Diseño de la potencia de respaldo, de reserva y de emergencia en edificios de alto rendimiento

Condiciones de uso

El primer paso en el diseño de un sistema de generador es desarrollar los requisitos programáticos del diseño. Es importante entender lo siguiente:

• ¿A qué tipo de edificio brindará suministro? ¿Se utilizará para una aplicación de misión crítica, un hospital, una instalación industrial u otro tipo de carga? Las respuestas aquí determinarán los códigos y las normas que se aplican al diseño.
• ¿Cómo se utilizará el generador? Por ejemplo:
  ¿Se utilizará como potencia de respaldo en caso de falla de la red eléctrica o proporcionará potencia continua durante todo el año?
  ¿Cómo va a funcionar el generador? ¿Se trata de una aplicación 100 % de reserva o el personal de la empresa pondrá en marcha el generador durante la reducción de la tarifa o durante una tormenta?
  ¿Serán las cargas de emergencia, exigidas por la ley, o de reserva opcional como se clasifica en los artículos 700, 701 y 702 del NEC?
• Condiciones del sitio:
  condiciones ambientales: ¿Cuál es la temperatura máxima del aire de refrigeración cuando ingresa a la máquina? Las clasificaciones de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) se establecen en 104 °F, por lo que si en la instalación se superan esos límites, deberá comunicárselo al fabricante. Será necesario reducir la potencia.
  Altitud: los generadores que funcionan a unos 3.281 pies pueden necesitar una reducción de potencia. Asegúrese de proporcionar la altitud del sitio al fabricante del generador y tenga en cuenta la altitud cuando realice los cálculos de carga. La mayoría de los fabricantes pueden proporcionar factores de reducción de potencia para una altitud determinada.
  ¿Existen otras condiciones del sitio que puedan afectar al funcionamiento del generador, como un entorno corrosivo, una humedad excesiva o un frío extremo?

Combustible

La siguiente pregunta que hay que hacerse es qué tipo de combustible se debe utilizar para la aplicación. Los principales tipos de combustible son el diésel, el gas natural, el bicombustible y el propano. Los puntos clave a la hora de decidir el tipo de combustible son las consideraciones ambientales, el tiempo de arranque requerido por el código, la disponibilidad del tipo de combustible a nivel local, el almacenamiento de combustible y la disponibilidad comercial del tamaño del generador.

Diésel. El diésel es el generador más común para aplicaciones de reserva. Muchos fabricantes ofrecen generadores a diésel en una amplia gama de tamaños. Los generadores a diésel son fiables y económicos, y el combustible está disponible a nivel general y se almacena con facilidad en el sitio. Los generadores a diésel arrancan con rapidez y aceptan grandes cargas en bloque con una caída de voltaje razonable. Estos criterios son vitales para las aplicaciones de emergencia en las que el generador debe arrancar y aceptar la carga en 10 segundos (consulte el artículo 700.12 y el artículo 517 de NEC) y el sistema de combustible debe tener un suministro fiable.

Entre las desventajas del generador a diésel, se encuentran las emisiones adicionales, que pueden requerir más equipos y el tratamiento del combustible. Además, el diésel no se almacena bien durante mucho tiempo, por lo que puede ser necesario un sistema de pulido del combustible.

Almacenamiento de diésel. El diésel se almacena en tanques de base (instalados bajo el generador), en tanques diurnos (situados cerca del generador y dedicados a este) o en un almacenamiento centralizado. Los tanques base son muy sencillos de especificar y, por lo general, no requieren muchos sistemas externos. Los desafíos potenciales con los tanques de base incluyen la coordinación de los conductos subterráneos a través de la ventana del conducto del tanque de base y el aumento de la altura del motor a medida que aumentan los requisitos de almacenamiento de combustible. Los depósitos diurnos también son una solución sencilla, pero requieren espacio y tuberías adicionales, y bombas de combustible auxiliares. Su instalación y puesta en marcha son más costosas que las de los depósitos de base. Con los tanques de combustible centralizados, se proporciona una ubicación central para el diésel y son útiles cuando se necesitan grandes cantidades de almacenamiento. Estos requieren una importante inversión en tuberías adicionales, bombas y sistemas de pulido de combustible.

