadas para soportar peso o estructuras más allá de la del adaptador flexible ducto. Evite el apoyar equipo adiciona en el adaptador o tolva del radiador sin un análisis de resistencia o consideraciones de vibración. • Típicamente un generador con un radiador montado en el patín esta diseñado para capacidad de enfriamiento a potencia total en una temperatura ambiente de 40°C trabajando a contra una resisten cia de flujo de aire de enfriamiento de 0.50 pulg Columna de Agua (WC) (Punto A, Figura 6-27). La resistencia al flujo externo es aquella causada por los ductos, pantallas, persianas, amortiguadores, 6 DISEÑO MECANICO etc. Se puede considerar la operación en temperaturas ambiente más altas que la temperatura de diseño (Punto B, Figura 6-27 , por ejemplo), si el derrateo es aceptable y/o la resistencia al flujo de aire de refrigeración es menor que la resistencia bajo al cual se probó la capacidad de enfriamiento. (Menor resistencia significa mas flujo a través del radiador, afectando el efecto de aire de más temperatura en la capacidad de enfriamiento del radiador. Se requiere consultar con el fabricante muy cuidadosamente para obtener capacidad de enfriado del generador en temperaturas ambiente elevadas. 113 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Ventilación para Aplicaciones de Intercambiador de Calor o de Radiador Remoto Se podría seleccionar u n sistema de intercambiador de calor (Figura 6-28), o de radiador remoto debido a razones de ruido o porque la restricción de ductos de aire largos es mayor que la permitida para el ventilador de radiador impulsado por el motor. Considere lo siguiente: • Se deben proveer ventiladores para el cuarto del generador. Estos deben tener la capacidad de mover el flujo requerido de aire de ventilación contra la restricción de flujo de aire. Vea el siguiente ejemplo de cálculo de para el método de determinar el flujo de aire requerido para ventilación. • Un ventilador de radiador remoto debe ser del tamaño para enfriar el radiador primeramente. Dependiendo de su ubicación, también se puede usar para ventilar el cuarto del generador. • El ventilador y las entradas de aire deben estar de tal manera que el aire de ventilación circule sobre el generador. 6 DISEÑO MECANICO En general los sistemas de enfriamiento remoto tienen mas cargas parasíticas, así que hay ligeramente menos capacidad de kW del generador en es as aplicaciones. Recuerde sumar las cargas parasíticas al total de requerimientos de carga para el generador. Ejemplo de Cálculo de Flujo de Aire de Ventilación La hoja de especificaciones del generador recomendado indica que el calor irradiado por el generador (alternador y motor) hacia el cuarto es de 4,100 BTU/min. El silenciador y 10 pies de tubo de escape de 5 pulg. también están ubicados dentro del cuarto del generador. Determine el flujo de aire requerido para limitar el incremento de temperatura a 30°F. 1. Sume las entradas de calor al cuarto de todas las fuentes. La Tabla 6-5 indica que la pérdida de calor de un tubo de escape de 5 pulg. es de 132 BTU/min por pie de tubo y 2500 BTU/min del silenciador. Sume las entradas de aire al cuarto como sigue: 114 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Rechazo de calor del generador Calor del tubo de escape 10 x 132 Calor del silenciador Calor total al cuarto del generador En BTU/min 4100 1320 2500 7920 El flujo de aire requerido para hacerse cargo del calor rechazado al inte rior del cuarto es proporcional a la entrada total de calor dividida entre el incremento permitido de temperatura de aire del cuarto (vea Ventilación, anteriormente en esta sección): Suministro de Combustible Suministro de Diesel Los generadores impulsados por un motor diesel son generalmente diseñados para operar con combustible diesel ASTM D975 numero 2. Talvez otros combustibles funcionen durante operación de corto plazo, si cumplen con la calidad y características físicas descritas en la Tabla 6-6. Consulte al fabricante del motor para el uso de otros combustibles. Se debe tener cuidado en la compra de combustible y en el llenado de los tanques para prevenir la entrada de suciedad y humedad al sistema de combustible. La suciedad tupirá los inyectores y causará desgaste acelerado en los componentes finamente maquinados del sistema de combustible. La humedad puede causar corrosión y falla de estos componentes. Los generadores diesel consumen aproximadamente 0.07 gal/hr (0.26 l/hr) de combustible por kW de rango a carga total basados en su rango de emergencia. Por ejemplo, un generador de emergencia de 100 kW consumirá aproximadamente 70 gal/hr (260 l/hr) 6 DISEÑO MECANICO de combustible. El tanque principal para un generador diesel puede ser ya sea un tanque sub-base (montado debajo del patín del generador) o un tanque remoto. Si el tanque principal está ubicado lejos del generador, se podría requerir un tanque intermedio (de día) para suministrar apropiadamente al generador. Hay considerables diferencias en las capacidades de los motores entre los fabricantes, así que el sistema de combustible debe ser diseñado para el generador específico instalado en el sitio. La ventaja primaria de los tanques sub-base es el sistema puede ser diseñado y ensamblado de fabrica para minimizar el trabajo en el sitio. Sin embargo, podrían no ser una selección práctica o posible basados en los requerimientos de capacidad del tanque principal y las limitaciones de código, así como la habilidad de acceder al tanque para su re-llenado. Cuando seleccione un tanque de combustible sub -base, esté consiente de que el sistema de control del generador y otros puntos de servicio de mantenimiento quedarán a una altura que puede ser impráctica. Esto podría requerir que se le agreguen estructuras a la instalación para permitir un servicio conveniente o para cumplir los requerimientos de operación. Debido a las limitaciones de las bombas mecánicas en la mayoría de los motores, muchas instalaciones que requieren tanques principales remotos, también requerirán tanques intermedios (de día). El tanque principal puede estar arriba o abajo del generador, y cada una de estas instalaciones requiere diferentes diseños de tanques intermedios y sistemas de control de combustible. Las Figuras 6-29 y 6-30 ilustran sistemas típicos de combustible diesel. 115 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO 116 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO 117 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO 118 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Se debe considerar lo siguiente cuando se diseña y se instala cualquier sistema de combustible diesel: • La capacidad del tanque, construcción, ubicación, i nstalación, ventilación, prueba e inspección, deben cumplir con todos los 15 códigos y sus interpretaciones locales . La regulaciones ambientales locales generalmente requieren una segunda contención (llamada una bandeja de “ruptura”, “dique” o “charola”) para prevenir que el combustible que se fugue entre al piso o al sistema de drenaje. El área de contención secundaria normalmente incluirá características para detectar y sonar una alarma cuando el tanque principal se fuga. • Se debe seleccionar la ubicación co n la consideración para la accesibilidad del rellenado y en caso de que las líneas deban calentarse (en climas fríos). • El tanque de combustible de suministro debe almacenar suficiente combustible para hacer funcionar al generador el número prescrito de hor as16 sin rellenarse. Los cálculos del tamaño del tanque se pueden basar en los rangos de consumo por hora, atemperados con el conocimiento de que la operación a plena carga de la mayoría de los generadores es rara. Otras consideraciones para el tamaño de los tanques incluyen la duración esperada de los apagones vs. la disponibilidad de combustible y la vida almacenada del combustible. La vida almacenada del diesel es de 1.5 a 2 años, cuando se mantiene apropiadamente. • Los tanques de suministro deben estar adecuadamente ventilados para evitar la presurización. Puede haber requerimientos para ventilación primaria y secundaria del tanque, dependiendo de los códigos locales y sus interpretaciones. También deben tener provisiones para drenar un tanque manualmente o para bombear el agua y los sedimentos, y tener cuando menos un espacio de expansión del 5% para prevenir derrames cuando el combustible se calienta. • La bomba de “alzado” del combustible, la bomba de transferencia al tanque de día o el asiento de la válvula del flotador deben estar protegidos de la suciedad del tanque principal por un pre-filtro o por un tazón de sedimentos con un elemento de malla del 100 a 200. 15 NOTA DE CODIGO DE E.U.A.: En Norte América los estándares NFPA no. 30 y 37 son típicos. 16 NOTA DE CODIGO DE E.U.A.: NFPA define el número de horas de funcionamiento como la Clase de una instalación. Los requerimientos típicos son 2 horas para el evacuado de emergencia de un edificio, 8 horas para la duración de la mayoría de los apagones. 6 DISEÑO MECANICO • Para sistemas de potencia de emergencia, los códigos podrían no permitir que el suministro de combustible para cualquier otro propósito o podrían especificar un nivel mínimo para otros equipos que garantice el suministro de combustible en caso de emergencia. • El rango de Cetano no.2 del aceite de calentamiento no es lo suficientemente alto para confiablemente arrancar los motores diesel en climas fríos. Por lo tanto, se requieren tanques separados para potencia de emergencia y calefacción de los edificios. • Se deben proveer líneas de retorno de combustible separadas para cada generador en una instalación múltiple para prevenir la presurización de las líneas de los generadores en espera. También, una línea de retorno no debe tener una válvula de cerrado. Se podría dañar el motor si el motor se hace funcionar con la línea cerrada. • Se requiere un tanque de día cuando la fricción y la elevación del tanque de suministro, ya sea debajo de la entrada de la bomba o sobre los inyectores d combustible, pudieran causar una restricción excesiva en la entrada de combustible o en el retorno. Algunos modelos de gene rador están disponibles con un tanque de día integral montado en el patín o sub-base. NOTA: Cuando se ponen en paralelo generadores, o se deben satisfacer requerimientos de arranque de emergencia de corto tiempo, es un requerimiento que se ubique un tanq ue de combustible de forma que el nivel mas bajo de combustible posible no sea menor de 6 pulg. (150 mm) sobre la entrada de la bomba de combustible. Esto evitará que se acumule el aire en la línea de combustible mientras el generador no funciona eliminand o el periodo de purga de aire durante el arranque del generador. Hay opciones disponibles en algunos modelos para eliminar este requerimiento. • Se pueden exceder los límites de temperatura de los tanques de día en algunas aplicaciones donde el combustible caliente del motor es retornado al tanque de día. Al incrementarse la temperatura del combustible, se reducen la densidad de este y su lubricidad, reduciendo la potencia máxima de salida y la ubicación de partes que manejan combustible como las bombas y los inyectores. Una solución es conducir el combustible de regreso al tanque de suministro en lugar de al tanque de día. Otros diseños podrían requerir un enfriador de combustible para regresar la temperatura de este a un nivel seguro para su retorno al tanque de día. Consulte al fabricante del 119 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación motor para más información acerca del motor usado y sus requerimientos de combustible de 17 retorno . • La capacidad de la bomba de transferencia tanque de día, y el tamaño de la tubería de suministro deben estar basadas en el flujo máximo de combustible indicado en la hoja de especificaciones del generador. • Use la Tabla 6-6 como guía para la selección de diesel para el mejor desempeño. • Todos los sistemas de combustible deben tener provisiones para la contención de este si se fuga, y para situaciones en donde se derrama por sobrellenado. • Considere medios para llenar los tanques manualmente si el sistema automático falla. • La bomba de suministro del tanque principal puede ser de tipo duplex para mejorar la confiabilidad del sistema. • Los códigos locales contra incendio podrían incluir requerimientos específicos para el generador, tal como un medio de impedir que el flujo del combustible al cuarto del generador si se detecta un incendio, y medios para retornar el combustible al tanque principal si ocurre un incendio en el cuarto del generador. Tubería para Diesel • Las líneas de diesel deben construirse de tubo de hierro negro. No se deben usar tuberías de y conexiones de hierro colado y aluminio porque son porosos y pueden fugar combustible. No se deben usar líneas, conexiones y tanques galvanizados, porque este recubrimiento es atacado por el ácido sulfúrico que se forma cuando el azufre del combustible se combina con el condensado del tanque, causando suciedad que puede tupir los filtros y las bombas. No se deben usar líneas de cobre porque el combustible se polimeriza (engrosa) en los tubos de cobre por periodos largos de desuso y puede tupir los inyectores. Así mismo, las líneas de cobre son menos resistentes que el hierro negro y por lo tanto más susceptibles a daños. • Se debe usar manguera flexible aprobada para todas las conexiones en el motor para absorber la vibración y el movimiento. • La tubería del tanque de día al motor debe ir “de bajada” todo el camino, desde el tanque hasta el motor, sin vueltas por arriba del motor que puedan permitir que el aire se quede atrapado en el sistema. • La tubería del sistema de combustible debe estar soportada correctamente para evitar que se fatigue y se rompa debido a la vibración. La tubería no debe correr cerca de tubos de calentamiento, cableado eléctrico o componentes del sistema de escape. El diseño del sistema de tubería debe incluir válvulas en las ubicaciones adecuadas para permitir la reparación o reemplazo de los componentes del sistema sin tener que vaciarlo completamente. • Los sistemas de tubería se deben inspeccionar regularmente buscando fugas y chocando su condición general. El sistema de tubería debe lavarse por dentro antes de la operación del motor para eliminar impurezas que puedan dañarlo. El uso de conexiones “T” tapadas, en lugar de codos permite una mejor limpieza del sistema. • Los datos del fabricante del motor indican las restricciones máximas de entrada y retorno, el flujo máximo de combustible y los tamaños de mangueras para las conexiones a un tanque de suministro o de día cuando se encuentra a más de 50 pies (15 metros) del generador y aproximadamente a la misma elevación. Se deben basar los tamaños del tubo y de la manguera en le flujo máximo mas que en el consumo de combustible. Se recomienda ampliamente que se verifiquen las restricciones de la entrada de combustible antes de que el generador se ponga en servicio. Nota: Nunca use líneas de combustible, tanques o conexiones de cobre o galvanizados. La condensación en el tanque y las líneas se combina con el azufre del diesel para producir ácido sulfúrico. La estructura molecular de las líneas y tanque s de cobre o galvanizado reacciona con el ácido y contamina el combustible. 17 En general los motores Cummins se pueden instalar con una línea de retorno hacia el tanque de día. La ubicación de la línea de retorno varía con el motor suministrado- 6 DISEÑO MECANICO 120 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Tanque Sub-base Cuando se monta un generador en un tanque sub-base, los aisladores de vibración se deben instalar entre el generador y el tanque. El tanque debe ser capaz de soportar el peso del generador y resistir las fuerzas dinámicas. Se requiere que el tanque se monte de forma que haya un espacio de aire entre el fondo del tanque y el piso para reducir la corrosión y permitir la inspección visual. Tanques de Día Cuando se requiere un tanque intermedio en una aplicación, es del tamaño aproximado para dos horas de operación del generador para a plena carga. (Adhiérase a las limitaciones de los códigos para combustible en el cuarto del generador). Se puede alimentar a generadores múltiples de un solo tanque, pero es preferible que haya un tanque de día para cada generador del sistema. El tanque de día se debe ubicar lo mas cercano posible al generador como sea práctico. Ubique el tanque de forma que se pueda llenar manualmente en caso de que sea necesario. La altura del tanque de día debe ser la suficiente para poner una cabeza positiva en la bomba de combustible del motor. (Nivel mínimo del tanque no menos de 6 pulg [150 mm] arriba de la entrada de combustible del motor.) La altura máxima del combustible en el tanque de día no debe poner una cabeza positiva en las líneas de retorno del motor. La ubicación de la línea de retorno en el tanque de día es diferente dependiendo del tipo de motor que se use. Algunos motores requieren que el combustible se retorne sobre el máximo nivel del tanque, otros requieren que el combustible se retorne al fondo del tanque o debajo del nivel mínimo. Estas especificaciones son suministradas por el fabricante. Las características importantes de los tanques de día, ya sean requeridas o deseables, incluyen: • Charola o depósito de ruptura. (opcional, pero requerido por ley en muchas áreas). • Interruptor de flotador para controlar el llenado del tanque: una válvula de solenoide si el tanque principal está sobre el tanque de día o una bomba si el tanque principal esta debajo del tanque de día. • Tubo de ventilación igual que el de llenado, conducido hasta la parte más alta del sistema. • Válvula de drenado. 