libro motores diesel generadores

Establecimiento de un plan estructural, institucional y financiero, que permita el abastecimiento energtico de las zonas no interconectadas con participacin de las comunidades y el sector privado

Alternativas para el suministro de energa Documento No. ANC-375-23 - Rev.00 - 07/09/00

MINHACIENDA DNP MINMINAS UPME CREG PNUD

HAGLER BAILLY SERVICES AENE CONSULTORIA S.A. C 3-1 de 1

TABLA DE CONTENIDO

3 GENERACIN ELCTRICA MEDIANTE MOTORES DIESEL..................3-8 3.1 DESCRIPCIN DE LA TECNOLOGA .......................................................3-8 3.2 EL MOTOR DIESEL ....................................................................................3-9 3.3 PRINCIPIO TERMODINMICO ..................................................................3-9 3.4 CARACTERSTICAS DE LOS MOTORES DIESEL .................................3-10 3.4.1 Tipo de inyeccin .......................................................................................3-10 3.4.2 Tipo de ciclo ...............................................................................................3-11 3.4.3 Velocidad de rotacin ................................................................................3-11 3.4.4 Sistema de enfriamiento ............................................................................3-15 3.4.5 Tipo de alimentacin del aire de combustin............................................3-17 3.4.6 Principales sistemas auxiliares en un motor diesel ..................................3-21 3.5 EL GENERADOR ......................................................................................3-23 3.5.1 Diseo ........................................................................................................3-24 3.5.2 Sistemas de excitacin ..............................................................................3-25 3.5.3 Funciones bsicas asociadas con la excitacin .......................................3-25 3.5.4 Protecciones ..............................................................................................3-26 3.5.5 Regulador automtico de voltaje ...............................................................3-27 3.5.6 Sistemas de enfriamiento en generadores ...............................................3-27 3.6 SISTEMAS DE CONTROL........................................................................3-28 3.6.1 Controles primarios....................................................................................3-28 3.6.2 Controles de alto nivel/ sistemas automticos ..........................................3-29 3.7 SISTEMAS DE REGULACIN DE VOLTAJE ..........................................3-30 3.8 CONTROL DE FRECUENCIA...................................................................3-31 3.9 SISTEMAS DE ARRANQUE DE PLANTAS GENERADORAS................3-31 3.9.1 Arranque elctrico......................................................................................3-31 3.9.2 Arranque neumtico. .................................................................................3-32 3.10 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS PLANTAS DE GENERACIN 3-33 3.11 LAS CENTRALES DE GENERACIN ELCTRICA CON MOTORES

DIESEL ......................................................................................................3-33 3.12 SISTEMAS QUE CONFORMAN UNA CENTRAL DE GENERACIN CON

MOTORES DIESEL...................................................................................3-36 3.12.1 Grupos electrgenos..................................................................................3-37 3.12.2 Sistema de admisin aire de combustin. ................................................3-37





3.12.3 Sistema de aceite lubricante .....................................................................3-37 3.12.4 Sistema de agua de enfriamiento del motor e inyectores.........................3-38 3.12.5 Sistema de combustible.............................................................................3-39 3.12.6 Sistema de gases de escape ....................................................................3-39 3.12.7 Sistema de vapor .......................................................................................3-40 3.12.8 Sistema general de enfriamiento...............................................................3-40 3.12.9 Sistema de aire comprimido ......................................................................3-41 3.12.10 Equipos elctricos......................................................................................3-42 3.12.11 Ventilacin y acondicionamiento ...............................................................3-42 3.12.12 Grupo electrgeno de arranque ................................................................3-42 3.12.13 Sistema de tratamiento de agua................................................................3-43 3.12.14 Sistema contraincendio .............................................................................3-43 3.12.15 Laboratorio qumico ...................................................................................3-43 3.13 MANEJO DE LOS COMBUSTIBLES PARA LA GENERACIN DE

ENERGA ELCTRICA CON PLANTAS DIESEL ....................................3-43 3.13.1 Tratamiento de combustibles ....................................................................3-44 3.13.2 Motores de 4 tiempos de alta velocidad a diesel u otros combustibles

livianos .......................................................................................................3-44 3.13.3 Motores de 4 tiempos de alta velocidad con combustible pesado ...........3-44 3.13.4 Motores de 4 tiempos de velocidad media con combustible pesado .......3-45 3.13.5 Empleo de petrleo crudo..........................................................................3-45 3.13.6 Empleo de combustible emulsionado con agua........................................3-46 3.14 COMBUSTIBLES ALTERNOS PARA LA GENERACIN CON

TECNOLOGA DIESEL .............................................................................3-47 3.14.1 Motores a combustible dual (dual fuel) .....................................................3-47 3.14.2 Motores a gas ............................................................................................3-50 3.15 DISPONIBILIDAD DE LAS PLANTAS DIESEL PARA CARGAS BASE ..3-52 3.15.1 Definicin de disponibilidad .......................................................................3-53 3.15.2 Disponibilidad bruta ...................................................................................3-53 3.15.3 Disponibilidad real......................................................................................3-55 3.15.4 Disponibilidad garantizada.........................................................................3-56 3.15.5 Clculos .....................................................................................................3-57 3.15.6 El factor de capacidad (FC).......................................................................3-57 3.15.7 Sistemas de monitoreo, diagnstico y mantenimiento planeado .............3-59 3.16 COSTOS ....................................................................................................3-59 3.16.1 Clculo del costo del combustible .............................................................3-59 3.16.2 Clculo del costo del lubricante.................................................................3-60 3.16.3 Clculo de los costos operativos ...............................................................3-60 3.16.4 Clculo de los costos totales de operacin...............................................3-60 3.16.5 Clculo de los costos de mantenimiento...................................................3-62





3.17 LA DEMANDA DE POTENCIA EN LAS ZNI.............................................3-65 3.18 METODOLOGA ANLISIS ECONMICO...............................................3-67 3.18.1 CASO 1. Demanda pico 1.100 kW, 24 horas de servicio .........................3-72 3.18.2 Alternativa A: Configuracin dos motores de 550 kW ..............................3-73 3.18.3 Alternativa B: Configuracin un motor de 1.200 kW.................................3-75 3.18.4 Resultados y conclusiones Caso 1 ...........................................................3-76 3.18.5 Caso 2. Demanda pico de 3.200 kW y 24 horas de servicio ....................3-80 3.18.6 Alternativa A: Configuracin tres motores de 1.200 kW ...........................3-80 3.18.7 Alternativa B: Configuracin un motor de 2.000 kW y otro de 1.200 kW .3-81 3.18.8 Resultados y conclusiones Caso 2 ...........................................................3-83 3.18.9 Caso 3. Demanda pico de 3.200 kW y 18 horas de servicio ....................3-87 3.18.10 Alternativa A: Configuracin tres motores de 1.200 kW ...........................3-87 3.18.11 Alternativa B: Configuracin un motor de 2.400 kW de Fuel Oil No 6 y otro

de 1.200 kW de ACPM ..............................................................................3-88 3.18.12 Resultados y conclusiones caso 3 ............................................................3-90 3.19 CONCLUSIONES GENERALES...............................................................3-93 3.20 MANEJO AMBIENTAL EN LA GENERACIN DIESEL ...........................3-94 3.20.1 Manejo del CO2..........................................................................................3-94 3.20.2 Mtodos primarios de reduccin de NOx..................................................3-95 3.20.3 Reduccin de NOx con mtodos secundarios ..........................................3-97 3.21 MOTORES A GAS.....................................................................................3-99 3.22 MOTORES A COMBUSTIBLE DUAL CON ALTA PRESIN DE

INYECCIN ...............................................................................................3-99 3.23 MTODOS EN DESARROLLO...............................................................3-100 3.23.1 Inyeccin directa de agentes reductores de emisiones..........................3-100 3.24 HUMO VISIBLE .......................................................................................3-100 3.25 FILTROS ..................................................................................................3-100 3.26 RUIDO......................................................................................................3-101 3.26.1 Modificaciones o sustituciones ................................................................3-101 3.26.2 Aislamiento de la vibracin......................................................................3-102 3.26.3 Manteniendo apropiado ...........................................................................3-102 3.26.4 Silenciadores............................................................................................3-102 3.26.5 Revestimiento ..........................................................................................3-103 3.26.6 Cerramientos............................................................................................3-103 3.26.7 Barreras ...................................................................................................3-104 3.27 CONTAMINACIN DE CUERPOS NATURALES DE AGUA.................3-104 3.28 CONTAMINACIN DE LOS SUELOS....................................................3-106 3.29 LA COGENERACIN CON PLANTAS DIESEL.....................................3-107 3.29.1 Sistemas de recuperacin de calor .........................................................3-107 3.29.2 Sistemas de agua caliente con temperatura normal...............................3-108





