Manual de Aplicación Conjuntos Generadores enfriados con Líquido

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1 North America rd Ave. NE Minneapolis, MN USA Phone Fax Asia Pacific 10 Toh Guan Road, #07-01, TT International Tradepark Singapore Phone Fax Manual de Aplicación Conjuntos Generadores enfriados con Líquido Brazil Rua Jati, 310, Cumbica Guarulhos, SP Brazil Phone Fax Nuestra energía trabajando para ti. China 8 Wanyuan Street, Beijing Economic and Technological Dev. Area Beijing P.R. China Phone Fax Europe, CIS, Middle East and Africa Manston Park Columbus Ave. Manston Ramsgate, Kent CT 12 5BF United Kingdom Phone Fax India 35A/1/2, Erandawana, Pune India Phone Fax Latin America 3350 SW 148th Ave., Suite 205 Miramar, FL USA Phone Fax Mexico Eje 122 No. 200 Zona Industrial San Luis Potosí, S.L.P Mexico Phone Fax Cummins Power Generation Inc. All rights reserved. Cummins Power Generation and Cummins are registered trademarks of Cummins Inc. PowerCommand is a registered trademark of Cummins Power Generation. Other company, product, or service names may be trademarks or service marks of others. Specifications are subject to change without notice. T-030G (Rev 01/11) CNA110027_T-030 App Manual Cover_Spa 1-2 2/10/11 2:33 PM T-030 App Manual Cover 2 JOB # CNA DATE CLIENT Cummins Power Generation JOB DESCRIPTION Spanish Version FLAT 17 x 11 BLEED.125 FOLDED 8.5 x 11 FILE COLOR CMYK PMS 485 c M Y K PMS 485 InitIals CD Brien Spanier AD Benson Hardy CW Don Flanagan DS AM Christie Graham PM Katie DeSmet CLIENT date

2 ÍNDICE Manual de Aplicación - Conjuntos Generadores Enfriados con Líquido GARANTÍA vii 1 INTRODUCCIÓN 1-2 Generalidades 1-2 Acerca de Este Manual 1-2 Manuales Relacionados a la Aplicación 1-3 Seguridad DISEÑO PRELIMINAR 2-2 Generalidades 2-2 Requerimientos de Potencia 2-2 Requerimientos Generales 2-2 Requerimientos Específicos 2-2 Tipos y Capacidades del Sistema 2-3 El Diagrama Unifilar 2-4 Lineamientos para los Rangos de Potencia del Conjunto Generador 2-4 Potencia En Espera 2-4 Potencia Primaria 2-5 Potencia de Carga Base (Potencia Continua) 2-6 Dimensionamiento 2-6 Consideraciones de la Ubicación 2-6 Consideraciones para la Ubicación en el Exterior 2-7 Consideraciones para la Ubicación en el Interior 2-8 Consideraciones para la Selección del Combustible 2-9 Combustible Diesel 2-9 Combustible Biodiesel 2-10 Gas natural 2-10 LPG (Gas Licuado de Petróleo) 2-10 Gasolina 2-10 Combustibles Sustitutos 2-10 Consideraciones Ambientales 2-11 Ruido y Tratamiento del Ruido 2-11 Niveles y Regulaciones del Ruido 2-11 Regulaciones para las Emisiones del Escape del Motor 2-11 Regulaciones para el Almacenamiento del Combustible 2-11 Protección contra Incendios 2-12 Cuestionario del Diseño Preliminar IMPACTO DE LA CARGA ELÉCTRICA EN LA DIMENSIÓN DEL GENERADOR 3-2 Generalidades 3-2 Aplicaciones y Rangos de Servicio 3-2 Rangos de Servicio del Conjunto Generador 3-2 Aplicaciones Obligatorias y Opcionales 3-2 Entendiendo las Cargas 3-3 Requerimientos de Arranque y funcionamiento de las Cargas 3-3 Secuenciado la carga por pasos 3-4 Tipos de Cargas 3-4 Características de la Carga 3-12 i

3 4 SELECCIÓN DEL EQUIPO 4-3 Generalidades 4-3 Alternadores 4-3 Voltaje 4-3 Aislamiento y Capacidades 4-3 Devanados y Conexiones 4-5 Fundamentos y Excitación 4-5 Motores 4-11 Gobernadores 4-11 Sistemas de Arranque del Motor 4-11 Controles 4-13 Basados en Relevadores 4-13 Con Base Electrónica (Microprocesador) 4-14 Electrónicos de Autoridad Total 4-14 Opciones de Control 4-15 Accesorios y Opciones 4-15 Seguridades de los controles y Anunciadores 4-15 Interruptores de Circuito de la Línea Principal 4-15 Baterías y Cargadores de Batería 4-16 Sistemas de Escape y Silenciadores 4-17 Casetas (Cabinas) 4-18 Configuraciones de Enfriamiento y Ventilación Alternas 4-18 Sistemas de Mantenimiento del Nivel de Aceite Lubricante 4-19 Dispositivos de Calentamiento para Conjuntos Generadores En Espera 4-19 Tanques de Combustible (Diesel) 4-21 Montaje de Aisladores de Vibración 4-22 Equipo de Conmutación de Energía 4-22 Necesidades Adicionales del Equipo DISEÑO ELÉCTRICO 5-3 Generalidades 5-3 Diseños Típicos del Sistema Eléctrico 5-3 Lineamientos Generales 5-3 Requerimientos 5-4 Recomendaciones 5-4 Sistemas Típicos de Bajo Voltaje 5-5 Sistemas Típicos de Medio y Alto Voltaje 5-7 Elegir un Transformador para el Generador 5-8 Generadores Sencillos versus Paralelos 5-12 Sistemas Combinados de Generador y Servicios 5-14 Distribución de Energía 5-16 Conexiones Eléctricas 5-17 Generalidades 5-17 Conexiones de Energía CA al Generador 5-18 Conductores de Energía CA 5-19 Carga con Factor de Potencia Adelantado 5-21 ii

