Octubre de 2014

“SISTEMAS DE SINCRONISMO PARA EL RESPALDO EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA“

Federico Castro Z. (Equitel - Cummins de los Andes) Diana Mendoza (Universidad del Norte)Jose Daniel Soto (Universidad del Norte)

RESUMEN

1. INTRODUCCIÓN

En el presente artículo se describe el proceso de montaje y operación del sistema de sincronismo para el respaldo de la generación eléctrica del Edificio de Ingenierías de la Universidad del Norte. Se presenta información técnica y las experiencias adquiridas, sobre todo los beneficios de implementación de una solución poco común para garantizar la confiabilidad del sistema eléctrico de un edificio.

Se diseñó el sistema de respaldo de generación de energía eléctrica para el edificio de ingenierías de la Universidad del Norte, para garantizar el trabajo continuo y adecuado de todos los sistemas que requieren de la alimentación de la energía eléctrica, debido a las frecuentes interrupciones del servicio de energía eléctrica en el circuito por parte del operador de red. La instalación de generadores eléctricos de emergencia son una solución a los inconvenientes de los cortes de suministro y su costo no es significativo ante las pérdidas económicas producidas por una parada no programada.

Durante la etapa de diseño, el equipo de ingeniería de Cummins de los Andes y la Interventoría eléctrica del edificio, analizó las características de las cargas, las necesidades y requerimientos para la operación normal de

todos los sistemas de edificio. El acompañamiento de Cummins de los Andes, permitió desarrollar un sistema confiable, flexible y de última tecnología que le administrara energía eléctrica de respaldo.

Las propuestas del sistema de respaldo fueron: una planta generadora y un sistema de tres generadores con sistema de sincronismo.

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Planta generadoraTres plantas

generadoras más sistema de sincronismos

BeneficiosMontaje sencilloUn tablero de control y protecciones Tiempo de instalación corto.

BeneficiosOperación acorde a la demandaAlta confiabilidadAlto factor de cargaFlexibilidad y crecimiento de acuerdo a la demanda de carga del edificio.

DesventajaBaja confiabilidad Consumo de combustibleBajo factor de carga

DesventajaMontaje complejoTiempo de instalación prolongado Tres tableros de control

Tabla No 1. Comparación de opciones de sistemas de respaldo

2. DISEÑO

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Por esta razón se pensó en un diseño que permitiera la operación sin perturbar la normal operación de oficinas, laboratorios y salones de clases del edificio. Un restricción que significó la instalación de un cuarto técnico con un sistema de insonorización para los equipos, que debía cumplir con las exigencias de emisión de ruido de la Resolución 627. Adicionalmente, con el objetivo de mantener la temperatura adecuada según norma ASTM C592 en régimen continuo, disminuir el calor irradiado al interior del cuarto y evitar quemaduras de algún operario, se insataló aislamiento térmico sobre la tubería de escape y los silenciadores con mallas flexibles y cubierta en chaqueta de aluminio.

Este proyecto requirió de trabajos de instalación de acometidas, montaje de instalación de celdas, y el tablero de sincronismo con sus protecciones, canalizaciones, instalaciones eléctricas internas y accesorios cumpliendo las normas NTC 2050, RETIE y las exigencias de la oficina de planeación de la Institución.

Se determinó que las tres plantas de emergencia que se instalarían tendrían la disposición para que 2 alimentaran el sistema eléctrico del Edificio Multipropósito y la otra faltante se destinaría para el arranque en sincronismo del sistema de Chiller ubicado en la Central de frío.

El diseño del sistema eléctrico de emergencia se conformó por las 3 plantas de 350kW para alimentar el Edificio de Ingeniería, el Chiller y equipos de la Central de frío. La selección de los generadores contempló los siguientes requerimientos:

Vida útil de los generadores

Capacidad de expansión

Regulación de la frecuencia

Regulación de tensión

Respuesta rápida frente a variaciones de tensión o frecuencia

Operación continua

Tolerancia a las sobrecargas momentáneas

Emisiones de gases contaminantes

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Después de realizar el dimensionamiento de los equipos, en el Gen Size de CPG, con base en las cargas a respaldar en el edificio Multipropósito, la opción seleccionada fue la de tres plantas generadoras, resultado de la evaluación comparativa y debido a las siguientes consideraciones:

También se trabajó en las adecuaciones arquitectónicas del cuarto técnico (144 m2, es decir, (16 x 9) mts, (medidas en largo por ancho) en donde se ubicarían las plantas de emergencia.