Gas natural. En comparación con el diésel, el gas natural es de combustión limpia y genera menos emisiones. Los grupos electrógenos a gas natural están disponibles en tamaños de bastidor grandes, son apropiados para cargas básicas/continuas y son menos costosos que el diésel cuando se utilizan de forma continua.

Sin embargo, los generadores a gas natural no tienen la misma respuesta transitoria o aceptación de grandes cargas en bloque que los sistemas diésel. Una vez aplicada la carga, un generador a gas natural debe mezclar el combustible y el aire, moverlo a través de todo el sistema de admisión de aire y, luego, en el cilindro, lo que resulta en un retraso de la respuesta de voltaje y la frecuencia. Esto, combinado con la falta de almacenamiento de combustible en el sitio, suele impedir que el ingeniero de diseño los utilice en aplicaciones de emergencia o en grandes cargas en bloque con requisitos de arranque rápido. En muchas jurisdicciones no se considera que el gas natural sea un suministro fiable, por lo que lo más probable es que no se permita el uso de gas natural como único combustible en los casos en que el código exija potencia de respaldo. Dicho esto, los fabricantes de generadores introducen con rapidez mejoras en los generadores a gas natural a fin de mejorar el tiempo de arranque y la aceptación de carga, y algunos fabricantes aceptan el 100 % de la carga en menos de 30 o 40 segundos.  Como resultado, los generadores a gas natural se empiezan a implementar como potencia de respaldo en aplicaciones de centros de datos. 

Bicombustible. Los generadores a bicombustible combinan algunas de las mejores características de los generadores a diésel y gas natural. Por lo general, el generador arranca con diésel y, luego, introduce gas natural en la corriente de aire de combustión. La potencia del generador se obtiene mediante la combustión combinada de tan poco como un 30 % de diésel y un 70 % de gas natural. Tenga en cuenta que estos porcentajes dependen del fabricante y del perfil de carga que soporte el generador. Si no se dispone de gas natural, el generador puede funcionar con diésel al 100 %. Este sistema puede dar lugar a una reducción de las emisiones, una flexibilidad del combustible y un almacenamiento de este que cumpla los requisitos de la NFPA 99 y la NFPA 110.

Los generadores a bicombustible no son una oferta estándar de los principales fabricantes, por lo que, si especifica un generador a bicombustible, se pueden descartar algunos fabricantes de la oferta o requerir una solución de terceros que modifique el generador. Adquirir un generador a diésel y suministrarle gas natural también genera un primer costo adicional.

Propano. Los generadores de propano son una buena opción para pequeñas instalaciones en lugares remotos o cuando no se dispone de otros combustibles. Los generadores de propano solo están disponibles en tamaños relativamente pequeños. El tamaño máximo depende del fabricante, pero suele limitarse a 150 kW o menos. Hay tamaños más grandes, pero son costosos.

Los tanques de combustible de propano se pueden ubicar en el sitio y no sufren el problema de la "falta de fiabilidad" del suministro de combustible que, a veces, limita a los generadores de gas natural. El propano se utiliza comúnmente en las zonas urbanas como respaldo al gas natural cuando lo exige el código o en terrenos federales debido a la preocupación por los derrames de diésel. Al elegir un generador de propano, tenga especial cuidado al seleccionar el vaporizador de combustible. Con los vaporizadores líquidos, se pueden tener tanques más pequeños y funcionan mejor en climas fríos, pero pueden ser una carga parasitaria para el generador. Los vaporizadores basados en vapor extraen el propano vaporizado de la parte superior del tanque. Estos sistemas son sencillos y requieren menos equipamiento que los vaporizadores líquidos.