4 Aterrizado del Sistema y el Equipo 5-22 Coordinación Selectiva 5-23 Falla y Protección de Sobre-Corriente con Conjuntos Generadores 5-25 Dimensionar un Interruptor de Circuito del Generador de Línea Principal 5-25 Fuentes del Conjunto Generador 5-26 Protección de Sobrecargas de los Generadores 5-27 Voltaje Medio, Todas las Aplicaciones DISEÑO MECÁNICO 6-5 Cimentación y Montaje 6-5 Montaje del Generador y Aislamiento de Vibraciones 6-5 Medidas de la Cimentación 6-5 Cimentación para el Aislamiento de la Vibración 6-6 Aisladores de Vibración 6-7 Resistencia a Terremotos 6-9 Protección Contra Tirones del Cableado de Energía y Control 6-9 Sistema de Escape 6-9 Lineamientos Generales del Sistema de Escape 6-9 Cálculo del Sistema de Escape 6-12 Enfriamiento del Motor 6-15 Requisitos 6-15 Recomendaciones 6-17 Generalidades 6-17 Tipos de Sistemas de Enfriamiento 6-18 Sistemas de Enfriamiento Suministrados de Planta 6-19 Sistemas de Enfriamiento Suministrados No-de-Planta 6-19 Refrigerante 6-29 Altitud y Temperatura Ambiente 6-31 Enfriamiento del Alternador 6-31 Obstrucción del Sistema de Enfriamiento 6-31 Calidad del Servicio 6-32 Aplicaciones Móviles 6-32 Enfriamiento del Motor 6-32 Radiador Montado en Patín 6-33 Radiador Remoto 6-33 Sistema de Radiador Remoto con Tipo de Deaereación 6-35 Radiador Remoto con Bomba de Enfriamiento Auxiliar 6-35 Radiador Remoto con Pozo Caliente 6-36 Enfriamiento del Motor de Circuito Múltiple Radiadores Remotos 6-37 Radiadores para Aplicaciones de Radiador Remoto 6-38 Enfriamiento de Combustible con Radiadores Remotos 6-40 Cálculos de Dimensionamiento para Tubería de Enfriamiento 6-41 Ventilación 6-42 Generalidades 6-42 Requisitos 6-43 Recomendaciones 6-43 iii

5 Determinando los Requisitos de Flujo de Aire 6-47 Requisitos del Diseño de Entrada y Salida de la Ventilación del Cuarto 6-47 Calculando el Área de Flujo Efectivo de Entrada/Salida 6-48 Lineamientos para el Diseño de la Entrada y la Salida 6-49 Presión Negativa en el Cuarto del Conjunto Generador 6-49 Ventilación del Cárter del Motor 6-50 Restricción del Flujo de Aire 6-50 Ventilando Conjuntos Generadores Múltiples 6-51 Operación de las Persianas 6-52 Muros de Bloqueo 6-52 Filtrado del Aire de Ventilación 6-52 Altitud y Temperatura Ambiente 6-53 Verificación del Sistema 6-53 Lineamientos Generales 6-54 Cálculos del Flujo de Aire 6-55 Prueba en Campo de los Sistemas de Ventilación 6-56 Ventilación del Radiador Montado en el Patín 6-56 Ventilación con Aplicaciones de Intercambiador de Calor o Radiador Remoto 6-58 Ejemplo del Cálculo del Flujo de Aire de Ventilación 6-58 Suministro de Combustible 6-59 Suministro de Combustible Diesel 6-59 Tubería de Combustible Diesel 6-65 Tanque de Combustible Sub-Base 6-66 Tanques de Día 6-66 Suministro de Combustible Gaseoso 6-66 Calidad del Combustible Gaseoso 6-67 Diseño del Sistema de Combustible del Conjunto Generador 6-69 Diseño del Sistema de Combustible del Sitio 6-69 Cálculos de Presión del Combustible Sistema de Combustible Gaseoso 6-71 Reducir el Ruido en Aplicaciones del Conjunto Generador 6-73 La Ciencia del Ruido 6-73 Ruido del Conjunto Generador 6-75 Estructura de Reducción Ruido Transmitido 6-76 Reducir el Ruido en el Aire 6-76 Casetas con Atenuación del Sonido (Cabinas) 6-76 Desempeño del Silenciador del Escape 6-77 Protección Contra Incendios 6-77 Diseño del Cuarto del Equipo 6-78 Consideraciones Generales 6-78 Instalaciones Arriba del Techo 6-79 iv