3.29.3 Sistemas de agua caliente con temperatura alta....................................3-108 3.29.4 Sistema de agua caliente y vapor con caldera de flash .......................3-108 3.29.5 Sistema ebullente ....................................................................................3-108 3.29.6 Desempeo de los sistemas de recuperacin de calor ..........................3-108 3.30 CONCLUSIONES ....................................................................................3-110 3.31 BIBLIOGRAFA ........................................................................................3-111





LISTA DE TABLAS

TABLA 3- 1 Relacin entre velocidades de rotacin, pesos y volmenes .............3-13 TABLA 3- 2 Diferencia en presencia de contaminantes con la presencia de

turbocargador ........................................................................................3-19 TABLA 3- 3 Ventajas del uso de turbocargadores e intercambiadores..................3-20 TABLA 3- 4 Caractersticas de los combustibles livianos para generacin elctrica......................................................................................................3-44 TABLA 3- 5 Caractersticas del Fuel Oil No 6 (Combustleo) ................................3-45 TABLA 3- 6 Caractersticas del Crudo de Castilla ..................................................3-45 TABLA 3- 7 Fabricantes y comercializadores de motores a combustible dual ......3-49 TABLA 3- 8 Fabricantes de motores diesel a gas...................................................3-52 TABLA 3- 9 Expresiones y sus abreviaturas comnmente utilizadas en clculos de

disponibilidad.........................................................................................3-54 TABLA 3- 10 Densidad de los combustibles utilizados en generacin diesel........3-60 TABLA 3- 11 Costos de los combustibles utilizados en generacin diesel ............3-61 TABLA 3- 12 Clculo de los costos de mantenimiento para plantas diesel ...........3-63 TABLA 3- 13 Costos plantas Diesel ........................................................................3-64 TABLA 3- 14 Carga parcial motores, kWh generado y consumo total de combustible

por da ...................................................................................................3-74 TABLA 3- 15 Carga parcial motor, kWh generado y consumo total de combustible

por da ...................................................................................................3-76 TABLA 3- 16 Resumen y resultados caso 1 ...........................................................3-77 TABLA 3- 17 Carga parcial motores, kWh generado y consumo total de combustible

por da ...................................................................................................3-81 TABLA 3- 18 Carga parcial motores, kWh generado y consumo total de combustible

por da ...................................................................................................3-82 TABLA 3- 19 Resumen y resultados caso 2 ...........................................................3-83 TABLA 3- 20 Carga parcial motores, kWh generado y consumo total de combustible

por da ...................................................................................................3-88 TABLA 3- 21 Carga parcial motores, kWh generado y consumo total de

combustible/da .....................................................................................3-89 TABLA 3- 22 Resultados y Conclusiones Caso 3..................................................3-91 TABLA 3- 23 Impactos ambientales a los cuerpos de agua naturales.................3-105 TABLA 3- 24 Impactos ambientales en los suelos................................................3-106





LISTA DE FIGURAS

FIGURA 3- 1 Motores de diferentes tamaos para la generacin elctrica.............3-8 FIGURA 3- 2 Ciclo Diesel ..........................................................................................3-9 FIGURA 3- 3 Paso de los diferentes sistemas por el interior de un motor diesel ..3-10 FIGURA 3- 4 Potencias disponibles en motores Diesel de acuerdo a su velocidad de

rotacin..................................................................................................3-12 FIGURA 3- 5 Regulador electrnico de velocidad ..................................................3-14 FIGURA 3- 6 Regulador de velocidad hidrulico ....................................................3-15 FIGURA 3- 7 Motor Isotta Fraschini de 120 kW con sistema de enfriamiento con

agua con radiador remoto.....................................................................3-16 FIGURA 3- 8 Motor Lister Peter de 200 kW con sistema de enfriamiento con agua

con radiador en el conjunto...................................................................3-16 FIGURA 3- 9 Serie de motores VM desde 230 kW hasta 550 kW con sistema de

enfriamiento con aire.............................................................................3-17 FIGURA 3- 10 Seccin de un turbocargador ..........................................................3-18 FIGURA 3- 11 Esquema de funcionamiento del turbocargador .............................3-19 FIGURA 3- 12 Aplicacin del intercambiador (intercooler) en los motores diesel .3-20 FIGURA 3- 13 Sistema tpico de enfriamiento del agua del motor.........................3-22 FIGURA 3- 14 Sistema tpico de aceite lubricante..................................................3-22 FIGURA 3- 15 Sistema tpico de combustible.........................................................3-23 FIGURA 3- 16 Construccin general del generador ...............................................3-24 FIGURA 3- 17 Sistema tpico de generacin ..........................................................3-28 FIGURA 3- 18 Sistema de arranque elctrico.........................................................3-32 FIGURA 3- 19 Esquema de arranque neumtico ...................................................3-32 FIGURA 3- 20 Instalacin tpica de un grupo electrgeno con sus accesorios .....3-35 FIGURA 3- 21 Disposicin tpica de una planta con dos o ms motores de hasta

2000 kW. ...............................................................................................3-35 FIGURA 3- 22 Disposicin tpica de una planta de ms de 2000 kW a Fuel Oil No. 6...........................................................................................................3-36 FIGURA 3- 23 Sistema de admisin de aire de combustin ..................................3-37 FIGURA 3- 24 Sistema de aceite lubricante ...........................................................3-38 FIGURA 3- 25 Sistema de agua de enfriamiento de motor e inyectores ...............3-38 FIGURA 3- 26 Sistema de combustible...................................................................3-39 FIGURA 3- 27 Sistema de gases de escape y vapor .............................................3-40 FIGURA 3- 28 Sistema general de enfriamiento con torre de enfriamiento...........3-41 FIGURA 3- 29 Sistema general de enfriamiento con intercambiador ...................3-41 FIGURA 3- 30 Sistema de aire comprimido ............................................................3-42 FIGURA 3- 31 Temperaturas de calefaccin de los aceites lubricantes ................3-47 FIGURA 3- 32 Motores a combustible dual marca Ruston.....................................3-49





FIGURA 3- 33 Motor Wartsila a gas........................................................................3-51 FIGURA 3- 34 Principales unidades funcionales de una planta de generacin.....3-55 FIGURA 3- 35 Diferencias en el calculo de disponibilidad bruta y real ..................3-57 FIGURA 3- 36 Frmula para la capacidad y factores de derrateo para motores diesel............................................................................................3-58 FIGURA 3- 37 Curva de carga caso 1.....................................................................3-66 FIGURA 3- 38 Curva de caso 2...............................................................................3-66 FIGURA 3- 39 Curva de caso 3...............................................................................3-67 FIGURA 3- 40 Esquema de flujo de fondos ............................................................3-68 FIGURA 3- 41 Esquema Valor Presente Neto ........................................................3-71 FIGURA 3- 42 Curva de carga Caso 1(2 motores de 550 kW) ..............................3-74 FIGURA 3- 43 Curva de carga Caso 1 (1 motor de 1.200 kW) ..............................3-75 FIGURA 3- 44 Sensibilidad a la inversin ...............................................................3-78 FIGURA 3- 45 Sensibilidad a la tasa de descuento................................................3-78 FIGURA 3- 46 Sensibilidad al precio de combustible .............................................3-79 FIGURA 3- 47 Sensibilidad a la disponibilidad........................................................3-79 FIGURA 3- 48 Curva de carga Caso 2 (tres motores 1.200 kW) ...........................3-80 FIGURA 3- 49 Curva de carga caso 2 (1 motor de 2.000 kW y otro de 1.200 kW)3-82 FIGURA 3- 50 Sensibilidad a la inversin ...............................................................3-85 FIGURA 3- 51 Sensibilidad a la tasa de descuento................................................3-85 FIGURA 3- 52 Sensibilidad al precio de combustible .............................................3-86 FIGURA 3- 53 Sensibilidad a la disponibilidad........................................................3-86 FIGURA 3- 54 Curva de carga caso 3 (tres motores 1.200 kW) ............................3-87 FIGURA 3- 55 Curva de carga caso 3 (1 motor de 2.400 kW y uno de 1.200 kW)3-90 FIGURA 3- 56 Sensibilidad a la inversin ...............................................................3-91 FIGURA 3- 57 Sensibilidad a la tasa de descuento................................................3-92 FIGURA 3- 58 Sensibilidad al precio de combustible .............................................3-92 FIGURA 3- 59 Sensibilidad a la disponibilidad........................................................3-93 FIGURA 3- 60 Emisiones tpicas de NOx en motores diesel a baja y media velocidad

