Diseño de sistemas de generadores de respaldo y emergencia

Consideraciones sobre el diseño del entorno

Por lo general, los generadores de respaldo y emergencia no se instalan en entornos ideales. Los ingenieros deben idear métodos prácticos y procesables para hacer frente al entorno en el que se instalan los generadores. Las cuestiones que deben tratarse incluyen el entorno general, la ventilación, el escape, el combustible, la acústica, los espacios libres eléctricos, las ubicaciones, la instalación y las consideraciones de retirada.

Entorno. Al diseñar salas que contengan una fuente de alimentación de emergencia (EPS, Emergency Power Supply) y un EPSS (Emergency Power Supply System, Sistema de fuente de alimentación de emergencia), los ingenieros deben tener en cuenta la posibilidad de que se produzcan desastres naturales o provocados por el hombre, como inundaciones por ríos, aguas pluviales, alcantarillado, sistemas de rociadores, escombros voladores, ataques físicos y rayos, tal y como se define en la norma NFPA 110, capítulo 7: Consideraciones sobre la instalación y el entorno. Los equipos de misión crítica nunca deben relegarse a zonas propensas a las inundaciones, especialmente bajo el nivel de los sótanos. Aunque puede resultar difícil convencer al equipo de diseño y al cliente de que estos equipos deben colocarse fuera de peligro, merecerá la pena cuando lleguen las tormentas y los equipos críticos sigan funcionando. Además de mantener el equipo a salvo de las inundaciones, los lugares de almacenamiento y llenado de combustible también deben estar diseñados para permitir la seguridad y el acceso durante los desastres naturales.

Ventilación. Los grupos electrógenos requieren que el aire de combustión y de refrigeración entre en la sala o recinto del generador, y los requisitos se incluyen en la norma NFPA 110, capítulo 7.7.7. La mayor parte del aire se destina a la refrigeración de un radiador montado en la unidad. Los ingenieros deben asegurarse de que la caída de presión de todo el sistema esté dentro de las recomendaciones del fabricante, lo que determinará el tamaño, la configuración y la ubicación de las vías de entrada de aire. Cuando hay grupos electrógenos grandes o varios en funcionamiento, la cantidad de flujo de aire de admisión puede ser significativa. La disposición de varios generadores no debe generar una distribución desigual del flujo de aire. En algunos casos, la precipitación puede arrastrarse al espacio controlado. Para evitarlo, hay varias decisiones de diseño que pueden ayudar (consulte "Consideraciones sobre el diseño de la ventilación").

En los diseños en los que se espera que el aire exterior aporte humedad y suciedad, las aberturas del techo deben incluir tanto bandejas colectoras como campanas de aspiración, y estas aberturas no deben situarse por encima de los equipos EPS o EPSS (consulte la Figura 1). Los ingenieros tienen la opción de los radiadores montados a distancia, que reducen en gran medida los requisitos de enfriamiento del motor.

Escape. El sistema de escape puede requerir un estudio del Departamento de Recursos Naturales (DNR, Department of Natural Resources) en cuanto a los efectos de la dispersión de los gases de escape con la dinámica de fluidos computacional, y los ingenieros deben ser conscientes de dónde pueden ir los gases de escape (consulte el ejemplo del DNR de Wisconsin). La proximidad del escape del generador con respecto a las admisiones de aire del edificio para los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC, Heating, Ventilation and Air Conditioning) también requiere un estudio cuidadoso. Incluso cuando están separados por varios cientos de metros, los vientos predominantes pueden llevar el olor de los gases de escape de los generadores al interior de un edificio. Al ubicar los generadores dentro de un edificio de varios pisos, el trazado de las tuberías de escape no solo causará problemas de calor y ruido dentro del edificio, sino también problemas de contrapresión para el grupo electrógeno. El cumplimiento del nivel 4 de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos exigirá soluciones de mitigación como la inyección de urea o la reducción catalítica selectiva, que reducen la cantidad de contaminación.