6 7 Cuestionario de Salud, Seguridad y Medio Ambiente 7-2 Cuestionario para el Proyecto e Instalación 7-2 Cuestionarios de Instalación Abierto 7-6 Cuestionarios de Instalación Cerrado 7-8 Cuestionario de Pre - Arranque 7-11 Cuestionario de Arranque 7-13 v

7 APÉNDICE A A-3 Dimensionamiento de Conjuntos Generadores con GenSizet A-3 Generalidades A-3 Parámetros del Proyecto A-4 Metiendo las Cargas A-6 Definición de Términos A-7 Cálculos Detallados de la Carga A-8 Cálculos Misceláneos de la Carga A-11 Metiendo las Cargas en Pasos A-12 Consideraciones de los Pasos de la Carga A-12 Lineamientos de la Secuencia en Pasos A-12 Recomendaciones y Reportes A-13 Reportes A-17 APÉNDICE B B-2 Arranque del Motor con Voltaje Reducido B-2 Una Comparación de los Métodos para el Arranque del Motor B-2 Arranque del Motor con Voltaje Pleno B-2 Arranque del Motor con Autotransformador, Transición Abierta B-3 Arranque del Motor con Autotransformador, Transición Cerrada B-3 Arranque del Motor con Reactor, Transición Cerrada B-4 Arranque del Motor con Resistencia, Transición Cerrada B-4 Arranque del Motor Delta-Estrella, Transición Cerrada B-5 Arranque del Motor con Devanado Partido, Transición Cerrada B-5 Arranque del Motor con Rotor Devanado B-6 Arranque del Motor Síncrono B-6 Nota de Aplicación General B-7 APÉNDICE C C-2 Voltajes y Suministros Mundiales C-2 APÉNDICE D D-2 Fórmulas Útiles D-2 APÉNDICE E E-2 Mantenimiento y Servicio E-2 Diario E-2 Semanal E-2 Mensual E-2 Semestral E-3 Anual E-3 APÉNDICE F F-2 Códigos y Estándares F-2 Estándares de Productos Relacionados F-2 Modificación de Productos F-2 APÉNDICE G G-2 Glosario G-2 APÉNDICE H H-2 Lista de Figuras H-2 APÉNDICE I I-1 Lista de Tablas I-2 vi

8 Garantía Manual de Aplicación - Conjuntos Generadores Enfriados con Líquido Garantía: Este manual se publica únicamente para propósitos de información y no debe considerarse que incluya todo. Si se requiere de más información, consulte a Cummins Power Generation. La venta del producto mostrado o descrito en esta literatura está sujeta a los términos y condiciones descritos en las políticas apropiadas de venta de Cummins Power Generation u otros convenios contractuales entre las partes. Esta literatura no está pensada para ningún contrato ni lo amplía o se agrega a él. La única fuente que gobierna los derechos y reparaciones de cualquier comprador de este equipo es el contrato entre el comprador y Cummins Power Generation. En ningún caso Cummins Power Generation será responsable con el cliente o el usuario en el contrato, de agravio (incluyendo negligencia), estricta responsabilidad legal o por otro lado de ningún daño especial, indirecto, incidental o resultante o pérdida sea la que fuere, incluyendo pero no limitado al daño o pérdida del uso del equipo, planta o sistema de potencia, costo o capital, pérdida de potencia, gastos adicionales en el uso de instalaciones de energía existentes, o reclamaciones contra el comprador o usuario por sus clientes resultantes del uso de la información, recomendaciones y descripciones contenidas en la presente. NO SE HACE NINGUNA GARANTÍA, EXPRESA O IMPLÍCITA, INCLUYENDO LAS GARANTÍAS DE COMPATIBILIDAD PARA UN PROPÓSITO O COMERCIALIZACIÓN EN PARTICULAR, O LAS GARANTÍAS QUE SURJAN DEL CURSO DEL TRATO O USO, CON RELACIÓN A LA INFORMACIÓN, RECOMENDACIONES Y DESCRIPCIONES CONTENIDAS EN EL PRESENTE. Cada cliente es responsable del diseño y funcionamiento de los sistemas de su edificio. No podemos garantizar que las especificaciones de los productos de Cummins Power Generation son los apropiados y suficientes para sus propósitos. Usted debe estar satisfecho en cuanto a ese punto. vii

9 CAPÍTULO 1 ÍNDICE Manual de Aplicación - Conjuntos Generadores Enfriados con Líquido 1 INTRODUCCIÓN 1-2 Generalidades 1-2 Acerca de Este Manual 1-2 Manuales de Aplicación Relacionados 1-3 Seguridad