6 DISEÑO MECANICO • Instrumento de nivel o mirilla de vidrio. • Alarma de nivel bajo (opcional) • Un interruptor de alto nivel del flotador para controlar: el solenoide si el tanque principal esta sobre el tanque de día, o la bomba, si el tanque de día esta debajo del tanque de día. • Sobreflujo al tanque principal si el tanque esta debajo del tanque de día. La ley y estándares locales, así como los códigos, a menudo controlan la construcción del tanque de día, así que es esencial consultar con la autoridad local. Suministro de Combustible Gaseoso Vea la sección 2 de este manual para información en cuanto a las ventajas y desventajas de sistemas de combustibles gaseosos comparados con otras alternativas disponibles. Los generadores a gas (también llamados generadores de encendido por chispa) pueden utilizar gas natural o gas LP o ambos. Los sistemas dobles, con gas natural como combustible primario y gas LP como res paldo, se pueden usar en áreas de riesgo sísmico y donde hay preocupación de que un evento natural pueda interrumpir el funcionamiento de la red pública de gas. Sin importar el combustible utilizado, los factores principales en la instalación y operación exitosa de un sistema de gas son: • El gas suministrado al generador debe ser de calidad aceptable. • El suministro de gas debe tener suficiente presión. Se debe tener cuidado de asegurarse que el suministro de gas en el generador , no solo en la fuente, es de la presión adecuada para la operación del generador. LA presión especificada debe estar disponible mientras el generador funciona a carga completa. • El gas se debe suministrar al generador en volumen suficiente para soportar su operación. Esto es normalmente una cuestión de seleccionar el tamaño de la línea para que sea lo suficientemente grande para transportar el volumen de combustible necesario. Para sistemas de succión de vapor de LP, el tamaño y temperatura del tanque también afectan este requerimiento . El no cumplir los requerimientos mínimos del generador en estas áreas resultará en la inhabilidad del generador para operar, llevar la 121 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación carga de rango transiciones. o pobre desempeño en Calidad del Combustible Gaseoso Los combustibles gaseosos son una mezcla de diferentes gases hidrocarbonos como metano, etano, propano y butano, otros elementos gaseosos como el oxigeno y nitrógeno, agua vaporizada y varios contaminantes, algunos de los cuales son potencialmente dañinos al motor al paso del tiempo. La calidad del combustible está basada en la cantidad de energía por unidad de volumen y la cantidad de contaminantes en él. Contenido de Energía: Una de las más importantes características en el gas usado en un generador es el valor de calor. El valor de calor de un combustible describe cuanta energía esta almacenada en un volumen especifico del combustible. El gas tiene un valor de calor bajo (LHV) y un valor de calor alto (HHV). El valor de calor bajo es el calor disponible para hacer el trabajo en un motor después de que el agua en el combustible se ha vaporizado. Si el valor de calor bajo de un combustible es demasiado bajo, aun si un volumen suficiente de combustible llega al motor, el motor no podrá mantener una salida de potencia total, porque no hay suficiente energía en el motor para convertirla en energía mecánica. 3 Si el LHV esta por debajo de 905 BTU/ft el motor podría no producir la potencia de rango en condiciones de temperatura ambiente estándar. Si el combustible local tiene un contenido de 3 ene rgía mas alto de 1000 BTU/ft , los requerimientos reales de flujo en pies cúbicos por minuto serán más bajos y los requerimientos de presión caen ligeramente. Contrariamente, si el combustible local tiene un contenido de energía menor de 1000 BTU/ft3 los requerimientos reales de flujo en pies cúbicos por minuto serán más altos y se necesitará una presión mayor para cumplir el desempeño publicado de cualquier generador. Cada motor puede tener características de desempeño ligeramente diferentes bas adas en el tipo de combustible suministrado, debido a diferencias en la relación de compresión, y si el motor es normalmente aspirado o turbocargado. Gas Natural de Línea: El combustible mas común para generadores es llamado “Gas Natural de Línea”. En los Estados Unidos, el “gas natural seco de línea” tiene cualidades específicas basadas en requerimientos federales, En otros países, el gas natural de línea puede variar su contenido, así que sus características se deben 6 DISEÑO MECANICO verificar antes de su uso con un generador. El gas natural en EU es una mezcla compuesta de aproximadamente 98% metano y etano con otro 2% de hidrocarbonos como butano y propano, nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua. “seco” significa que está libre de hidrocarbonos líquidos como gasolina, NO que está libre de vapor de agua. El gas natural seco de línea 3 típicamente tiene un LHV de 936 BTU/ft , y un 3 HHV de 1038 BTU/ft . Gas de Campo: La composición de “Gas Natural de Campo ” varía considerablemente por región y por continente. Se necesita un cuidadoso análisis antes de usar gas natural de campo en un motor. El gas natural de campo puede tener hidrocarbonos mas pesados como el pentano, hexano y heptano, los cuales requieren de derratear la salida del motor. También pueden tener otros contaminantes como azufre. Un gas típico de campo puede tener un LHV de 1203 BTU/ft3, y un HHV de BTU/ft 3. Propano (LPG): El propano esta disponible en dos grados, comercial o de uso especial. El propano comercial se usa donde se requiere alta volatilidad. No todos los motores de encendido por chispa operarán aceptablemente con este combustible debido a su volatilidad. El propano de uso especial, también llamado HD5, es una mezcla de 95% de propano y otros gases como butano que permiten mejor desempeño del motor debido a la reducción de pre-ignición gracias a su volatilidad reducida. El combustible de propano de uso especial que cumple con la especificación ASTM 1835 para propano de uso especial, (equivalente al estándar 2140 de la Asociación de Productores de Gas del propano HD5), es apropiado para la mayoría de los motores. El propano tiene un LHV de aproximadamente 2353 BTU/ft3, y un HHV de 2557 BTU/ft3. El valor de calor más alto hace que necesite mezclarse con diferentes volúmenes de aire en el sistema de combustible para aplicaciones de propano vs. aplicaciones de gas natural, así que los motores de doble combustible tiene esencialmente dos arreglos de combustible para este propósito. Contaminantes: Los contaminantes más dañinos en los combustibles gaseosos son el azufre y vapor de agua.´ El vapor de agua es dañino porque puede causar quemado descontrolado, pre-ignición u otros efectos que pueden dañar el motor. El vapor liquido o las gotitas deben ser eliminadas del combustible antes de que entren a este con el uso de un “filtro seco” que se monta en el sistema de combustible antes del regulador de 122 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación presión de combustible primario. El punto de condensación del gas de debe ser cuando menos 20°F (11°C) por debajo de la temperatura ambiente en el sitio de la instal ación. El azufre y los sulfitos de hidrógeno causarán corrosión y serios daños al motor en un periodo relativamente corto de tiempo. Diferentes motores tiene diferentes niveles de tolerancia a la contaminación de azufre, y otros simplemente no deberían ser operados con combustibles que contengan u contenido de azufre significativo. Contacte al fabricante del motor para la aprobación de motores específicos con combustibles específicos. Los efectos del azufre en el combustible se pueden contrarrestar en parte con el uso de aceites lubricantes de gas natural de alta ceniza. En general, los motores no deberían operarse con combustibles en exceso de 10 ppm (partes por millón) de azufre. Algunos combustibles, como los derivados de las aplicaciones de relleno sanitario, pueden tener un contenido de energía química útil, pero muy altos niveles de azufre, (>24 ppm). Estos combustibles se llaman a menudo “gas agrio”. Si a este combustible se le elimina el contenido de azufre, se puede usar como combustible para muchos motores, suponiendo que tenga el suficiente contenido de BTU. Análisis de Combustible: El proveedor de gas puede proveer un análisis de gas que describe la composición química del combustible que va a suministrar. Este análisis de combustible se puede usar para estar seguro de que el combustible es apropiado para usar en un motor específico propuesto para una aplicación específica, y también para verificar que el contenido de BTU del combustible es suficiente PATRA proveer la salida necesaria de kW del motor. Los proveedores pueden cambiar la composición del gas natural de línea sin avisar, así que no hay garantía de largo plazo del desempeño, pero el proceso de evaluación del combustible se puede describir brevemente como: • Enliste el porcentaje de cada constituyente del gas. • Calcule el porcentaje de total del gas que es combustible. La porción combustible es 100% menos los porcentajes de los compuestos inertes. Estos incluyen: oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua. • Calcule el porcentaje de cada compuesto combustible del gas. • Verifique la aceptabilidad del gas chocando el porcentaje de cada elemento combustible vs. las recomendaciones del fabricante del motor. Por ejemplo, para un análisis de gas de: 90% Metano 6% Etano 2% Hidrógeno 1% Pentano Normal 1% Nitrógeno - Porcentaje total de elementos inertes = 1% - Combustible total = 100% - 1% = 99% - % Metano 90% ÷ 99% = 91% - % Etano 6% ÷ 99% = 6.1% - % Hidrógeno 2% ÷ 99% = 2% - % Pentano normal 1% ÷ 99% = 1% • Vea la Tabla 6-8 para un listad o típico de los Combustibles Máximos Permisibles en los generadores de gas de Cummins. Note que en este ejemplo, el análisis muestra que el combustible será aceptable para un motor de relación de compresión mas baja, (alrededor de 8.5:1) pero no para un motor de alta compresión. Un motor de alta compresión tendrá requerimientos de composición de combustible más exigentes, pero operará mas satisfactoriamente con un derrateo de su salida – consulte al fabricante del motor. • Verifique el rango del generador basado en el uso del combustible propuesto. El contenido total de BTU de un combustible determinará el rango del generador cuando se usa combustible de una composición específica. Si cualquier componente del combustible tiene un valor mas alto del permitido, se requerirá un derrateo. Consulte al fabricante del motor para los requerimientos de combustible y las instrucciones de derrateo. Note que el derrateo de combustible y el derrateo de altitud 18 no son aditivos. Solo necesita aplicarse el valor máximo del derrateo de combustible o del derrateo de altitud o temperatura. Los motores turbocargados tienen requerimientos únicos de composición de combustible debido a las presiones más latas en los cilindros. Para evitar problemas con pre-ignición o detonación, se requiere un derrateo de potencia de salida si el contenido de propano y/o iso-butano exceden los porcentajes de listados en la Tabla 6-9. 18 Consulte al fabricante del motor o generador para los factores de derrateo de altitud y temperatura. 6 DISEÑO MECANICO 123 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Diseño del Generador Sistema de Combustible del La Figura 6-31 ilustra los componentes de una típica línea de gas en un sistema de doble gas, de transferencia automática (gas natural y LPG). Los sistemas de un solo gas (gas natural o LPG) usan las porciones anotadas de los componentes en esta ilustración. No se muestra el vaporizador de LPG suministrado con los generadores de Cummins Power Generation equipados para el succionado líquido de LPG (motor montado solo en exteriores). Los reguladores de presión de servicio, los filtros de gas seco y las válvulas de cerrado manual son suministrados generalmente por el instalador, pero son accesorios que están disponibles en Cummins Power Generation. Diseño de Sistema de Combustible en Sitio Se debe considerar lo siguiente cuando se instala un sistema de gas natural o de LPG: • El diseño del sistema de suministro de combustible gaseoso, los materiales, componentes, fabricación, ensamble, instalación, pruebas, inspección, operación y mantenimiento deben cumplir con todos los 19 códigos aplicables . 19 • El trazado y tamaño de la tubería de gas debe ser adecuada para manejar el volumen de gas requerido por el generador y todos los demás equipos como calderas de calentamiento del edificio suministrados por la misma fuente. El flujo de carga completa de gas (vea la hoja de especificaciones del generador recomendado) debe estar disponible a no menos de la presión requerida de suministro, típicamente de 5 a 10 pulgs. WC (columna de agua), dependiendo del modelo. LA determinación final de las tuberías debe, sin embargo, basarse en el método de la autoridad que tenga jurisdicción (vea NFPA no. 54). • La mayoría de las instalaciones requerirán un regulador de presión de gas. La presión de suministro de gas no debe exceder 13.8 o 20 pulgs. WC en la entrada del generador dependiendo del modelo. Dependiendo de la presión de distribución del gas, a menudo se requerirá más de una etapa de regulación de presión. Las tuberías de alta presión no están permitidas dentro de los edificios, (5 psig para gas natural y 20 psig para LPG a menos que las autoridades con jurisdicción las permitan). Los reguladores de presión de gas deben ventilarse hacia exteriores de acuerdo al código. En Norte América son típicos los estándares NFPA no. 37, 54 y 58. 6 DISEÑO MECANICO 124 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 6 DISEÑO MECANICO 125 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación • El regulador de presión instalado en la línea de suministro en la fuente de gas para aplicaciones de generador nunca debe ser un regulador “piloto”. Un regulador “piloto” es del tipo donde el regulador requiere una línea de presión de la carcasa del regulador a la tubería de gas flujo-abajo para “sentir” cuando ha caído la presión de la línea. Los reguladores piloto no trabajan porque el tiempo de respuesta es inaceptable comparado con los cambios instantáneos grandes de las demandas del generador. • Se debe usar manguera flexible aprobada para las conexiones en el motor para absorber la vibración y el movimiento del generador. • La mayoría de los códigos requieren válvulas de cerrado manuales y eléctricas (operadas por batería) antes de las mangueras flexibles. La válvula manual debe ser del tipo indicador. • Se debe instalar un filtro de combustible seco en cada línea como se muestra en la Figura 631 para proteger los sensibles componentes de los reguladores y los orificios flujo-abajo de substancias dañinas que se transporten por el flujo de gas (oxido etc.). • Se debe dedicar un sistema de suministro de gas LP para el sistema de emergencia si este es el combustible alternativo requerido. • En los generadores de Cummins Power Generation equipados para succión de gas LP liquido, se instala de fábrica un vaporizador de LPG calentado por el refrigerante del motor. Puesto que no se permite tubería de gas de alta presión (más de 20 psig) dentro de los edificios, los generadores equipados con succión de LPG líquido no se deben instalar dentro de edificios. (hay casetas de intemperie disponibles para la mayoría de los generadores de LPG). • El rango de vaporización en un tanque de LPG depende de la temperatura externa, a menos que el tanque esté equipado con un calentador y de la cantidad de gas en el tanque. Aún en días fríos el aire caliente calienta y vaporiza el LPG (mayormente por la superficie húmeda del tanque) cuando la temperatura es más alta que la temperatura del LPG. El succionar vapor, causa que la temperatura ypresión del tanque bajen. (A -37°F [-38°C] el LPG tiene presión de vapor cero.) A menos que haya suficiente combustible y calor disponibles, el funcionamiento del generador hará que el rango de vaporización caiga por debajo de lo que se requiere para que éste continúe funcionando correctamente. 6 DISEÑO MECANICO Cálculos de Sistema de Combustible Gaseoso, Presión de Combustible. Tamaño del Tanque: Use la Figura 6-32 como refer encia rápida para la definición del tamaño del tanque de LPG con la base de la mas baja temperatura esperada. Por ejemplo, en un día de 3 40°F, la succión a 1000 ft requiere un tanque de 2000 galones lleno cuando menos a la mitad. Nota: en muchos casos la cantidad de combustible requerido para la vaporización apropiada es mucho más grande que la req uerida por el número de horas de operación estipuladas por el código. Por ejemplo, en una aplicación de Clase 6 NFPA 110, debe haber suficiente combustible para que el generador funcione durante 6 horas antes de rellenar el tanque. El LPG da aproximadamente 36.5 pies cúbicos de gas por galón de líquido, Si el rango de succión del generador es de 1000 ft3/hr: En este caso, el tanque debe ser de un tamaño para cuando menos de 2000 galones basados en la temperatura esperada mas que en el combustible consumido en 6 horas (164 galones). Tamaño de la Tubería: La definición de tamaño de la tubería de gas para el suministro apropiado de combustible en cuanto a presión y flujo, puede ser algo complejo. Sin embargo, un método simplificado, así como con todas las otras tuberías de escape y refrigerante, es convertir todas las conexiones, válvulas etc. a longitudes equivalentes de tubería del diámetro a considerar. El total de la longitud equivalente se puede entonces relacionar a la capacidad de flujo. La Tabla 6-3 Longitudes Equivalentes de Tubería, Conexiones y Válvulas de Gas aplica para tubería de gas así como para líquido. Las Tablas de la 6-10 a la 6-14 muestran la capacidad máxima de gas para la equivalencia en longitud diferentes tamaños de tubería. Las tablas 6-10 a 6-14 se reproducen del NFPA 542002, Código Nacional de Gas, y están seleccionadas considerando los requerimientos generales de operación de sistemas de combustible para generadores. Se incluyen tablas para gas natural, succión de propano líquido y vapor de propano bajo condiciones específicas. Consulte NFPA 54 u otros códigos aplicables para otras condiciones de operación u 126 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación otros requerimientos de instalación de sistemas de combustible. Un cálculo del tamaño mínimo de la tubería es bastante sencillo: • Haga una lista de todas las conexiones y válvulas del sistema propuesto y sume sus longitudes equivalentes usando la tabla. • A este total, sume las longitudes de tubería recta para llegar a una longitud total equivalente. • Escoja la tabla apropiada basado en el sistema de combustible. 6 DISEÑO MECANICO • Obtenga los requerimientos máximos de combustible para el(los) generador(es) 3 generador, Convierta a ft /hr como sea necesario (tenga en mente el contenido de BTU como se planteó anteriormente en esta sección). • Ubique la longitud equivalente de tubería (o la longitud equivalente más grande siguiente) en la columna de la izquierda. Busque por las columnas hasta donde el número sea tan o mas grande que la longitud equivalente calculada anteriormente. En la parte alta de la columna está el tamaño mínimo nominal de la tubería requerido por el sistema. 127 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 20 20 Reimpresa con permiso de NFPA 54-2002, Código Nacional de Gas Combustible, Derechos Reservados © 2002, Asociación Nacional de Protección Contra Fuego, Quincy, MA 02169. Este material no es la posición completa oficial de NFPA en el tema de referencia, el cual está representado solamente por el estándar completo. 6 DISEÑO MECANICO 128 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 21 21 Reimpresa con permiso de NFPA 54-2002, Código Nacional de Gas Combustible, Derechos Reservados © 2002, Asociación Nacional de Protección Contra Fuego, Quincy, MA 02169. Este material no es la posición completa oficial de NFPA en el tema de referencia, el cual está representado solamente por el estándar completo. 6 DISEÑO MECANICO 129 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 22 22 Reimpresa con permiso de NFPA 54-2002, Código Nacional de Gas Combustible, Derechos Reservados © 2002, Asociación Nacional de Protección Contra Fuego, Quincy, MA 02169. Este material no es la posición completa oficial de NFPA en el tema de referencia, el cual está representado solamente por el estándar completo. 6 DISEÑO MECANICO 130 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 23 23 Reimpresa con permiso de NFPA 54-2002, Código Nacional de Gas Combustible, Derechos Reservados © 2002, Asociación Nacional de Protección Contra Fuego, Quincy, MA 02169. Este material no es la posición completa oficial de NFPA en el tema de referencia, el cual está representado solamente por el estándar completo. 