al 80% de la carga ................................................................................3-95 FIGURA 3- 61 Recirculacin de los gases de escape para una planta de

cogeneracin.........................................................................................3-97 FIGURA 3- 62 Sistema de reduccin cataltica selectiva .......................................3-98 FIGURA 3- 63 Niveles tpicos de reduccin por oxidacin cataltica- operacin con

diesel .....................................................................................................3-99 FIGURA 3- 64 Inyeccin directa de agentes reductores de NOx .........................3-100 FIGURA 3- 65 Modificaciones y aislamiento de la vibracin ................................3-102 FIGURA 3- 66 Diagrama de Sankey para motores reciprocantes........................3-107 FIGURA 3- 67 Recuperacin de calor en motores reciprocantes. .......................3-109





3 GENERACIN ELCTRICA MEDIANTE MOTORES DIESEL

El abastecimiento de energa en las ZNI se realiza principalmente con base en generacin diesel. Las prcticas operativas y de mantenimiento utilizadas comnmente en la zona, han hecho que esta tecnologa sea calificada como de bajo rendimiento y baja confiabilidad. De otro lado, las caractersticas geogrficas y socioeconmicas de estas regiones dificultan y encarecen el transporte de los insumos requeridos (combustibles, lubricantes, repuestos, etc.), lo cual hace que la prestacin del servicio por medio de esta tecnologa sea bastante onerosa. No obstante, la generacin diesel ha sido la solucin para un considerable nmero de localidades y posiblemente ser, en casos especficos, la solucin en algunas poblaciones durante mucho tiempo. Por lo anterior, es necesario hacer un anlisis de esta tecnologa, lo cual es el objetivo de este capitulo.

3.1 DESCRIPCIN DE LA TECNOLOGA

El trabajo producido por un motor de combustin interna (diesel) es utilizado para mover un generador, el cual convierte la energa mecnica que se le ha transmitido desde el motor diesel en energa elctrica. A la unin de motor y generador se le denomina grupo electrgeno.

Motor Perkins de 51 kW

Motor Wilson de 120 kW

Motor Siemens de 3230 kW

Motor Wartsila serie de 4 a 12 MW

FIGURA 3-1 Motores de diferentes tamaos para la generacin elctrica





3.2 EL MOTOR DIESEL

Es un motor de combustin interna en el cual, en la fase de aspiracin slo entra aire en el cilindro, siendo comprimido en la fase de compresin, con lo que se consigue elevar su temperatura. El combustible es introducido a presin y pulverizado en el seno de la masa de aire caliente comprimido, y se inflama espontneamente al contacto con ste. La combustin tiene lugar sin encendido por chispa.

Son motores de gran robustez, dadas las elevadas presiones de trabajo y con una relacin peso / potencia elevada.

3.3 PRINCIPIO TERMODINMICO

Los motores reciprocantes operan bajo el ciclo de Otto o bajo el ciclo de Diesel. En el ciclo de Otto, la mezcla aire - combustible es comprimida en el cilindro, donde mediante una chispa ocurre la ignicin del combustible. La combustin aumenta la presin de la mezcla lo cual hace que el pistn se desplace dentro del cilindro, realizando trabajo.

En la FIGURA 3-2 se observa el ciclo Diesel, en donde el aire es comprimido (1-2) hasta que alcanza la temperatura de autoignicin y en este momento se inyecta el combustible dentro del cilindro (2-3), donde ocurre el proceso de combustin generndose el desplazamiento del pistn (3-4). Los pistones, en ambos ciclos, van acoplados a un cigeal o eje que convierte el desplazamiento lineal del pistn en rotacin. Esta rotacin, en las plantas de generacin de energa es transmitida a un generador elctrico.

|

4

P

v

1

2

3

FIGURA 3-2 Ciclo Diesel

El ciclo diesel a diferencia del ciclo Otto, utiliza como combustibles, derivados del petrleo mas pesados, por ejemplo el diesel (ACPM) y/o combustibles gaseosos, los cuales reemplazan a la gasolina, lo que hace que el tipo de combustin y la manera en que el combustible se hace encender sea diferente.





3.4 CARACTERSTICAS DE LOS MOTORES DIESEL

Los motores diesel se diferencian entre ellos de acuerdo a las siguientes caractersticas:

- Tipo de inyeccin: directa o indirecta.

- Tipo de ciclo: de 2 o 4 tiempos.

- Velocidad de rotacin: baja, media o alta.

- Tipo de enfriamiento: con aire o agua.

- Tipo de alimentacin: aspirado o sobrealimentado.

En la FIGURA 3-3 se puede apreciar la disposicin de los diferentes sistemas y el paso de los fluidos por el interior de un motor diesel ID36 de cuatro tiempos, con inyeccin directa, cilindros en V, turbocargado con intercambiador.

Combustible

Aceite refrigerante y lubricante

Agua

Aire de alimentacin

Gases de escape

Agua del motor para enfriamiento del aire de alimentacin

FIGURA 3-3 Paso de los diferentes sistemas por el interior de un motor diesel

3.4.1 Tipo de inyeccin

Inyeccin directa El combustible (por ejemplo el ACPM) es inyectado directamente sobre el pistn. En la fase de compresin, el aire llega a presiones de 30 - 50 bar y a una temperatura de 700C. Poco antes que el pistn llega al punto muerto superior, el combustible es dosificado en cierta cantidad por la bomba y pulverizado por el inyector. La cantidad





de aire aspirado por el pistn es siempre la misma. Para variar la potencia, se modifica solo la cantidad de combustible que es inyectada. Cuando el motor trabaja a baja potencia, puede llegar a admitir 10 veces la cantidad de aire requerida para la combustin completa del combustible.

Inyeccin Indirecta En este caso, la inyeccin no se hace directamente en el cilindro, es realizada en una precmara conectada al cilindro a travs de un ducto. Esto permite aumentar la velocidad de rotacin del motor hasta ms de 5000 RPM (con la inyeccin directa no se superan las 3500 RPM); y as aumentar simultneamente la potencia desarrollada.

3.4.2 Tipo de ciclo

Dos tiempos En un motor de dos tiempos un ciclo completo consiste de: (i) Admisin y compresin del aire (o de mezcla aire combustible cuando la inyeccin es indirecta) e inyeccin del combustible y (ii) explosin y escape de los gases de combustin.

En estos motores, mientras el pistn se va desplazando succionando el aire de combustin, se van expulsando simultneamente los gases de escape. Estos motores son empleados comnmente en aplicaciones que requieren un pequeo rango de variacin de carga.

Cuatro tiempos En un motor de cuatro tiempos un ciclo completo consiste en: (i) Admisin del aire o de la mezcla aire-combustible; (ii) compresin del aire o de la mezcla; (iii) expansin de los gases de combustin; (iv) escape de los gases de combustin. Estos motores tienen mejor funcionamiento a carga parcial que los motores de dos tiempos, por tal razn se emplean en aplicaciones que requieran una variacin considerable en la carga.

3.4.3 Velocidad de rotacin

De acuerdo a la velocidad a la que los diferentes motores giran, varan sus caractersticas constructivas y robustez de manera inversa; a menor velocidad, mayor ser su tamao.

Motores de baja velocidad Son aquellos motores que giran mximo a 300 rpm.





Motores de media velocidad Estos motores giran en un rango entre 300 y 900 rpm.