En el cuarto técnico se instaló según diseño, un sistema de ventilación para los tres generadores y sistema de gases de escape y se incluyó tanques de combustible, que en la fase inicial fue descartada, teniendo en cuenta que la capacidad de los tanques de combustibles de las plantas y la cantidad de horas de servicio, garantizarían una adecuada operación.

Se determinó que para la operación que tiene el edificio; la mejor configuración era instalar tres plantas eléctricas de 350kW, modelo C350D6, trabajando en paralelo, conectadas de forma sincrónica en una barra común para suministrar energía a las cargas comunes del sistema.

La carga instalada del edificio corresponde a 1,2 MVA.

La demanda máxima en los primeros años de operación, sería equivalente al 30%.

Los sistemas que deberían permanecer funcionando.

3. TABLEROS

4. SISTEMA DE SINCRONISMO

5. PRUEBAS Y PUESTA EN MARCHA

6. EN CONCLUSIÓN

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Los tres tableros parciales y gabinetes que contienen las protecciones eléctricas, los elementos de control, elementos de potencia para el sistema eléctrico de emergencia en sincronismo tienen las siguientes características de construcción: pintura electrostática, con un cerramiento tipo Nema1.

Esos tableros tiene un barraje de cobre electrolítico según dimensiones y cálculos propuestos en diseño, con sus aisladores certificados y distancias mínimas de seguridad para la distribución de corriente entre sus elementos internos. Los barrajes son de cobre electrolítico de alta conductividad y cumplen con un flujo de corriente mínimo de 1000 A/pulg2.

El sistema de medición instalado en los tableros, correspondió a un analizador de redes con puerto de comunicaciones para lenguaje tipo Bacnet TCP/IP, conectado semi indirectamente por medio de tres transformadores de corriente TC 400/5A.

El sistema de respaldo se acopla al sistema eléctrico del Edificio a través de un tablero de sincronismo el cual alimenta a una transferencia automática Red – Planta, a 480Vac en la Subestación Eléctrica Principal. Esta transferencia cuenta con un controlador COMAP, el cual entrega una señal de arranque al PM para encender los generadores.

Aumento en la confiabilidad: El sistema está diseñado para que la planta más pequeña pueda alimentar las cargas CRÍTICAS, aumentando la disponibilidad del sistema de respaldo por fallas de alguno de los equipos o por paradas de mantenimiento.

Desempeño: Al tener una mayor capacidad del bus, se minimiza el efecto que tienen las cargas transitorias sobre los generadores, disminuyendo la variación de voltaje y de frecuencia del sistema, sin necesidad de sobre dimensionar los equipos.

Flexibilidad: Para la Universidad era indispensable poder ejecutar la obra por fases que se acomodaran a los presupuestos y al flujo de caja del proyecto, por lo que se dividió el suministro e instalación de acuerdo al ingreso de carga del edificio. Para esto se dejaron todas las previsiones en el sistema eléctrico, control mecánico y civil para la adición de nuevos generadores en cada Fase. Disminuyendo la inversión inicial en un equipo de mayor potencia que va a ser sub utilizado por un periodo de tiempo, liberando presupuestos y aliviando el flujo de caja del proyecto.

En la primera fase se instaló uno de los equipos, el sistema de fuerza y control de sincronismo para tres generadores y montaje mecánico de tuberías.

