Desmitificación de las clasificaciones de los grupos electrógenos

Los centros de datos suelen diseñarse y especificarse en torno a una carga constante y a las peores condiciones ambientales posibles. Esto no refleja el funcionamiento en el mundo real y dará lugar a un exceso de equipamiento que se está especificando. En un centro de datos, gran parte de la carga está respaldada por sistemas UPS. Como los sistemas UPS se recargan, se consume energía adicional (generalmente entre un 5 y un 10 % en cuestión de minutos) para recargar el sistema de almacenamiento de energía. Una vez que el sistema de almacenamiento de energía se ha recargado, este consumo de energía ya no es necesario. Además, la energía total necesaria fluctuará, incluso levemente, con los cambios en el ambiente natural. A medida que estos cambios en el ambiente se alejan del diseño ambiente máximo, repercutirán en el rendimiento del motor de manera positiva.

Por lo tanto, en un corte grave y prolongado durante un día, semana o mes determinado, independientemente del sitio, el ambiente fluctuará por debajo de la temperatura ambiente de diseño máxima del sistema. Junto con los cambios de carga, esta fluctuación debe tenerse en cuenta al examinar la capacidad y el rendimiento del motor de carga/grupo electrógeno. Si lo hace, se aumentará al máximo el valor recibido del grupo electrógeno. Otra consideración del "100 % de carga para el 100 % de horas de funcionamiento" es que el cliente comprenda el funcionamiento real y su efecto en el mantenimiento y el reparo general del producto. En teoría, el funcionamiento "ilimitado" con cualquier clasificación de placa de identificación es poco probable debido a los requisitos de mantenimiento del producto. Los cronogramas de cambio de aceite recomendados varían según el sitio y la aplicación; sin embargo, para un producto que funciona en aplicaciones durante las horas de mayor consumo, se suele seguir un cronograma cada 500 horas o anual. El uso de un generador por fuera de las directrices de clasificación disminuirá el tiempo entre estos cambios de aceite. Las disposiciones durante la fase de diseño y la comprensión de las condiciones de operación deben dar cuenta de este y otros requisitos de mantenimiento. En pocas palabras, contar con un plan específico del sitio establecido para responder a un corte prolongado es mucho más importante que la clasificación de la placa de identificación del generador.

Si el usuario desea realmente un número ilimitado de horas de funcionamiento, entonces un grupo electrógeno con clasificación de reserva definitivamente no es la opción adecuada. Sin embargo, tal como se demuestra en la Figura 2, que ilustra los datos de operación actuales, la mayoría de los equipos operativos de reserva "del mundo real" se adaptan bien a la clasificación de respaldo. Estos datos muestran el funcionamiento en el mundo real de un conjunto de grupos electrógenos de muestra de 2,5 MW en centros de datos. Entre los datos se incluyen pruebas de puesta en marcha de alta carga y durante muchas horas en casi todos los sitios. Los perfiles de carga del mundo real de estos centros de datos se adaptan bien a cualquiera de las aplicaciones, incluido el respaldo.

En el caso de los usuarios a los que les preocupa pasar los límites del factor de carga promedio, la clasificación de administración de carga puede ser una mejor solución para ellos. Los datos que se presentan en esta tabla no están destinados a indicarles a los usuarios cómo deben diseñar proyectos o utilizar el equipo. Sin embargo, estos datos sirven como ejemplo del mundo real en el que se usan datos que demuestran que la clasificación de respaldo tradicional (ISO) cumple muy bien con las aplicaciones del mundo real.

Los componentes en un sistema de potencia eléctrica integrado también se ven afectados por la carga. Por ejemplo, la carga del UPS repercute en los requisitos del generador. Cuando los grupos electrógenos tienen una carga insuficiente, los productos UPS asociados, también. Estos productos UPS con carga insuficiente aumentan el contenido de armónicos, lo que requiere un grupo electrógeno extremo más grande, que a su vez puede generar un aumento en el costo del sistema. Este es otro ejemplo de cómo la determinación del tamaño adecuado de todo el sistema y la selección de un proveedor que pueda hablar de todas estas compensaciones pueden ofrecer beneficios de costo y diseño significativos.

REDEFINICIÓN DE LAS CLASIFICACIONES

Las clasificaciones suelen definirse en términos de la potencia máxima disponible, los factores de carga promedio, las horas de uso por año, la demanda máxima y las aplicaciones típicas. Estas definiciones amplias están destinadas a cubrir una amplia variedad de usos industriales y comerciales. Debido a esta variabilidad, algunos fabricantes, incluido Caterpillar, han elegido adoptar las definiciones estándar en la forma más conservadora para reducir el riesgo de aplicación indebida de los equipos.