6 DISEÑO MECANICO 131 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Reducción de Ruido Aplicaciones de Generador en La ciencia del Ruido Medición de Nivel de Ruido y Unidades de Decibeles/dB(A): Una unidad de medición de sonido es el decibel. El decibel es un número en una escala logarítmica que expresa la relación de dos presiones de sonido, comparando la presión real con una presión de referencia. Las regulaciones de sonido se escriben generalmente en términos de “decibeles escala A” o dB(A). La “A” denota que la escala ha sido “ajustada” para aproximarla a como una persona percibe la intensidad del sonido. La intensidad depende del nivel de presión de sonido (amplitud) y frecuencia. La Figura 6-33 muestra los niveles de sonido típicos asociados con varios ruidos ambiente y fuentes de ruido. 6 DISEÑO MECANICO Es preferible medir datos de nivel de sonido precisos y significativos en un “sitio de campo” para obtener datos de ruido. Un “campo libre” a diferencia de un “campo de reverberación”, es un campo de sonido en donde los efectos de obstáculos o límites al sonido en ese campo son inexistentes. (Generalmente esto significa que estas barreras están lejos, no reflejan hacia el área de prueba y/o están cubiertas por con materiales de absorción de sonido apropiados.) La medición precisa de sonido es también requiere que se ubique el micrófono fuera del “campo cercano”. El “campo cercano” se define como la región dentro de una longitud de onda, o dos veces la dimensión de la fuente mas grande de ruido, lo que sea más grande. Las mediciones de ruido para regulaciones comunitarias no se deben hacer en el campo cercano. Las especificaciones de ruido del ingeniero deben exigir mediciones de presión de sonido en campo libre, 7 metros (21 pies) o más. 132 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Las mediciones de ruido se deben hacer usando un medidor de nivel de sonido y un analizador de banda de octavo para un análisis mas detallado por los consultores acústicos. Los micrófonos se ponen en un círculo de 7 metros (21 pies) de radio centrado en el generador, distancia suficiente para este tipo y tamaño de equipo. Consulte las hojas de datos de Desempeño de Sonido en el software Power Sistems Suite para datos acerca de los productos de Cummins Power Generation. 6 DISEÑO MECANICO Niveles de Sonido Aditivos: El nivel de sonido en una ubicación dada es la suma de niveles de ruido de todas las fuentes, incluyendo fuentes reflejantes. Por ejemplo, el nivel de ruido en un punto de un campo libre equidistante de de dos generadores idénticos, es el doble cuando ambos generadores están funcionando. Una duplicación de el nivel de ruido representado es un incremento de aproximadamente 3 dB(A). En este caso, si el nivel de ruido de cualquier generador es de 93 dB(A), esperaría uno un nivel de 93 dB(A) cuando ambos están funcionando. 133 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Se puede usar la Figura 6-34 como sigue para estimar el nivel de ruido de fuentes múltiples de ruido: 1. 2. Encuentre la diferencia en dB(A) entre dos fuentes (las que sean). Localice el valor en la escala horizontal como lo muestra la flecha vertical, vaya hacia arriba a la curva y sobre la escala vertical como lo muestra la flecha horizontal. Sume este valor al valor de dB(A) más alto de los dos. Repita el paso 1 entre le valor que se acaba de determinar y el valor siguiente. Repita el proceso hasta que se hayan hecho todas las fuentes. Por ejemplo, para sumar 89 dB(A) , 90.5 dB(A) y 92 dB(A): -Reste 90.5 dB(A) de 92 dB(A) para una diferencia de 1.5 dB(A). Como lo muestran las flechas en la Figura 6-34, correspondiente a la diferencia de 1.5 dB(A) es el valor de 2.3 dB(A), el cual debe sumarse a 92 dB(A) para un nuevo valor de 94.3 dB(A). -De la misma forma reste 89 dB(A) del nuevo valor de 94.3 dB(A) para una diferencia de 5.3 dB(A). -Finalmente sume el valor correspondiente de 1.1 dB(A) a 94.5 dB(A) para un total de 95.6 dB(A). Efecto de la Distancia: En un “campo libre”, el nivel de sonido decrece al incrementarse la distancia. Si, por ejemplo, se toma una segunda medición al doble de la distancia de la fuente, la segunda medición será aproximadamente 6 dB(A) menos que la primera (cuatro veces menor). Si la distancia se corta a la mitad, la segunda medición será aproximadamente 6 dB(A) mas alta (cuatro veces mayor). Para el caso más general, si se conoce el nivel de presión de sonido (SPL 1) de una fuente a distancia d1, el nivel de presión de sonido (SPL2) a d2 se puede encontrar como sigue: Por ejemplo, si el nivel de presión de sonido (SPL1) a 21 metros (d1) es de 100 dB(A), a 7 metros (d2) el nivel de presión de sonido (SPL2) será: Alternativamente, se puede usar la siguiente fórmula para sumar los niveles de presión de sonido medidos en dB(A): 6 DISEÑO MECANICO 134 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Para aplicar la formula de distancia (arriba) a los datos de generador publicados por Cummins Power Generation, el nivel de ruido de fondo debe ser de al menos 10 dB(A) por debajo del nivel de ruido del generador y la instalación debe aproximar un ambiente de campo libre. Se puede usar la Figura 6-35 como una alternativa a la fórmula para estimar el nivel de sonido a diferentes distancias, como un límite de propiedad. Por ejemplo, como lo muestran las flechas punteadas, si el rango de ruido de la hoja de especificaciones del generador recomendado es 95 dB(A) (a 7 metros), el nivel de ruido a 100 metros será de aproximadamente 72 dB(A). Para usar la Figura 6-35, trace una línea paralela a las líneas inclinadas del valor dB(A) conocido en la línea de la escala vertical para la distancia específica. Luego trace una línea horizontal hasta la escala vertical y lea el nuevo valor dB(A). 6 DISEÑO MECANICO Ruido del Generador Las aplicaciones de generador son susceptibles a problemas asociados con niveles de ruido debido a los altos niveles de de ruido producidos por la operación de generadores. Se han aprobado códigos y estándares para proteger a dueños o usuarios de propiedades, de altos niveles de ruido de otras propiedades. En general, los niveles requeridos de ruido en límites de propiedad, están en los bajos 60s o en los altos 50s, (dependiendo de la hora del día), mientras que los niveles no tratados de ruido de generador pueden aproximar los 100 dB(A). El ruido del generador se puede amplificar por las condiciones del sitio, o el ruido ambiente existente en el sitio podría prohibir que el generador cumpla con los niveles de desempeño requeridos. (Para poder medir precisamente los niveles de ruido de cualquier fuente, la fuente de ruido debe ser mas de 10 dB(A) mas sonora que el ambiente alrededor de ella.) 135 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación El nivel de ruido producido por un generador en un límite de propiedad es predecible si el generador está instalado en un ambiente de campo libre. En un ambiente de campo libre, no hay paredes que reflejen y magnifiquen el ruido producido por el generador, y el nivel de ruido sigue la regla de “6 dB(A) de reducción por el doble de la distancia”. Si el límite de propiedad está dentro del campo cercano de un generador, el nivel de ruido podría no ser predecible. Un ambiente de campo cercano es cualquier medición tomada dentro del doble de la dimensión más grande de la fuente de ruido. Las paredes reflejantes y otras superficies duras magnifican el nivel de rudo percibido por el receptor. Por ejemplo, si un generador es ubicado junto a una pared de superficie dura, el nivel de ruido perpendicular a la pared será de aproximadamente el doble de potencia de sonido esperada del generador en un ambiente de campo libre (esto es, en generador operando con un nivel de 68 dB(A) mediría 71 dB(A) junto a un muro reflejante). El poner el generador en una esquina magnifica aún más el nivel de ruido percibido. Vea la sección tabla 2-2 para datos de ruido exterior representativo. Reduciendo Estructura el Ruido Transmitido por a Las estructuras vibratorias crean ondas de presión de sonido (ruido) en el aire que las rodea. Las conexiones a un generador pueden causar vibraciones en la estructura del edificio creando ruido. Típicamente estas incluyen las anclas del patín, el ducto de descarga de aire del radiador, la tubería de escape, la tubería de refrigerante, las líneas de combustible y el conduit del cableado. También, las paredes de la caseta del generador pueden vibrar y causar ruido. La Figura 6-1 muestra formas de minimizar el ruido transmitido a la estructura con aislamiento apropiado de vibración. Montar un generador en aisladores de vibración de tipo de resorte, efectivamente reduce la transmisión de la vibración. La práctica del aislamiento de vibraciones se describe al principio de este capítulo. 6 DISEÑO MECANICO Las conexiones flexibles a la tubería de escape, ducto de aire, línea de combustible, tubería de refrigerante (sistemas de radiador o de intercambiador de calor remotos ) y el conduit de cableado, efectivamente reducen la transmisión de la vibración, Todas las aplicaciones de generador requieren el uso de conexiones flexibles al generador. Reduciendo el Ruido Transmitido por el Aire El ruido por el aire tiene una caract erística direccional y es generalmente mas aparente en la parte alta del rango de frecuencia. • El tratamiento más simple es el dirigir el ruido, tal como la salida de aire del radiador o el escape, lejos de los receptores. Por ejemplo. Apunte el ruido hacia arriba verticalmente para que la gente a nivel de piso no esté en la ruta del ruido. • Las barreras de línea de visión también son efectivas para bloquear el ruido. Las barreras hechas con materiales de alta masa como el concreto, bloque de cemento relleno o ladrillo son mejores. Tenga cuidado de eliminar el camino del sonido a través de aberturas en las puertas o puntos de acceso al cuarto (o caseta) del escape, combustible o cableado eléctrico. • Hay materiales acústicos absorbentes de ruido disponibles par a forrar los ductos de aire, y cubrir paredes y techos. También, hacer que el ruido viaje por una vuelta de 90° en un ducto reduce el ruido de alta frecuencia. Dirigir el ruido hacia una pared cubierta con material absorbente de ruido puede ser muy efectivo. La fibra de vidrio o esponja pueden ser apropiados, basadas en factores como costo, disponibilidad, densidad, retardo de flama, resistencia a la abrasión, estética y facilidad de limpieza. Se debe tener cuidado de seleccionar material que sea resistente a los efectos del aceite y otros contaminantes del motor. • Una caseta de bloque de concreto es una excelente barrera para todo el ruido. Los bloques se pueden llenar de arena para incrementar la masa del muro e incrementar la atenuación del ruido. • Los arreglos de radiador remoto se pueden usar para limitar el flujo del aire y para mover la fuente del ventilador de radiador a una ubicación en la que el ruido pueda ser menos molesto para los receptores, Las instalaciones de radiador remoto se pueden instalar con ventiladores de baja velocidad para minimizar el ruido del conjunto. 136 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Casetas (Cabinas) Atenuadas al Ruido Los generadores que se instalan en exteriores se pueden proveer de casetas con atenuadoras de ruido. Estas casetas, forman “cuarto” alrededor del generador y pueden ser muy efectivas en la reducción de ruido producido por la máquina. En general el precio de la caseta está directamente relacionado con el nivel de atenuación requerido. Así que mientras más alto sea el nivel de atenuación requerido, mas alto será el costo de la caseta. No es poco común que los costos de las casetas se acerquen al costo del generador que protegen. Se debe reconocer también que puede haber un precio a pagar en términos del desempeño del generador al usar niveles muy altos de atenuación. Pruebe cuidadosamente los generadores atenuados contra ruido en cuanto a ventilación adecuada y desempeño en su habilidad de llevar cargas. Nota: tenga cuidado de que cuando compare los rangos de sistema de enfriamiento, el rango esté basado en temperatura ambiente y no en aire al radiador. Un rango de aire al radiador restringe la temperatura del aire que fluye al radiador y no da lugar al incremento de temperatura del aire debido a la energía calorífica del motor y alternador. Los sistemas de rango a temperatura ambiente toman en cuenta este incremento de temperatura en su capacidad de enfriamiento. Desempeño del Silenciador de Escape Los generadores casi siempre están provistos de un silenciador de escape (mofle) para limitar el ruido del escape de la máquina. Los silenciadores existen en una gran variedad de tipos, formas físicas y materiales. Los silenciadores están generalmente agrupados en silenciadores de cámara o de espiral. Los de cámara se pueden diseñar para que sean más efectivos, pero los de espiral a menudo son más pequeños y pueden tener un desempeño adecuado para la aplicación. Los silenciadores se pueden construir de acero rolado u de acero inoxidable. Los silenciadores de acero rolado son as económicos, pero más sus ceptibles a la corrosión que los de acero inoxidable. Para aplicaciones en donde el silenciador está montado en interiores y protegido por aislamiento para limitar el rechazo 6 DISEÑO MECANICO de calor, hay muy poca ventaja en que sean de acero inoxidable. Los silenciadores se pueden obtener en las siguientes configuraciones: • Entrada por un extremo y salida por el otro, probablemente la configuración más común. • Entrada lateral y salida por un extremo, usada para ayudar a limitar los requerimientos de altura de techo en un g enerador. • Entrada doble lateral y salida por un extremo, usado en motores con cilindros en “V” para eliminar la necesidad de un múltiple de escape y minimizar los requerimientos de altura de techo. Los silenciadores están disponibles en diferentes “grados ” de atenuación de ruido comúnmente llamados “industrial”, “residencial” y “crítico”. Note que el ruido de un generador podría no ser la fuente de ruido mas molesta de la máquina, Si el ruido mecánico es significativamente más grande que el ruido del escape, la selección de un silenciador de alta eficiencia no mejorará el nivel de ruido presente en el sitio. En general, mientras más efectivo es el silenciador en reducir el nivel de ruido del escape, mas alto es el nivel de restricción en el escape del motor. Para sistemas de escape muy largos, la tubería misma proveerá algún nivel de atenuación. Atenuación Típica de Silenciadores Silenciadores Industriales 12-18 dB(A) Silenciadores Residenciales 18-25 dB(A) Silenciadores Críticos 25-35 dB(A) Protección Contra Incendios El diseño, selección e instalación de sistemas contra incendio está mucho mas allá del espectro de este manual debido al amplio rango de factores a considerar, tales como ocupación del edificio, códigos y la eficacia de diferentes sistemas contra incendio. Considere sin embargo: • El sistema de protección contra incendios debe cumplir con los requerimientos de la autoridad que tenga jurisdicción, tal como el inspector de construcción, jefe de bomberos o asegurador. • Los generadores usados para potencia de emergencia deben estar protegidos del fuego por ubicación o por medio del uso de construcción resistente al fuego en el cuarto del generador. En algunos lugares, la 137 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación construcción del cuarto del generador para instalaciones que son consideradas como de seguridad de vida, deben tener un rango de 24 25 resistencia al fuego de 2 horas , . Algunos lugares también requieren protección de fuego de alimentación. Considere el uso de puertas automáticas contra incendio o amortiguadores en el cuarto del generado r. El cuarto del generador debe estar ventilado adecuadamente par prevenir la acumulación de gases de escape del motor o de gases inflamables del suministro de combustible. • El cuarto del generador no debe usarse para propósitos de almacenaje. • Los cuartos de generador no deben clasificarse como ubicaciones peligrosas (como lo define NEC) solamente por la razón del combustible. • La autoridad con jurisdicción, generalmente clasificará al generador como un aparato de bajo calor cuando se use en periodos breves e infrecuentes, aún cuando la temperatura podría exceder los 1000°F (358°C). Donde la temperatura exceda 1000°F (358°C), algunos motores diesel y la mayoría de los de gas se clasificarán como aparatos de alto calor y podrán requerir sistemas de escape de rango de 1400°F (760°C) de operación. Consulte al fabricante del motor para información acerca de temperaturas de escape. • La autoridad con jurisdicción podría especificar la cantidad, tipo y tamaños de extinguidores portátiles requeridos para el cuarto del generador. • Una estación manual de paro de emergencia afuera del cuarto del generador en una carcasa externa facilitará el paro del generador en caso de un incendio u otro tipo de emergencia. • Los sistemas de combustible típicos están limitados a 660 galones (2498 litros) dentro de un edificio. Sin embargo, la autoridad con jurisdicción podría exigir muchas mas restricciones en la cantidad de combustible que se pueda almacenar dentro de un edificio. También, se pueden hacer excepciones para usar cantidades mas grandes de combustible en el cuarto del generador, especialmente si el 24 NOTA DE CODIGO: En los Estados Unidos, NFPA110 requiere que los generadores usados en sistemas de emergencia de Nivel 1 estén instalados en un cuarto con un rango de resistencia al fuego de dos horas. Otros sistemas de emergencia requieren tener rangos de 1 hora de resistencia al fuego. 25 NOTA DE CODIGO: En Canadá, CSA282-2000 requiere que un cuarto con un rango de resistencia al fuego de una hora proteja los generadores de potencia de emergencia que se instalen en edificios. 