Todo el sistema de las tres plantas de emergencia se contempló con una tarjeta para operar en sincronismo. La tarjeta esta en capacidad de manejar las 3 plantas en paralelo de distintas capacidades en potencia. El sistema se puede gestionar remotamente y permite realizar deslastre de potencia de las máquinas, y el traslado de potencia de una máquina a otra. Este sistema permite la grabación periódica de por lo menos un mes de actividades, eventos y fallas. Adicionalmente logra la medición de parámetros en corriente, voltajes, potencia, frecuencia, factor de potencia y energía de cada máquina en forma independiente y general del sistema.

Una de los posibles complicaciones correspondía a que el sistema de sincronismo tenía que arrancar el sistema de Chiller, el cual se realiza con tres generadores.

En el sistema eléctrico de emergencia se realizaron las pruebas con la puesta en marcha del sistema con la carga disponible dentro del Edificio Multipropósito garantizando el cumplimiento. Se debe tener en cuenta que para las pruebas de arranque del sistema de Chiller solo se dispondrá una vez este instaladas las 3 máquinas en su totalidad.

[1] AENOR. Gestión de la I+D+i: Sistema de vigilancia tecnológica e inteligencia competitiva. UNE 166006. Madrid: AENOR, 2011.[2] VECCHIATO, R. Environmental uncertainty, foresight and strategic decision making: An integrated study. Technological Forecasting and Social Change, 79(3), 436–447. doi: 10.1016/j.techfore.2011.07.010, 2012.[3] AGUIRRE, J y AGUILERA, A. Unidad de inteligencia estratégica tecnológica. Vigilancia Tecnológica e Inteligencia Competitiva para el Sector Eléctrico Colombiano, p.42, Medellín, 2011.[4] HARPER, J. Impact of Technology Foresight. Manchester Institute of Innovation Research, 2013.

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En la segunda fase, se suministró un segundo grupo electrógeno, con todo el sistema de atenuación de ruido (65db@5m) y montaje mecánico, con el que se completó la potencia para respaldar la totalidad del edificio. Para concluir el proyecto, se instalará una tercera máquina que respaldará la central de frío en un futuro.

Costos de operación: El cerebro del sistema es un Power Manager, quien es el encargado de hacer la gerencia de la central de generación, según la demanda de carga y disponibilidad de equipos. Tiene la función de demanda de carga; la cual le permite utilizar las plantas que se requieran de acuerdo a la potencia demandada con el fin de disminuir el consumo de combustible y las horas de operación de los equipos. Otra función es la de deslastre de cargas, que le permite al usuario en caso de alcanzar condiciones críticas, por no tener disponible uno de los generadores, sacar las cargas menos importantes en caso que se requiera y mantener las cargas críticas.

Es de aclarar que la lógica para realizar el sincronismo de las plantas como tal, está desarrollado y viene incorporado dentro de los tableros de control de la planta Cummins Power Generation, PCC 3.3, pudiendo entre ellos lograr el paralelo entre los grupos con una repartición de carga en iguales proporciones, lo cual aumenta la confiabilidad del sistema en caso de que el Power Manager presente una falla.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

RESEÑA DE LOS AUTORES

Ingeniero comercial de Cummins de los Andes. Ingeniero de diseño de producto de la Universidad EAFIT, con experiencia en la estructuración, venta y desarrollo de proyectos de generación de energía eléctrica con grupos electrógenos, de emergencia, operación prime, auto y cogeneración.

Ingeniera electrónica de la Universidad del Norte, con experiencia en investigación grupo GISEL, desarrollo aplicado a interventoría y gestión de proyectos. Interventora de seguridad electrónica y multimedia del Edificio de Ingenierías de Universidad del Norte. Ingeniera de la Oficina de Planeación de Universidad del Norte.

Ingeniero electricista y magister en sistemas eléctricos de potencia de Georgian Technical University - Ex URSS. investigador del grupo GISEL. Investigador principal del Proyecto de uso eficiente y consumo eficiente de la energía, energética GiraVerde de Colciencias - Uninorte. Docente del Departamento de Ingenieria eléctrica y electrónica de la Universidad del Norte.

Federico Castro Zuluaga

Diana Mendoza Miranda

Jose Daniel Soto Ortiz