Muchos fabricantes de grupos electrógenos tienen diferentes nombres o variaciones en sus clasificaciones, por lo tanto es importante saber cómo esas clasificaciones se asemejan a las normas ISO. Por ejemplo, Caterpillar define cinco clasificaciones básicas de grupos electrógenos: potencia de respaldo de emergencia (ESP), de respaldo (sin equivalente ISO), de respaldo de misión crítica (sin equivalente ISO), principal y continua. Las clasificaciones de los grupos electrógenos Cat® difieren en ciertos aspectos respecto de lo definido por la norma ISO 8528-1, pero siempre cumplirá con los criterios establecidos por esta norma. ISO-8528 identifica cuatro clasificaciones:

• Potencia continua
• Potencia principal
• Funcionamiento limitado (LTP)
• Potencia de respaldo de emergencia

Potencia continua (COP) En esta aplicación, el grupo electrógeno es capaz de suministrar energía a una carga no variable durante un número ilimitado de horas al año. La potencia media del grupo electrógeno es del 70-100 % de la potencia nominal. La potencia está diseñada para proporcionar el 100 % de la potencia durante el 100 % de las horas de funcionamiento.

Las aplicaciones típicas de potencia continua incluyen la carga básica en paralelo con una empresa de servicios públicos y las operaciones de cogeneración.

Algo importante a destacar en esta definición es el requisito de "carga relativamente estable" de una aplicación continua. Se debe asegurar que no haya una cantidad significativa de fluctuación de carga, ya que la clasificación principal puede proporcionar una mejor opción y una potencia pico más alta.

Potencia principal (PRP) Un grupo electrógeno con clasificación principal es capaz de suministrar energía a una carga variable durante un número ilimitado de horas al año. Un grupo electrógeno con clasificación principal es capaz de proporcionar toda la calificación de la placa de identificación durante un período de tiempo, pero debe tener un factor de carga promedio de no más del 70 % de la clasificación principal. Se permite un 10 % de sobrecarga para emergencias durante un máximo de uno en 12 horas y durante no más de 25 horas al año. La clasificación principal se puede usar en aplicaciones paralelas a la red eléctrica o aisladas.

Con esta clasificación, se debe destacar la propuesta de una carga más variable, pero la inclusión de un factor de carga promedio, no es 100 % como la clasificación continua. Si bien puede parecer mejor ofrecer una clasificación continua de factor de carga del 100 %, si existe cierta fluctuación en la carga, la clasificación principal puede proporcionar un valor superior.

Una vez más, algunos fabricantes diferirán levemente de esta norma ISO para proporcionar un beneficio que se perciba. Aunque estas suelen ser diferencias superficiales del fabricante que simplemente especifica la norma ISO, también puede haber diferencias en las compensaciones de la capacidad de sobrecarga de una clasificación del fabricante a la siguiente.

La potencia de tiempo limitado (LTP, Limited-Time Power) Un generador con clasificación principal aplicado conforme las directrices de potencia de tiempo limitado permite utilizar un grupo electrógeno con principal en paralelo con el servicio público. Un grupo electrógeno con clasificación principal que cumple con las directrices de potencia de tiempo limitado puede funcionar durante un máximo de 500 horas al año. Este grupo electrógeno tiene la misma potencia en la placa de características que una unidad con clasificación principal, pero permite un factor de carga promedio de hasta el 100 %. Las directrices de potencia de tiempo limitado no permiten una capacidad de sobrecarga del 10 %.

La clasificación equivalente de los grupos electrógenos Cat® es la clasificación de administración de carga. Esta clasificación proporciona un punto intermedio para quienes desean el rendimiento del factor de carga de un producto continuo (100 % de clasificación principal) y la capacidad de la placa de identificación de un producto de alta calidad solo para un periodo de tiempo breve (se prevé que sea menos de 500 horas) cada año.

En la Figura 3, se muestra la placa de identificación (parte superior de cada barra) frente al factor de carga promedio (azul) junto con las limitaciones de horas indicadas para cada clasificación. El contenido en rojo demuestra las compensaciones entre las distintas clasificaciones.

En este ejemplo, examinamos las compensaciones de un grupo electrógeno de 2,5 MW en la clasificación de respaldo. Si esta máquina funcionara en una aplicación de administración de carga, el operador tendría que cambiar el número de horas de funcionamiento por la capacidad de carga promedio.

Potencia de respaldo de emergencia (ESP, Emergency Standby Power) La clasificación ESP permite un tipo de funcionamiento de 200 horas al año en un factor de carga promedio del 70 %.

En esta clasificación, la salida de potencia promedio permitida durante un período de 24 horas de funcionamiento no debe superar el 70 % de la ESP a menos que se acuerde lo contrario con el fabricante del motor. ESP es diferente de la potencia de respaldo tradicional, la cual no se define mediante ISO; de todas maneras, algunos fabricantes presentarán estas dos clasificaciones como si fuesen lo mismo. Si bien esto permite un diseño de productos más liberal, podría tener un efecto negativo a largo plazo en los costos de posesión y operación si un grupo electrógeno con clasificación ESP se pone en funcionamiento en una aplicación de respaldo tradicional.