6 DISEÑO MECANICO cuarto del generador tiene sistemas contra incendio diseñados correctamente. • Los tanques de combustible ubicados dentro de edificios y arriba del piso más bajo o sótano, deben estar rodeados por un “dique” de acuerdo a los estándares de NFPA y las regulaciones ambientales. • El generador debe ejercitarse periódicamente como se recomienda hasta cuando menos 30% de su carga hasta que alcance temperaturas de operación estables. También debe funcionar bajo casi carga completa cuando menos una vez al año para evitar que se acumule el combustible en el sistema de escape. Diseño del Cuarto de Equipo Consideraciones Generales Los generadores se deben instalar de acuerdo a las instrucciones suministradas por el fabricante, y en cumplimiento de los códigos y estándares aplicables. Guías generales para el diseño del cuarto: • La mayoría de los generadores requerirán acceso de servicio por ambos lados del motor, así como acceso a la orilla del control/alternador. Los códigos eléctricos podrían especificar un espacio de trabajo específico para equipo eléctrico, pero en general permiten un espacio igual al ancho del generador en ambos lados y atrás. • La ubicación del sistema de combustible o los componentes de distribución eléctrica podrían requerir espacio de trabajo adicional. Vea los requerimientos del sistema de combustible en esta sección para más información al respecto. • Debe haber un acceso al cuarto del generador (o una carcasa externa) que permita que el componente mas grande del equipo pueda ser desmontado (usualmente el motor). El acceso puede ser a través de puertas amplias, o por medio de persianas de aire removibles. Un diseño ideal es el que permite que el generador se instale como un paquete dentro del cuarto de equipo. Instalaciones en el Techo: Con más presión en el costo de construcción, está haciéndose más común instalar los generadores en los techos. Estas instalaciones pueden lograrse exitosamente si la estructura del edificio puede soportar el peso del generador y su equipo 138 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación asociado. Las ventajas y desventajas generales de estas instalaciones son: INSTALACIONES EN EL TECHO Ventajas • Aire de ventilación ilimitado para el sistema. • Muy poco o nada de ductería de ventilación. • Sistemas de escape cortos. • Menos problemas de ruido (podrían todavía necesitar una caseta atenuadora de ruido). • Menos limitaciones de espacio. • El generador está aislado del servicio normal para mejor confiabilidad. Desventajas • Podría requerirse el reforzamiento de la estructura del techo para soportar el peso del generador. • Mover el equipo al techo podría ser costoso (grúa o des-ensamble) • Restricciones de código. • Corridas mas largas para el cableado 6 DISEÑO MECANICO • Almacenaje limitado de combustible cerca del generador. El suministro de combustible (y posiblemente el retorno) deben correr por el edificio. • Mayor dificultad para dar servicio al generador . Nota: Aún si el generador se monta en el techo, se debe tener cuidado con el escape del motor para evitar la contaminación de los ductos de aire de entrada al edificio o propiedades circundantes. Vea las Guías Generales de Ventilación en esta sección para más información. Se recomienda que los generadores que tengan limitaciones en el acceso de servicio estén provistos con una conexión para un banco de carga dentro del sistema de distribución del edificio. Esto permitirá que la conexión temporal de bancos de carga en ubicaciones convenientes. De otra manera, la dificultad de conectar un banco de carga puede dificultar o hasta prohibir el probado adecuado del generador. 139 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 7 APENDICE A. Definiendo el Tamaño del Generador con GenSize™ Generalidades GenSize™ es un software de aplicación (disponible en el CD Power Suite de Cummins Power Generation) para definir el tamaño adecuado (capacidad) de los generadores para aplicaciones de emergencia o primarias. Toda la información necesaria para ordenar la configuración correcta de generador de su distribuidor local está incluida en la recomendación preparada por el software. En la biblioteca CD que acompaña el CD de Power Suite, también se puede ver e imprimir información necesaria de productos para diseñar y completar apropiadamente su sistema de potencia. La información en el CD Biblioteca incluye: hojas de especificación de generador, información de soporte técnico (datos del alternador, datos de emisiones del generador, datos acústicos del generador, sumarios de las pruebas de los generadores prototipo) y dibujos clave (contornos, esquemáticos, diagramas de cableado y dibujos de instalación de accesorios). Con GenSize UD. Puede crear, guardar, recuperar, modificar y eliminar información dentro de un proyecto. Se puede copiar y pegar información cargada dentro o entre los múltiples proyectos. GenSize maneja la mayoría de los tipos de carga incluyendo diferentes tipos de iluminación, HVAC, carga de baterías, UPSs, motores, bombas contra incendios y cargas en general. Tiene disponible un área de cargas definida por el usuario para introducir las características de una carga en especial. GenSize maneja correctamente cargas de soldadur a, cíclicas y de imagen médica (donde los picos de carga ocurren después de que todas las demás cargas han sido arrancadas y no durante la secuencia de arranque misma). NOTA: Cuando se usa GenSize como la base para definir el tamaño de un generador de otro fabricante que no sea Cummins Power Generation, tenga en cuanta que los generadores de la competencia que son del mismo rango de kW podrían no ser apropiados para una aplicación dada debido a diferencias en desempeño. El diseñador del sistema puede minimizar el riesgo en esta situación, especificando un alternador con una elevación de temperatura similar, un alternador con reactancia sub -transición por unidad, armónicos y 7 APENDICE desempeño de gobernador. respuesta de transición de Además de ser una herramienta par ver la información del desempeño de los generadores, GenSize incluye una interfase gráfica fácil de usar para introducir información acerca de las cargas del generador, los pasos de la secuencia de arranque de las cargas y parámetros para el generador mismo. Aunque no hay un manual separado para GenSize, su Ayuda sensible al contexto debe ser suficiente para correr la aplicación. Aplicaciones: Hay cuatro aplicaciones dentro de Power Suite: GenSize, Library, GenCalc y GenSpec. En GenSize, el proyecto completo se muestra del lado izquierdo, mientras que el lado derecho muestra los contenidos de cualquier nodo seleccionado del lado derecho. Este es el corazón de la aplicación donde se introducen y definen las cargas y su secuencia. La aplicación Library (B iblioteca) permite que el usuario explore las especificaciones del producto y datos, dibujos de aplicación, y otra información pertinente, y que la incorpore en un reporte de datos. La biblioteca se accede desde un CD de contenidos de Biblioteca. Este CD se puede copiar al disco duro de su PC para su conveniencia. La aplicación GenCalc incluye un Calculador de Curva de Decremento para alternadores usados en los generadores de Cummins. La aplicación esta diseñada para incluir varias aplicaciones futuras de asistencia en el diseño de sistemas de escape y de combustible, así como otras facetas de los sistemas de potencia. La aplicación GenSpec contiene una selección de documentos en Word con especificaciones de muestra para generadores, equipo de paralelismo e interruptores de transferencia. Se puede encontrar mayor información acerca de estas aplicaciones en el área de Ayuda de GenSize. Instalando Power Suite: Inserte el CD de Power Suite en el drive de CD-ROM y siga las 140 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación instrucciones de instalación en la pantalla, o seleccione Ejecutar del escritorio de Windows, seleccione CD-ROM y corra Setup.exe. El software GenSize está diseñado para funcionar en un ambiente operativo Windows NT, 95, 98 o 2000. La función de búsqueda del CD Library está optimizada par Internet Explorer 5.0 y Adobe Acrobat 4.0 (incluida en el CD). Después de que la instalación está completa, aparecerá una nueva ventana de diálogo “Seleccione Proyecto Nuevo”. Parámetros del Proyecto El primer paso en la definición del tamaño y selección de un generador es establecer parámetros para el proyecto. Cuando menos, el generador debe tener el tamaño para suministrar la carga mayor de arranque y requerimientos de funcionamiento estable del equipo conectado a la carga. Para marcar los parámetros de default, seleccione Proyectos de la barra de herramientas superior, después Parámetros de Default del Nuevo Proyecto al final del menú que aparece. La ventana de diálogo que aparece, Figura 7-1 7 APENDICE Muestra los Nuevos Parámetros del Proyecto que se aplican a todos los proyectos nuevos y pueden ser alterados para satisfacer sus preferencias. Los parámetros de proyecto para un proyecto sencillo o existente se pueden cambiar sin alterar los parámetros de default, resaltando el nombre del proyecto y seleccionando Proyectos, Editar y luego la pestaña de parámetros. Aquí sigue una explicación de los parámetros de proyecto y las entradas de default mostradas en la ventana de diálogo. Número de Generadores Funcionando en Paralelo: El valor de default es 1. Si el total de la carga es más grande que la capacidad de un generador solo, inserte 2, 3 o mas como se necesite. Si el total de la carga está arriba de 1000 kW, podría ser ventajoso poner generadores en paralelo para una más alta confiabilidad y flexibilidad de operación. Sin embargo, cuando la carga total es de 300 kW o menos, generalmente no es efectivo para los costos poner generadores en paralelo, aunque si es técnicamente posible. 141 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Capacidad/Carga mínima del Generador: Hacer funcionar un generador con una carga ligera puede causar daños en el motor y confiabilidad reducida del generador. Cummins Power Generation no recomienda hacer funcionar los generadores a menos de 30% de su capacidad de carga de rango, esta es la posición de default en GenSize. Se deben usar bancos de carga para suplementar las cargas regulares cuando las cargas caen por debajo del valor recomendado. Un generador no debe funcionar a menos de 10% de su capacidad de carga de rango d urante ningún periodo extendido de tiempo. Máxima Caída de Voltaje (Arranque y Pico): Al reducirse la caída máxima de voltaje durante el arranque inicial, o cuando las cargas ciclan bajo controles automáticos o tienen altos impactos de pico, el tamaño del generador recomendado aumenta. El escoger una caída de voltaje permisible más baja resulta en un generador recomendado más grande. Sin embargo, poner caídas de voltaje permisible de más de 40% puede causar fallas e los relevadores y contactores. La Caída Máxima de Voltaje por default en GenSize es de 35%. Caída de Frecuencia Máxima: Al reducirse la caída máxima de frecuencia, se incrementa el tamaño del generador recomendado. Puesto que un generador es una fuente de potencia limitada (al contrario de una red pública) ocurrirán excursiones de voltaje y frecuencia durante los eventos de transición de carga. El generador debe tener el tamaño par limitar estas excursiones a un nivel aceptable para el desempeño correcto de la carga. El default máximo de Caída de Frecuencia en GenSize es de 10%. Este número podría tener que ser ajustado mas hacia abajo cuando se de potencia a cargas sensibles a la frecuencia, como sistemas UPS. Consulte con el fabricante de las UPSs para mayor información acerca de la sensibilidad de las UPSs a las excursiones de frecuencia cuando operan desde un generador de emergencia. Altitud y Temperatura Ambiente: Basado en ubicación geográfica, el tamaño de generador que el software recomienda puede incrementarse para un nivel dado de desempeño al incrementarse la temperatura ambiente o altitud. Los valores de default son una altitud de 500 pies (152 metros) y la temperatura ambiente 77°F (25°C). 7 APENDICE Atenuación de Sonido: La posición de default es Ninguno. Sin embargo, se puede seleccionar un generador Quiet Site. Las unidades Quiet Site incluyen silenciadores de escape especiales, una caseta de metal con aislamiento atenuante de sonido, y/o amortiguadores de admisión y descarga. No todos los modelos se encuentran disponibles en configuración Quiet Site. Cuando se seleccione Atenuación de Sonido, las recomendaciones de generador de GenSize se limitarán a los paquetes opcionales estándar disponibles de fábrica. Consulte a su distribuidor local para otras necesidades de atenuación. Elevación de Temperatura Máxima del Alternador: Una máxima elevación de temperatura sobre la temperatura ambiente de 104°F (40°C) se puede especificar para los devanados del alternador. GenSize recomendará combinaciones de alternador -motor que limiten la elevación de temperatura del alternador a la temperatura especificada cuando de potencia a las cargas especificadas conectadas. Puede ser deseable usar alternadores de menor elevación de temperatura en aplicaciones que contengan cargas no-lineales significativas, dond e se requiera mejor arranque de motor o en aplicaciones de trabajo primario. El ajuste default es de 125°C. Note que cuando UD. Selecciona una elevación de temperatura de alternador mas baja, se incrementará el tamaño del generador para acomodar un alternador mas grande. Combustible: El combustible de default es diesel. Otras opciones disponibles son Gas Natural y Gas Líquido Propano. Hay una selección “Cualquier Combustible” que permite que GenSize compare el desempeño de todos los tipos disponibles de combustible. Para requerimientos de gas arriba de aproximadamente 150/140 kW, consulte a su distribuidor. Frecuencia: Especifique la frecuencia requerida de operación. Los generadores están configurados para ya sea 50 o 60 Hz. El valor de default es de 60 Hz. Fase: Seleccione generador monofásico o trifásico . El valor de default es trifásico. Si se selecciona monofásico se limitará el número de modelos disponibles, puesto que los generadores más grandes no tienen alternadores monofásicos. La selección de default trifásica 142 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación permite cargas monofásicas, pero GenSize asume que las cargas monofásicas estarán balaceadas a través de las tres fases. Trabajo: GenSize hace una recomendación basada en el rango de emergencia o primario del generador, derrateando apropiadamente para las condiciones del sitio. El valor de default es Emergencia. Para una discusión más amplia e ilustración de sistema y rangos de generador, vea la sección Diseño Preliminar. Un sistema de emergencia es un sistema de potencia independiente que suministra alguna instalación en el caso de falla de la fuente normal de energía. (Se asume que el generador está aislado del servicio de la red pública). El rango de potencia de emergencia aplica para potencia de emergencia para la duración de una interrupción típica de energía. No hay capacidad de sobrecarga para este rango. Un sistema de potencia primaria es un sistema independiente de potencia para suministrar energía eléctrica en lugar de comprar electricidad de una red pública. (Se asume que el generador está aislado de la red pública, o que no hay servicio disponible de red). El rango de potencia primaria es la potencia máxima disponible a carga variable durante un número ilimitado de horas, Un mínimo de 10% de capacidad de sobrecarga está disponible para rangos de potencia primaria por motor, estándares BS 5514 y DIN 6271. No todas las configuraciones de generador están disponibles para trabajo primario. Cuando los generadores están en paralelo con la red pública durante un periodo larga de tiempo, no deben operar en exceso de su rango de carga base. Generalmente el rango de carga base de un generador es significativamente mas bajo que su rango de potencia primaria. Los rangos de carga base de los generadores están disponibles con el fabricante o con su distribuidor local de Cummins Power Generation. Voltaje: Las elecciones de voltajes disponibles son una función de la frecuencia seleccionada. Los valores de default son 277/480, Serie Wye. Introduciendo Cargas El siguiente y más importante paso en la definición del tamaño del generador es identificar cada tipo y tamaño de carga a la que el generador dará potencia. Como con todas las operaciones en GenSize, las cargas se pueden introducir ya sea del menú de proyectos, Agregar 7 APENDICE Nueva Carga o de los íconos localizados en la barra de herramientas. Después de seleccionar el tipo de carga, aparecerá la forma para la introducción de ésta. Cada forma de introducción de carga abrirá las características de default, las cuales pueden cambiarse. Introduzca toda la información requerida. Si no está seguro de lo que son los artículos, consulte la ayuda en línea para una explicación. Al introducirse cada carga, aparecerá en una lista en el lado izquierdo de la pantalla debajo del proyecto en el que UD. está trabajando. Seleccionar con un clic del mouse una de las cargas en la lista desplegará las características operativas de la carga del lado derecho de la pantalla. Haciendo doble clic en un icono de carga abrirá la forma de introducción de esa carga y UD. Puede editar la carga desde aquí. Lo siguiente trata de ayudarle a entender los parámetros de las cargas y la forma en que son calculados por GenSize. Identifique todos los tipos y tamaños de carga que el generador necesitará soportar. Si UD, tiene más de una carga de solo un tamaño y tipo, solo necesitará introducirla una vez, a menos que desee que cada una de las cargas lleve una descripción diferente. La cantidad de cada carga se puede ajustar cuando se introduzca la carga en la secuencia de pasos de arranque, como se describe mas adelante en esta sección. Cummins Power Generation ha investigado las características de arranque y funcionamiento de muchas de las cargas comunes y ha incluido defaults para estas características en GenSize. UD. Puede usar los de faults, o si sabe que las características de su carga son diferentes, cambie las características de la carga. Si UD. Tiene u tipo de carga diferente a los que GenSize Identifica, use una carga miscelánea para definir los requerimientos de arranque y funcionamiento. Basado en las características de la carga, GenSize calcula valores para kW de funcionamiento (RkW), kVA de funcionamiento (RkVA), kW de arranque (SkW), factor de potencia de arranque (SPF), kVA pico (PkVA), kW pico (PkW), y amperes de funcionamiento (RAmps). Cuando hay cargas no lineales presentes, podría ser necesario sobredimensionar el alternador, y GenSize calcula un valor para el kW de alternador (AkW) para la carga. Note que cuando se introducen cargas monofásicas en un generador trifásico, GenSize asume que las cargas de las tres fases estarán balanceadas entre ellas. Por lo tanto, las cargas monofásicas se convierten a un equivalente de 143 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación cargas trifásica para propósitos de definici ón de tamaño. Esto resulta en la distribución de la corriente de la carga monofásica a través de las tres fases, así que la carga monofásica se divide entre 1.73. Cuando se introduce una carga monofásica para una aplicación trifásica, se mos- 7 APENDICE trará la fase sencilla real en la forma de introducción, pero cuando la carga se introduce en un paso (el paso de carga es la carga balaceada aplicada al generador), la corriente del paso de carga se convierte en el equivalente de la corriente trifásica. 