Aspectos ambientales

Las consideraciones ambientales incluyen los niveles y requisitos ambientales, el flujo de aire, y el ruido y la instalación en interiores o exteriores.

Niveles y requisitos ambientales. Los requisitos de nivel de la U.S. Environmental Protection Agency (EPA) han influido en la compra y el funcionamiento de los nuevos generadores a diésel. En el caso de las cargas de emergencia estacionarias, la EPA permite que los generadores que no son del nivel 4 funcionen durante una cantidad ilimitada de horas en caso de emergencia y 100 horas al año en los demás casos. Los generadores cumplen los requisitos de emergencia estacionaria si se dan las siguientes condiciones:

• Se instalan de forma permanente.
• Se utilizan para respaldar el servicio público instalado de forma permanente.
• Solo funcionan durante un corte o pérdida del servicio público.

El límite de 100 horas debe cubrir todas las pruebas, el ejercicio del motor y los usos que no sean de emergencia. Además, solo 50 horas de las 100 horas se pueden utilizar para fines que no sean de emergencia. A menudo, los propietarios quieren hacer funcionar el generador durante un evento que no es de emergencia, como la reducción de picos, la reducción de tarifas o la mitigación frente a tormentas. Las normas que rigen estos usos son complicadas, pero el recorte de picos y la reducción de tarifas no se consideran usos de emergencia, por lo que se requiere un generador de nivel 4 para estas aplicaciones. Para obtener más información sobre este tema, consulte las últimas pautas de la EPA.

Además de los requisitos de la EPA, existen varios organismos en todo el país que regulan el impacto ambiental de la instalación de generadores. Antes de asumir que una instalación es aceptable, es fundamental trabajar con las autoridades locales para conocer sus requisitos específicos.

En el caso de algunas instalaciones, se pueden necesitar otros dispositivos de control de emisiones, como la reducción catalítica selectiva (SCR, selective catalytic reduction). Consulte en la parte superior derecha de la Figura 1 los grandes cilindros negros. Tenga en cuenta que, para la instalación de los SCR, se requiere espacio adicional alrededor del generador, así como la instalación de un sistema de inyección de amoníaco.

Flujo de aire. Los generadores necesitan aire tanto para la combustión como para la refrigeración. Cuando se diseña la disposición del generador, un error común es recircular el aire caliente y provocar una refrigeración insuficiente del generador. Esto puede ser de gran gravedad en los casos de varios generadores. En las guías de aplicación de los fabricantes, pueden encontrar orientación detallada. En el caso de grandes instalaciones, se debe realizar un modelado de dinámica de fluidos computacional, pero las siguientes sugerencias son buenas prácticas:

• Coloque las admisiones y los escapes de aire alejados unos de otros y de otras fuentes de calor.
• Evite el estancamiento del aire o el arrastre de otras corrientes de escape.
• Extraiga el aire del generador desde el punto más alto de la instalación.
• Para las instalaciones en exteriores, evite instalar los sistemas de generadores en áreas completamente cerradas.
• Para aplicaciones de varios generadores, modele el flujo de aire con todos los motores en funcionamiento y con un conjunto parcial de motores en funcionamiento. El flujo de aire interno de la sala será diferente y puede provocar un sobrecalentamiento cuando solo funcione un subconjunto de generadores.

Ruido. El ruido es un tema de preocupación en casi todas las instalaciones. Los fabricantes miden los dB del generador a 7 metros (23 pies) de este. Al especificar un grupo electrógeno, hay dos enfoques de diseño eficaces para mitigar los problemas de ruido:

1. Después de realizar un estudio de ruido, indique al fabricante del generador el nivel de dB que se requiere a 23 pies del generador. Las tres opciones típicas son 85, 75 y 65 dBa. Cuanto más bajos sean los dB, mayores serán la atenuación acústica y el costo.
2. Proporcione al fabricante del generador el requisito de dB en la línea de propiedad y la posición del generador en relación con la línea de propiedad. Con esta información, el fabricante puede hacer los cálculos y proporcionar la atenuación necesaria.