Motores de alta velocidad La velocidad de rotacin de estos motores es superior a las 900 rpm

Es necesario tener en cuenta que en Colombia se trabaja de forma generalizada con electricidad a 60 Hz lo que limita la velocidad de rotacin de estos motores a los rangos que se muestran en la FIGURA 3-4 . Es recomendable no trabajar a velocidades de rotacin superiores de 1800 rpm debido a que en motores estacionarios, la vida til se ver disminuida notablemente como consecuencia de los altos desgastes por friccin. Las potencias que se encuentran disponibles en el mercado en este rango de velocidades, se puede observar tambin en la FIGURA 3-4.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

BAJA

600

720

900

1200

1800

RPM

PO TENC IA (kW )

FIGURA 3-4 Potencias disponibles en motores Diesel de acuerdo a su velocidad de rotacin

Ntese que plantas pequeas de menos de 400 kW se consiguen solo a 1800 rpm; entre 400 y 2200 se consiguen mquinas de 1800, 1200, 900 y 720 rpm. Para potencias superiores a 2200 kW y hasta 4000 kW no se consiguen plantas a 1800 rpm, solo entre 720 y 1200 rpm. De esta manera, plantas de 4000 kW en adelante solo se consiguen a medias y bajas velocidades.





En general, para la generacin de determinada potencia, a menor velocidad de rotacin, mayor ser la inversin especfica, sin embargo su vida til ser mas larga. Sin embargo, a mayor velocidad de rotacin, menor ser la inversin especfica, pero el desgaste que va a tener el motor ser mayor.

TABLA 3-1 Relacin entre velocidades de rotacin, pesos y volmenes

MARCA RPM kW Longitud (mm)

Ancho (mm)

Altura (mm)

No. cilind. y dispos.

Volumen (m3)

Peso (Tons.)

MAN 720 900 6360 1600 2815 7L 28.65 14.3 MAN 900 900 6105 1380 2383 6L 20.08 12.9 MAN 1200 900 5380 1000 2110 9L 11.35 9.4 PAXMAN 1200 2100 3798 1450 2178 18V 11.99 10.2 PAXMAN 1800 2100 2971 1660 2175 12V 10.73 7.5 RUSTON 720 2100 4027 1705 2840 16V 19.50 14.6 RUSTON 900 2100 3315 1705 2840 12V 16.05 12.1 YANMAR 720 500 2718 1208 2130 6L 6.99 5.8 YANMAR 900 500 2486 1134 2110 6L 5.95 5 YANMAR 1200 500 2203 1135 1810 6L 4.53 3.5 YANMAR 1800 500 1882 1138 1673 6L 3.58 2.7

Como puede verse en la TABLA 3-1, a menor velocidad, mayor volumen y peso, por lo tanto el costo especfico de la mquina ser mayor y as ser la obra civil debido al mayor peso.

Sin embargo, la cantidad de horas de mantenimiento de las partes en motores de alta velocidad ser mayor debido a los elevados desgastes. En general, los motores de alta velocidad se usan para plantas de emergencia o de pocas horas de servicio al ao, por ejemplo para el manejo de los picos de carga.

Por otro lado, las mquinas de baja velocidad son de respuesta ms lenta y por lo tanto se prefieren para trabajar en la base, donde se requiera de un elevado nmero de horas de operacin al ao. Los elevados costos especficos (U$/kW) de estas mquinas se compensan con una vida til ms prolongada debido a los bajos desgastes. Tambin su costo se compensa al existir la posibilidad de utilizar combustibles pesados de menor costo.

La seleccin de los equipos adecuados ser por lo tanto el resultado de un anlisis econmico en cuanto a horas de servicio al ao y tipo de combustible disponible.

En Colombia se ha notado una alta tendencia a seleccionar la mquina basndose en el menor costo de inversin inicial y sin analizar adecuadamente los costos de operacin y mantenimiento dando como resultado una muy baja disponibilidad de los equipos.





El regulador de velocidad

Estos dispositivos son dispuestos en los motores con el fin de mantener constante la velocidad de rotacin ante cualquier cambio en la magnitud de la carga. Existen dos tipos de reguladores de velocidad:

Reguladores de velocidad electrnicos Los reguladores de velocidad electrnicos permiten controlar la velocidad del motor de manera estable y precisa. Su sistema est compuesto de un actuador elctrico y de un "pick- up" magntico. (FIGURA 3-5).

Bomba decombustible

LevaActuador

Controlador

Mnimo suministrode combustible

Mximo suministrode combustible

FIGURA 3-5 Regulador electrnico de velocidad

La restriccin en la utilizacin de este tipo de reguladores radica en que los mantenimientos son muy costosos y requieren equipos sofisticados y personal calificado. Si se quiere efectuar el mantenimiento de estos equipos, deben ser enviados a la casa matriz para que se realice bajo las condiciones apropiadas; de lo contrario es necesario efectuar el cambio del equipo.

Reguladores de velocidad hidrulicos Este tipo de reguladores es utilizado en grandes motores y est provisto de un motor sincronizador exterior para tener control remoto de la velocidad. Este regulador permite al operador sincronizar las frecuencias de varias unidades o de un sistema para posteriormente distribuir la carga.

En lo que se refiere al mantenimiento que debe ser realizado a este tipo de equipos, la actividad principal y casi nica es el cambio peridico del aceite debido a que este debe permanecer limpio y libre de partculas extraas para garantizar la ptima operacin. Esta operacin se realiza tpicamente cada 6 meses o antes si el regulador presenta problemas prematuros por esta causa.





Regulador

Eje a lasbombas deinyeccin

Tiranteelstico

Servomotorde paro

Palanca

FIGURA 3-6 Regulador de velocidad hidrulico

3.4.4 Sistema de enfriamiento

El circuito de enfriamiento tiene la funcin de mantener la temperatura de los componentes en contacto con los gases de combustin entre los valores correctos para el funcionamiento del motor. Estos componentes son las partes interiores de los cilindros, el pistn, las vlvulas de descarga, las culatas y los inyectores.

Enfriamiento con agua El agua cubre completamente los cilindros y recorre las culatas a travs de conductos extrayendo el calor de las paredes calientes.

El circuito est constituido por los siguientes elementos: una bomba, vlvula de regulacin, radiador en el cual el agua es enfriada con aire atmosfrico, tuberas entre radiador y motor y un tanque de expansin.

Para evitar incrustaciones y corrosin, el agua deber ser tratada en todo tipo de motores preferiblemente, siendo esto ms importante en los de mayor tamao. El agua debe tener dureza nula y adems debe ser acondicionada con anticorrosivos.





FIGURA 3-7 Motor Isotta Fraschini de 120 kW con sistema de enfriamiento con agua con radiador remoto

FIGURA 3-8 Motor Lister Peter de 200 kW con sistema de enfriamiento con agua con radiador en el conjunto

Enfriamiento con aire En los motores enfriados con aire, las culatas y los cilindros son construidos con deflectores, los cuales permiten que el aire enviado a alta velocidad por un ventilador, recorra todas las superficies del motor a ser enfriadas. Este tipo de enfriamiento es muy simple, pero solo es aplicable en motores de potencia baja.





Vista del grupo electrgeno completo

FIGURA 3-9 Serie de motores VM desde 230 kW hasta 550 kW con sistema de enfriamiento con aire

3.4.5 Tipo de alimentacin del aire de combustin

Alimentacin natural La potencia generada en un motor vara de acuerdo al volumen del cilindro, ya que la cantidad de aire y de combustible inyectable por ciclo, se limita al volumen generado por la carrera del pistn. En la alimentacin natural el aire que ingresa a las cmaras es succionado nicamente por el vaco que genera el pistn en su desplazamiento.

Motores sobrealimentados El aire es enviado con presin superior a la atmosfrica al interior del cilindro, la cantidad de aire disponible para la combustin aumenta debido al aumento de la presin. Es as como, con el mismo volumen del cilindro, existe la posibilidad de inyectar, por cada ciclo, una mayor cantidad de combustible debido a que la cantidad de aire disponible para la combustin es mayor. Por lo tanto con la sobrealimentacin se obtienen elevadas potencias especficas (kW/cm3 de cilindrada) y una mejor relacin peso / potencia.

Los dispositivos instalados con el fin de elevar la presin de alimentacin, se denominan turbocargadores. Ellos utilizan los gases de escape para comprimir el aire de alimentacin bajo las condiciones y caractersticas que se enuncian a continuacin.





El turbocargador o sobrealimentador

En estos motores (turbocargados), ingresa al interior de los cilindros un 60% mas de aire con respecto a uno de alimentacin natural de la misma cilindrada. A la vez, existe un incremento en el consumo de combustible (30% aprox.) que es compensado por el aumento en la potencia generada (45% tpica) debido al mejoramiento de la combustin.

Adems de estas ventajas, la mayor cantidad de aire contribuye en la disminucin de la temperatura de los gases de descarga, reduciendo los esfuerzos trmicos del motor en puntos crticos (culatas y vlvulas) y por ende aumentando la vida til del mismo.