10 1 - INTRODUCCIÓN Manual de Aplicación - Conjuntos Generadores Enfriados con Líquido Generalidades El mundo está haciendo más y más dependiente de la electricidad. Los suministros de energía eléctrica son críticos casi para cualquier instalación y un suministro eléctrico confiable es vital a un número de instalaciones en aumento. Las instalaciones como los grandes edificios de oficinas y plantas, así como las instalaciones de telecomunicaciones, centros de datos y proveedores de servicio de Internet, dependen que la energía eléctrica esté disponible las 24 horas del día, siete días a la semana esencialmente sin interrupciones. Esta necesidad también está estimulada por la continua proliferación de computadoras electrónicas para el procesamiento de datos, control de procesos, sistemas de apoyo a la vida y las comunicaciones mundiales de las cuales todas exigen un flujo continuo e ininterrumpido de energía eléctrica. Más allá de las preocupaciones por la confiabilidad, existen incentivos económicos en crecimiento que favorecen la instalación de conjuntos moto-generadores en el lugar. Como resultado, los conjuntos moto-generadores rutinariamente están siendo especificados para la construcción de edificios nuevos así como para actualizaciones. Proporcionan energía de emergencia en el caso de la falla del servicio de energía y se pueden usar para reducir el costo de la electricidad donde la estructura y política de la tarifa del servicio local, los hacen una opción viable. Debido a su importante papel, los conjuntos generadores deben especificarse y aplicarse de tal manera que proporcionen energía eléctrica confiable de la calidad y capacidad requeridas. El suministro eléctrico de energía primaria, tanto para comunidades remotas que no tienen el servicio de la red de energía eléctrica comercial, como para aquellos sitios donde la red de energía comercial por alguna razón no está disponible por periodos prolongados, también se está convirtiendo en un requisito, en lugar de un lujo, para muchos usuarios. Acerca de este Manual Este manual describe la especificación y la aplicación de conjuntos generadores estacionarios, enfriados con líquido, a diesel y encendidos por chispa conocidos en este manual como conjuntos generadores. Este manual consiste de siete secciones principales: Diseño Preliminar, Impacto de la Carga Eléctrica en el Dimensionamiento del Generador, Selección del Equipo, Diseño Eléctrico, Diseño Mecánico y el Apéndice. El Diseño Preliminar describe las consideraciones preliminares para un proyecto de conjunto generador. Los requisitos para el equipo y la instalación varían dependiendo de las razones para tener el conjunto generador y la intención de su uso. Cuando se diseña una instalación de conjunto generador, revisar y entender estas razones es útil como el punto de inicio para el diseño del sistema y las opciones del equipo. El Impacto de la Carga Eléctrica en el Dimensionamiento del Generador explica los varios tipos de carga, sus características y su impacto en el tamaño del generador, operación y opciones de equipo del conjunto generador. También se cubre el tópico de la secuencia de la conexión de la carga. La Selección del Equipo explica las partes fundamentales de un conjunto generador y el equipo relacionado, sus funciones y las interrelaciones y los criterios para las opciones. Se tratan las características funcionales, los criterios para las opciones y el equipo opcional necesario. El Diseño Eléctrico cubre el diseño de la instalación del generador y los sistemas eléctricos relacionados, su interfaz con las instalaciones junto con los tópicos de la protección a la carga y al generador. El diseño eléctrico y la planeación del sistema de generación en el sitio es crítico para la operación apropiada del sistema y su confiabilidad. Sin importar para qué se piensa usar la energía en el sitio, la confiabilidad del servicio del equipo en el sitio, el desempeño y la efectividad en costos son preocupaciones primarias de los usuarios. El propósito de este manual es el de proporcionar una guía para los diseñadores del sistema y las instalaciones para la selección del equipo apropiado para una instalación específica y, el diseño de las instalaciones, para que se satisfagan las necesidades de estos sistemas comunes. 1-2