Instalación en interiores o exteriores. ¿Dónde se ubicará el generador? Si va a estar en interiores, asegúrese de dejar, al menos, un espacio libre de 3 pies para el acceso en todos los lados y otro de 5 pies de cualquier pared inflamable. En muchas jurisdicciones se exigen estaciones de carga de combustible remotas para instalaciones en interiores, que requieren controles, tuberías y espacio adicional. En las instalaciones en interiores, también se debe dejar espacio para el mantenimiento, el espacio libre del código alrededor de los interruptores montados en el generador, los sistemas de escape, las admisiones de aire y otros sistemas auxiliares.

Si el generador se encuentra en exteriores, la instalación requerirá algún tipo de recinto exterior (consulte la Figura 2). Cuando se encuentra en exteriores, se requieren conductos adicionales para proporcionar energía auxiliar al grupo electrógeno. Los recintos en exteriores pueden ser simples o tener espacio para que ingrese una persona. Los recintos con espacio para una persona ocupan mucho más espacio y son más costosos, pero pueden ser una opción adecuada si se necesita espacio adicional para los equipos de conmutación o si, debido al clima, no es práctico trabajar al aire libre.

Carga

Los generadores se suministran con las clasificaciones continua, principal o de reserva en función de la norma ISO 8528-1. La clasificación continua es la potencia máxima que el generador puede suministrar a una carga constante sin restricciones de tiempo de funcionamiento. La clasificación principal es la potencia máxima que el generador puede suministrar a una carga variable sin restricciones de tiempo de funcionamiento. La generación de energía promedio durante 24 horas está limitada al 70 % de la clasificación principal, a menos que exista otra documentación del fabricante. Por último, la clasificación de reserva es la potencia máxima que el generador puede suministrar a una carga variable durante un máximo de 200 horas al año. Al igual que con la clasificación principal, la generación de energía promedio durante 24 horas está limitada al 70 % de la clasificación principal, a menos que exista otra documentación del fabricante. El tipo de generador se escoge en función del perfil de carga que se espera que soporte.

Para determinar el mejor tipo de generador para soportar la carga del edificio, debe realizar los cálculos de carga y de arranque y conocer las características especiales de la carga soportada.

El primer paso es realizar un cálculo básico de la carga del generador para determinar los kW y kVA que debe soportar el generador en estado estacionario. En el pasado, estos cálculos se realizaban a mano, pero ahora se suelen realizar con el software del fabricante del generador. Si el generador se utiliza para brindar respaldo a todo un servicio público, el tamaño del generador se puede calcular en función de los datos de demanda máxima de la empresa de servicios públicos más el 25 %. Además de asegurarse de que el generador sea lo suficientemente grande, es importante asegurarse de que también esté suficientemente cargado para evitar el "apilamiento húmedo" o la acumulación de combustible no quemado en el sistema de escape. Para obtener más información, consulte "A Close Look at Wet Stacking (Análisis detallado del apilamiento en húmedo)", (Divine, 2010).

A la hora de realizar los cálculos de carga y dimensionar los generadores, hay algunos tipos de carga que suponen un reto especial para los generadores:

• Armónicos altos: si se conectan al generador cargas de alto contenido armónico, puede ser necesario sobredimensionar el generador.
• Factor de potencia principal: los filtros de entrada y los componentes electrónicos poco cargados pueden dar lugar a cargas con factor de potencia principal. El factor de potencia principal es muy difícil para los reguladores de voltaje del generador. Si el factor de potencia principal es un problema potencial, identifíquelo en el momento de la especificación. Para mitigar el problema, los filtros de entrada a menudo se pueden desactivar/anular durante las condiciones de carga baja.
• Ascensores: estos pueden suponer una importante carga regenerativa. Muchos controladores de los ascensores ahora pueden aceptar una entrada de contacto seco para indicar que el ascensor está "en el generador". De esta forma, se puede reducir la velocidad del elevador a la mitad para limitar la regeneración en el generador.
• Altitud: consulte la sección anterior y asegúrese de aplicar los factores de reducción de potencia suministrados por el fabricante.