Los generadores de potencia de respaldo de emergencia están clasificados para funcionar en una salida del 70 %, con cargas variables durante un periodo de tiempo breve, generalmente entre 50 y 200 horas por año. La potencia de respaldo ofrece las mismas características de salida y carga, pero puede funcionar hasta 500 horas al año según las consideraciones de clasificación de respaldo.

Dos clasificaciones adicionales incluyen:

Misión crítica de respaldo es una clasificación nueva y formalmente aprobada de Caterpillar. Admite un factor de carga promedio más alto, que se ha convertido en un requisito del mercado (especialmente en centros de datos). También garantiza que el usuario monitoree el tiempo en la placa de identificación para aumentar al máximo los intervalos de servicio y reducir al mínimo los costos. Esta clasificación coincide con la de la competencia, con un factor de carga del 85 %, que también limita el tiempo en la placa de identificación al 5 %. Una vez más, no se han realizado cambios en el hierro del motor, lo que ilustra otra diferencia en las asignaciones de rendimiento.

Potencia de respaldo En esta aplicación, el grupo electrógeno es capaz de proporcionar potencia de respaldo de emergencia a la potencia nominal durante la duración de un corte. El factor de carga promedio de un grupo electrógeno con clasificación de reserva no debe ser superior al 70 % del valor nominal de la placa de características y se aplica a cargas variables. Un grupo electrógeno de reserva puede funcionar un máximo de 500 horas al año. La clasificación de respaldo normal no debe utilizarse en aplicaciones en paralelo del servicio público, sino que está destinada a cargas que varían de manera natural, las cuales dada la variabilidad natural, permiten que Caterpillar establezca que esa potencia se encuentra disponible durante un corte.

POR QUÉ LAS CLASIFICACIONES SON IMPORTANTES

Al evaluar un grupo electrógeno, las clasificaciones son importantes ya que afectan directamente la eficiencia y la efectividad del grupo electrógeno seleccionado en función de cómo se va a usar. Un motor con una clasificación agresiva podría provocar un desgaste acelerado y un tiempo de inactividad no planificado, mientras que un uso extremadamente conservador de las clasificaciones no ofrece un valor óptimo.

Es especialmente importante entender la aplicación específica en detalle, ya que esto ayudará a seleccionar la clasificación adecuada. Específicamente, deben tenerse en cuenta los siguientes factores:

• ¿Cuál es el factor de carga promedio?
• ¿Cuál es la carga máxima requerida?
• ¿Cuál es la variación de carga típica?
• ¿Cuántas horas al año funcionarán generalmente los grupos electrógenos?
• ¿Los grupos electrógenos funcionarán aislados o en paralelo con la red eléctrica?
• ¿Cuáles son mis planes de contingencia y mantenimiento durante un corte prolongado?

Es importante conocer los datos específicos de la aplicación ya que en muchas circunstancias, como se explicó anteriormente, el mismo hierro del motor puede calificar para otras clasificaciones. En ocasiones, esto puede generar confusión con ciertas especificaciones del proyecto, que pueden requerir clasificaciones diferentes. Por ejemplo, una hoja de especificaciones podría decir: "El generador tendrá una clasificación de 2 MW de respaldo, 1.825 kW principal". En este caso, el hierro del motor es el mismo, pero el mismo producto no puede aplicarse en ambos tipos de aplicación. Este enunciado es confuso, ya que las clasificaciones deben establecer específicamente cuál es la aplicación prevista del equipo, ¿de respaldo o principal?

CONCLUSIÓN

Las directrices de clasificación de los grupos electrógenos se basan en un conjunto de límites de diseño que se usan para garantizar que el equipo alcanzará los objetivos de fiabilidad y durabilidad en una amplia variedad de aplicaciones. Existe un número infinito de posibles clasificaciones. Si el alcance del uso se definiera de manera más restrictiva y la variedad de condiciones se controlara de forma más estricta, podrían desarrollarse clasificaciones específicas de la aplicación que permitirían que el equipo funcione casi en sus capacidades máximas con un impacto mínimo en los factores térmicos, estructurales o de desgaste y el riesgo de tiempo de inactividad. Muchas de las clasificaciones publicadas corresponden simplemente a ISO y a los esfuerzos del fabricante por capturar la vasta mayoría de requisitos operativos del mercado. Caterpillar ofrece una cartera de clasificaciones de grupos electrógenos diseñada para ofrecer cobertura a aplicaciones de finalidad general o específica a fin de maximizar el valor del propietario.

Independientemente de la aplicación, las clasificaciones de los grupos electrógenos ayudan a garantizar que se satisfagan las necesidades de energía de los clientes y que los equipos generadores estén protegidos contra el desgaste prematuro. La elección de la potencia correcta significa realizar las compensaciones adecuadas entre las horas de funcionamiento, la carga máxima y la carga promedio. También significa que recibe la combinación óptima de costo instalado y costo de propiedad a largo plazo.

REFERENCIAS

1. ISO Standard 8528-1 (2005), Reciprocating Internal Combustion Engine Drive Alternating Current, Generating Sets
2. Publicación LEXE0047: información sobre las calificaciones de los grupos electrógenos