11 El Diseño Mecánico cubre el diseño de la instalación del conjunto generador y los sistemas mecánicos relacionados junto con su interfaz con las instalaciones. El diseño mecánico y la planeación del sistema de generación en el sitio es crítico para la operación del sistema y su confiabilidad. Los tópicos incluyen la cimentación y el montaje, sistemas de escape, sistemas de enfriamiento, ventilación, sistemas de combustible, reducción del ruido, protección contra incendios y el cuarto del equipo. El Apéndice contiene numerosos tópicos útiles que incluyen un resumen del programa para el dimensionamiento GenSize y el contenido del Power Suite. También se incluye una exposición del arranque del motor a voltaje reducido y útiles referencias de los voltajes en el mundo, referencias de mantenimiento, fórmulas, referencias de Códigos y Estándares y un glosario de términos. Este manual describe la aplicación de generadores estacionarios. Este manual no cubre la aplicación de generadores comerciales diseñados como estacionarios en aplicaciones móviles, los cuales generalmente se consideran ser una aplicación no anunciada. Cummins Power Generation (CPG) no aprueba ninguna aplicación móvil de sus generadores comerciales excepto en aquellas aplicaciones específicamente diseñadas y probadas por CPG. Si los distribuidores o clientes de CPG desean aplicar los generadores comerciales diseñados como estacionarios en otras aplicaciones móviles, entonces deben hacerlo sólo después de un extenso análisis, prueba y clara comunicación con el cliente usuario final con relación a las posibles limitaciones en la vida de uso o de diseño del generador. CPG no puede asegurar que los atributos del producto son los propios y suficientes para las aplicaciones móviles del cliente, por lo tanto, cada cliente debe quedar satisfecho por sí mismo en ese punto. Cada cliente es responsable del diseño y funcionamiento de su propia aplicación e instalación. Manuales Relacionados a la Aplicación Toda instalación de conjunto generador requiere del equipo de transferencia de energía, bien sea interruptores de transferencia o conmutadores de paralelismo. El sistema apropiado para el trabajo y su aplicación apropiada son cruciales para obtener una operación confiable y segura. Los siguientes manuales de aplicación de Cummins Power Generation tratan los aspectos relacionados a los sistemas de energía en emergencia. Puesto que estos manuales cubren aspectos que exigen de decisiones que deben tomarse a principios del proceso del diseño, deberán revisarse junto con este manual. Manual de Aplicación T 011 Sistemas de Transferencia de Potencia Automáticos. Muchas aplicaciones utilizan múltiples fuentes de energía para mejorar la confiabilidad del sistema de energía eléctrica. Éstos a menudo incluyen tanto el servicio de la red pública como el conjunto generador para las cargas críticas. El T 011 cubre lo diferentes tipos de sistemas de transferencia de energía disponibles y las consideraciones para su uso y aplicación. Una cuidadosa consideración del sistema de conmutación de energía al inicio del proyecto le permitirá al diseñador ofrecer el servicio viable más económico y más confiable al usuario de las instalaciones. Manual de Aplicación T 016 Paralelismo y Conmutador de Paralelismo. El equipo de paralelismo hace que dos o más conjuntos generadores se comporten como un conjunto grande. Esto puede ser ventajoso económicamente, en especial cuando la carga total es mayor a 1000 kw. La decisión de usar conjuntos en paralelo debe hacerse en las etapas oportunas del diseño, especialmente si el espacio y la necesidad de expansiones futuras son factores críticos. Una barra negra colocada a la izquierda del párrafo es una señal que el texto en ese párrafo ha cambiado o que el párrafo es nuevo desde la última versión. 1-3

12 Seguridad La seguridad debe ser la preocupación primaria del ingeniero diseñador de las instalaciones. La seguridad involucra dos aspectos: la operación segura del propio conjunto generador (y sus accesorios) y la operación confiable del sistema. La operación confiable del sistema se refiere a la seguridad porque el equipo que afecta la vida y la salud a menudo depende del conjunto generador como los sistemas de apoyo a la vida de los hospitales, iluminación de egreso de emergencia, ventiladores del edificio, elevadores, bombas contra incendio, vigilancia y comunicaciones. Consulte la sección de Referencias Técnicas para obtener información sobre los códigos eléctricos y de incendio para Norte América, Centroamérica y Europa. Los estándares y, los códigos en que se hace referencia a ellos, se actualizan periódicamente, exigiendo una revisión continua. El acatamiento de todos los códigos pertinentes es la responsabilidad del ingeniero de diseño de las instalaciones. Por ejemplo, algunas áreas pueden exigir un certificado de necesidad, permiso de uso del suelo, permiso de construcción u otros certificados específicos del sitio. Asegúrese de revisar con las autoridades gubernamentales locales al principio del proceso de planeación. NOTA: Si bien la información en este manual y los relacionados están pensados que sean exactos y útiles, no existe sustituto para el juicio de un profesional de diseño de instalaciones apto y con experiencia. Todo usuario final debe determinar si el conjunto generador seleccionado y el sistema de emergencia/enespera es apropiado o no para la aplicación. 1-4

13 CAPÍTULO 2 ÍNDICE Manual de Aplicación - Conjuntos Generadores Enfriados con Líquido 2 DISEÑO PRELIMINAR 2-2 Generalidades 2-2 Requerimientos de Energía 2-2 Requerimientos Generales 2-2 Requerimiento Específicos 2-2 Tipos de Sistemas y Rangos 2-3 Sistemas de Emergencia 2-3 Standby Requeridos Legalmente 2-3 Standby Opcional 2-3 Potencia Primaria 2-3 Rasurado de Picos 2-3 Recorte de Tarifa 2-3 Carga Base Continua 2-3 Co- Generación 2-3 El Diagrama Unifilar 2-5 Lineamientos para los Rangos de Potencia del Conjunto Generador 2-6 Potencia Standby 2-6 Potencia Primaria 2-6 Potencia Primaria con tiempo Ilimitado de horas 2-6 Potencia Primaria con tiempo Limitado de horas 2-6 Potencia de Carga Base (Potencia Continua) 2-6 Dimensionamiento 2-8 Consideraciones para la Ubicación 2-9 Consideraciones para la Ubicación en el Exterior 2-9 Consideraciones para la Ubicación en el Interior 2-10 Consideraciones para la Selección del Combustible 2-11 Combustible Diesel 2-11 Combustible Biodiesel 2-12 Gas natural 2-12 LPG (Gas Licuado de Petróleo) 2-12 Gasolina 2-13 Combustibles Sustitutos 2-13 Consideraciones Ambientales 2-13 Ruido y Tratamiento del Ruido 2-13 Niveles y Regulaciones del Ruido 2-14 Regulaciones para las Emisiones del Escape del Motor 2-14 Regulaciones para el Almacenamiento del Combustible 2-14 Protección contra Incendios 2-15 Cuestionario del Diseño Preliminar