Combustible. En la norma NFPA 110, capítulo 7.9: Sistema de combustible, se abarcan los requisitos para las fuentes de combustible y hace referencia a la norma NFPA 30-2015: Código de Líquidos Combustibles e Inflamables y a la norma NFPA 54-2015: Código Nacional de Gas Combustible o la norma NFPA 58-2017: Código de Gas Petróleo Líquido. Las fuentes de combustible ubicadas en la sala de EPS incluyen tanques de combustible diurnos locales o tanques de combustible integrales cuyo tamaño agregado está limitado por la cantidad de combustible que se puede almacenar en una sala, definida como 660 galones según la sección 603 del Código Internacional de Incendios de 2015 Sección 603 y reforzada por el capítulo 7.9 de la norma NFPA 110. Los requisitos para el almacenamiento principal de combustible se definen en la norma NFPA 13-2011: Norma para la Instalación de Sistemas de Rociadores, y puede ser un almacenamiento de combustible subterráneo o sobre tierra. La relación física del trazado de las tuberías de combustible hacia y desde los tanques diurnos y los tanques de almacenamiento más grandes debe tenerse en cuenta para asegurar una fiabilidad óptima, lo que minimiza la necesidad de válvulas de solenoide en las tuberías de desbordamiento y retorno.

Cuando se instalan en la sala del generador, las tuberías de combustible deben estar protegidas pero accesibles. Un enfoque común para esto es en una zanja enrejada que permite la inspección visual, la facilidad de mantenimiento, y proporciona cierta contención en caso de una fuga de combustible líquido. Se recomienda la detección de fugas con la supervisión del sistema de automatización del edificio en las salas sin observación frecuente. Cuando se instalan en el exterior y bajo tierra, debe tenerse en cuenta la profundidad de las heladas en invierno, y las tuberías de suministro de combustible pueden requerir trazos de calor para evitar que el combustible estancado se gelifique.

Acústica. El ruido de los sistemas generadores puede perturbar a los ocupantes del edificio o a las propiedades vecinas. Las fuentes de ruido incluyen el escape del generador, los ventiladores de refrigeración del radiador, el ruido del generador eléctrico y el ruido del bloque del motor. La vibración es una preocupación para las ubicaciones dentro de los edificios. Entre las formas más comunes de reducir las vibraciones dentro de la estructura se encuentran las almohadillas separadas y los muelles de aislamiento con almohadillas de montaje de goma. Debido a los elevados niveles de ruido y vibración generados, no es factible ubicar los espacios ocupados junto a las salas de los generadores. El ruido ambiental procede principalmente del escape y del ventilador del radiador. Aunque hay muchas opciones comerciales de silenciadores de escape, el control del ruido del ventilador del radiador requiere un enfoque personalizado. El ingeniero debe conocer las distancias de las rejillas de admisión y salida de aire a los espacios ocupados, como oficinas, habitaciones de pacientes, departamentos de cirugía y barrios residenciales. La principal vía para el ruido de la superficie del generador y el ruido del ventilador del radiador es mediante las rejillas de admisión y salida de aire. Para conseguir una reducción importante del ruido a través de estas vías, se necesitan atenuadores o recintos a medida que suelen estar sobredimensionados para minimizar la caída de presión, lo que supone una necesidad de espacio significativamente mayor (consulte la figura 2).

Espacios libres eléctricos. El artículo 110 del NEC y la NFPA 99-2015: Código de Instalaciones de Salud identifican los espacios libres para los equipos EPS y EPSS. Dado que los espacios libres obligatorios varían en función del voltaje presente, los ingenieros deben saber en una fase temprana del diseño qué voltajes se utilizarán. Los generadores de media tensión pueden tener requisitos de conexión de cableado que aumentan el tamaño de los armarios asociados.

Ubicaciones EPSS. Según la norma NFPA 110, el EPSS puede ubicarse dentro de la sala de EPS. Sin embargo, ubicar el EPSS en la sala del generador lo expone a la humedad, la suciedad y las temperaturas extremas. La incomodidad ambiental para el personal operativo dificulta la comunicación y el funcionamiento de los equipos de EPSS.