144 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Definición de Términos Las siguientes abreviaturas se usan en GenSize para calcular los requerimientos de arranque y funcionamiento, requerimientos de paso de carga, y requerimientos de impacto de transición de carga de las cargas individuales. Estas abreviaturas se usan en las formas de carga y reportes en la aplicación y en el tratado siguiente el cual tiene la intención de documentar algunos de los cálculos hechos por GenSize. Requerimientos de Carga en Funcionamiento (Carga Individual en Funcionamiento Estable) kVA de funcionamiento (RkVA) – la carga kilovolt – amperes en funcionamiento. kW en funcionamiento (RkW) – la carga de kilowatts en funcionamiento. kW de alternador (AkW) – la capacidad de alternador provista para compensar (sobredimensionar) en caso de una distorsión nolineal. PF de funcionamiento (RPF) – el factor de potencia de la carga en funcionamiento estable. Eficiencia – la relación de potencia de salida a potencia de entrada. Amperes de funcionamiento (RAmps) – los amperes de funcionamiento para una carga o paso. Requerimientos de Carga de Arranque (Arranque de Carga Individual kW de arranque (SkW) – los kilowatts de arranque de una carga. kVA de arranque (SkVA) – los kilovolts-amperes de arranque de una carga PF de arranque (SPF) – el factor de potencia de arranque es el factor de potencia de la carga en el momento que es inicialmente energizado o arrancado. Requerimientos de Carga de Paso de Transición (Carga Combinada en Cada Paso de Aplicación de Carga) kW de Paso Máximos – el máximo paso de carga en kW (la suma de los kilowatts de carga de arranque (SkW) individuales en el paso). kVA de Paso Máximos – La carga de paso máxima en kVA (la suma de kilovolt-amperes de carga de arranque (SkVA) en el paso). kW de Paso Acumulativos – los máximos kW de paso sumados a los kW de funcionamiento de los pasos previos. kVA de Paso Acumulativos – los kVA máximos sumados a los kVA de funcionamiento de los pasos previos. kW de Paso Efectivos – los kW de Paso Acumulativos multiplicados por un factor para dar cuenta del efecto de reducción de carga debido al sostenido voltaje de salida reducido durante la transición del paso de carga. kVA de Paso Efectivos - los kVA de Paso Acumulativos multiplicados por un factor para dar cuenta del efecto de reducción de carga debido al sostenido voltaje de salida reducido durante la transición del paso de carga. Requerimientos de Carga de Impacto de Transición (La Carga Combinada para Todas las Cargas que Requieren Potencia de Operación Pico Aleatoria) kW Pico (PkW) – el incremento repentino de potencia en kW demandado por una carga cíclica al arrancar, o por otras cargas de impacto como soldadoras y equipo de imagen médica cuando operan. kVA Pico (PkVA) – el incremento repentino de potencia en kVA demandado por una carga cíclica al arrancar, o por otras cargas de impacto como soldadoras y equipo de imagen médica cuando operan. kVA de Impacto Acumulativo – los kVA Pico sumados a los kVA de funcionamiento de todas las otras cargas de no-impacto. kW de Impacto Acumulativo – los kW Pico sumados a los kW de funcionamiento de todas las otras cargas de no-impacto. kW de Impacto Efectivos – los kW Pico Acumulativos multiplicados por un factor para dar cuenta del efecto de reducción de carga debido al sostenido voltaje de salida reducido durante la transición del impacto de carga. kVA de Impacto Efectivos – los kVA Pico Acumulativos multiplicados por un factor para dar cuenta del efecto de reducción de carga debido al sostenido voltaje de salida reducido durante la transición del impacto de carga. Cálculos Detallados de Carga Lo siguiente documenta todos los cálculos de requerimiento de carga individuales. Los requerimientos de funcionamiento, arranque e impacto pico de carga se calculan para cada carga, basados en las características operativas de default como se muestran en las formas de introducción de carga individuales. 7 APENDICE 145 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Cálculos de Carga de Iluminación Se pueden introducir tres tipos diferentes de carga de iluminación: Fluorescente – Una lámpara de tipo de descarga de baja presión de mercurio donde la mayoría d la luz se emite por una capa de material fluorescente. Las mismas características se usan para los tipos de balastra o electrónicas. Ambas son cargas no lineales, pero GenSize ignora la falta de linealidad para este tipo de carga puesto que es generalmente una pequeña parte de la carga conectada total. Incandescente – Conjuntos de lámparas de foco estándar, que usan un filamento para crear luz. Descarga (HID) – Lámparas que producen luz pasando una corriente a través de un vapor de metal; incluye sodio de alta presión, hálido de metal e iluminación de descarga de vapor de mercurio. Cálculos de Carga de Aire Acondicionado: GenSize simplemente convierte toneladas por caballos de fuerza para definir el tamaño de las cargas de aire acondicionado con el conservador estimado de 2HP/ton del total de la carga para una unidad de baja eficiencia. Si UD. Quiere un tamaño mas exacto y sabe las cargas individuales de motor de los componentes del equipo de A/A, introdúzcalas individualmente y obtenga un factor de demanda para las cargas que sea probable que arranquen simultáneamente. 7 APENDICE 146 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Cálculos de Carga de Cargadores de Baterías Un cargador de baterías es un rectificador controlado por silicón, (SCR) usado para cargar baterías. Un cargador de baterías es una carga no lineal que requiere un alternador sobredimensionado. Cálculos de Carga de Imagen Médica G enSize calcula una caída pico de voltaje para cuando se opera una carga de imagen médica. Esta caída debe limitarse al 10% para proteger la calidad de la imagen. Si la caída pico de voltaje se ajusta mas alto en los parámetros del proyecto, GenSize la bajará automáticamente y le notificará. El tamaño del generador se define entonces para limitar la caída de voltaje a 10% cuando se opera equipo de imagen médica con todas las otras cargas funcionando. Si se usan cargas múltiples de imagen, la caída pico de voltaje se calcula para la carga mas grande sencilla y asume que solo esta carga operará en un momento dado. Note que GenSize asume que el equipo de imagen médica no está operando cuando las cargas están arrancando, así que la caída de voltaje de arranque s e calcula separadamente y se le permite exceder el 10%. Cálculos de Carga de Motor Si la carga de motor es impulsada por un impulsor de velocidad variable o de frecuencia variable, o es un impulsor CA en un motor CD, seleccione Impulsor de Frecuencia Variable (VFD). Un VFD es una carga no-lineal que requiere un alternador sobredimensionado para alcanzar los requerimientos de carga en funcionamiento. Por otro lado, puesto que los VFD rampean la carga al arrancar, los requerimientos de arranque se reducirán comparados con un motor arrancado con toda la línea. Seleccione PWM si el VFD es del tipo de Ancho de Pulso Modulado. Los VFD de tipo PWM requieren menos sobredimensionamiento que los tipos de no-PWM. Los requerimientos de arranque de motor se pueden reducir aplicando un voltaje reducido o un arrancador de estado sólido. La aplicación de estos dispositivos puede resultar en recomendaciones de un generador mas pequeño. Sin embargo, se debe tener precaución al aplicar cualquiera d estos métodos de arranque. Primeramente, el torque de motor es una función del voltaje aplicado y todos estos métodos resultan en un voltaje menor durante el arranque. Estos métodos de arranque solo deben aplicarse a cargas de motores de baja inercia, am enos que se determine que el motor producirá suficiente torque de aceleración en el arranque. Adicionalmente, estos métodos de arranque pueden producir corrientes de muy alta entrada cuando transitan de arranque a funcionamiento si la transición ocurre antes de que el motor se encuentre cerca de su velocidad de operación, 7 APENDICE 147 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación resultando esto en requerimientos de arranque que se aproximan a un arranque con toda la línea. GenSize asume que el motor alcanza la cercanía de velocidad de rango antes de esta transición, ignorando estas condiciones potenciales de corriente de entrada. Si el motor no alcanza la cercanía de velocidad de rango antes de la transición, pueden ocurrir caídas excesivas de voltaje y frecuencia cuando se aplican estos arrancadores a los generadores, Si no está seguro de cómo reaccionarán sus cargas y arrancadores, use arranque con toda la línea. Para el arranque con toda la línea, seleccione la carga de baja inercia si UD. Sabe que la carga requiere de torque bajo a bajas velocidades. Esto reducirá los requerimientos de kW de arranque para el generador y puede resultar en un generador mas pequeño. Las cargas de baja inercia son típicamente ventiladores centrífugos y bombas. Si no está seguro, use la alta inercia (deje baja inercia sin seleccionar). Cálculos de Carga de Bomba Contra Incendio GenSize definirá el tamaño del generador limitando la caída pico de voltaje a 15% cuando se arranca una bomba contra incendio, con todas las otras cargas de no-impacto funcionando. Esto es para cumplir los requerimientos del código de incendios norteamericano. El generador no tiene que ser del tamaño para generar los kVA de rotor bloqueado del motor de la bomba indefinidamente, Eso resultaría en un generador de tamaño sobrepasado que tendría problemas de confiabilidad y mantenimiento al ser sub-utilizado. Cuando se usa un arrancador de voltaje reducido para un motor de bomba de incendios, el usuario debe considerar tener un tamaño de generador que permita el arranque con toda la línea, porque el controlador de la bomba incluye medios, ya sean manual-mecánicos, manual-eléctricos o automáticos para arrancar la bomba con toda la línea en caso de una falla del controlador. GenSize, sin embargo, no prohíbe el uso de arrancadores de voltaje reducido en bombas de incendio. 7 APENDICE 148 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Cálculos de Carga de UPSs Un UPS estático usa rectificadores controlados por silicón (SCR) u otro dispositivo estático para convertir el voltaje CA a DC para cargar baterías, y un invertidor para convertir la CD a potencia CA para suministrar a la carga. Un UPS es una carga no lineal y podría requerir un alternador sobredimensionado. Algunos problemas de incompatibilidad entre los generadores y los USO estáticos han generado muchas malas ideas acerca de dimensionar el generador para este tipo de carga. Si ocurrieron problemas en el pasado, y la recomendación de los proveedores de UPSs en aquel tiempo era sobredimensionar el generador de 2 a 5 veces el rango del UPS. Aún así, persistieron algunos problemas, y desde ese entonces los fabricantes de UPSs han trabajado y resuelto la incompatibilidad de los aparatos. Es más efectivo en costos requerir que el UPS sea compatible que sobredimensionar el generador. Si las baterías se descargan cuando el UPS está operando desde el generador, el generador debe ser capaz de suministrar al rectificador para la carga de la batería, y al invertidor para suministrar a la carga. Una segunda razón para usar el rango completo del UPS es que se agreguen UPS adicionales en el futuro hasta el rango de la placa. Los factores de definición de tamaño de carga no lineal usados por GenSize, están basados en el nivel de armónicos que el UPS induce en la salida del generador con el UPS completamente cargado. Puesto que los armónicos incrementan a cargas más ligeras, el seleccionar el alternador de más alta capacidad ayuda a detener este efecto. Para sistemas redundantes de UPS, dé tamaño al generador para los rangos de placa combinados del UPS individual. Las aplicaciones redundantes de UPSs son aquellas en que se instala un UPS para respaldar a otro UPS y los dos están en línea todo el tiempo con 50% o menos carga. Los equipos UPS a menudo tienen requerimientos diferentes de calidad potencia dependiendo del modo de operación. Cuando el rectificador está rampeando hacia arriba, a menudo pueden ocurrir alteraciones de voltaje relativamente amplias sin afectar la operación del equipo. Sin embargo, cuando se habilita el sobrepaso, la frecuencia y el voltaje deben ser muy constantes, u ocurrirá una condición de alarma. Esto ocurre cuando la rápidamente cambiante frecuencia de entrada de los UPS resulta de un repentino cambio de carga de transición en un generador. Durante este evento de transición, los UPSs estáticos con interruptores de sobrepaso de estado sólido deben romper la sincronía con la fuente y deshabilitar el sobrepaso. 7 APENDICE 149 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Cálculos de cargas Misceláneas Descritas abajo se encuentran los tipos y cálculos que GenSize utiliza para las diferentes cargas misceláneas: Cálculos de Máquina de Soldar Cálculos para Receptáculo General 7 APENDICE 150 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Cálculos de Cargas Definidas Por el Usuario 7 APENDICE 151 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Introduciendo las Cargas en Pasos Después de introducir las cargas, necesita introducirse todas las cargas del proyecto en Pasos de Carga. Abra el primer paso de carga dando clic en el fólder Steps del lado izquierdo de la pantalla. Note que, inicialmente no hay cargas en el Paso. La carga en secuencias de pasos puede reducir el tamaño del generador requerido cuado se usan pasos múltiples. Se pueden usar interruptores de transferencia múltiples para conectar la carga al generador en diferentes momentos, simplemente ajustando los retardos de tiempo en los interruptores individuales. Permita unos segundos entre los pasos para permitir que el generador se estabilice con cada paso. Para introducir cargas individuales en el paso, dé clic y arrastre la carga sobre el paso. Una vez que la carga ha sido puesta en el paso, se puede poner la cantidad de carga en el paso dando clic con el botón derecho y seleccionando Ajuste de Cantidad del menú. Alternativamente, cada vez que dé clic y arrastre una carga al paso, la cantidad incrementará. Para introducir cargas múltiples en el paso, dé clic en el fólder de cargas y todas las cargas se listan en el lado derecho de la pantalla. Usando las teclas Shift o Ctrl y el mouse, seleccione las cargas deseadas, dé clic en cualquiera de las cargas seleccionadas en la derecha y arrastre al paso. Todas las cargas seleccionadas deben aparecer en el paso. Use la barra de herramientas para agregar uno o más pasos como lo desee. UD. puede ver las cargas y os pasos usando Ver en el menú para saber en qué pasos fueron puestas las cargas u obtener un sumario de todas las cargas en cada paso. Consideraciones de Pasos de Cargan Para muchas aplicaciones, el generador tendrá el tamaño para ser capaz de aceptar todas las cargas en un solo paso. Para algunas aplicaciones es ventajoso arrancar las cargas con los requerimientos mas grandes de impacto de arranque primero, y después de que esas están funcionando , arrancar el resto de las cargas en pasos diferentes. La secuencia de arranque de las cargas debe determinarse también por los códigos en los cuales las cargas de emergencia deben estar primero, luego el equipo de emergencia y luego las cargas opcionales. 7 APENDICE La secuenciación de pasos de arranque de los generadores se puede lograra con interruptores de transferencia usando retardos de tiempo, secuenciador de cargas u otro control, tal como un PLC. UD. puede usar esta aplicación para decirle a su distribuidor cuantos pasos de arranque requiere su aplicación. Recuerde que, aunque hay una secuencia controlada de carga inicial, puede haber paros y arranques de ciertas cargas descontrolados y tal vez desee checar el impacto de carga en esas condiciones. Guías para la Secuencia de Pasos Arranque Simultáneo de Un solo Paso: Un método comúnmente usado es asumir que todas las cargas conectadas serán arrancadas de un solo paso, sin importar el numero de interruptores de transferencia que se usen. Esta suposición resultará en el generador más conservador (grande). Use una carga de un solo paso a menos que se vaya a agregar algo, como interruptores de transferencia múltiples con retardos de tiempo secuenciales, o un secuenciador de pasos de cargas. Paso Sencillo con Fact or de Diversidad: Similar al arranque simultáneo de un solo paso, excepto que se aplica un factor de diversidad estimado, de talvez un 80% para reducir los totales de SkVA y SkW para tomar en cuenta los controles automáticos de arranque que puedan estar suministrados con el equipo. Secuencia de Pasos Múltiples: El arranque de cargas en secuencia, (donde es posible) permitirá a menudo la selección de un generador más pequeño, GenSize asume que se ha dado tiempo adecuado entre los pasos para que se estabilicen las frecuencia y el voltaje, típicamente 5 o 10 segundos. Considere lo siguiente cuando se suministren controles o retardos para secuenciar las cargas al generador: • Arranque el motor más grande primero. • Cuando arranque motores que usan impulsores electrónicos (VFD o VSD), la regla del motor más grande primero podría no aplicar. El uso de impulsores electrónicos para arrancar y hacer funcionar motores permite al diseñador mejor control de la carga real aplicada al generador al controlar la corriente de carga máxima, rango de la aplicación de la carga, etc. Lo que hay que recordar acerca de estas cargas es que son más sensibles a las variaciones de voltaje que 152 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación los motores que se arrancan con “toda la línea”. • Cargue los UPSs al final. El equipo UPS es generalmente sensible a la frecuencia, especialmente al rango de cambio de frecuencia. Un generador pre-cargado será más estable para aceptar la carga de UPSs. • Para cada paso, los SkW requeridos son el total de RkW de los pasos anteriores, mas el SkW de ese paso. Recomendaciones y Reportes Lo siguiente tiene la intención de ayudarle a entender la recomendación de GenSize para un generador y los reportes disponibles que se pueden imprimir. La Figura 7-3 ilustra la pantalla de default en la cual GenSize hace su recomendación para el modelo de generador Cummins Power Generation que mas cercanamente se ajusta a los parámetros del proyecto en curso. Esta pantalla se puede cambiar con la pantalla ilustrada en la Figura 7-4 en la cual se pueden ver todos los modelos de generador que se ajustan. Podría ser útil ver el desplegado para apreciar las diferencias de desempeño entre todos los modelos que podrían hacer el trabajo, cualquiera de los cuales UD. podría seleccionar para su proyecto. También puede imprimir los Reportes para su distribución y revisión. Los modelos recomendados se resaltarán en verde en la parte alta de la pantalla. En la parte baja de la pantalla se muestran los parámetros recomendados para el generador. Estos incluyen: • Requerimientos del Generador: Esta pestaña sumariza el trabajo, voltaje, altitud, fase, caídas de voltaje y otros parámetros. • Requerimientos de Carga de Funcionamiento y de Impacto: Esta pestaña sumariza todos los requerimientos de cargas del proyecto. Pct. Rated Load provee de un medio rápido de determinar cuanta capacidad de funcionamiento del generador se está utilizando. • Configuración de Generador: Esta pestaña enumera el tamaño del marco del alternador, numero de puntas, si el alternador es reconectable, si tiene capacidad incrementada para arranque de motor, el rango de voltaje, si el alternador tiene un mazo extendido y si el alternador puede dar salida monofásica. También lista el modelo del motor, desplazamiento, número de cilindros, combustible y rodillas y pendientes para el derrateo por altitud y temperatura. 