Un turbocargador est constituido por una turbina y un compresor montados sobre un eje comn. Ellos tienen por objeto la compresin del aire de alimentacin utilizando la energa contenida en los gases de escape. En la FIGURA 3-10 se puede observar un turbocompresor tpico y la manera en la cual ingresa el aire de alimentacin (flechas verdes) y salen los gases de escape (flechas rojas).

FIGURA 3-10 Seccin de un turbocargador

Los xidos de azufre, el monxido de carbono y los inquemados son los contaminantes presentes en los gases de escape en cualquier motor de combustin interna. En los motores turbocargados la formacin de xidos de azufre se disminuye debido a que la temperatura elevada que se requiere para su formacin no es alcanzada tan frecuentemente. En su funcionamiento, el aire enviado a los cilindros es utilizado para bajar la temperatura mediante un "lavado" que se realiza mediante la apertura simultanea de las vlvulas de aspiracin y de descarga, como





se puede apreciar en la FIGURA 3-11 El exceso de aire que pasa a la descarga sin pasar por la combustin hace que la temperatura de operacin sea mas baja.

FIGURA 3-11 Esquema de funcionamiento del turbocargador

Adicionalmente, el funcionamiento de los motores diesel permite quemar todo sin dejar residuos gracias al exceso de aire que se presenta con relacin al que realmente es requerido. La combustin, desde el punto de vista qumico, se desarrolla en todos los puntos a diferencia de los motores a gasolina, en donde la combustin es puntual en el sitio de accin de la chispa.

En la TABLA 3-2 se muestran los valores de las emisiones en los motores diesel de aspiracin natural y con turbocargador.

TABLA 3-2 Diferencia en presencia de contaminantes con la presencia de turbocargador

CONTAMINANTES ASPIRACIN NATURAL TURBOCARGADO Inquemados 0.40 0.21 Monxido de carbono 1.50 1.20 xidos de Nitrgeno 1.50 1.21

Este sistema tiene mejoras adicionales cuando se adiciona la utilizacin de un intercambiador intermedio para enfriar el aire de alimentacin despus de su paso por el turbocargador, como se puede observar en la FIGURA 3-12

En la TABLA 3-3 se presentan las diferencias en el servicio de un mismo motor cuando este tiene aspiracin natural, turbocargado o con intercambiador (intercooler). Se puede apreciar que el peso del motor se incrementa con los sistemas adicionales, pero a la vez, los beneficios saltan a la vista; con el turbocargador la potencia se aumenta mientras la velocidad de giro se disminuye, lo que redunda en una mayor vida til.





TURBOCARGADOR

GASES DEESCAPE

AIRE DECOMBSUTIN

INTERCAMBIADOR(INTERCOOLER)

MOTOR DIESEL

FIGURA 3-12 Aplicacin del intercambiador (intercooler) en los motores diesel

TABLA 3-3 Ventajas del uso de turbocargadores e intercambiadores

V12.130 V12.130T V12.130I VARIABLE Aspiracin

natural Turbocargado Con

Intercambiador Numero de Cilindros 12 12 12 Dimetro* carrera del cilindro (mm) 130 * 140 130 * 140 130 * 140 Desplazamiento total (cm3) 22.299 22.299 22.299 Vlvulas por cilindro 2 2 2 Velocidad mxima (rpm) 1.800 1.800 1.800 Potencia mxima (HP/kW) 360/265 462/340 503/370 Potencia base (HP/kW) 333/245 422/310 462/340 Consumo especfico (gHP/h) 156 156 156 Capacidad de suministro de lubricante (l)

25.5 25.5 25.5

Inclinacin mxima trans./long. 33 - 50 33 - 50 33 - 50 Consumo de lubricante (gHP/h) 0.5 1 0.5 1 0.5 1 Peso seco (kg) 1.520 1.560 1.620

Cuando adems el motor es mejorado con intercambiador, la potencia se incrementa an ms. A manera de ejemplo, se realiza una comparacin econmica entre los motores que se relacionaron en la TABLA 3-3 acorde con sus curvas de funcionamiento.





Si se trabaja a una velocidad de rotacin de 1800 rpm, la potencia generada y el costo del equipo son diferentes as: aspiracin natural: 245 kW (30.000 US$); turbocargado: 310 kW (33.000US$) y con turbocargador e intercambiador: 340 kW (36.000 US$).

Realizando los clculos para obtener el costo especfico (US$/kW) se puede observar que en el motor de aspiracin natural el costo es de 122.45 US$/kW, en el turbocargado de 106.45 US$/kW y en el turbocargado con intercambiador de 105.88 US$/kW.

Se podra concluir de acuerdo a estas relaciones que es ms econmico producir determinado nmero de kW con un motor turbocargado y con intercambiador, ya que para producir una potencia, por ejemplo de 340 kW, sera necesario comprar un motor de aspiracin natural de un mayor tamao y por ende de mayor costo.

La relacin peso/potencia tambin es muy importante ya que de esto depende el costo del transporte y adicionalmente el costo de la obra civil. Para el ejemplo, el peso de un motor de aspiracin natural es de 1520 kg, uno turbocargado de 1560 kg y uno turbocargado con intercambiador de 1620 kg aproximadamente. Por lo tanto se obtienen unas relaciones peso/potencia de 6.2 kg/kW, de 5.03 kg/kW y de 4.76 kg/kW respectivamente.

Como conclusin se obtiene que una seleccin eficiente de los motores se inclinar por motores sobrecargados. Sin embargo, es importante mencionar que este equipo necesita mantenimiento especial, el cual es muy difcil de obtener en zonas aisladas.

3.4.6 Principales sistemas auxiliares en un motor diesel

Todos los motores diesel cuentan con sistemas auxiliares que permiten su operacin correcta; entre ellos se pueden citar:

Sistema de agua de enfriamiento motor (FIGURA 3-13) Sistema de aceite lubricante (FIGURA 3-14) Sistema de aceite combustible (FIGURA 3-15) Estos sistemas sern mas o menos sofisticados dependiendo del tamao del motor, del tamao de la planta, de la calidad del servicio, etc. Algunos vienen integrados a los equipos y otros son sistemas separados como se ver en los diseos tpicos de centrales que se presentan mas adelante en este documento.

En el caso del sistema de aceite combustible, se deben dimensionar los tanques de almacenamiento de acuerdo a las horas de operacin que se espera tener de cada una de las unidades.





1. Vlvula termosttica 2. Bomba de agua 3. Sistema de refrigeracin del aceite 4. Tubera de agua 5. Calentador de agua 6. Radiador

FIGURA 3-13 Sistema tpico de enfriamiento del agua del motor

1. Filtro de aspiracin 2. Bomba de aceite 4. Refrigeracin de aceite 5. Filtro de aceite 6. Tubera lubricacin cojinetes 7. Tubera de lubricacin balancines 8. Cojinetes turbocargador 9. Calentador de aceite 10. Bomba manual de carga y descarga de aceite

FIGURA 3-14 Sistema tpico de aceite lubricante





1. Bomba de combustible 2. Filtro de combustible 3. Bomba de inyeccin 4. Inyectores 5. Electrovlvula de admisin de combustible

FIGURA 3-15 Sistema tpico de combustible

3.5 EL GENERADOR

Un generador de corriente alterna consiste principalmente en un circuito magntico, un devanado de campo de corriente directa, un devanado de armadura de corriente alterna y una estructura mecnica, e incluye sistemas de enfriamiento y lubricacin.

Los devanados de campo y del circuito magntico estn dispuestos de manera tal que, al girar el eje de la mquina, el flujo magntico que eslabona el devanado de armadura cambia de modo cclico y, por lo tanto induce voltaje alterno en el devanado de armadura.

Existen dos tipos de generadores de corriente alterna: sincrnicos y asincrnicos.

En un generador sincrnico existe una relacin constante entre la velocidad n y la frecuencia de lnea o red de suministro de energa elctrica, es decir:

= pn Siendo p el nmero de pares de polos de la mquina. Este tipo de generadores se excitan por corriente continua alimentada al arrollamiento de excitacin de una fuente externa de energa de c. c.





A la fuentede CC

Devanado de armadurade corriente alterna

Devanado de campode corriente directa

Estructuramecnica

FIGURA 3-16 Construccin general del generador

En un generador asincrnico, con una frecuencia dada , la velocidad n depende de la carga, y por tanto:

pn En estos generadores, el campo magntico es creado por una corriente alterna suministrada a la mquina por una fuente externa de c.a.