Consideraciones sobre la instalación y la eliminación Debido a que cada unidad debe instalarse a través de una gran abertura, es común confiar en las rejillas de salida o admisión de aire de refrigeración como vía de instalación. Dado que la sustitución futura es inevitable, el ingeniero también debe asegurarse de que el generador pueda retirarse sin que se produzcan trastornos en todo el sistema, es decir, que se retiren las paredes.

Consideraciones operativas

Los ingenieros también deben idear métodos prácticos y procesables para resolver problemas operativos, como materiales sueltos, iluminación, sistemas de carga de baterías, inspecciones generales y documentación. Los motores generadores pueden superar a menudo los límites de audición establecidos por la norma OSHA 1910.95: Exposición al ruido en el trabajo. Por lo tanto, a menudo se necesitan tapones para los oídos y orejeras. Los tapones individuales pueden volarse con facilidad con la corriente de aire de admisión. No deben caer en las zonas calientes del motor ni interferir en el radiador o el ventilador del radiador. Deben colocarse tapones para los oídos y orejeras fuera de cada entrada al espacio del generador del motor. Esto hace que sea conveniente ponérselos antes de la exposición a ruidos perjudiciales.

Los objetos que puedan volarse, como manuales, papel, madera y plástico, deben guardarse fuera de la trayectoria de admisión y salida del generador del motor, y preferiblemente fuera de toda la sala. Cada tipo de material representa un riesgo para el radiador del generador, las aspas del ventilador de escape y las aletas, lo que pone en peligro todo el sistema.

Las luces nunca deben montarse en cadena. Deben montarse en la superficie o colgarse con perchas sólidas que eviten el balanceo y los daños accidentales. Los tipos de luminarias elegidos deben poder resistir las condiciones ambientales de una sala de EPS. Estas luminarias deben poder funcionar en un amplia gama de temperaturas y ser resistentes al polvo y a la humedad. Los niveles de iluminación deberán ser adecuados para las tareas de mantenimiento detalladas. La norma NFPA 110 exige que la iluminación de emergencia funcione con baterías dentro de la sala.

Los sistemas de carga de baterías de los generadores del motor pueden ser redundantes, y el EPSS puede elegir qué sistema de baterías utilizar para la energía de control y la señalización del Interruptor de Transferencia Automática (ATS, Automatic Transfer Switch). Los cargadores de baterías redundantes también se denominan "sistemas de mejor batería" porque seleccionan la batería de mayor voltaje de flotación para extraerla (consulte la Figura 3).

Antes de cada uso previsto, los generadores de motores deben inspeccionarse de forma visual, incluidos los niveles de fluidos, los voltajes de las baterías, los niveles de combustible y las observaciones de fugas. Se pueden detectar con facilidad varios problemas antes del uso. Los impulsores principales suelen estar visualmente ocupados con conexiones, tubos y curvas, pero suelen ser simétricos. Con la práctica repetida, observar una pieza errante o suelta se hace más fácil y merece unos momentos.

La numeración y el etiquetado de los disyuntores deben estar actualizados para que quede claro a qué circuito está asignado cada Dispositivo de Protección Contra Sobrecorriente (OCPD, Overcurrent Protective Device). Por lo general, los números de tres o cuatro dígitos son mucho más fáciles de reconocer y procesar que un nombre largo de interruptor. En la pared en las ubicaciones de EPS y EPSS, debería haber un diagrama eléctrico actual del campus o del edificio (formato unifilar o ascendente) para proporcionar a los operadores una referencia rápida. El diagrama unifilar debe tener los números del interruptor al lado de cada interruptor. Las etiquetas del interruptor deben incluir la fuente, la carga, el voltaje y la posición normal. El diagrama unifilar y las etiquetas de los disyuntores pueden clarificarse aún más con colores para cada sistema: rojo para la emergencia, negro para el servicio público y varios colores para la bajada de cada sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) o interruptor de transferencia.