7 APENDICE La rejilla de reporte muestra información acerca del generador recomendado y permite la comparación con otros generadores. Aquí se incluye una explicación de los encabezados importantes de la rejilla: Rango de Sitio de kW de Emergencia (Primarios): Despliega el rango de sitio de los kW de emergencia o primarios (la potencia primaria ya derrateada 10%). Si el display es rojo, los kW de rango del sitio son menores que los kW de carga de funcionamiento, o los kW de carga de funcionamiento son menos del 30% del los kW de rango del sitio. Un generador recomendado debe cumplir con los requerimientos de carga de funcionamiento y funcionar a cuando menos 30% de su capacidad de rango para ser recomendado. Si el display es amarillo, los kW de carga de funcionamiento son menos del 30% de los kW de rango del sitio. Hacer funcionar al generador a menos de 30% de la carga de rango se puede lograr bajando el porcentaje del valor de carga de rango mínimo en Parámetros de Nuevo Proyecto. kW Máximos de Rango de Sitio del Alternador (Elevación de Temperatura: Despliega los kW de rango de sitio del alternador para la elevación de temperatura seleccionada en los parámetros de proyecto en curso. Si el display es rojo, el alternador no puede mantener la elevación de temperatura para su requerimiento de carga conectada, ya sea kW de funcionamiento o kW de Alternador. kVA Máximos de Rango de Sitio del Alternador (Elevación de Temperatura: Despliega los kVA de rango de sitio para la elevación de temperatura puesto en Parámetros de Nuevo Proyecto. Si el display/columna son rojos, el alternador no puede mantener su elevación de temperatura para el requerimiento de kVA de funcionamiento. Se muestra la capacidad máxima de kVA de rango del alternador en la rejilla. La rodilla de altitud para los alternadores, sin embargo es de 1000m (3280 ft) y la rodilla de temperatura 40°C (104°F). Los kW máximos del alternador serán derrateados 3% por cada 500m (1640 ft) de altitud sobre la rodilla y 3% por cada 5°C (9°F) de temperatura ambiente sobre la rodilla. 153 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 7 APENDICE 154 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 7 APENDICE 155 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación SkW y SkVA Máximos de Rango de Sitio: Despliega los SkW y SkVA máximos de rango de sitio (derrateados para temperatura y altitud cuando es necesario) que el generador puede acomodar. Si el display es rojo el generador no se puede recuperar a 90% de su voltaje de rango con la requerida carga Pico o de Paso. Una de las filosofías del tamaño de los generadores para cargas de impacto es que, con la carga de impacto aplicada, el generador debe ser capaz de recuperarse hasta 90% de su voltaje de rango, para que los motores puedan desarrollar torque de aceleración adecuado. Si el generador se recupera a 90% de su voltaje de rango, un motor podrá desarrollar 81% de su torque de rango, que ha probado ser, por experiencia, aceptable para el desempeño del arranque del motor. Si el display es amarillo, el generador puede recuperarse a un mínimo de 90% de su voltaje de rango con la carga de impacto requerida, pero solamente porque el requerimiento de impacto se ha reducido. GenSize reducirá el requerimiento de impacto en reconocimiento del hecho de que el voltaje del generador se reduce cuando las cargas que tienen requerimientos de potencia de arranque que se aproximan a la capacidad máxima del generador están arrancando. Elevación de Temperatura a Carga Total: Muestra la elevación de temperatura que el generador no excederá mientras suministre la carga hasta e incluyendo el rango de carga total del generador. Cada modelo de generador individual tendrá una o más de las siguientes elevaciones de temperatura de alternador disponible que podría especificarse en los parámetros de proyecto actual: 80, 105, 125 y 150°C. Por supuesto la elevación real de temperatura de un alternador es una función de la carga real conectada a él. Por lo tanto, GenSize podría recomendar un generador con una opción de elevación de temperatura más alta o más baja que la especificada en Parámetros de Nuevo Proyecto puesto que la recomendación del generador está basada en la carga conectada. La carga conectada podría ser menos de la capacidad completa del generador, o, en el, caso de cargas no-lineales, se puede requerir que el alternador tenga u rango mas alto que la capacidad del generador. En cualquier caso, la recomendación del generador limitará la elevación de temperatura a la especificada en Parámetros de Nuevo Proyecto. Excitación: Muestra el tipo de sistema de excitación a suministrarse con un generador. Si el display es rojo, el generador será del tipo de 7 APENDICE auto-excitación y el porcentaje de cargas nolineales excede el 25% del requerimiento de funcionamiento, RkW. El sistema de excitación PMG se recomienda para aplicaciones de que tiene un alto contenido de cargas lineales. A menos que la opción PMG no esté disponible, Cummins Power Generation no recom ienda generadores auto-excitables si el requerimiento de la carga no -lineal es de mas del 25% del requerimiento total de carga. El requerimiento de carga no lineal se calcula sumando los kW de funcionamiento de todas las cargas donde los kW de Alternador exceden los kW de Funcionamiento. Este será el caso de cargas UPS, motores de frecuencia variable y arrancadores de motor de estado sólido que no estén equipados con sobrepaso automático. Esta suma de kW de Alternador se divide entonces entre la suma de los kW de Funcionamiento de todas las cargas. Porque podría no recomendarse un generador: Varios factores podrían causar que no se recomiende un generador: • El requerimiento de kW de funcionamiento excede el rango del generador. Los parámetros de proyecto, como altitud, temperatura ambiente y trabajo de potencia primaria pueden causar que se édrate un generador y caiga por debajo de los requerimientos del proyecto. • Los kW de funcionamiento están por debajo del mínimo del 10 al 30% de la capacidad del generador, como se especifica en los parámetros del proyecto actual (30% es default, como lo recomienda Cummins Power Generation). • El requerimiento de kW de impacto excede la capacidad del generador, el cual ha caído por debajo de los requerimientos del proyecto debido a derrateos por altitud o temperatura ambiente. GenSize usa los mas altos kW Acumulativos y Pico para determinar los kW de carga de impacto. • Los kVA de impacto exceden la capacidad del generador. El requerimiento de kVA de impacto es similar al requerimiento de kW de impacto, excepto que no hay derrateo para altitud y temperatura ambiente. GenSize usa los mas altos kVA Acumulativos y Pico (si hay) para determinar el requerimiento de los kVA de carga de impacto. • Los kW de alternador requeridos exceden la capacidad del alternador, el cual puede ser derrateado por altitud o temperatura ambiente por los parámetros del proyecto. La rodilla de altitud para los alternadores, sin embargo, es 156 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación de 1000m (3280 ft) y la rodilla de temperatura es de 40°C (104°F). se derratearán los kW de alternador 35 por cada 500m (1640 ft) de altura sobre la rodilla y 3% por cada 5°C (9°F) de temperatura ambiente sobre la rodilla. • Los kVA de alternador requeridos exceden la capacidad del alternador, que se puede derratear por altitud y temperatura de la misma forma que los kW de alternador. • El requerimiento de carga no lineal total excede 25% del total del requerimiento de carga. Esto excluye generadores autoexcitados donde la excitación PMG no esta disponible. El requerimiento total de carga no lineal es la suma de los kW de alternador de todas las cargas no lineales. • Las caídas de voltaje y frecuencia exceden los límites de los parámetros del proyecto actual. - La caída de voltaje de arranque se calcula usando el mas alto de dos valores: caída basada en los kW de Paso o los kVA máximos de paso. - La caída pico de voltaje se calcula solamente si las cargas del proyecto exhiben un impacto en funcionamiento (cargas cíclicas como las imágenes médicas tienen un requerimiento mas alto de p ico de potencia cuando se operan. - La caída de frecuencia se calcula usando el mas alto de dos valores: kW máximos de Paso o kW Pico de cargas que exhiben impacto en funcionamiento. • El mensaje”No hay un generador disponible que cumpla con sus requerimientos de carga de funcionamiento” generalmente significa que algo se ha cambiado en los Parámetros de Nuevo Proyecto después de que se especificó la carga de funcionamiento. El mensaje aparecerá por ejemplo, si se cambia de diesel a gas natural, o de no atenuación de ruido a Quiet Site, y la carga de funcionamiento que se había especificado excede la capacidad del generador mas grande gas natural o de Quiet Site disponible. También podría significar que 7 APENDICE su proyecto cae dentro de un “vacío” en la línea de productos de Cummins Power Generation. En este punto, el bajar el porcentaje mínimo de carga de rango en los parámetros del proyecto, podría permitir un generador recomendado. Si ese es el caso, consulte a su distribuidor Cummins Power Generation para ayuda. • El mensaje “No hay un generador disponible que cumpla sus requerimientos de caída de voltaje o frecuencia” generalmente significa que el requerimiento de carga de impacto de algún paso de carga está forzando la selección de un generador tan grande que la carga de funcionamiento estable cae por debajo del 30% de la capacidad del generador. Puesto que Cummins no recomienda funcionar el generador a menos de 30% de su capacidad de rango, no se puede recomendar un generador. En este punto, hay varias opciones: - Incremente la caída de voltaje o frecuencia permisible. - Reduzca el porcentaje mínimo de carga de rango a menos de 30%. - Aplique cargas en más pasos para bajar la carga de impacto de paso individual. - Introduzca arranque de motores con voltaje reducido. - Ponga generadores en paralelo. - Aumente cargas que no tengan un alto impacto de arranque (luces, cargas resistivas, etc.). Reportes Se pueden generar varios tipos de reportes para el proyecto que se encuentra abierto, un Detalle de Paso/Carga, Detalles de Pasos y Caídas y un reporte de generador recomendado. Estos se pueden ver en la pantalla para su revisión, guardarse para su envío o imprimirse. La Figura 7-5 es un ejemplo del Reporte de Generador Recomendado. 157 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 7 APENDICE 158 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación B. Arranque de Motor con Voltaje Reducido Aunque la caída de voltaje causa diferentes problemas, una reducción controlada en las terminales del motor puede ser beneficiosa cuando se usa para reducir los kVA de arranque de un motor en aplicaciones donde el torque reducido del motor es aceptable. Reducir los kVA de arranque del motor puede reducir el tamaño del generador, reducir la caída de voltaje y dar un arranque más suave a las cargas de motor. Sin embargo, es necesario asegurarse de que el motor desarrollará suficiente torque para acelerar la carga en condiciones de voltaje reducido. Así mismo, cualquier arrancador que haga la transición entre “arranque” y “funcionamiento” puede causar una condición de entrada de casi tan severa como el arranque con tod a la línea, a menos que le motor esté cerca o en la velocidad de sincronía en la transición. Esto puede causar una inaceptable caída de voltaje y una potencial desconexión del arrancador. Comparación de Métodos de Arranque La Tabla 7-1 compara los efecto s de arranque con voltaje total, auto-transformador y de resistencia en un motor de 50 caballos de Diseño B, Código G. Como se puede ver, el arranque con auto-transformador requiere menor capacidad de arranque de motor del generador. El arranque con resistencia de hecho requiere más kW (potencia de motor) que el arranque con toda la línea. 7 APENDICE 159 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Arranque de Motor de Voltaje Total Arranque: El arranque de motor de voltaje total con toda la línea es típico a menos de sea necesario reducir los kVA de arranque de motor debido a la capacidad limitada del generador, o para limitar la caída de voltaje durante el arranque del motor. No hay límite a los HP, tamaño, voltaje o tipo del motor. Notas de Aplicación: Este método es el más común debido a su simpleza, confiabilidad y costo inicial. Note en las curvas de kVA y de torque que los kVA de arranque permanecen bastante constantes hasta que el motor alcanza velocidad total. Note también que kW llega a su pico a aproximadamente 300% de los kW de rango cerca de 80% de la velocidad de sincronía. Arranque de Motor de Auto-transformador, Transición Abierta Arranque: El auto-transformador esta en el circuito solo durante el arranque para reducir el voltaje del motor. El lado abierto del circuito durante la transición puede causar impactos severos, los cuales pueden dar problemas al disparar los breakers de circuito. Notas de Aplicación : La interrupción de transición abierta de los arrancadores de voltaje reducido se debe evitar en aplicaciones de generador, especialmente cuando los motores no se llevan a su velocidad total al tiempo de la transición. La razón de esto es que el motor se des-acelera y sale de sincronía durante la transición. El resultado es similar a poner generadores en paralelo fuera de fase. Los kVA usados inmediatamente después de la interrupción pueden exceder los kVA de arranque. Note también que el factor de potencia es mas bajo cuando se usa un auto -transformador. 7 APENDICE 160 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Arranque de Motor de Auto-transformador, Transición Cerrada Arranque: El circuito no se interrumpe durante el arranque. Durante la transferencia, parte del devanado del auto-transformador permanece en el circuito como un reactor en serie con el devanado del motor. Notas de Aplicación: Se prefiere la transición cerrada a la transición abierta debido a menor interferencia eléctrica. La interrupción, sin embargo, es más costosa y compleja. Es el método de arranque con reducción de voltaje más común usado en motores grandes con bajos requerimientos de torque, como bombas de drenaje y enfriadores. La operación puede ser automática y/o remota, Note también que el factor de potencia de arranque es menor cuando se usa un auto-transformador. Arranque de Motor con Reactor, Transición Cerrada Arranque: El arranque con reactor tiene la ventaja de la simpleza y la transición cerrada, pero resulta en menor torque de arranque por kVA que el arranque de auto-transformador. El torque relativo, sin embargo mejora al acelerar el motor. Notas de Aplicación: El arranque de reactor generalmente no se usa excepto para motores de alto voltaje o alta corriente de tamaño grande. Los reactores deben tener el tamaño correcto para HP y voltaje y pueden tener disponibilidad limitada. Típicamente el arranque con reactor es más costoso que el de autotransformador para motores pequeños, pero es más simple y menos costoso para los motores grandes. El factor de potencia de arranque es excepcionalmente bajo. El arranque con reactor permite un arranque suave sin interferencia observable en la transición y se adapta bien a aplicaciones como bombas centrífugas o ventiladores. 7 APENDICE 161 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Arranque de Motor con Resistencia, Transición Cerrada Arranque: El arranque con resistencia es usado ocasionalmente para motores pequeños donde se requieren varios pasos de arranque y no se permite la apertura de los circuitos de motor entre los pasos. Notas de Aplicación: También disponible como un arrancador de transición sin pasos el cual provee un arranque mas suave. El arranque de resistencia es generalmente el más económico con motores pequeños. Acelera las cargas más rápidamente porque el voltaje aumenta con un decremento en la corriente. Tiene un factor de potencia de arranque más alto. Arranque de Motor Estrella -Delta, Transición Abierta Arranque: El arranque Estrella-Delta no requiere auto -transformador, reactor o resistencia. El motor arranca conectado en estrella y funciona conectado en delta. Notas de Aplicación: Este método de arranque esta haciéndose más popular donde se aceptan arranques de bajo torque . Tiene las siguientes desventajas: 1. Transición abierta. La transición cerrada esta disponible a costo extra. 2. Bajo torque. 3. No hay ventaja cuando el motor esta energizado por un generador a menos que el motor alcance velocidad de sincronía antes de la interrupción. En aplicaciones donde el motor no alanza velocidad de sincronía, el generador debe tener el tamaño para cubrir el im pacto. 7 APENDICE 162 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Arranque de Motor con Parte del Devanado, Transición Cerrada Arranque: El arranque con parte del devanado es menos costoso porque no requiere de autotransformador, reactor o resistencia y usa interrupción simple. Disponible en dos o más pasos de arranque dependiendo de l tamaño, velocidad y voltaje del motor. Notas de Aplicación: Automáticamente provee la transición cerrada. Primero, se conecta un devanado a la línea; después de un intervalo de tiempo, el segundo devanado se pone en paralelo con el primero. El torque de arranque es bajo y está fijado por el fabricante del motor. El propósito de “parte del devanado” no es reducir la corriente de arranque, sino proveer corriente de arranque en pequeños incrementos. No ha y ventaja en este método si el motor es impulsado por un generador a menos que el motor pueda alcanzar velocidad de sincronía antes de la transición a la línea. Arranque De Motor con Rotor Devanado Arranque: Un motor de rotor devanado puede tener el mismo torque de arranque que un motor de jaula de ardilla pero con menos corriente. Es diferente del motor de jaula de ardilla solo en el rotor. Un motor de jaula de ardilla tiene barras de corto circuito, mientras que un motor de rotor devanado tiene bobinas, generalmente trifásicas. Notas de Aplicación: Se pueden cambiar la corriente de arranque, torque y características de velocidad conectando la cantidad correcta de resistencia externa al rotor. Generalmente, los motores de rotor devanado se ajustan de forma que los kVA de arranque sean aproximadamente 1.5 veces los kVA de funcionamiento. Este es el motor más sencillo de arrancar para un generador. 7 APENDICE 163 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Arranque de Motor Sincrónico Arranque: Los motores sincrónicos pueden utilizar la mayoría de los métodos de arranque explicados. Los motores sincrónicos de rango de 20 HP y más tienen características similares a los motores de rotor devanado. Notas de Aplicación: Los motores sincrónicos están en una clase por si mismos. No hay estándares de desempeño, tamaño de marco o conexiones. Los motores de rango de 30 HP o menos tienen altas corrientes de rotor bloqueado. Se pueden usar en aplicaciones donde es deseable la corrección del factor de potencia. (Use el código de letra estándar cuando no se conozca la letra real.) Nota de Aplicación General Si el arranque de motor de voltaje reducido tiene un ajuste de tiempo o rango, ajuste los puntos para obtener aproximadamente dos segundos entre conexiones. Esto permite que el motor se aproxime a la velocidad de rango y así se reducen los kVA pico en el momento de la interrupción, como se muestra debajo. Note que, al ajuste mínimo, no hay mucha mejora sobre el arranque a voltaje completo. En algunas aplicaciones la corriente de entrada es tan baja que el motor no comenzará a girar en la primera conexión, y a veces ni en la segunda. Para esas aplicaciones, hay muy poca reducción de kVA de arranque desde el punto de vista del generador. 