Para la generacin de energa elctrica se utilizan los sincrnicos debido a que su velocidad de operacin es constante ante los diversos cambios en la carga. Los asincrnicos se utilizan principalmente como motores.

3.5.1 Diseo

Los generadores pueden ser de eje vertical u horizontal. La disposicin con eje horizontal es utilizada en las plantas hidroelctricas y la de eje vertical en los motores de combustin interna y turbinas a gas o a vapor.

Para garantizar la calidad de la energa generada, es importante tener en cuenta algunos aspectos del diseo fundamental del equipo generador: la seleccin de la velocidad de rotacin, nmero de cilindros y cual debe ser conectado al motor de manera rgida y cual de manera flexible.





3.5.2 Sistemas de excitacin

Como fuentes de alimentacin de la corriente de excitacin DC, necesaria para los devanados de campo en el rotor del generador, comnmente se han empleado generadores DC como elemento excitador, en las formas de acople directo al generador, con acople con reductor o un motor generador separado. Los sistemas rectificadores en estado slido asociados a generadores AC, presentan mejores caractersticas de operacin y mantenimiento razn por la cual es ms usual encontrarlos en las mquinas actuales.

Hay dos lneas de fabricacin principales: sistemas rotatorios sin escobillas y sistemas estticos, los cuales proporcionan una alta confiabilidad y facilidad en el mantenimiento de acuerdo con las experiencias acumuladas. Con estos sistemas se obtienen respuestas muy rpidas que favorecen la estabilidad transitoria del generador permitiendo adems disminuir las relaciones de cortocircuito del generador.

3.5.3 Funciones bsicas asociadas con la excitacin

El sistema de excitacin responde por las siguientes funciones principales:

Regulacin automtica del voltaje en bornes del generador (AVR). Regulacin del voltaje de campo. Limitacin de la corriente de campo. Limitacin voltios/hertz. Compensacin de corriente reactiva. Limitacin de la corriente de sub-excitacin. Estabilizacin de potencia. Al sistema de excitacin tambin se le asignan otras funciones de control complementarias, tales como:

Manejo del sistema de desexcitacin. Control manual de voltaje de bornes de generador. Control de voltaje de excitacin, transferencia automtica a control manual

resultante de la actuacin de algunas funciones de proteccin. Transferencia manual indicada por el operador.

Control automtico: Cambio especificado en el voltaje en terminales o en la potencia reactiva generada como respuesta a un cambio especificado en el punto de ajuste del sistema de excitacin. Supervisin y control remoto de excitacin desde la sala de control de la central.





Medios de verificacin de la integridad de los enlaces de comunicacin y de prueba o diagnstico en lnea del sistema de excitacin localmente o desde la sala de control.

Puesta en servicio o sacada de servicio automtica: Medios adecuados para poner en servicio la excitacin o sacarla con un solo comando.

Provisin de seleccin operacin automtica remota/operacin automtica local/operacin manual local.

Igualacin automtica de voltajes: Capacidad de ajuste automtico para lograr la condicin de voltajes iguales requerida por el sistema de sincronizacin.

Variacin del punto de ajuste mediante dispositivos accionados por motor. El rango de variacin se determinar en trminos de voltaje en terminales. Incluir facilidades de variacin local y remota del punto de ajuste y la posibilidad de operacin manual o automtica.

Seguimiento del punto de ajuste: El sistema de variacin manual del punto de ajuste efecta el seguimiento de los requerimientos de excitacin para el punto de operacin de la unidad, de modo que al producirse una falla del control automtico de excitacin este pasar al control manual con el punto de ajuste adecuado.

3.5.4 Protecciones

El sistema de excitacin debe contar por lo menos con las siguientes protecciones bsicas:

Proteccin de relacin voltios/velocidad. Proteccin de sub-excitacin. Proteccin de sobreexcitacin del generador y transformador de voltaje de la

unidad. Proteccin de sobreexcitacin del generador fuera de lnea. Proteccin de excitatriz contra desbalance de fase. Proteccin del generador contra sobrevoltaje. Proteccin por falla a tierra del campo de excitacin. Adicionalmente a los requerimientos bsicos relacionados con la operacin y proteccin de la unidad se deben considerar el control, manejo y despeje de las siguientes condiciones anormales entre otras:

Falla del enfriamiento del sistema de excitacin. Prdida de voltajes de control. Prdida de seales al regulador de voltaje.





Falla de elementos bsicos del sistema de excitacin (tiristores, diodos, fusibles, etc.)

3.5.5 Regulador automtico de voltaje

El sistema de control deber usar un dispositivo de respuesta rpida que constantemente regule los parmetros elctricos, con una alta sensibilidad al valor promedio del voltaje de las tres fases y de cualquier otra seal, necesaria para mantener la estabilidad bajo condiciones de operacin normal o eventos transitorios.

Frente a la presencia de disturbios en el sistema o variaciones de carga, el rpido ajuste de la corriente de campo del generador a las nuevas condiciones de operacin, exige de la regulacin de voltaje tiempos de respuesta lo ms breves posibles. Cuando el generador est operando a mxima capacidad y factor de potencia nominal, ante una prdida sbita de carga el equipo de regulacin de voltaje debe ser capaz de limitar los transientes de sobrevoltaje del generador a un valor que no exceda el 110% de voltaje nominal y dentro de los siguientes 3 segundos, deber restablecer el voltaje con una desviacin mxima del 2% del voltaje de operacin a esas condiciones.

3.5.6 Sistemas de enfriamiento en generadores

Existen dos sistemas bsicos de enfriamiento: directo e indirecto.

3.5.6.1 Enfriamiento directo

El enfriamiento directo es el proceso que se utiliza para disipar las prdidas de armadura y de bobina de campo a un medio enfriador dentro de la pared de aislamiento del conductor principal. El medio enfriador est ya sea en contacto directo con el cobre conductor o est separado slo por materiales delgados que tienen poca resistencia trmica. El enfriamiento directo elimina el diferencial de temperatura que resulta del flujo de calor en el aislamiento de la bobina, lo que proporciona mayor capacidad de conduccin de corriente para una misma elevacin de temperatura de punto caliente. Los enfriadores que normalmente se utilizan son hidrgeno, aceite y agua.

3.5.6.2 Enfriamiento indirecto

Las mquinas que se enfran en forma indirecta disipan sus prdidas a un medio enfriador que se encuentran totalmente fuera del aislamiento de la bobina. Todas las mquinas enfriadas por aire, con raras excepciones, se enfran de este modo al igual que la mayor parte de las mquinas enfriadas con hidrgeno y con capacidad menor de 200 MVA.





3.6 SISTEMAS DE CONTROL

La siguiente figura muestra el esquema bsico de un sistema de generacin:

GeneradorElemento

Motriz

Excitatriz

Regulaciny control

Proteccin

Cargaelctrica

FIGURA 3-17 Sistema tpico de generacin

Existen varios tipos de sistemas de control, a saber:

3.6.1 Controles primarios

Los controles primarios tienen un gran impacto en la estabilidad de la electricidad generada. Es as como es importante reconocer el parmetro correcto para controlar. En el caso de operacin aislada, la frecuencia (f) y el voltaje (v), son los parmetros primarios, el reparto de la carga equitativamente (activa y reactiva) son parmetros secundarios y los controles deben apuntar a una rpida respuesta a los cambios en los parmetros primarios.

Ya que la operacin a carga base apunta a una salida estable cuando se est funcionando en paralelo con la red, los parmetros primarios son la potencia activa (kW) y el factor de potencia (FP, en otras palabras la salida reactiva). Estos dos principios de control se han basado en el control de velocidad y carga del motor y en el regulador automtico de voltaje (RAV) y ellos son capaces de operar independientemente sin interaccin externa, desde el momento en que se han ajustado los set points y el modo de operacin ha sido seleccionado. Ellos adicionalmente deben asegurar que la planta estar reaccionando acertadamente ante las variaciones del sistema. Por ejemplo, cuando se opera en el modo kW, un cambio transitorio repentino en la frecuencia del sistema no causa cambio en la seal de salida. Por otro lado, en el modo de operacin aislado, un cambio en la frecuencia o en el voltaje har cambiar rpidamente la salida debido a que los controles mantienen la frecuencia y el voltaje.





