Los software de dimensionamiento de grupos electrógenos o plantas eléctricas pueden ayudar a los ingenieros a optimizar los diseños de sistemas de emergencia para varios tipos de carga.
Las instalaciones de misión crítica, como hospitales, centros de datos, instituciones financieras y otras instalaciones que tengan procesos que requieran continuidad, deben protegerse contra posibles fallas de las fuentes de energía de las compañías eléctricas normales y proporcionar un suministro alternativo confiable de energía.
Los generadores impulsados por motor (Comúnmente a gas o diésel) son los caballos de batalla que satisfacen esta necesidad de energía de emergencia y de reserva. Con operaciones críticas, y muchas veces vidas humanas, que dependen de estos sistemas, es importante que el ingeniero diseñe un sistema de emergencia que tenga el tamaño correcto para los diversos tipos de cargas.
Si un sistema de generación con planta eléctrica tiene un tamaño insuficiente, provocará fluctuaciones de voltaje y daños al generador o al equipo al que sirve, o peor aún, perderá la carga por completo. Si está sobredimensionado, puede desarrollar problemas de mantenimiento y otros problemas como apilamiento en húmedo.
El apilamiento en húmedo es una condición en los motores diesel en los que el combustible no quemado pasa al sistema de escape.
El método más común para dimensionar un sistema de generador es calcularlo con la carga total conectada. Sin embargo, hay varios otros factores, como la altitud, la temperatura, el tipo de combustible y la aplicación, que influyen en el tamaño del generador.
En las instalaciones de misión crítica actuales, también hay varios tipos diferentes de cargas, como bombas contra incendios, enfriadores y sistemas UPS conectados a un sistema de energía de emergencia/reserva, que pueden afectar el tamaño del generador.
Cada uno de estos tipos de carga tiene una característica diferente durante la puesta en marcha y el tiempo de funcionamiento, y reacciona de forma diferente ante diversas anomalías eléctricas. Algunos tipos de carga, como las bombas contra incendios, tienen una caída de voltaje específica (menos del 15%) o requisitos de caída de frecuencia que deben cumplirse durante el arranque. Estos factores deben considerarse y analizarse al dimensionar un generador.
Un análisis detallado de los parámetros de carga y dimensionamiento manual de un generador puede ser una tarea abrumadora. Sin embargo, hay varios software sofisticados gratis para ayudar al diseñador a dimensionar y seleccionar el motor correcto. Los programas de software de dimensionamiento de plantas eléctricas en el mercado actual están desarrollados de manera intrincada para permitir una selección precisa que se adapta específicamente a cada aplicación.
Para profundizar en sus características, este artículo presenta un proyecto hipotético que utiliza cuatro populares programas de software de dimensionamiento. El estudio de caso incluye parámetros de carga predefinidos e incluye consejos y técnicas para optimizar el tamaño del generador.
En el ejemplo hipotético se considero una instalación que requiere un grupo electrógeno diésel de reserva para soportar varias cargas.
Programas o software para el diseño de plantas eléctricas y grupos electrógenos
Cummins Power Suite – GenSize – GenCalc – GenSpec
Cummins Power Suite – GenSize es un programa de software desarrollado por Cummins Power Generation, Inc. Según los desarrolladores, el objetivo del programa era tener una herramienta que fuera fácil de usar, pero muy flexible.
El programa permite a los usuarios ingresar parámetros específicos, como la caída de voltaje de las cargas del motor, lo que permite la máxima flexibilidad.
El programa también incluye parámetros predeterminados que ayudan a garantizar que el diseñador no reduzca el tamaño de un generador. Además, en la página, incluye herramientas de ayuda específicas que incluyen consejos y enlaces directos para contactar al distribuidor local.
El software está disponible como una base de datos en línea que permite a los desarrolladores proporcionar datos de rendimiento actuales, que se actualizan periódicamente para garantizar que no esté utilizando datos obsoletos.
Cummins Power Suite GenSize incluye una herramienta en línea que permite el trabajo colaborativo en el que los proyectos se pueden compartir en un tablero en línea entre diseñadores o ingenieros de aplicaciones.
Los datos no son visibles para ningún otro usuario a menos que el proyecto se comparta específicamente en el sitio de colaboración. El programa no está disponible en una versión descargable es online, pero los proyectos que se han iniciado en versiones anteriores de la versión descargable se pueden cargar en el sitio.
Los datos de carga del proyecto de ejemplo se ingresaron en el programa en función de una serie de ajustes preestablecidos disponibles. Las cargas se asignaron luego a la cantidad de pasos aplicables al proyecto.
