Ingeniería de diseño para sistemas de generación en centrales eléctricas energéticamente eficientes

La eficiencia energética en centrales eléctricas es vital para mantener un consumo mínimo dentro de la instalación. La eficiencia energética es el medio eficaz para configurar óptimamente los sistemas de control internos y utilizar solo la energía necesaria sin desperdicio. Este artículo aborda las preocupaciones al desarrollar una instalación y por qué la eficiencia energética no es una tarea sencilla.

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Diseñar para la eficiencia energética en centrales eléctricas presenta muchos desafíos, desde obstáculos técnicos hasta no técnicos. Los que pertenecen a la ingeniería eléctrica incluyen:

• En el diseño de centrales eléctricas, la ingeniería eléctrica suele ser el último departamento en intervenir, después de los sistemas mecánicos y de control.

Esto deja poco margen a los ingenieros eléctricos para participar en un diseño integrado de eficiencia energética adecuado. Esto a menudo tiene un efecto perjudicial en la eficiencia energética de la central. Significa que toda la energía consumida internamente a través del sistema eléctrico se utiliza de forma ineficiente.

• El sistema de potencia es el primer elemento que se define.

Esto causa más restricciones en el tiempo que los ingenieros eléctricos pueden dedicar a estudios conceptuales importantes para las operaciones internas de la central. Los estudios conceptuales suelen presentar la mejor oportunidad para comprender el impacto de cambios básicos de diseño que mejoran la eficiencia energética, desarrollados en torno a mejoras de mayor eficiencia basadas en análisis. Los estudios de calidad de energía para la eficiencia energética incluyen:

• Análisis de cargas
• Análisis de flujo de potencia y caída de tensión
• Análisis de arranque de motores
• Análisis de cortocircuito

Análisis de cargas

El análisis de cargas es uno de los pasos de ingeniería más importantes para aumentar la eficiencia energética. Recopilar información y datos sobre todas las cargas que el sistema de potencia encontrará es el primer paso hacia el diseño. Esto significa comprender cargas críticas, ciclos de trabajo, variaciones estacionales y requisitos de arranque. Estas fuentes suelen provenir de los equipos de diseño mecánico y de control. Debido a la fragmentación de proveedores, compilar una lista detallada de cargas nunca es una tarea fácil. Para quienes no disponen de datos reales en diseños actuales, pueden consultar proyectos pasados similares como guía.

El análisis de cargas debe comenzar cuantificando la carga máxima de operación basada en cargas reales y factores de carga. Los valores inflados proporcionados por el fabricante pueden llevar a un sobredimensionamiento del suministro. El análisis de cargas también debe tener en cuenta el número de cargas en el sistema.

Análisis de flujo de potencia y caída de tensión

Los voltajes del sistema de la central eléctrica tienen un impacto definitivo en la eficiencia energética. Elegir un voltaje de barra más alto, cuando sea posible, reducirá las pérdidas óhmicas debido a niveles de corriente más bajos en comparación con barras de baja tensión. Seleccionar accionamientos y motores de media tensión en lugar de baja tensión reducirá las pérdidas óhmicas en equipos de accionamiento. Motores y transformadores nominales a niveles de voltaje más altos tienen, en última instancia, mayores eficiencias. Por tanto, voltajes de barra más altos permitirán al diseñador especificar menos transformadores, pero de mayor tamaño, aumentando la eficiencia energética general del sistema.

Análisis de arranque

Los motores con arrancadores suaves consumen mucho más que su corriente de carga completa durante el arranque. Las altas demandas de par durante el arranque aumentarán la carga en el sistema de potencia, llevando a componentes sobredimensionados, lo que conlleva un gasto extra de menor eficiencia en funcionamiento continuo. Comprender los requisitos de arranque del motor ayudará a diseñar componentes de interconexión sin sobreestimar parámetros, diseñando esencialmente para condiciones de operación exactas para componentes adecuados.

Análisis de cortocircuito

El propósito principal del análisis de cortocircuito es asegurar que los interruptores no se vean sobrecargados bajo condiciones de cortocircuito. Los interruptores deben ser capaces de transportar la corriente de carga normal y poder interrumpir corrientes de fallo. Si se supone que los interruptores deben interrumpir una corriente superior a su capacidad de interrupción, pueden seguir consecuencias dañinas. Asegurarse de que la corriente nominal y la capacidad de interrupción estén dentro de rangos razonables mejorará las posibilidades de prevenir daños a los componentes del sistema.

La importancia del dimensionamiento de equipos y diseño de barras

Equilibrar correctamente las cargas entre barras mejorará la calidad de la energía y la eficiencia energética. En las centrales eléctricas hay múltiples fuentes de energía y lograr un equilibrio correcto conducirá a optimizar los tamaños de los componentes del sistema de potencia y reducir los requisitos de arranque para cada barra.

Un análisis adecuado producirá los tamaños óptimos de interruptores y cables. Un mal dimensionamiento de componentes puede tener consecuencias tanto en la eficiencia energética como en las funciones de protección. Entender que los cables subdimensionados tienen mayores pérdidas es importante para la determinación del tamaño del cable.

Algunas directrices para el dimensionamiento de barras de cobre incluyen aumentar la sección transversal para reducir pérdidas energéticas, duplicar el área de la sección transversal del conductor para reducir la resistencia a la mitad y reducir las pérdidas esencialmente a la mitad. Los primeros incrementos de tamaño por encima del mínimo permitido harán una diferencia considerable en la pérdida, pero con cada aumento incremental el retorno disminuye. Seleccionar múltiples barras para una sola barra colectora es otro tema que el ingeniero de diseño debe considerar para lograr una menor pérdida del sistema.