7 APENDICE 164 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación C. Voltajes y Suministros Mundiales 7 APENDICE 165 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación 7 APENDICE 166 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación D. Fórmulas Útiles • “PF” se refiere a factor de potencia, que se expresa como una fracción decimal, Por ejemplo, 80% de factor de potencia = 0.8 para efectos de los cálculos. En general, los generadores monofásicos tiene un rango de 100% y los trifásicos del 80% 7 APENDICE • “Volts” se refiere a voltaje de línea-l ínea. • “Amps” se refiere a la corriente de línea en amperes. • “F” se refiere a frecuencia. La regulación de frecuencia del 0% se define como isócrona. 167 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación E. Mantenimiento y Servicio Un programa bien planeado de mantenimiento y servicio preventivo debe ser una parte integral del diseño de un sistema de potencia en-sitio. Que un generador de emergencia falle al arrancar o al funcionar podría llevar a la pérdida de vidas humanas, lastimaduras personales, daños a la propiedad o pérdida de negocio. La falla al arranque y funcionamiento debido a la baja carga de la batería por falta de un mantenimiento correcto es la falla más común. Un programa completo llevad o a cabo con regularidad por personas calificadas puede prevenir tales fallas y sus posibles consecuencias. Se deben considerar l os programas de mantenimiento y servicio ofrecidos por los distribuidores por medio de un contrato. Estos típicamente incluyen mantenimiento programado, reparaciones, reemplazo de partes y documentación de servicio. El programa de mantenimiento para generadores de potencia primaria, debe basarse en el tiempo de funcionamiento, como lo publica el fabricante. Puesto que los generadores de emergencia funcionan infrecuentemente, el mantenimiento de estos está programado en té rminos diarios, semanales, mensuales o más largos. Vea las instrucciones del fabricante para más detalles. En cualquier caso, el mantenimiento programado debe incluir: Diario: • Busque fugas de aceite, refrigerante y combustible. • Verifique la operación de los calentadores de refrigerante del motor. Si el bloque no está caliente, los calentadores no están funcionando y el generador podría no arrancar. • Verifique que los interruptores estén en la posición “AUTOMÁTICO” y que el breaker del generador, si existe uno, esté cerrado. motores Cummins. Verifique que no haya vibraciones extrañas, ruidos ni fugas de aceite, refrigerante y combustible en el generador mientras este funciona. (La ejercitación regular mantiene las partes lubricadas, mejora la confiabilidad del arranque previene la oxidación de los contactos eléctricos y consume el combustible antes de que se deteriore y tenga que ser desechado.) • Verifique que no haya restricciones en el radiador, fugas de refrigerante, mangueras deterioradas, bandas flojas o dañadas, persianas motorizadas que no funcionan y que la concentración de aditivos en el refrigerante sea la correcta. • Busque perforaciones, fugas u conexiones flojas en el sistema de filtración de aire. • Verifique el nivel de combustible y la operación de la bomba de transferencia. • Busque fugas en el sistema de escape y drene la trampa de condensación. • Verifique que todos los medidores, instrumentos y lámparas indicativas funcionen correctamente. • Revise las conexiones de la batería y sus cables, el nivel del fluido de las baterías y su carga, y recárguelas si su gravedad relativa es de menos de 1.260. • Revise que no haya restricciones en las entradas y salidas de ventilación del generador. • Asegúrese de tener todas las herramientas de servicio a la mano. Semanalmente: • Verifique los niveles de refrigerante y aceite. • Verifique el sistema de carga de las baterías. Mensualmente: • Busque restricciones en el filtro de aire. • Ejercite el generador arrancándolo y haciéndolo funcionar durante cuando menos 30 minutos a no menos de 30% de su rango de carga. Niveles más bajos de carga son aceptables si la temperatura del escape alcanza el nivel suficiente para prevenir daños al motor. Vea la Tabla 7-2 para las temperaturas mínimas de escape para 7 APENDICE Tabla 7-2. Temperaturas de Chimenea Mínimas Recomendadas . (La temperatura del gas de escape se mide con un termocople. El uso de sensores externos no es lo suficientemente preciso para verificar la temperatura.) 168 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Semi - Anualmente: • Cambie los filtros de aire. • Cambie los filtros en el circuito de acondicionador de refrigerante. • Limpie o reemplace los filtros de los respiraderos del motor. • Cambie los filtros de combustible, drene los sedimentos de los tanques de combustible, verifique que las mangueras flexibles de combustible no tengan cortes o desgastes y revise el varillaje del gobernador. • Verifique los controles y alarmas de seguridad. • Limpie las acumulaciones de grasa, aceite, combustible y polvo de los generadores. • Verifique el cableado de distribución, conexiones, breakers de circuito e interruptores de transferencia. • Simule un apagón. Esto probará la habilidad del generador para arrancar y tomar la carga de rango. Verifique la operación de los interruptores de transferencia automáticos, conjuntos de interruptores relacionados y controles, y todos los otros componentes en el sistema de emergencia. Anualmente: • Verifique la maza del ventilador, poleas y bomba de agua. • Limpie el respiradero del tanque de día. 7 APENDICE • Verifique y troqué el múltiple de escape y los tornillos del turbocargador. • Apriete el sistema de montaje del generador. • Limpie las cajas de control y de salida de potencia. Revise y apriete todas las conexiones de cableado que estén flojas. Mida • y registre las resistencias del aislamiento de los devanados de del generador. Verifique la operación de las cintas de calentamiento del generador y engrase los baleros. • Verifique la operación del breaker principal del generador (si se usa) operándolo manualmente. Pruebe la unidad de disparo de acuerdo a las instrucciones del fabricante. • Si el generador es ejercitado normalmente sin carga o solo lleva cargas ligeras, corra el generador por lo menos durante 3 horas, incluyendo una hora cercano a la carga de rango. • Conduzca pruebas del aislamiento del generador anualmente durante la vida del generador. Las pruebas iniciales hechas antes de hacer las conexiones finales de las cargas servirán como referencia para las pruebas anuales. Estas pruebas son obligatorias para generadores sobre 600 VCA de rango. Revise el estándar ANSI/IEEE #43, Prácticas Recomendadas para la Prueba de la Resistencia del Aislamiento de Maquinaria Rotativa. 169 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación F. Códigos y Estándares Estándares de Productos Relacionados Modificación de Productos Algunos estándares de desempeño de generador aplicables incluyen: Los generadores y otros productos relacionados son a veces Certificados, Listados o de alguna otra forma aseguran cumplir con estándares o códigos específicos. Esto generalmente aplica al producto como se manufactura y embarca del fabricante original. Estos productos están a menudo marcados como tales. Las modificaciones subsecuentes al producto podrían alterar o violar el cumplimiento con estos códigos o listados. Las modificaciones a los productos deben ser enviadas a las autoridades que tengan jurisdicción para ser aprobadas. • International Electrotechnical Committee: Standard for Rotating Electrical Machines, Part 1 (Rating and Performance), IEC 34– 1. • International Standards Organization: Standard for Reciprocating Internal Combustion Engine Driven Alternating Current Generator Sets, Parts 1 through 9, ISO 8528. • National Electrical Manufacturer’s Association: Standard for Motors and Generators , NEMA MG1–1. • Canadian Standards Association: CSA 22, Canadian Electrical Code. CSA 282, Emergency Electrical Power Supply for Buildings. • Underwriters Laboratories: UL 2200 Stationary Engine Generator Assemblies. En Norteamérica, muchos asuntos de seguri dad y ambiente relacionados con las aplicaciones de generadores se tratan en los siguientes estándares de la National Fire Protection Association (NFPA): •Flammable and Combustible Liquids Code – NFPA 30 •Standard for the Installation and use of Stationary Combustion Engines and Gas Turbines – NFPA 37 •National Fuel Gas Code – NFPA 54 •Storage and Handling of Liquified Petroleum Gas — NFPA 58 •National Electrical Code – NFPA 70 •Health Care Facilities Code – NFPA 99 •Life Safety Code – NFPA 101 •Emergency and Standby Power Systems NFPA 110. 7 APENDICE 170 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación G. Glosario CA (Corriente Alterna) La corriente alterna es la corriente eléctrica que alterna entre un valor máximo positivo y un valor máximo negativo a una frecuencia característica, usualmente 50 o 60 ciclos por segundo (hertz). Generador CA El generador CA es el término preferido para referirse a un generador que produce corriente alterna (CA). Vea Alternador y Generador. Material Acústico Cualquier material considerado en términos de sus propiedades acústicas , especialmente sus propiedades para absorber o amortiguar el sonido. Potencia Activa La potencia activa es la potencia real (kW) suministrada por un generador a la carga eléctrica. La potencia activa crea una carga en el motor del generador y es limitada por la potencia del motor y la eficiencia del generador. La potencia activa hace el trabajo de calentar, iluminar, arrancar motores, etc. Breaker de Circuito de Aire Un breaker de circuito de aire automáticamente interrumpe la corriente que fluye a través del cuando esa corriente excede el rango de disparo del breaker. El aire es el medio de aislamiento eléctrico entre las partes eléctricamente vivas y las partes aterrizadas de metal. Vea también Breaker de Potencia Anunciador Un anunciador es un dispositivo accesorio usado para dar indicación remota de del estado de un componente que opera en un sistema. Los anunciadores se usan típicamente donde el equipo monitoreado no esta ubicado en una parte de las instalaciones que sea normalmente visitada. La NFPA tiene requerimientos específicos para anunciadores remotos usados en aplicaciones como hospitales. 7 APENDICE Alternador Alternador es otro término para generador CA. Devanados Amortisseur Los devanados amortisseur de un generador sincrónico CA son los conductores empotrados en las caras de los polos del rotor. Están conectados juntos en ambos lados de los polos por anillos. Su función es amortiguar las oscilaciones de las ondas durante los cambios de carga. Ampacidad Es la capacidad de llevar corriente segura de un conductor en amperes como lo define el código. Ampere El ampere es una unidad de flujo de corriente, Un ampere de corriente fluirá cuando un potencial de un volt se aplica a través de una resistencia de un ohm. Potencia Aparente La potencia aparente es el producto de corriente y voltaje expresados como kVA. Es potencia real (kW) dividida por el factor de potencia (PF). Armadura La armadura de un generad or CA es el conjunto de devanados y laminaciones de metal del cuerpo en el cual se induce el voltaje. Es la parte estacionaria (estator) en un generador de campo revolvente. Autoridad con Jurisdicción La autoridad con jurisdicción es el individuo con la responsabilidad legal de inspeccionar una instalación y aprobar que el equipo de esa instalación cumpla con los códigos y estándares. Protección de Respaldo La protección de respaldo consiste de los dispositivos protectores cuya intención es operar después de que otros dispositivos de protección fallen en su operación o en la detección de una falla. Carga Base La carga base es la porción de la demanda de carga de un edificio que es constante. Es la base de la curva de demanda del edificio. 171 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Arranque Negro Se refiere al arranque de un sistema con sus propias fuentes de potencia, sin asistencia de fuentes externas. Transición sin Bordos La transición sin bordos es la transferencia de de una carga eléctrica de una fuente a otra donde los impactos de voltaje y frecuencia se mantienen al mínimo porque se hace antes de que se rompa el contacto. Bus Bus se refiere a las barras de cobre que transportan corriente que conectan las cargas de los generadores CA en un sistema de paralelismo a la salida paralela de los generadores CA en un sistema, o a un alimentador en un sistema de distribución eléctrica. Circuito Un circuito es un camino para una corriente eléctrica a través de un potencial (voltaje). Breaker de Circuito Un breaker de circuito es un dispositivo protector que automáticamente interrumpe la corriente que fluye a través del cuando esa corriente excede un cierto valor durante un periodo específico de tiempo. Vea Breaker de Circuito de Aire. Breaker Principal, Breaker de Circuito de Caja Moldeada y Breaker de Circuito de Potencia. Contactor Un contactor es un dispositivo para abrir y cerrar un circuito de potencia eléctrica. Carga Continua Es la carga donde se espera la máxima corriente durante 3 o más horas (como lo definen los cálculos de NEC). Compensación de Corriente Cruzada Es un método de controlar la corrien te reactiva suministrada por los generadores de CA en un sistema de paralelismo para que compartan la carga reactiva de forma igual en el bus sin caídas significativas de voltaje. Transformador de Corriente (CT) Los transformadores de corriente son instrumentos transformadores usados en conjunción con ammetros, circuitos de 7 APENDICE control y relevación de protección. Usualmente tiene secundarias de 5 amperes. Corriente Corriente es el flujo de la carga eléctrica. Su unidad de medición es el ampere. Fusible Limitador de Corriente Dispositivo de acción rápida que cuando interrumpe la corriente en su rango de limitación de corriente, reducirá sustancialmente la magnitud de la corriente, típicamente dentro de medio ciclo, que de otra manera fluiría. Ciclo Una reversión completa de un corriente alterna o voltaje, de cero a un máximo positivo a cero nuevamente y de cero a máximo positivo a cero de nuevo. El número de ciclos por segundo es la frecuencia. Escala dB/dB(A) La escala de decibeles usada en mediciones de nivel de sonido es logarítmica . Los medidores de nivel de sonido tiene varias escalas corregidas (A, B, C) La escala dB(A) es la escala corregida mas comúnmente usada para medir la sonoridad del ruido emitido por los generadores. Conexión Delta Se refiere a la conexión trifásica que en la cual el inicio de cada fase esta conectada al final de la siguiente formando la letra griega ∆. Las líneas de carga están conectadas a las puntas de la delta. Factor de Demanda Es la relación de la carga real a la carga conectada total potencial. Factor de Desviación Es la desviación máxima instantánea en porcentaje del voltaje de un generador de una onda sinusoidal verdadera del mismo valor y frecuencia RMS. Fuerza Dieléctrica Es la habilidad del aislamiento de soportar voltaje sin sufrir rupturas. Corriente Directa (CD) Es corriente sin reversiones en el voltaje. 172 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Relevador Diferencial Es un dispositivo protector alimentado por corriente de dos transformadores ubicados en dos puntos diferentes del sistema eléctrico. Compara las corrientes y detecta cuando hay una diferencia en los dos que significa una falla en la zona de protección. Estos dispositivos se usan típicamente para proteger los devanados en generadores o transformadores. Aterrizaje Es la conexión intencional del sistema o equipo eléctrico (carcasas, conduit, marcos, etc.) a la tierra. Eficiencia (EFF) Es la relación de salida de energía a entrada de energía, tal como la relación entre la entrada eléctrica a un motor y la salida de energía mecánica en el eje de este. Sistema de Emergencia Es el equipo independiente de potencia que se requiere legalmente para alimentar a equipos o sistemas cuya falla podría representar un peligro a la seguridad de vida de personas o de propiedades. Energía Se manifiesta en formas como la electricidad, calor, luz y la capacidad de hacer trabajo. Se convierte de una forma a otra, tal como en un generador, que convierte la energía rotativa mecánica en energía eléctrica. Las unidades típicas de energía son kW x h, BTU, Hp x h, ft x lbf, joule y caloría. Excitador Dispositivo que suministra corriente directa a las bobinas de un generador sincrónico, produciendo el flux magnético requerido para inducir voltaje en las bobinas de la armadura (estator). Vea Campo. Falla Un flujo de corriente no intencional fuera de su circuito definido en un sistema eléctrico. es girado por el motor. El campo es energizado por CD suministrada por el excitador. Parpadeo Descripción de las fluctuaciones de intensidad de las luces causadas por los impulsos u oscilaciones del voltaje. Campo Libre (Medición de Ruido) En la medición de ruido, un campo libre es aquel en un medio homogéneo, isotropito (que tiene la cualidad de transmitir el sonido igualmente en todas direcciones) que no tiene limites. En la práctica, es un campo en el cual los efectos de las barreras no son importantes en la región de interés. En u campo libre, la presión del sonido decrece 6 dB por cada doble de la distancia de un punto de origen de sonido. Frecuencia Es el número de ciclos completos por unidad de tiempo de cualquier cantidad periódica variable, como el voltaje o la corriente. Se expresa generalmente en Hz (hertz) o CPS (ciclos por segundo). Regulación de Frecuencia Es la medida que expresa la diferencia entre frecuencia sin carga y con carga total como un porcentaje de la frecuencia de carga total. Generador Maquina que convierte la energía rotativa mecánica en energía eléctrica. Vea Generador. Protección de Falla de Tierra (GFP) Sistema que esta diseñado para limitar el daño al equipo de fallas de corriente de línea-tierra. Gobernador Dispositivo del motor que controla el combustible para mantener una velocidad constante bajo diferentes condiciones de carga. El gobernador debe tener un ajuste de velocidad (frecuencia del generador) y caída de velocidad (sin carga a carga total). Campo El campo del generador consiste de un electro magneto multipolar el cual induce voltaje de salida a las bobinas de la armadura (estator) del generador cuando 7 APENDICE Tierra Es la conexión intencional del sistema eléctrico o del equipo eléctrico (carcasas, conduit, marcos, etc.) a tierra. 