Después de que se ingresan los datos y se asignan los pasos, el software primero selecciona el grupo electrógeno más pequeño que cumpla con los requisitos de rendimiento.
Para el proyecto de ejemplo, el software recomendó un solo grupo electrógeno de 1.500 kW / 1.875 kVA. Además de esta selección, el programa proporcionó selecciones alternativas de generadores que pueden satisfacer las necesidades y resalta los parámetros que no cumplirán con los requisitos ingresados.
El programa resalta los parámetros en dos colores diferentes: rojo si no cumple con los requisitos y amarillo si hay algunos elementos de advertencia que el diseñador debería considerar. Esta característica ayuda al usuario a comprender exactamente qué está impulsando el tamaño del motor y brinda orientación sobre algunos cambios de diseño que podrían realizarse para reducir el tamaño del sistema.
En la página de resultados, las hojas de especificaciones están directamente vinculadas al motor seleccionado por el sistema, así como a los resultados del modelado de información de construcción (BIM). También hay varias funciones de impresión disponibles directamente desde la página de resultados.
Caterpillar Electric Power SpecSizer
SpecSizer es un programa de software desarrollado por Caterpillar Inc. Actualmente está disponible como un programa online desde el sitio web de Caterpillar.
El programa permite a los usuarios introducir parámetros específicos, como el porcentaje de arranques intermitentes del motor, lo que permite al diseñador tener en cuenta las condiciones de funcionamiento del mundo real cuando trabaja.
Otras características que tiene la versión en línea incluyen un parámetro de carga para sistemas de enfriamiento específicos, que ayudará a los diseñadores de sistemas a modelar las cargas de enfriadores con mayor precisión.
Los datos de carga del proyecto de ejemplo se ingresaron en el programa en función de las cargas predeterminadas disponibles. A medida que se agregan las cargas, el software muestra un informe actualizado de la carga conectada en la pantalla del escenario de carga. A las cargas se les asigna un paso cuando se ingresan. Después de que se ingresan los datos y se asignan las cargas, el programa genera una selección basada en el generador más pequeño que cumplirá con los requisitos de rendimiento.
Después de seleccionar el funcionamiento correcto del motor, el software recomendó un grupo electrógeno de 2000 kW / 2500 kVA. En la sección técnica del software, el programa genera informes de dimensionamiento del proyecto y proporciona un informe de rendimiento transitorio que muestra las características reales que se esperan por paso.
Generac Power Design Pro
Power Design Pro es un programa de software online desarrollado por Generac Power Systems, Inc. El software se puede descargar desde el sitio web de Generac en una computadora.
Después del proceso de registro, la operación del programa comienza con la configuración del proyecto. Este software incluye opciones preestablecidas de datos muy completas, los tipos de carcasa, las opciones del tanque de combustible y el tiempo de trabajo.
Una pestaña de configuración de usuario ofrece entrada de datos de parámetros generales del proyecto. El software también ofrece material descargable desde la página de inicio que incluye las instrucciones de uso.
Una vez completada la configuración del proyecto, el usuario agrega cargas desde el menú de carga predeterminado. Este software online ofrece la mayor selección de opciones de carga en comparación con los otros programas.
Una característica única de Power Design Pro es la capacidad de seleccionar manualmente el generador. En lugar de utilizar una función de selección automática, el diseñador puede ingresar una configuración y una clasificación de kW específicas.
Para el proyecto de ejemplo, después de ingresar las cargas bajo la función de selección automática, el programa recomendó seis generadores en paralelo de 500 kW / 625 kVA. Cuando se cambió a la función manual, y se seleccionaron unidades de 600 kW (la clasificación máxima de kW ofrecida por Generac), el programa recomendó tres unidades de 600 kW / 750 kVA. Aunque no fue recomendado por la función de selección automática, se permitió seleccionar cantidades y tamaños alternativos de generadores que aún cumplieron con los parámetros del proyecto.
Si se selecciona un sistema que no cumple con los parámetros, las entradas se resaltan en rojo, lo que indica que la selección manual no cumpliría con los parámetros del proyecto. Esta es una opción muy flexible para el programa, que permite al ingeniero determinar la cantidad y el tamaño de los generadores para cada aplicación específica.
Una vez que se ha seleccionado el sistema de generador, la pestaña de diseño mecánico ayuda con el diseño de las tuberías de gas y escape y la configuración del generador en paralelo. La pestaña de análisis proporciona acceso directo a varios informes, incluido un resumen del proyecto y análisis transitorios y armónicos.