Los sistemas de emergencia para los clientes de atención de salud y misión crítica deben tener mayor fiabilidad. Para satisfacer las necesidades de potencia y redundancia, son habituales los sistemas de alimentación de emergencia en paralelo. Los sistemas en paralelo aumentan la complejidad del diseño, la puesta en marcha y el funcionamiento.

El NEC añadió el artículo 700.3(f), en el que se aborda la mitigación de cortes de energía de emergencia para el mantenimiento. Dado que el EPS no puede proporcionar energía de respaldo durante los períodos de mantenimiento, el ingeniero debe ofrecer medios para conectar un EPS temporal o facilitar un número suficiente de generadores en paralelo para un sistema N+1. Una solución habitual es un armario de conexión del generador externo en el exterior del edificio (consulte la Figura 4). Este armario también puede proporcionar una conexión de banco de carga conveniente para ayudar con las pruebas del generador si está dimensionado para la capacidad de carga completa del generador más grande. Los armarios externos también permiten las conexiones al sistema sin requerir un bloqueo eléctrico del EPS para evitar posibles trabajos en caliente inesperados si los generadores de motores se necesitaran durante la actividad de mantenimiento. Dado que un EPS montado en un remolque requiere calentadores de bloque y otras necesidades eléctricas, normalmente se incluye un centro de carga monofásico, y el ingeniero debe determinar una fuente de energía para este panel. En lugar concurridos, debe supervisarse un EPS temporal, que debe cumplir los mismos requisitos que un sistema permanente.

El artículo 517.31(C)(1) de NEC identifica el requisito de separación física de los dispositivos de protección contra sobrecorriente (OCPD) que sirven a los interruptores de transferencia automática. En esta sección, se exige que los OCPD de seguridad vital, críticos y de rama de equipos estén en recintos verticales separados, lo que aumenta el requisito de tamaño físico de la distribución eléctrica. De esta manera, la distribución que podría caber en una sección de cuadro eléctrico se convierte en tres secciones separadas.

El NEC ha ampliado el artículo 240.87 para aclarar cómo se puede tener en cuenta la corriente de arco disponible al evaluar el cumplimiento de los tiempos de despeje reducidos. Los fabricantes de generadores pueden ayudar al cumplimiento de la normativa mediante la supervisión de una condición de falla y el corte de la corriente de campo del alternador para reducir el tiempo de energía de arco disponible. La coordinación selectiva y las consideraciones sobre el arco eléctrico quedan fuera del alcance de este artículo, pero son temas importantes de estudio, porque los diseños mal aplicados pueden suponer una amenaza para la vida humana.

A la hora de diseñar los equipos de conmutación o los cuadros de distribución para la puesta en paralelo o la distribución, los ingenieros deben decidir entre dos opciones principales de diseño: UL 1558 o UL 891. Dentro de la norma UL 1558, los equipos de conmutación pueden tener una construcción resistente a los arcos y una clasificación de resistencia de 30 ciclos, lo que puede mejorar la coordinación selectiva para los tiempos de despeje por debajo de 0,1 segundos al permitir que se desactiven los ajustes instantáneos de los interruptores del generador. Aunque con este enfoque se pueden obtener mejoras en la coordinación selectiva, la necesidad de proporcionar una reducción de la energía del arco sigue existiendo y los niveles de energía disponibles aumentan con el retraso de los tiempos de eliminación de fallos.

Cuando los ingenieros dimensionan los conductores, es posible que deseen usar tablas de ampacidad de 90 °C. Los interruptores con certificación UL están limitados a conexiones de 75 °C, lo que prohíbe el uso de valores de ampacidad de terminación de 90 °C.