173 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Neutral Aterrizada Es el punto central de un generador de cuatro hilos conectado en de un generador de cuatro hilos conectado en Y, o el punto de medio -devanado de un generador monofásico, intencionalmente aterrizado. Retorno de Tierra Es el método de detección de falla de tierra que emplea un sensor sencillo (CT) circulando el pasacorriente principal entre el neutral del sistema de potencia y tierra. Este dispositivo en si mismo no es capaz de localizar el circuito en falla pero, cuando se usa en conjunción con los sensores de falla de tierra de todas las conexiones de fuentes o alimentadores, puede proveer protección de falla de bus cuando se coordina (retarda) apropiadamente. Armónicos Los armónicos son voltaje o componentes de corriente que operan en múltiplos integrales de la frecuencia fundamental del sistema de potencia (50 o 60 Hz). Las corrientes armónicas tienen el efecto de distorsionar la forma de la onda de voltaje de la de una onda sinusoidal pura. Hertz (Hz) Es el te rmino preferido para ciclos por segundo (CPS). Jaloneo Es un fenómeno que puede ocurrir con cambios de carga en los cuales la frecuencia o el voltaje continúan elevándose y cayendo del valor deseado sin llegar a estabilizarse. Es causado por amortiguación insuficiente. Aislamiento Material no conductivo usado para prevenir la fuga de corriente eléctrica de un conductor. Hay varias clases de aislamiento en uso en la construcción de un generador, cada uno reconocido por su trabajo de máxima temperatura continua. Jalón Rango de cambio de aceleración. A menudo usado para medir el desempeño de sistemas de elevadores. 7 APENDICE kVA (kilo-Volt-Amperes) Término para rango de dispositivos eléctricos. El rango kVA de un dispositivo es igual a su rango de salida en amperes multiplicado por su rango de voltaje de operación. En el caso de generadores trifásicos , kVA es el rango de salida dividi do entre 0.8, el factor de potencia de rango. kVA es la suma de los vectores de la potencia activa (kW), y la potencia reactiva (Kva.) que fluye en el circuito. Kva. (kilo-Volt-Amperes-Reactivos) kVAR es el producto del voltaje y el amperaje requeridos para excitar circuitos inductivos. Se asocia con la potencia reactiva que fluye entre devanados de generadores en paralelo y entre generadores y devanados de carga que suministran las corrientes magnetizadoras necesarias para la operación de transformadores, motores y otras cargas electromagnéticas. La potencia reactiva no carga el motor del generador pero limita al generador térmicamente. kW (kilo-Watts) Término usado para dar rango de potencia a dispositivos eléctricos y equipo. Los generadores en los Estados Unidos se les da rango en kW, Los kW, a veces llamados potencia activa, carga el motor del generador. kW x h (kilo-Watt -hora) Es una unidad de energía eléctrica. Es equivalente a un kW de corriente eléctrica suministrada durante una hora. Factor de Potencia de Arrastre El factor de potencia de arrastre en circuitos de CA (un factor de potencia de menos de 1.0) es causada por cargas inductivas, como motores y transformadores, lo que causa que la corriente se atrase detrás del voltaje. Vea Factor de Potencia. Factor de Potencia de Inicio Causado en los circuitos por CA (0.0 a 1.0) por las cargas capacitivas de o motores sincrónicos sobrexcitados. Los que causan que la corriente se adelante al voltaje. Vea Factor de Potencia. Pierna 174 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Una pierna es una fase del devanado del generador, o una fase conductora del sistema de distribución. En aplicaciones de paralelismo, a menos que le generador esté desconectado del bus cuando su motor falla (generalmente como resultado de un problema de sistema), el generador “impulsará” al motor , succionando corriente del bus. La protección de potencia e n reversa que automáticamente desconecta un generador en falla del bus, es esencial para los sistemas de paralelismo. También , en ciertas aplicaciones, como elevadores, la carga puede impulsar al generador si no hay suficiente carga adicional presente. Voltaje Línea-Línea El voltaje entre cualesquiera dos fases de un generador CA. Voltaje Línea-Neutral En un generador trifásico , de 4 hilos conectado en Y, el voltaje línea -neutral es el voltaje entre una fase y el neutral común donde las tres fases están sujetas juntas. Factor de Carga Es la relación entre la carga promedio y el rango de potencia del generador. Bajo Voltaje En el contexto de este manual, se refiere a sistemas CA con voltajes de operación de 120 a 600 VCA. Terminales Poner terminales en los finales de los cables. Breaker Principal. Un breaker principal es un breaker de circuito a la entrada o salida de un bus, a través del cual debe fluir toda la corrien te del bus. El breaker principal del generador es el dispositivo montado en el generador, que se usa para interrumpir la corriente de salida del generador. Red Pública Termino usado extensamente fuera de los Estados Unidos para describir el servicio normal de electricidad. Voltaje Medio En el contexto de este manual, el voltaje medio se refiere a sistemas CA con voltajes de operación de 601 a 15,000 VCA. NEC (National Electrical Code) El documento de referencia más común de estándar eléctrico en los Estados Unidos. NEMA Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos . Neutral Se refiere al punto común de un generador CA conectado en Y, un conductor conectado a ese punto o al punto central de devanado de un generador CA monobásico. NFPA Asociación Nacional de protección Contra el Fuego. Carga No Lineal Es la carga para la que la relación entre voltaje y corriente no es una función lineal. Algunas cargas no l ineales comunes son la iluminación fluorescente, arrancadores de motor SCR y sistemas UPS. Las cargas ni lineales causan distorsión de voltaje y calentamiento anormal de los conductores. Octava En mediciones de sonido, (usando un analizador de octavas) son las ocho divisiones de la frecuencia del espectro medido de sonido, donde la más alta frecuencia de cada banda es el doble de su más baja frecuencia. Las octavas se especifican por sus frecuencias centrales, típicamente 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 400 0, y 8000 Hz (ciclos por segundo). Breaker de Circuito de Caja Moldeada Es el que automáticamente interrumpe la corriente que fluye a través de él cuando esta excede un cierto nivel durante un tiempo específico. Caja Moldeada se refiere al uso de plástico moldeado para cubrir los mecanismos para separar las superficies de conducción una de otra y de las partes de metal o tierra. Ohm Impulsar 7 APENDICE 175 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Unidad de resistencia eléctrica. Un volt causara que una corriente de un ampere fluya por una resistencia de un ohm. Diagrama de Una Línea Diagrama esquemático de un sistema trifásico de distribución de potencia que usa una línea para mostrar las tres fases. Se entiende que cuando se usa este dibujo fácil de leer, una línea representa tres. Fuera de Fase Se refiere a las corrientes alternas o voltajes de la misma frecuencia que no están pasando por sus puntos de cero al mismo tiempo. Rango de Sobrecarga Es la carga en exceso del rango normal de un dispositivo que puede llevar durante un periodo especificado de tiempo sin dañarse. Sobregirar Se refiere a la cantidad por la cual el voltaje o frecuencia excede el valor nominal al responder el regulador de voltaje o gobernador a cambios en la carga. Operación en Paralelo Es la operación de dos o más fuentes de potencia CA cuyas puntas de salida se conectan a una carga común. separados 12º grados. Donde un ciclo completo se considera 360 grados. Un generador monofásico solo tiene un devanado. Generador de Magneto Permanente Generador cuyo campo es un magneto permanente al contrario de un electromagneto (campo devanado). Usado para generar potencia de excitación para alternadores excitados separadamente. Angulo de Fa se Se refiere a la relación entre dos ondas sinusoidales que no pasan por cero en el mismo instante, como las fases de un generador trifásico. Considerando que un ciclo completo son 360 grados, el ángulo de fase expresa que tan separadas están las dos ondas en relación al ciclo completo. Rotación de Fase También llamada secuencia de fase, describe el orden (A-B-C, R -S -T o U -VW) de los voltajes de fase en las terminales d salida de un generador trifásico. La rotación de fase de un generador debe ser igual a la rotación de fase de la fuente normal de potencia y se debe checar antes de la operación de las cargas eléctricas en la instalación. Avance Es la relación entre el número de ranuras de devanados del estator cubiertas por cada bobina y el número de ranuras de devanado por polo. Es una característica de diseño que el diseñador puede usar para optimizar el costo del generador contra la calidad de la forma de la onda. Carga Pico Es el punto más alto en la curva de demanda de kilowatts de una instalación. Se usa como la base de cobro por demanda de la compañía de electricidad. Rasurado de Picos Proceso por el cual las cargas en una instalación se reducen durante un corto tiempo para limitar la demanda eléctrica máxima en la instalación para evitar una porción de los cargos por demanda de la compañía de electricidad. Fase Se refiere a los devanados de un generador CA. En un generador trifásico, hay tres devanados, designados típicamente como A-B-C, R-S-T o U -V-W. Las fases están 120 grados fuera de fase una con otra, Esto es, los instantes en los cuales el voltaje de las tres fases pasa por cero o alcanza sus máximos están 7 APENDICE Polo Se usa en referencia a magnetos, que son bipolares. Los polos de un magneto están designados norte y sur. Puesto que los magnetos son bipolares , todos los generadores tiene un número par de polos. El número de polos determina que tan rápido se tiene que hacer girar un generador para obtener la frecuencia especificada. Por ejemplo, un generador con un campo de cuatro polos se tendría que girar a1800 rpm para obtener una frecuencia de 60 Hz (1500 rpm para 50 Hz) 176 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación También se puede referir a los electrodos de la batería o al número de fases servidas por un breaker o interruptor. Breaker de Circuito de Potencia Es un breaker de circuito cuyos contactos son forzados a cerrarse por medio de un mecanismo de resorte para logra un cierre rápido (5 ciclos) y altos rangos de soporte e interrupción. Un breaker de circuito de potencia puede ser de caja aislada o de aire. Potencia Se refiere al rango de desempeño de trabajo o de uso de energía. Típicamente la potencia mecánica se expresa en términos de caballaje y la potencia eléctrica en kilowatts. Un kW es igual a 1.34 Hp. Factor de Potencia (PF) Las inductancias y las capacitancias en un sistema causan que el punto en el que la onda de voltaje pasa por cero, sea diferente al punto en el que la onda de corriente pasa por cero. Cuando la onda de corriente precede a la onda de voltaje, se da un factor de potencia de inicio, como es el caso con las cargas de capacitivas o motores sincrónicos sobreexcitados. Cuando la onda de voltaje precede a la onda de corriente, resulta un factor de potencia de arrastre. Este es generalmente el caso. El factor de potencia expresa la cantidad en que le cero de voltaje difiere del cero de corriente. Considerando que un ciclo completo son 360 grados, la diferencia entre los puntos de cero se puede expresar como un ángulo. El factor de potencia se calcula con el coseno del ángulo entre los puntos de cero y se expresa como una fracción decimal (0.8) o como un porcentaje (80%). Es la relación entre kW y kVA. En otras palabras, kW = kVA x PF. Interferencia de Radio Se refiere a la interferencia en la recepción de radio causada por el generador. Es la oposición al flujo de corriente en los circuitos CA causada por las inductancias y capacitancias, Se expresa en términos de ohms y su símbolo es X. Potencia Reactiva Es el producto de la corriente, voltaje y el seno del ángulo por el que la corriente adelanta o arrastra voltaje, y se expresa en VAR (volts-amperes-reactivos). Potencia Real La potencia real es el producto de la corriente, voltaje y factor de potencia (el coseno del ángulo por el que la corriente se adelanta al voltaje) y se expresa en W (watts). Resistencia Es la oposición al flujo de la corriente en circuitos CD. Se expresa en ohms y su símbolo es R. RMS (Raíz Cuadrada Media) Los valores RMS de una cantidad medida como el voltaje CA, corriente y potencia se consideran los valores “efectivos” de las cantidades. Vea Watt. Rotor Un rotor es el elemento rotativo de un motor o generador. RPM Revoluciones por minuto. SCR (Silicon Controlled Rectifer) Dispositivo de estado sólido de tres electrodos que permite que la corriente fluya en una dirección solamente, y hace esto solo cuando un potencial apropiado se aplica al tercer electrodo, llamado puerto. Coordinación Selectiva Es la aplicación selectiva de dispositivos de sobrecorriente, tales que las fallas de corto circuito son limpiadas por el dispositivo inmediatamente del lado de línea de la falla, y solamente de ese dispositivo. Supresión de Interferencia de Radio Se refiere a los métodos empleados para minimizar la interferencia de radio. Auto-excitado Un alternador cuyo sistema de excitación toma su corriente de su salida principal de CA Reactancia Excitado Separadamente 7 APENDICE 177 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Un alternador cuyo sistema de excitación toma su corriente de una fuente separada, (no s propia salida). Entrada de Servicio El punto donde el servicio de electricidad de la red pública entra a las instalaciones. En sistemas de bajo voltaje, el neutral se aterriza en la entrada de servicio. Factor de Servicio Es un multiplicador que se aplica a los Hp de rango nominales de un motor para indicar un incremento o decremento en la salida (capacidad de sobrecarga) que el motor es capaz de entregar bajo ciertas condiciones. Corto Circuito Generalmente una conexión no intencional entre partes que llevan corriente. Excitado por Derivación Un altern ador que deriva una porción de su corriente CA para corriente de excitación. Disparo de Derivación Característica añadida a un breaker de circuito o interruptor de fusible para permitir la abertura remota de un breaker o interruptor por una señal eléctrica. Onda Sinusoidal Representación grafica de una función de seno, donde los valores de seno (usualmente el eje y) se grafican contra los ángulos (eje x) a los que corresponden. Las formas de las ondas de voltaje CA y la corriente se aproximan a una curva de este tipo. Carga Suave Se refiere al rampeo de la carga hacia o desde un generador de forma gradual con el propósito de minimizar los impactos de voltaje frecuencia del sistema. Sonido Presión de las ondas sonoras que viajan por el aire y su correspondiente sensación aural. El sonido puede ser “transmitido por estructura”, esto es transmitido por cualquier medio elástico sólido, pero es audible solamente donde 7 APENDICE el medio sólido irradia las ondas de presión hacia el aire. Medidor de Presión de Sonido Mide el nivel de presión de sonido. Tiene varias escalas de decibeles (dB) corregidas (A,B,C) para cubrir las diferentes porciones del rango de sonoridad medida. Los niveles de sonido indican sonido RMS, a menos que la medida se califique como instantánea o de pico. Presión de Nivel de Sonido Se refiere a la magnitud del diferencial de presión causado por una onda de sonido. Se expresa en una escala de dB (A,B,C) referenciada a algún estándar (generalmente 10-12 microbaras). Sistema de Emergencia Es el sistema independiente de potencia que permite la operación de alguna instalación en le caso de una falla de potencia de la red normal de electricidad. Conexión Estrella Vea Conexión Wye Corriente de Arranque El valor inicial de corriente usada por un motor cuando se arranca desde parado. Estator Es la parte estacionaria de un motor o generador. Vea Armadura Impacto Es el incremento repentino de voltaje en un sistema, generalmente causado por la desconexión de una carga. Supresor de Impactos Dispositivos capaces de conducir altos voltajes de transición. Se usan para proteger a otros dispositivos que podrían ser destruidos por los voltajes de transición. Sincronización En una aplicación de paralelismo, la sincronización se obtiene cuando un generador que entra se empata con y en paso a la misma frecuencia, voltaje y secuencia de fases de la fuente de potencia en operación. Factor d Influencia de Teléfono (TIF) 178 Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación Los armónicos mas altos de la forma de la onda de voltaje de un generador pueden causar efectos indeseables en las comunicaciones de teléfono cuando las líneas de potencia son paralelas a las líneas de teléfono . El factor de influencia de teléfono se calcula con el cuadrado de los valores RMS de los armónicos fundamentales no de serie triple, sumándolos y tomando la raíz cuadrada de la suma. La relación de este valor a la valor RMS de la onda de voltaje sin carga se llama TIF balanceado. La relación de este valor a tres veces el valor RMS del voltaje fase-neutral sin carga se llama Componente Residual TIF. Transformador Dispositivo que cambia el voltaje CA de una fuente de un valor a otro. Bajodisparo Se refiere a la cantidad por la cual el voltaje o la frecuencia caen por debajo del valor nominal al responder el regulador o gobernador a los cambios en la carga. Red Pública de Electricidad La red es la fuente de energía comercial que suministra potencia a instalaciones específicas desde una planta de potencia central grande. Volt Es la unidad de potencial eléctrico. Un potencial de un volt causara que una corriente de un ampere fluya por una resistencia de un ohm. Caída de Voltaje Es la caída en el voltaje que resulta cuando se agrega una carga, y ocurre antes de que el regulador la pueda corregir, o que resulta del funcionamiento del regulador de voltaje para descargar un generador-motor sobrecargado. 7 APENDICE Regulador de Voltaje. Dispositivo que mantiene la salida del generador cerca de su valor nominal en respuesta a las condiciones cambiantes de carga. Watt Unidad de energía eléctrica. En circuitos de corriente directa, el wattaje es igual al voltaje por el amperaje. En circuitos de corriente alterna, el wattaje es igual a voltaje efectivo (RMS) por el amperaje efectivo (RMS) por el factor de potencia por una constante dependiente del número de fases. 1000 watts es igual a un kW. Conexiones Wye Es lo mismo que una conexión estrella. Es un método de interconectar las fases de un generador trifásico para formar una conexión que se asemeja a la letra Y. Un cuarto hilo neutral se puede conectar al punto central. Secuencia Cero Método de detección de falla de tierra que utiliza un sensor que circula todos los conductores de fase así como los conductores neutrales. El sensor producirá una salida proporcional al imbalance de la corriente de falla de tierra del circuito. Esta salida se mide entonces con un relevador para iniciar un disparo de breaker o una alarma de falla de corriente tierra. Zonas de Protección Son áreas definidas dentro de un sistema de distribución que son protegidas por grupos específicos. 179 G eneradores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación INDICES DE FORMULAS, TABLAS Y FIGURAS G eneradores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación INDICES DE FORMULAS, TABLAS Y FIGURAS G eneradores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación INDICES DE FORMULAS, TABLAS Y FIGURAS