Controlando el parmetro apropiado, el sistema de control puede responder a cambios dinmicos del modo correcto y dar una estabilidad transitoria satisfactoria.

3.6.2 Controles de alto nivel/ sistemas automticos

Las plantas de generacin raramente operan aislada o con carga base nicamente; adems requieren cambiar su modo de operacin dependiendo de los cambios en la operacin de la planta. Un ejemplo tpico es una planta de generacin que est construida para suministrar energa a una industria. Bajo condiciones normales de operacin operar en paralelo con la red, pero en caso de falla de la red continuar en operacin aislada para mantener a la fbrica.

Una vez el fundamento de los controles primarios est inactivo, es posible construir controles de mas alto nivel para responder a estos cambios en los modos de operacin. Estos sistemas adems prevern las fallas de la planta cuando se encuentra operando lo que har que la capacidad de la planta sea excedida. Los controles de alto nivel son ejecutados en el sistema automtico de la planta de generacin.

Los sistemas automticos contienen algoritmos especiales para controles de alto nivel, los cuales son diseados para soportar una gran variedad de aplicaciones. Estos algoritmos estndar se encuentran disponibles en el mercado en niveles extendidos y avanzados debido a que ellos requieren el uso de programacin lgica. Los sistemas automticos incluyen, adems de otras cosas, manejo de carga y control de kW, liberacin de carga, e importa y exporta algoritmos dependiendo de la aplicacin.

Control de generacin Los controles de kW de la planta de generacin ofrecen facilidades para los operadores en estaciones de carga base que tienen mltiples grupos generadores. El operador puede controlar la potencia de la planta de generacin completa con un punto de ajuste nico, no tiene la necesidad de ajustar setpoints para cada uno de los grupos electrgenos. Esto es ejemplo de un algoritmo que comnmente es utilizado en la bsqueda de la comodidad del operador.

Liberacin de carga Los algoritmos de liberacin de carga son diseados para proteger a la planta de la sobrecarga causada por una anomala repentina en el sistema. Un ejemplo tpico, es una industria que usa una planta de generacin como respaldo en caso de prdida de potencia de la red. Frecuentemente, la planta es medida para que no est en capacidad de soportar la carga total de la industria, solamente la cargas crticas. Es as como algunas cargas deben ser liberadas al mismo tiempo que el suministro de potencia de la red se ha perdido. Diversos principios se pueden aplicar para la liberacin de carga, algunos de los algoritmos estndar se basan en





el anlisis predictivo en lugar de esperar que la frecuencia falle en el sistema. Este es un ejemplo de un algoritmo que protege la planta de generacin y a los consumidores.

Controles de importar/exportar Los controles de importar/exportar es un algoritmo especial que es necesitado para aplicaciones donde el flujo de potencia requiere ser controlado en determinado punto. Una aplicacin tpica es una planta de generacin de respaldo a una industria, pero que adems, puede vender cierta cantidad de energa en un momento determinado. Con el control de importar/exportar la salida de la planta de generacin es controlada para mantener un flujo constante de potencia en ese punto determinado. El punto de ajuste es fcilmente ingresado a la estacin del operador en cualquier momento, as la planta puede ser utilizada de la manera ms econmica. Esto es ejemplo de un algoritmo que busca la operacin ptima de la forma ms econmica de una planta de generacin.

Estos algoritmos son lo mas alto en la librera de los controles de alto nivel pero ellos mostraran como el sistema de automatizacin puede extender su rea de aplicacin para las plantas de generacin. Con el uso de algoritmos especiales, el sistema de automatizacin de la planta de generacin puede adems soportar al sistema de controles primarios de forma ptima, dando estabilidad al sistema.

La estabilidad es la sumatoria de una serie de factores y alcanzar los mejores resultados requiere de experiencia en muchas reas. Es importante reconocer que un buen diseo de la planta muestra qu tan completo es el equipo antes que algunos puntos individuales.

3.7 SISTEMAS DE REGULACIN DE VOLTAJE

El regulador de voltaje suministra corriente de excitacin DC a las lneas de campo de los polos de las escobillas. Este normalmente toma su potencia de operacin de la salida de voltaje del generador y convierte esta potencia AC a corriente de excitacin DC.

Un regulador de voltaje entonces regula o controla la salida de voltaje AC del generador para sensar este voltaje, compartiendo esta seal con un diodo zener interno, permitiendo as ajustar la salida de corriente DC para el campo de excitacin, de esta manera se mantiene un voltaje constante en el generador.

El regulador de voltaje mantiene la salida de voltaje del generador casi constante (excepto durante las condiciones de transferencia de carga) durante condiciones de operacin, incluido cambios en la carga, cambios en la temperatura ambiente y cambios en el campo de la resistencia de calefaccin.





Los reguladores de voltaje proveen tpicamente 0.5% o 1% de la regulacin de voltaje. Esta banda de regulacin de voltaje es tanto en condiciones de carga como sin carga.

3.8 CONTROL DE FRECUENCIA

El control de frecuencia es un instrumento necesario cuando la operacin de la planta se realiza con la disposicin de 2 o ms motores en paralelo. Este tipo de funcionamiento ser descrito mas adelante, pero bsicamente este control es necesario para poder efectuar la conexin de los grupos electrgenos en el momento preciso en el cual ellos se encuentran generando simultneamente a la misma frecuencia.

En la situacin en donde se dispone un solo motogenerador, no es requerido un control de frecuencia pero si es importante utilizar medidores (frecuencmetros) para conocer las caractersticas de la generacin que se est suministrando.

3.9 SISTEMAS DE ARRANQUE DE PLANTAS GENERADORAS

Existen dos tipos bsicos de arranque: neumtico y elctrico. La opcin del sistema depende de la disponibilidad de la energa, el espacio para el almacenamiento de energa y la facilidad de recarga de los bancos de energa.

La capacidad de arranque se ve afectada principalmente por la temperatura ambiental y la viscosidad del aceite lubricante. A temperaturas fras requiere periodos de arranque ms largos para producir temperaturas de encendido.

3.9.1 Arranque elctrico.

El arranque elctrico es el ms cmodo de usar, es el ms econmico y el ms adaptable para control remoto y automatizacin. Este se lleva a cabo a partir de un banco de bateras que proporciona la energa suficiente con la rapidez necesaria para arrancar.





FIGURA 3-18 Sistema de arranque elctrico

3.9.2 Arranque neumtico.

El arranque neumtico, ya sea manual o automtico, es muy fiable. El par motor disponible de los motores neumticos acelera el motor al doble de la velocidad de arranque en aproximadamente la mitad de tiempo requerido por los motores de arranque elctrico.

Motor

Motor dearranque

Suministro deaire de planta

Generador

Aire dearranque

Engrasador

Vlvula desolenoide

Regulador

Vlvula deretencin

MotorMotorCompresor

FIGURA 3-19 Esquema de arranque neumtico





3.10 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS PLANTAS DE GENERACIN

En ciertas situaciones, es obligatorio el uso de ms de un grupo electrgeno. En instalaciones crticas en las que la fuente de alimentacin principal es un grupo electrgeno, se requiere energa de reserva. Se debe disponer de un segundo grupo capaz de asumir cargas crticas en caso de que falle el grupo principal y para usar durante los perodos de mantenimiento fijados por el grupo principal.

Los casos en que la instalacin de mltiples grupos demuestran ser ms econmicas son aqullos en que se produce una gran variacin de la carga durante el curso del da, de la semana, del mes o del ao. Dicha variacin es tpica en plantas en las que la operacin se lleva a cabo durante el da, ya que en las noches slo hay cargas pequeas. Cuanto ms se aproxime un grupo a la carga plena, menor ser el costo del kW.

Normalmente los grupos electrgenos se conectan en paralelo para lograr su funcionamiento en conjunto.

3.11 LAS CENTRALES DE GENERACIN ELCTRICA CON MOTORES DIESEL

Se llama central diesel al conjunto de mquinas en el cual se realiza el proceso completo de transformacin de la energa qumica del combustible en energa elctrica. Est compuesta por uno o ms grupos electrgenos y tpicamente por los siguientes equipos auxiliares:

Sistemas de arranque Planta de lubricacin y combustible Planta de enfriamiento y ventilacin Circuito de descarga de gas Sistemas de control y proteccin Cuando la central funciona con combustible liviano, el sistema es ms sencillo por lo que no requiere los equipos que tienen relacin con el manejo del combustible.

