El impacto de la subcarga del grupo electrógeno

Brian Jabeck
Consultor ingeniero de diseño y desarrollo de mercado
División de Energía Eléctrica

Octubre de 2013

INTRODUCCIÓN

El estado y la fiabilidad del sistema son fundamentales para las soluciones de energía primaria y de respaldo para todas las instalaciones, desde centros de datos de misión crítica hasta supermercados de vecindario. Un grupo electrógeno es una pieza clave del sistema de potencia, y la operación y el mantenimiento adecuados son esenciales para la fiabilidad del sistema a largo plazo que garantiza la disponibilidad y el tiempo de actividad.

Si bien los sistemas de potencia varían en operación, aplicación y perfil de carga según el propósito y la complejidad, todos los sistemas de potencia están diseñados con objetivos comunes: proporcionar energía fiable y maximizar la eficiencia del sistema. Para lograr estos objetivos de diseño, es importante comprender el funcionamiento del sistema, el perfil y los esquemas de carga y el mantenimiento necesario. Este documento se centrará en la operación de grupos electrógenos en situaciones de baja carga y en el posible resultado si se utilizan fuera de estos parámetros. 

CARGAS NOMINALES DEL GRUPO ELECTRÓGENO

Primero, es importante comprender que los grupos electrógenos están diseñados para funcionar y, para ser específicos, están diseñados para funcionar con carga. Esto puede parecer trivial, pero cargar correctamente un grupo electrógeno es esencial para la disponibilidad, el buen funcionamiento del motor y una larga vida útil del motor.

Los objetivos de operación ideales de cada grupo electrógeno dependerán de la aplicación y la clasificación. En términos generales, los grupos electrógenos diésel de respaldo y con clasificación principal están diseñados para operar entre el 50 y el 85 % de la placa de identificación completa, mientras que los grupos electrógenos diésel de potencia continua están optimizados entre el 70 y el 100 % de la carga. Los grupos electrógenos de gas natural y biogás, independientemente de la aplicación y la clasificación, están diseñados para funcionar entre el 70 y el 100 % de la clasificación nominal.

Los intervalos de servicio del fabricante y la vida útil proyectada de los componentes se basan en la operación en estas gamas para brindar una combinación ideal de rendimiento del producto, densidad de potencia y vida operativa a largo plazo. Esto hace que la fase de diseño sea crítica para garantizar que el sistema de generación de energía esté dimensionado para operar dentro de los niveles de carga recomendados por el fabricante mientras cumple con los requisitos de la instalación. La mala aplicación de los grupos electrógenos mediante la carga insuficiente durante ciclos prolongados afectará la salud, el funcionamiento y el tiempo de actividad del producto, al tiempo que aumenta la oportunidad de sucesos y paradas no planificadas. 

GRUPOS ELECTRÓGENOS DIÉSEL

Operar un grupo electrógeno diésel a niveles de carga inferiores al 30 % de la salida nominal durante períodos prolongados afecta negativamente a la unidad. La consecuencia más frecuente es el fluido no quemado del escape del motor, que también se conoce como fluido no quemado del múltiple de escape o apilamiento húmedo. El fluido quemado del motor es un líquido negro y aceitoso que puede filtrarse de las juntas del múltiple de escape debido a situaciones prolongadas con carga baja o sin carga. El funcionamiento en vacío alto con poca o sin carga reduce el calor en el cilindro, lo que permite que los depósitos de combustible y aceite sin quemar se filtren a través de las juntas deslizantes del escape.

El fluido quemado visible no indica necesariamente un problema con un motor, pero indica posibles problemas de carga insuficiente, bajas temperaturas ambientales o baja temperatura del agua de las camisas. En la mayoría de las circunstancias, el fluido quemado del motor por sí solo, aunque sea antiestético, no dañará inmediatamente el motor. Sin embargo, el fluido quemado es un signo de carga insuficiente y podría ser una indicación de otros efectos de carga insuficiente. Los períodos prolongados de carga ligera pueden provocar la acumulación de depósitos detrás de los anillos del pistón, el desarrollo de depósitos dentro de los cilindros y, en casos extremos, el pulido de las camisas de los cilindros. Estas condiciones pueden provocar pérdidas de energía, bajo rendimiento y desgaste acelerado de los componentes, lo que puede causar mayores costos de mantenimiento y tiempo de inactividad o fallas no planificadas. 

GRUPOS ELECTRÓGENOS A GAS

Los grupos electrógenos de gas de más de 1.000 kW se utilizan normalmente en aplicaciones de energía principal y de respaldo que no son de emergencia, donde el perfil de carga es estable y en niveles de carga más altos. Las condiciones de funcionamiento óptimas para los grupos electrógenos a gas pueden oscilar entre el 50 y el 100 % de la carga nominal. Caterpillar recomienda no cargar los grupos electrógenos a gas natural en ninguna aplicación por debajo del 50 % de su carga nominal durante cualquier duración, y la gama ideal para la operación es con una carga del 70 % y superior.

Los motores a gas normalmente no tienen fluido no quemado, pero hay otros efectos de las operaciones de carga baja. Con carga baja, los motores a gas no tienen suficiente presión en el cilindro para mantener el control del aceite en el cilindro. Esto permite que el aceite se abra camino a través de los anillos hacia las cámaras de combustión, lo que genera depósitos de ceniza. Estos depósitos modifican la relación de compresión, lo que puede reducir el margen de detonación. Si el margen de detonación se reduce lo suficiente, puede ocurrir una detonación. La detonación disminuirá la vida útil del motor, dañará los componentes y provocará paradas o fallas no planificadas.