Arranque de la carga. Un cálculo que se pasa por alto con frecuencia es el del arranque de la carga del generador. Con este cálculo, se asegura que el generador sea capaz de arrancar todas las cargas mientras se mantiene dentro de los requisitos de voltaje y frecuencia de las cargas energizadas. Algunas cargas, como los equipos de imágenes, tienen requisitos estrictos de voltaje y frecuencia, mientras que otras cargas pueden ser mucho más tolerantes. Para dimensionar de forma correcta los generadores en función de las corrientes de arranque/irrupción de las cargas, pruebe lo siguiente:

• La condición de arranque más difícil para un generador es la carga del 100 % del bloque, por lo que hay que evitarla siempre que sea posible. Divida la carga en varios pasos de carga con controles o un interruptor de transferencia automática (ATS, automatic transfer switch).
• No sea demasiado conservador con los requisitos de caída de voltaje en el arranque. Si la carga puede tolerar una caída de voltaje del 30 %, permítala. La especificación de una caída de voltaje del 20 % puede resultar en el sobredimensionamiento de un grupo electrógeno.
• Arranque primero las cargas de motor grandes.
• Utilice accionamientos de frecuencia variable o arranques de voltaje reducido siempre que sea posible.
• Utilice la función de arranque progresivo de los sistemas de potencia ininterrumpida que transfiere lentamente la carga de la batería al generador.

Configuración del sistema eléctrico

¿Puede satisfacer de forma eficaz la carga con un solo generador o necesita más generadores? Los sistemas de un solo generador son relativamente fáciles de diseñar y constituyen la configuración más habitual. Si se puede satisfacer la carga, ¿exigen el código o el modelo de negocio que haya un segundo generador? Si necesita otro generador, es posible que tenga que poner en paralelo los generadores. La puesta en paralelo de los generadores es un tema complicado que va más allá del alcance de este artículo; consulte "Paralleling Generator Systems (Sistemas de generadores puestos en paralelo)" (Invierno del 2016) para obtener más información. En la Figura 4, se muestra un sistema de ejemplo de generadores puestos en paralelo en una instalación médica.

Avanzar hacia el futuro

El diseño de cada sistema de generadores tiene sus propios desafíos. Con un enfoque de diseño sistemático, se pueden determinar los elementos clave del diseño al responder a algunas preguntas clave. Se debe determinar lo siguiente:

• los códigos aplicables
• la clasificación del generador y el tipo de combustible
• las condiciones ambientales
• el perfil de carga y la carga general

Una vez decididos estos elementos clave, podrá especificar y diseñar por completo una instalación de generadores que cumpla con los códigos y sea exitosa.

Estudio de caso: centro médico

AECOM se encargó de diseñar un centro médico que pudiera adaptarse en el futuro para su uso como hospital no quirúrgico. En consecuencia, el sistema eléctrico se diseñó como un hospital en función del artículo 517 del Código Eléctrico Nacional (NEC). Consulte la Figura 4 para ver la topología básica del sistema. Tenga en cuenta que la topología refleja fielmente la Nota Informativa 517.30 del NEC. El centro médico se construyó en un terreno baldío con una llanura que se inundaba. Por lo tanto, la planta baja de la instalación se diseñó para el estacionamiento, y las salas de servicio eléctrico se elevaron por encima del nivel de la llanura que se inundaba.

Códigos y normas

• , principalmente los artículos 445 (Generadores), 517 (Instalaciones de atención médica) y 700 (Sistemas de emergencia).
• NFPA 99: Código de Instalaciones de Atención Médica.
• NFPA 110: Norma para Sistemas de Potencia de Reserva y de Emergencia.