Kohler QuickSize
QuickSize es un programa de software desarrollado por Kohler Power Systems. Es una aplicación fácil de usar que requiere un nombre de usuario y una contraseña (Registro fácil de usuario).
Todos los proyectos desarrollados con este software están automáticamente disponibles para el representante de Kohler y se pueden ver si se desea ayuda adicional.
Las hojas de especificaciones y otros dibujos en PDF están disponibles a través del software, además de los modelos BIM.
Después de ejecutar el software de dimensionamiento, se encuentra disponible una especificación personalizada (como un documento de Word) para el proyecto según los parámetros y el grupo electrógeno seleccionados. La especificación se puede utilizar como un todo o copiar y pegar en otro formato de especificación para satisfacer las necesidades del usuario.
Similar a los otros programas, QuickSize utiliza botones desplegables preestablecidos para ingresar parámetros, que se pueden revisar durante cualquier paso de la entrada de datos. Toda la información se muestra en una pantalla y todos los datos se pueden cambiar en cualquier momento.
Primero, se ingresan las cargas específicas. Las cargas se pueden mover hacia arriba o hacia abajo entre los pasos en cualquier momento, y toda la información se puede editar fácilmente durante todo el proceso.
Una vez que se ingresan todos los datos y se asignan los pasos de carga, al hacer clic en el botón de resultados de búsqueda se obtiene una lista de grupos electrógenos aplicables, enumerados por número de modelo, alternador y motor con el tamaño recomendado más pequeño en la parte superior.
Los motores que no cumplirán con los requisitos se indican en rojo en la parte inferior con una explicación del rechazo del programa. Para el proyecto de ejemplo, el software recomendó un solo generador de 1.500 kW / 1.875 kVA. Desde aquí, está disponible un enlace directo a un informe resumido de todas las entradas y otros parámetros utilizados, y se pueden crear especificaciones.
Kohler indicó que continuará desarrollando su programa de software para proporcionar las herramientas y opciones necesarias para mejorar la experiencia del usuario al hacer que el programa sea integral e intuitivo.
Estrategias para optimizar la selección del sistema
Una vez que se ingresan los datos iniciales del proyecto en el sistema, existen varios consejos y trucos para reducir el tamaño del generador requerido. Una lista parcial de consejos incluye:
- Proporcione rectificadores de mayor calidad en el equipo para reducir los armónicos.
- Incluya VFD o arrancadores de voltaje reducido en las cargas del motor para permitir un arranque suave y minimizar el impacto de arranque.
- Permita pasos de carga adicionales en el proyecto agregando interruptores de transferencia automática, controladores lógicos programables o retrasos de tiempo en los interruptores motorizados.
- Cargue primero el sistema con las cargas de motor más grandes.
- Desactive los bancos de capacitores en cargas de emergencia.
La aplicación de algunos de estos cambios en el diseño puede tener un gran impacto en el tamaño del generador.
Estos elementos también pueden tener un costo más alto, pero si los resultados reducen el tamaño de un generador o incluso la cantidad de generadores requeridos para el proyecto, pueden proporcionar beneficios financieros significativos para el proyecto en su conjunto.
Análisis de resultados
Como se ilustra en el análisis del ejemplo, en cada programa se produce resultados diferentes. Cada fabricante tiene una forma única de modelar los parámetros de carga con valores predeterminados de línea de base incorporados.
Además, cada programa modela las funciones operativas de los grupos electrógenos de manera diferente. Por ejemplo, al calcular la caída de voltaje sostenida para los parámetros del proyecto, algunos programas usan una caída de voltaje promedio durante varios ciclos, mientras que otros usan una caída de voltaje instantánea. Además, algunos fabricantes usan sus propios alternadores mientras que otros compran alternadores externos. Por lo tanto, el modelado interno difiere debido a las propiedades inherentes al equipo.
El factor más importante en el uso de software de dimensionamiento de generadores es saber tanto como sea posible sobre las cargas y recordar que a veces puede ser más un arte que una ciencia.
Cuanto más exacta sea la entrada de datos, en lugar de utilizar los parámetros predeterminados del sistema, más preciso será el tamaño del generador requerido. El uso adecuado de un programa de dimensionamiento de generadores proporcionará al diseñador un mayor nivel de confianza para especificar un sistema que sea lo suficientemente grande para satisfacer las necesidades del proyecto, pero no sobredimensionado.
Sin embargo, incluso con soluciones de software sofisticadas, el diseñador debe utilizar su criterio de ingeniería para seleccionar el tamaño adecuado del grupo electrógeno.