De forma similar a los grupos electrógenos diésel, el funcionamiento prolongado de los grupos electrógenos a gas con cargas bajas puede provocar la acumulación de depósitos en las válvulas, las bujías y detrás de los anillos del pistón. En casos extremos pueden desarrollarse depósitos en el cilindro, lo que puede provocar el pulido de la camisa del cilindro.

Además, los motores a gas natural funcionan ricamente con cargas bajas para mantener la combustión y garantizar que el motor no falle. Una buena relación aire-combustible hace que el motor se desvíe de los niveles de emisiones esperados, lo que puede provocar el incumplimiento de las normas de emisiones requeridas. Además, una rica relación aire-combustible aumenta las temperaturas y puede acelerar el desgaste de los componentes.

Como es el caso de los grupos electrógenos diésel, todas estas condiciones pueden provocar pérdidas de energía, bajo rendimiento y desgaste acelerado de los componentes, lo que genera mayores costos de mantenimiento y tiempo de inactividad o fallas no planificadas. 

POSTRATAMIENTO

Los componentes de postratamiento como los catalizadores de oxidación para combustible diésel (DOC, Diesel Oxidation Catalysts), los componentes de reducción catalítica selectiva (SCR, Selective Catalytic Reduction) y los filtros de partículas diésel (DPF, Diesel Particulate Filters) son comunes en muchos lugares y aplicaciones, y todos se ven afectados por el funcionamiento con carga baja. Sin un diseño y una planificación adecuados, el funcionamiento a baja carga tendrá un impacto en todos los componentes de postratamiento, lo que hará que no se alcancen los objetivos de emisiones y, en última instancia, provocará la parada del motor.

Un DOC o DPF que está operando por debajo de la temperatura mínima de escape puede causar que los límites de contrapresión alcancen niveles críticos en un corto período y puede provocar el apagado del grupo electrógeno. Este problema se vuelve más crítico en los sistemas distribuidos o modulares donde no hay capacidad de conexión en paralelo para compartir la carga entre varias unidades y garantizar que un grupo electrógeno no funcione con cargas bajas durante largos períodos.

Cumplir con la temperatura mínima también es fundamental en aplicaciones con un sistema SCR. Si el sistema SCR no alcanza la temperatura de operación mínima, el sistema no comenzará a dosificar fluido de escape diésel (DEF, Diesel Exhaust Fluid) en la corriente de escape, lo que provocará niveles de emisiones superiores a los esperados y afectará los permisos locales o federales.

Algunos sistemas SRC pueden necesitar estar equipados con un calentador de escape adicional para ayudar a cumplir con los requisitos mínimos de temperatura de escape. Si bien esto puede ayudar a mantener las necesidades de temperatura, también requiere una carga adicional para operar, lo que aumenta la complejidad, el costo y el mantenimiento del sistema, y no aborda el impacto de la carga insuficiente en el motor. Un enfoque más efectivo es garantizar que cada grupo electrógeno cumpla con sus objetivos de carga mínima para mejorar la fiabilidad y durabilidad del sistema a largo plazo. 

ADMINISTRACIÓN DE CARGA BAJA

Si se les da el mantenimiento adecuado, los grupos electrógenos a diésel y a gas pueden funcionar con cargas ligeras durante largos períodos sin efectos nocivos. Después de operar a niveles bajos de carga, cada grupo electrógeno afectado debe operar bajo una carga mayor para aumentar la temperatura y la presión del cilindro, lo que limpia los depósitos de la cámara de combustión. Además, si se espera que la operación de carga baja ocurra regularmente, un plan de mantenimiento más agresivo ayudará a garantizar que no haya un desgaste excesivo de los componentes y que se minimicen las posibilidades de tiempo de inactividad no planificado.

La primera consideración importante en la gestión de carga baja es cómo agregar carga a un sistema si la carga del edificio no es suficiente o si el cliente no desea utilizar cargas críticas para el mantenimiento del grupo electrógeno. Este problema se puede resolver al tener acceso a los bancos de carga del sistema instalados o a un sistema de conexión rápida que permitirá que los bancos de carga se vinculen fácilmente al sistema de potencia para fines de prueba o de mantenimiento. Tener en cuenta estos requisitos durante la fase de diseño permite tener una integración perfecta en el sistema, lo que puede ser más rentable que tener que adaptar un emplazamiento después de que se complete la construcción y la instalación.

Caterpillar recomienda un proceso de prueba para grupos electrógenos diésel y a gas natural. Para grupos electrógenos diésel, Caterpillar recomienda cargar el grupo electrógeno a un mínimo de 30 % de carga durante aproximadamente 30 minutos por cada cuatro horas de funcionamiento con carga liviana. Las mediciones de la temperatura de escape se deben tomar en el múltiple de escape antes del turbo o en el tubo de escape vertical justo después del turbo para confirmar que se alcanzan las temperaturas de escape recomendadas durante la operación.

Los requisitos para los grupos electrógenos a gas natural son ligeramente diferentes. En primer lugar, Caterpillar recomienda trabajar enérgicamente para limitar la carga insuficiente de los grupos electrógenos a gas natural. Consulte la Tabla 1 a continuación para ver los límites de tiempo de funcionamiento con carga baja para motores a gas natural. Después de que haya expirado el límite de tiempo para la operación con carga reducida, el motor se debe operar durante un mínimo de dos horas con un factor de carga de al menos el 70 %. Seguir estas pautas hará que el mantenimiento del motor sea mínimo y mejorará la salud y la durabilidad del producto a largo plazo.

Para obtener más información sobre el mantenimiento y las pruebas del grupo electrógeno, comuníquese con su distribuidor Cat local o consulte el Manual de Operación y Mantenimiento.