Las barras colectoras son componentes de larga vida en la planta, lo que da más peso a su coste energético de funcionamiento en el cálculo del ciclo de vida. Para seleccionar una barra colectora adecuada se requiere comprender la caída de tensión, la corriente de cortocircuito y el efecto piel que el sistema encuentra durante operaciones normales.

Diseño para una correcta disposición del cableado en centrales eléctricas

La disposición física de los componentes del sistema de potencia y la longitud y diámetro de los cables deben seleccionarse para pérdidas mínimas. La pérdida de potencia se desperdicia en cables en sistemas eléctricos. Las pérdidas también incluyen las de equipos de maniobra y otros dispositivos conductores de corriente como controles y circuitos de protección. Directrices de diseño para reducir pérdidas incluyen:

• Ubicar centralmente el centro de carga para transformadores, equipos de maniobra para:
  • Reducir la longitud de tendidos de cable
  • Reducir pérdidas y caídas de tensión
• Mantener barras y derivaciones lo más cortas posible para:
  • Reducir la distancia entre el transformador de unidad auxiliar y el generador
• Aumentar el diámetro de cables más pequeños en uno o máximo dos calibres para obtener beneficios que incluyen:
  • Menores pérdidas óhmicas
  • Más cable de menos tamaños diferentes reduce el desperdicio durante la instalación y obtiene mejores condiciones como cantidades mínimas de pedido.

El equipo principal se distribuye antes de determinar las conexiones entre ellos. Determinar la opción de diseño de cables de diámetro mínimo permitido para reducir costes iniciales de material, a costa de costes operativos de por vida mucho mayores.

Determinación del diseño de cables

La determinación de la sección transversal de cables entre cargas interconectadas debe calcularse en relación con las condiciones de operación y la longitud del cable. Los factores que influyen en la sección transversal del cable incluyen:

• Carga permitida en condiciones normales, teniendo en cuenta la temperatura ambiente y métodos de tendido.
• Resistencia térmica a cortocircuito
• Caída de tensión permitida a lo largo del tendido en condiciones normales y fase de arranque.
• Respuesta del dispositivo de protección en caso de sobrecargas y la menor corriente de cortocircuito posible para interrumpir tensiones peligrosas.

Planificación de rutas de cable

El tendido de cables en instalaciones complejas, centrales eléctricas y subestaciones requiere una inmensa cantidad de trabajo por parte de ingenieros y planificadores. Implica organizar cables para dar el camino más corto entre su punto de partida y destino final, asegurando que ciertas combinaciones no influyan adversamente entre sí.

El diseño asistido por ordenador (CAD) se ha utilizado ampliamente como medio para desarrollar e implementar adecuadamente la disposición de componentes y cableado. Las instalaciones de centrales eléctricas requieren un tremendo cuidado al desarrollar un flujo totalmente funcional y energéticamente eficiente.

E3.3D Routing Bridge

E3.3D Routing Bridge permite un enrutamiento de rutas fácil con integración completa con software CAD mecánico. Determinar la longitud, diámetro y normas de cable para la selección entre componentes interconectados nunca ha sido tan fácil.

Para ayudar a lograr el mejor diseño, Zuken ha desarrollado enlaces entre E3.series y todos los principales proveedores de MCAD (CAD mecánico), permitiendo la creación de modelos de diseño totalmente integrados. Usando E3.3D Routing Bridge, la información esquemática y de conexiones de E3.series puede interfaciarse con todos los principales sistemas MCAD. Funciones que incluyen:

• Transferencia de información de componentes a MCAD (conectores, pines, empalmes)
• Transferencia de datos hacia/desde MCAD
• Comprobación de colisiones o detección de interferencias en MCAD
• Comprobación de radio de curvatura de cables
• Cálculo automático de longitud de cables y segmentos en MCAD
• Creación automática de documentación de fabricación en E3.Formboard

E3.Schematic

Diseño y documentación de sistemas de control eléctrico incluyendo diagramas esquemáticos, planos de bornes y PLCs. Ayuda a prevenir errores mientras diseña para poder desarrollar sistemas para el mejor diseño energéticamente eficiente. Interfaz fácil de arrastrar y soltar para ahorrar tiempo en el diseño de conexiones y componentes, dedicando más tiempo a la eficiencia de la planta y menos al desarrollo del producto. Integra fácilmente el trabajo a través de múltiples plataformas para integración entre diseño mecánico y eléctrico. Esto da pasos para el desarrollo de diseño para ingenieros eléctricos cuando los sistemas mecánicos y de control se diseñan antes de la consideración eléctrica. E3.Schematic ofrece las siguientes funciones para facilitar la fase de diseño:

• Crea y documenta tus esquemáticos eléctricos eficientemente
• Previene errores con reglas de diseño integradas
• Capacidad de los ingenieros para diseñar con una enorme biblioteca de componentes pre-diseñados, pre-aprobados y probados
• Diseño con arrastrar y soltar
• Conecta fácilmente componentes eléctricos
• Numeración automática de cables
• Predefine tus propios subcircuitos
• Gestiona bornes en múltiples hojas con diseño de software inteligente
• Genera documentación de proyecto en simples pasos

¿Hay formas en que su instalación podría volverse más eficiente energéticamente? Comente qué le gustaría mejorar.

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