14 2 - DISEÑO PRELIMINAR Manual de Aplicación - Conjuntos Generadores Enfriados con Líquido Generalidades Diseñar una instalación para un conjunto generador exige considerar los requerimientos del equipo y la instalación. Éstos varían dependiendo de las razones para tener el conjunto generador y la intención de su uso. Revisar y entender estas razones es un punto de inicio apropiado para las opciones de diseño y equipo del sistema. Requerimientos de Potencia Requerimientos Generales La necesidad de generación de electricidad en el sitio de emergencia y Standby normalmente es inducida por instalaciones obligatorias para satisfacer los requerimientos del código de construcción y/o el riesgo de pérdida económica debida a la pérdida de la energía eléctrica. Las instalaciones obligatorias para energía de emergencia y Standby, acatan desde los requerimientos del código de construcción a los que hacen referencia los reglamentos de las autoridades federales, estatales, locales hasta de cualquier otro gobierno. Estas instalaciones se justifican en base a la seguridad de la vida humana, donde la pérdida del suministro de energía normal representaría peligros para la seguridad de la vida o la salud. Las instalaciones voluntarias de energía Standby por razones económicas típicamente se justifican con la atenuación del riesgo de la pérdida de servicios, datos y otros activos valiosos. Las instalaciones obligatorias y voluntarias de la generación en el sitio se pueden justificar en base a la reducción favorable de tarifas ofrecidas por los servicios eléctricos. El mismo sistema de generación en el sitio pueden usarse para ambas de estas necesidades generales, con tal que las necesidades de la seguridad de la vida tengan prioridad, p.ej. la capacidad del generador y las disposiciones de transferencia de carga. Requerimientos Específicos Una amplia gama de requerimientos específicos resultan en la necesidad de sistemas de generación de electricidad en el sitio. Algunas necesidades comunes se describen enseguida. Iluminación: Iluminación de salida para la evacuación, señales de salida iluminadas, iluminación de seguridad, luces de advertencia, iluminación en salas de operación, iluminación en elevadores, iluminación del cuarto del generador, etc. Energía de Control: Energía para el control de calderas, compresores de aire y otros equipos con funciones críticas. Transporte: Elevadores para el uso del departamento de bomberos. Sistemas Mecánicos: Control de humo y ventiladores de presurización, tratamiento de agua residual, etc. Calentamiento: Calor critico para procesos. Refrigeración: Bancos de sangre, almacenamiento de alimentos, etc. Producción: Energía crítica para procesos en laboratorios, procesos de producción farmacéutica, etc. Acondicionamiento del Espacio: Enfriamiento para cuartos de equipo de computación, enfriamiento y calentamiento para gente vulnerable, ventilación de atmósferas peligrosas, ventilación de contaminantes o contaminación biológica, etc. Protección Contra Incendios: Bombas contra incendio, bombas de baja presión, alarmas y anuncios. Procesamiento de Datos: Sistemas UPS y de enfriamiento para evitar la pérdida de datos, pérdida de memoria, corrupción del programa. Apoyo a la Vida: Hospitales, casas de cuidado y otras instalaciones al cuidado de la salud. Sistemas de Comunicaciones: Servicio de emergencia (911), policía y estaciones de bomberos, sistemas de llamado público en edificios altos, etc. Sistemas de Señales: Control de Tránsito de ferrocarriles, barcos y aéreo. 2-2