Los generadores de voltaje medio suelen ser sistemas trifásicos de tres cables que requieren una consideración especial para la conexión del neutro en las salidas en estrella del generador. Las opciones de conexión son abiertas, de baja impedancia y de alta impedancia. Se necesitará espacio físico y espacios libres eléctricos para un resistor de neutro a tierra, lo que complica la configuración del cableado. Una ventaja del sistema de tres cables es que permite poner en paralelo generadores de diferentes pasos. Debido a que el diseño de paso tiene armónicos específicos asociados, la puesta en paralelo de generadores de tres cables de diferente paso introducirá armónicos para ambas topologías de diseño. Aunque este enfoque es más común para los sistemas auxiliares de 5 kV y 15 kV, también se puede aplicar para los sistemas de 600 V, específicamente los sistemas trifásicos de tres cables de 480 V. Este enfoque puede ofrecer la misma flexibilidad del fabricante del generador, pero, por lo general, limitará el edificio a una iluminación de 120 V o a transformadores separados de 480 V a 480/277 V para los paneles de iluminación. Al analizar estas opciones con el cliente, el ingeniero debe considerar el impacto que la complejidad adicional tendrá en el mantenimiento y el funcionamiento a largo plazo.

El ruido y las vibraciones pueden ser perjudiciales para las zonas de descanso de los pacientes y los departamentos quirúrgicos, donde la tolerancia a las molestias es mucho menor que en otras zonas. Las ubicaciones de EPS deben coordinarse durante la programación y el diseño esquemático para minimizar el costo asociado a los tratamientos y medidas acústicas.

Las pruebas periódicas de los generadores pueden interrumpir las actividades lucrativas, lo que suele limitar las horas del día o de la semana en las que el personal puede probar los equipos de EPS y EPSS.

Cuando las pruebas se realizan en momentos de mínima actividad, no se conoce la carga real del edificio y puede ser difícil alcanzar el 30 % de carga requerido. El ingeniero debe elegir un equipo de EPSS que facilite las pruebas sin interrumpir las instalaciones y que permita al personal realizar las pruebas con la carga del edificio durante las horas de mayor actividad.

En la versión 2015 de la norma NFPA 99, se esbozan más requisitos para los equipos de EPS y EPSS, y se define a qué nivel y clase pertenecerá una instalación, a la que se hace referencia en la norma NFPA 110 para los tiempos mínimos de ejecución. El sistema eléctrico esencial de tipo 1 se clasifica como grupo electrógeno de tipo 10, clase X, nivel 1 en el capítulo 4 de la norma NFPA 110.

Consideraciones sobre operaciones críticas

Las consideraciones sobre operaciones críticas incluyen las siguientes:

• Combustible. Las grandes cantidades de combustible que se mantienen durante horas de funcionamiento pueden estancarse sin un tratamiento químico o de pulido adecuado (consulte la Figura 5). El almacenamiento exterior debe calentarse o tratarse para evitar la gelificación en climas más fríos.
• Sistemas SAI de paso.
• Seguridad física
• Redundancia del sistema.

Puesta en marcha del sistema

Se deben considerar las mejores prácticas al poner en marcha un sistema de generador del motor:

• Los ingenieros y los propietarios pueden asistir a las pruebas en fábrica, y es la primera oportunidad de ver cómo funcionará el equipo. Se recomienda encarecidamente asistir a las pruebas de fábrica de los equipos en paralelo, y las pruebas deben incluir todas las configuraciones posibles y los posibles cortes para que se puedan hacer correcciones antes del envío al emplazamiento. Las pruebas presenciales en fábrica también permiten al propietario familiarizarse con el funcionamiento del equipo y hacer preguntas directamente al fabricante.
• Las pruebas de funcionalidad del emplazamiento se abordan en el capítulo 7.13 de la norma NFPA 110. Además de los requisitos del capítulo 7, las pruebas de aceptación deben incluir todas las situaciones posibles, especialmente cuando hay varios generadores en paralelo. Se recomienda realizar una prueba de interrupción mínima que culmine en una prueba de corte completa para probar completamente la programación y el cableado. La comprobación a través de los controles del interruptor de transferencia no valida el funcionamiento correcto cuando se pierde la energía de la red. De igual importancia es la reacción a la conmutación o a la falla momentánea de la alimentación de los sistemas mecánicos, que debe verificarse para garantizar que los controladores no deban reiniciarse de forma manual.
• Durante las Pruebas de Aceptación en Fábrica (FAT, Factory Acceptance Testing) y las Pruebas de Aceptación In Situ (SAT, Site Acceptance Testing), el ingeniero debe desarrollar y perfeccionar Métodos de Procedimiento (MOP, Methods Of Procedure) que creen una lista de comprobación clara paso a paso para realizar las tareas u operaciones de conmutación que se suelen repetir. El MOP debe desarrollarse para igualar o mejorar la documentación del usuario final. El fin es documentar claramente los pasos, para que, en momentos de esfuerzo o cuando se forme a nuevos operadores, los pasos sean claros, repetibles y probados. Es habitual incluir capturas de pantalla de paneles de control digitales que muestran el antes y el después de las líneas únicas y las posiciones de los interruptores. Estas instrucciones también deben incluir los pasos para hacer cumplir los procedimientos de bloqueo/etiquetado (LOTO, Lockout/Tagout) del cliente. Suele ser útil sumar el número de cortes necesarios para un MOP al principio para poder adquirirlas antes de que sean necesarias. Además, el MOP podría destacar cuándo una acción representa un peligro de arco eléctrico. Esto puede ser un recordatorio necesario para que los que necesitan equipos de protección personal se los pongan, y para que los que no están protegidos abandonen el límite del arco eléctrico.
• La documentación, incluidos los planos de taller, los MOP descriptivos, concisos y claros, y el etiquetado, debe estar en lugares de fácil acceso.
• Para un funcionamiento seguro y continuado, es vital que el personal de las instalaciones del propietario entienda cómo funciona el sistema y cómo conectar de manera manual los generadores al EPSS. La participación del ingeniero y del propietario durante la capacitación debe abarcar desde la aceptación en fábrica hasta la puesta en marcha para garantizar un funcionamiento seguro.
• La sincronización manual y automática debe revisarse hasta que el personal la conozca. No se puede subestimar el énfasis en el modo manual. Los operadores deben conocer lo que hace un sistema automático y familiarizarse con ello.
• Durante la SAT, se debe animar a los operadores a participar en las acciones físicas. Las lecciones sensoriales aprendidas durante estas acciones ayudarán a detectar el desgaste mecánico o el funcionamiento incorrecto en el futuro.

Para evitar las precipitaciones, que pueden entrar en los espacios controlados cuando varios generadores aportan un flujo de aire importante, considere estas cuatro configuraciones de diseño.

El diseño A representa un recinto exterior minimalista con las típicas compuertas de entrada de aire que permiten la mayor entrada de humedad.

El diseño B representa un edificio con un sofito o voladizo por encima de la compuerta de entrada de aire. Las rejillas de ventilación y el ático de admisión aire minimizan el ingreso de humedad.

El diseño C representa un armario exterior con rejillas de ventilación dimensionadas para un área libre de rejillas suficiente para minimizar la velocidad del aire, lo que minimiza o evita que la precipitación que cae sea arrastrada al interior del espacio.

Durante el clima en el que la nieve es una preocupación, el diseño D ilustra un ático de admisión de aire que se puede construir con rejillas que proporcionan una distancia adecuada entre la rejilla y el generador, lo que permite que las precipitaciones caigan fuera de la ruta de flujo de aire. Este espacio intersticial debe incluir el calor adecuado para derretir la nieve y el hielo, y los desagües trazados con calor para eliminar la escorrentía resultante. Las rejillas diseñadas para resistir fenómenos meteorológicos graves, como los huracanes, también pueden utilizarse para proteger el espacio de los desechos que vuelan, al tiempo que proporcionan capacidades de evacuación de agua con trayectorias de flujo especialmente diseñadas que recogen el agua y la canalizan fuera de la corriente de aire.