Condiciones de uso

Se diseñó como un centro de salud según el artículo 517 del NEC. Como muchas de las cargas no eran contiguas, se utilizaron generadores con clasificación de reserva.

Combustible

Ambos generadores utilizan diésel, aunque se ha considerado la posibilidad de usar bicombustible. El diésel era la opción más adecuada debido a la eficiencia, dado el tamaño de los generadores y a la posibilidad de almacenar con facilidad el combustible requerido por el código. El bicombustible se descartó debido a los costos e inquietudes de capacidad de construcción.

Aspectos ambientales

Los generadores se utilizan para emergencias, por lo que no se requerían generadores nivel 4. Los generadores se instalaron en interiores y dentro del espacio del edificio (consulte la Figura 3). Los generadores se colocaron en el interiores para lo siguiente:

• minimizar la cantidad de bienes inmuebles del campus utilizados;
• ayudar a reducir el ruido. La instalación se encuentra en una zona controlada con estrictas restricciones de ruido. Se han instalado silenciadores en los generadores y se han colocado pantallas acústicas en las paredes para reducir el ruido externo y el que se transmite a nivel interno al centro médico.

Carga

Se trata de una aplicación de reserva con carga variable, por lo que se utilizaron generadores de 800 kW con clasificación de reserva. Al momento de la puesta en marcha, solo se necesitaba un generador para soportar la carga, por lo que los generadores tenían una configuración N+1 (consulte la Figura 4). A medida que se vaya acondicionando el resto de la instalación, se necesitarán ambos generadores para suministrar la carga. Se instalaron dos generadores, en lugar de uno solo más grande, para evitar el funcionamiento en carga baja y sus consiguientes problemas de mantenimiento, como el apilamiento en húmedo, durante las fases iniciales del proyecto.

Para confirmar que el sistema del generador podía arrancar las cargas, se utilizó el software de arranque del fabricante del generador. La energización de las cargas en la planta generadora influyó en varios componentes del diseño. El sistema del interruptor de transferencia automática (ATS, automatic transfer switch) se diseñó con retrasos que se ajustan a los requisitos del artículo 517 del NEC (véanse las Figuras 4 y 5).

El edificio contenía muchas cargas armónicas altas e incluía equipos de imágenes médica de rayos X, TAC y resonancia magnética. Sus características se definieron con el software del proveedor para confirmar que el sistema del generador estaba bien dimensionado. Además, en el diseño original, la sala de resonancia magnética estaba bastante cerca de las salas eléctricas. A medida que se desarrollaba el diseño, las salas de resonancia magnética y las salas eléctricas se separaron más y se añadió una protección adicional a las salas de resonancia magnética para evitar los efectos adversos de los campos magnéticos que producen los equipos de imágenes. El diseño de la protección lo realizó una empresa de diseño especializada en el análisis y la especificación de protecciones.

Configuración del sistema eléctrico

Dado que la instalación se diseñó para ser un futuro hospital, el sistema eléctrico se configuró para incluir equipos, seguridad de la vida y ATS críticos, con el ramal de la seguridad de la vida, luego el ramal crítico y, luego, el ramal de equipos que se transfiere al generador. Los términos "ramal de seguridad de la vida", "ramal crítico" y "ramal de equipo" se definen en el artículo 517 de NEC. El proveedor del generador suministró el equipo de conmutación con puesta en paralelo, los ATS y la protección del generador. El esquema de protección proporcionado con el generador se utilizó para brindar protección contra sobrecarga al generador y selectividad, en lugar de confiar en el interruptor de salida del generador para esta protección.

Brian Martin es ingeniero eléctrico superior de Edificios y Sitios de AECOM. Tiene más de 20 años de experiencia en la planificación de ingeniería, gestión de proyectos, diseño, adquisiciones y puesta en marcha de proyectos industriales. Es miembro del consejo editorial de Consulting-Specifying Engineer.