15 Tipos y Capacidades del Sistema Los sistemas de generación de energía en el sitio se pueden clasificar por el tipo y la capacidad del equipo de generación. El equipo de generación se clasifica usando las capacidades en-emergencia, primaria y continúa. Las definiciones de las capacidades son importantes para entender cuando aplicar el equipo. Por favor consulte los lineamientos de capacidad que siguen. El tipo del sistema de generación en el sitio y la capacidad apropiada a usar se basa en la aplicación. Vea la Tabla 2-1 y las descripciones de lo siguiente. Sistemas de Emergencia Los sistemas de emergencia generalmente se instalan según se exijan para la seguridad pública y sean obligatorios por ley. Típicamente están pensados para proporcionar energía e iluminación por periodos cortos para tres propósitos: permitir una evacuación segura de edificios, para equipo de apoyo a la vida y crítico para gente vulnerable o para sistemas de comunicaciones críticos e instalaciones usadas para seguridad pública. Los requisitos del código típicamente especifican la carga mínima del equipo al que se le va a dar servicio. Standby Exigido Legalmente Los sistemas Standby legalmente exigidos, generalmente se instalan como lo ordenan los requisitos legales para la seguridad pública. Estos sistemas típicamente están pensados para proporcionar energía e iluminación por periodos cortos donde son necesarios para evitar peligros o para facilitar las operaciones de combate de incendios. Los requisitos del código normalmente especifican la carga mínima del equipo al que se le va a dar servicio. Standby Opcional Los sistemas Standby opcionales generalmente se instalan donde la seguridad no está en riesgo, pero la pérdida de energía podría causar una pérdida económica comercial o de ingresos, interrumpir un proceso crítico o causar una inconveniencia o incomodidad. Estos sistemas típicamente se instalan en centros de datos, granjas, edificios comerciales e industriales y residencias. Al propietario del sistema se le permite seleccionar las cargas que se conectaran al sistema. Además de proporcionar una fuente de energía Standby en caso de la pérdida de un suministro de energía normal, los sistemas de generación en-sitio también se usan para los siguientes propósitos. Potencia Primaria Las instalaciones de potencia primaria usan la generación ensitio en lugar de un suministro de red pública, típicamente donde no se dispone de la energía de servicio. Un sencillo sistema de energía primaria utiliza cuando menos dos conjuntos generadores y un interruptor de transferencia para transferir el suministro a las cargas entre ellos. Uno u otro de los conjuntos generadores opera continuamente con una carga variable y el segundo conjunto generador sirve como respaldo en caso de una falla y para permitir el tiempo muerto para el mantenimiento requerido. Un reloj de conmutación entre el interruptor de transferencia alterna el conjunto generador líder a un intervalo predeterminado. Rasurado de Picos Las instalaciones para el rasurado de picos utilizan la generación en-sitio para reducir o allanar los picos de electricidad con el propósito de ahorrar dinero en los cargos por demanda de energía. Los sistemas de rasurado de picos requieren de un controlador que arranque y opere el generador en-sitio en los momentos apropiados para allanar las demandas pico del usuario. La generación instalada para propósitos Standby también puede usarse para el rasurado de picos. Reducción de Tarifa Las instalaciones para reducción de la tarifa usan generación en-sitio de acuerdo con los convenios de la tarifa de energía eléctrica con los servicios de electricidad públicos. A cambio de tarifas de energía favorables el usuario conviene operar los generadores y asume una cantidad de carga (kw) especificada por año. La generación instalada para propósitos de Standby también puede usarse para la reducción de tarifa. Carga de Base Continua Las instalaciones para carga de base continua usan generación en-sitio para suministrar energía (kw) constante típicamente por medio de equipo de interconexión con una red de servicio. Estas instalaciones normalmente son de los servicios de electricidad o están bajo su control. Co-Generación A menudo, la generación para carga de base continua se usa en la aplicación de Co-Generación. Puesto simplemente, la Co-Generación utiliza tanto la generación de electricidad directa como el calor de los desechos del escape para sustituir la 2-3

16 energía suministrada por el servicio público. El calor de desecho se captura y cualquiera de los dos se usa directamente o se convierte en electricidad. y/o al darle servicio al sistema. Estos diagramas describen los componentes principales como generador(es), equipo de transferencia de energía, relevadores de protección, protección a sobre-corriente y el esquema de conexiones en general. Debe desarrollarse un diagrama unifilar tan pronto como sea posible durante la planeación del proyecto para ayudar en el diseño del sistema. La Figura 2-1 es un diagrama unifilar típico de un sistema de generación básico. Lineamientos para los Rangos de Potencia del Conjunto Generador Los rangos de potencia de los conjuntos generadores las publican los fabricantes11. Estos rangos describen las condiciones máximas permisibles de carga de un conjunto generador. El conjunto generador ofrece un desempeño y vida aceptables (tiempo entre reparaciones) cuando se aplica de acuerdo con las capacidades publicadas. También es importante operar los conjuntos generadores a una carga mínima suficiente para lograr las temperaturas normales y quemar apropiadamente el combustible. Cummins Power Generation recomienda que un conjunto generador se opere a un mínimo del 30% de su capacidad mostrada en la placa de datos. Las siguientes explicaciones describen los tipos de capacidad usados por Cummins Power Generation. Las Figuras 2-2 a 2-5, asociadas, describen los niveles de carga (P1, P2, P3, etc.) y el tiempo a ese nivel de carga (T1, T2, T3, etc.) permitido bajo las diferentes capacidades. Figura 2-1. Diagrama Unifilar Típico de un Sistema de Distribución Eléctrico. El Diagrama Unifilar Un diagrama unifilar del sistema eléctrico es un elemento importante para entender el sistema y el arreglo de las conexiones. Puede ser especialmente crítico para comunicar esa información durante la planeación, instalación, arranque 2-4 Rango de Potencia en Standby La capacidad de potencia en Standby se aplica para energía de emergencia donde la energía se suministra por la duración de la interrupción de energía normal. Éste no dispone de la capacidad de sobrecarga sostenida (equivalente a Potencia de Paro de Combustible de acuerdo con ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Esta capacidad se aplica en instalaciones a las que les da servicio una fuente de servicio público normal confiable. Esta clasificación sólo es aplicable a cargas variables con un factor de carga promedio de 70 por ciento durante 24 horas de la capacidad Standby por un máximo de 200 horas de operación por año. En instalaciones donde la operación es probable que exceda las 200 horas por año a carga variable o 25 horas por año al 100% de la capacidad, la capacidad de potencia primaria deberá ser aplicada. La capacidad Standby