Segn el tipo de funcionamiento la central puede ser sencilla, es decir que un solo grupo alimenta la red de distribucin o en paralelo, en donde ms grupos alimentan conjuntamente la red. As mismo, segn el tipo de control, la central puede ser:

Manual: los grupos operan totalmente con mando manual, incluidos los sistemas de control

Semiautomtica: los controles son insertados automticamente y las dems operaciones se realizan con mando manual





Automtica: los grupos operan con mando totalmente automtico Para la conformacin de una central diesel, se deben tener en cuenta ciertos criterios que influyen en la seleccin de los grupos electrgenos, entre otros, son:

Tipo de servicio: el servicio a suministrar puede ser continuo para generacin sin limitacin de tiempo, intermitente para generar determinadas horas del da o de emergencia, para operar hasta 300 horas por ao.

Velocidad de rotacin Tipo de enfriamiento Tipo de combustible: esta decisin es crtica debido a que el costo del

combustible consumido es muy elevado y adicionalmente es necesario verificar la disponibilidad, caractersticas fsico- qumicas y la confiabilidad del suministro del mismo al lugar en donde se localizar la planta

Facilidad de mantenimiento Tipo de arranque Tipo de instalacin: fija o mvil Caractersticas ambientales del sitio de instalacin: humedad relativa,

temperatura ambiente, altura sobre el nivel del mar, etc.

La disposicin de las plantas diesel vara de acuerdo con la potencia que se tenga instalada generando diversas variables que deben ser tenidas en cuenta, tales como: tipo de funcionamiento, tipo de combustible utilizado, la magnitud de los motores y tipo de control y regulacin.

Cuando se ha de instalar una planta diesel hasta de 2000 kW con un solo motor que utilice como combustible diesel, con radiador acoplado al motor como sistema de enfriamiento y arranque con batera, se puede encontrar una distribucin de planta como la que se observa en la FIGURA 3-20.

Cuando se presenta una planta de generacin con dos o ms grupos hasta de 2000 kW utilizando como combustible diesel, funcionando en paralelo, radiador acoplado al motor y sistema de arranque de bateras, su disposicin tpica es la que se puede observar en la FIGURA 3-21.





1. Generador 2. Motor 3. Radiador 4. Silenciador de gases de escape 5. Fundacin en concreto 6. Tanque de combustible diario 7. Bateras de arranque 8. Tablero de mando y control

FIGURA 3-20 Instalacin tpica de un grupo electrgeno con sus accesorios

Subestacin

TK

Caseta de bombas

Chimeneas

Motores

Zona

s de

Man

teni

mie

nto

Taller

Bodega

Cuarto deControl Cuarto Elctrico

Transformadores

FIGURA 3-21 Disposicin tpica de una planta con dos o ms motores de hasta 2000 kW.





Existen algunas poblaciones de mayor tamao que requieren de una generacin de mas de 2000 kW, all se recomienda la utilizacin de un combustible ms pesado que el diesel (por ejemplo Fuel Oil No 6), en este caso, la disposicin tpica de la planta se puede observar en la FIGURA 3-22.

Estas plantas son ms complejas debido a la necesidad del tratamiento del combustible con centrifugadoras y sistemas de calentamiento antes de la inyeccin al motor. Adems requieren, en general, calderas de recuperacin y centrifugadoras para el aceite lubricante.

Aceite

Motor

Generador

Cuarto elctrico

Aceite

Motor

Generador

Diesel dearranque

Laboratorioqumico

Planta contraincendio

TFFuel Oil

TKDiesel

Caseta de Bombas

Torre deenfriamiento

Planta detratamiento de agua

Filtrode aire Caldera

Filtrode aire Caldera

Airecomprimido

Conjunto deagua de motor

Conjunto deaceite

Conjunto deagua de motor

Conjunto deaceite

Centrifugaaceite Centrifugaaceite

Con

junt

o de

agu

a de

inye

ctor

es

Cal

enta

mie

nto

Fuel

Oil

Cal

enta

mie

nto

Fuel

Oil

Con

junt

o de

agu

a de

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es

Tabl

ero

de c

ontro

l

Tabl

ero

de c

ontro

l

Exitatriz Exitatriz

Talle

rB

odeg

a

Transform.elevador

Transform.de servic.

Transform.elevador

Subestacin

FIGURA 3-22 Disposicin tpica de una planta de ms de 2000 kW a Fuel Oil No. 6

3.12 SISTEMAS QUE CONFORMAN UNA CENTRAL DE GENERACIN CON MOTORES DIESEL

Debido a la mayor complejidad que presenta una planta con manejo de Fuel Oil No. 6 como combustible, se han tomado los sistemas y circuitos que tpicamente la conforman para realizar su descripcin.





Los sistemas que caracterizan este tipo de planta son:

3.12.1 Grupos electrgenos

Los grupos electrgenos pueden estar conformados por dos o ms motores diesel, ellos van acoplados a dos o ms generadores por medio de junta elstica.

Los motores estn complementados con la utilizacin de turbocargador, regulador de velocidad y tablero de control local; los generadores tienen como sistemas adicionales la excitatrz y el tablero de proteccin y medidas.

3.12.2 Sistema de admisin aire de combustin.

Este sistema es el encargado de manejar el aire que debe ser alimentado a los cilindros para la combustin. Este sistema est compuesto, como se observa en la FIGURA 3-23, por: filtro de aspiracin de aire y tubera de conexin filtro / turbocargador.

Filtro de aire

Turbocargadores

M OTOR

FIGURA 3-23 Sistema de admisin de aire de combustin

3.12.3 Sistema de aceite lubricante

El manejo del lubricante que debe ser llevado hasta el exterior de los pistones para evitar su desgaste es realizado por este sistema, el cual est compuesto por: tanque de almacenamiento y bomba de transferencia (comn a los grupos), bomba aceite, filtro automtico, intercambiador, filtros de cartucho y depuradora centrfuga, tal como se observa en la FIGURA 3-24.





MOTOR

M

M

Filtro decartucho

Refrigeracinde aceite

Centrifugadorade aceite

Filtroautomtico

Bomba decarga

FIGURA 3-24 Sistema de aceite lubricante

3.12.4 Sistema de agua de enfriamiento del motor e inyectores

Para el motor es de vital importancia mantener la temperatura adecuada de operacin en sus diferentes componentes, y es crtico el manejo adecuado de la temperatura en las partes interiores del motor y en los inyectores, elementos sometidos a elevados esfuerzos trmicos. Este sistema es el encargado de mantener el suministro de agua a estos componentes de manera continua y adecuada. Est compuesto por: bomba de agua para el motor, intercambiadores, tanques de expansin y bomba de agua para inyectores (ver FIGURA 3-25).

MOTOR

Aguatratada

Tanqueexpansin

Tanqueexpansin

EnfriadorAgua del motor

EnfriadorAgua de inyectores

Bomba aguade inyectores

Bombaagua demotor

FIGURA 3-25 Sistema de agua de enfriamiento de motor e inyectores





3.12.5 Sistema de combustible

Es el conjunto de todos los elementos que permiten el suministro del combustible hasta los inyectores para que constantemente se presente la combustin. Est compuesto por: tanque almacenamiento de fuel-oil, tanque almacenamiento diesel, bombas de carga y transferencia de combustible, centrifugadora para el tratamiento del fuel-oil, tanque de transferencia de combustible centrifugado para cada motor, tanque diario, tanque de mezcla, bombas de combustible, filtro final de cartucho y calentador a vapor (ver FIGURA 3-26).

MOTOR

M

Tanque deTransferencia

Tanquediario

M

Tanque deFuel Oil

MTanque de

Diesel

Tanquediario

Bombade carga

Bombade carga Bomba de

transferencia

Tanquede mezcla

Planta detratamiento

de combustible

Bomba deinyeccin

Calentador

Filtro

FIGURA 3-26 Sistema de combustible

3.12.6 Sistema de gases de escape

Este sistema lleva los gases de escape hasta una caldera de recuperacin de calor en donde se permite, como su nombre lo indica, la recuperacin de la energa remanente en los gases de escape para que sea aprovechada en la generacin del vapor que puede ser requerido en otros sistemas para calentamiento, por ejemplo del combustible. En la FIGURA 3-27 se puede ver que est compuesto por: caldera de recuperacin, silenciador, ductos y chimeneas.





MOTOR

Caldera

C

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