17 sólo es aplicable en emergencia y Standby donde el conjunto generador sirve como respaldo a la fuente de servicio público normal. Con esta capacidad no se permite la operación sostenida en paralelo con el servicio. Para las aplicaciones que requieran una operación sostenida en paralelo con el servicio, debe utilizarse la capacidad de potencia primaria o de carga base. Rango de Potencia Primaria La capacidad de potencia primaria se aplica cuando se suministra energía eléctrica en lugar de la energía comprada comercialmente. El número de horas de operación permisibles por año es ilimitado para aplicaciones de carga variable pero está limitada para aplicaciones de carga constante como se describe enseguida. (Equivalente a la Potencia Primaria de acuerdo con ISO8528 y Potencia de Sobre-Carga de acuerdo con ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Figura 2-2. Capacidad de Potencia Standby. Potencia Primaria Tiempo de Operación Ilimitado La potencia primaria está disponible para un número ilimitado de horas de operación al año en aplicaciones de carga variable. Las aplicaciones que requieren de la operación en paralelo con algún servicio público con carga constante están sujetas a limitaciones de tiempo de operación. En aplicaciones de carga variable, el factor de carga promedio no debe exceder del 70 por ciento durante 24 horas de la Capacidad de Potencia Primaria. Se dispone de una capacidad de sobrecarga del 10 por ciento por un periodo de 1 hora en un periodo de operación de 12 horas, pero no debe exceder de 25 horas al año. Figura 2-3. Potencia Primaria con Tiempo de Operación Ilimitado. Potencia Primaria Tiempo de Operación Limitado La potencia primaria está disponible para un número limitado de horas de operación al año en aplicaciones de carga constante como la intermitente, reducción de carga, rasurado de picos y otras aplicaciones que normalmente involucran la operación en paralelo con los servicio públicos. Los conjuntos generadores pueden operar en paralelo con la fuente de servicio público a niveles de potencia que no excedan la Capacidad de Potencia Primaria. Debe hacerse notar que la vida del motor se reduce en la operación de carga alta constante. El tiempo de funcionamiento total de una capacidad de Potencia Primaria no debe superar las 500 horas por año. Figura 2-4. Potencia Primaria con Tiempo de Operación Limitado. 1 Las capacidades para los conjunto generadores de Cummins Power Generation se publican en el paquete del programa Power Suite. 2-5

18 con relación al cálculo del dimensionamiento y las clases de información necesaria para los diferentes tipos de equipo de carga. Para propósitos de la estimación preliminar se pueden aplicar algunas reglas de oro conservadoras: Figura 2-5. Potencia de Carga Base. Rango de Potencia de Carga Base (Rango de Potencia Contínua) La capacidad de potencia de carga base se aplica para suministrar potencia continuamente a una carga hasta el 100 por ciento de la capacidad base por horas ilimitadas. En esta capacidad no se dispone de capacidad de sobrecarga sostenida (equivalente a Potencia Contínua de acuerdo a ISO8528, ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Esta capacidad se aplica en la operación de carga base del servicio público. En estas aplicaciones, los conjuntos generadores se operan en paralelo con una fuente de servicio público y se operan bajo cargas constantes por periodos prolongados. Dimensionamiento Es importante armar un programa de carga razonablemente exacto tan pronto como sea posible para presupuestar los costos del proyecto. Si no se dispone de toda la información del equipo de carga al principio del proyecto, se harán estimaciones y suposiciones para los primeros cálculos del dimensionamiento. Estos cálculos deben repetirse al disponer de información más exacta. Grandes cargas de motor, suministros de carga ininterrumpible (UPS, iniciales en inglés), impulsores de frecuencia variable, (VFD, sic ant.), bombas contra incendio y equipo de imágenes de diagnóstico médico tienen un efecto considerable en el dimensionamiento del conjunto generador y deben de observarse con detenimiento. Especificaciones estrictas en el desempeño de los transitorios, caídas de voltaje y frecuencia y tiempos de recuperación, durante el arranque del motor y la aceptación de la carga en bloque, también tienen un efecto considerable en el dimensionamiento. Vea la sección 3, Impacto de la Carga Eléctrica en el Dimensionamiento del Generador en este manual Motores 1/2 HP por kw. UPS 40% sobredimensionado para 1ø y 6 pulsos, o 15% sobredimensionado para 6 pulsos con filtros de entrada y 12 pulsos UPS. VFD 100% sobredimensionado a menos que sea de ancho de pulso modulado, entonces 40% sobredimensionado. Cuando se aplica carga al conjunto generador, la división de las cargas en pasos o bloques discretos de carga pueden tener un efecto favorable en el tamaño del conjunto generador requerido. El uso de interruptores de transferencia múltiples o algún otro medio (relevadores de retraso de tiempo, PLC, etc.) serían necesarios para permitir que el voltaje y frecuencia del conjunto generador se estabilicen entre los pasos. Dependiendo de la carga total (generalmente arriba de los 500 kw), puede ser ventajoso poner conjuntos generadores en paralelo. Aunque es técnicamente posible, normalmente no es económicamente posible poner en paralelo conjuntos generadores cuando la carga total es de 300 kw o menos. Consideraciones para Ubicación Una de las primeras decisiones del diseño será determinar si la ubicación del conjunto generador será dentro de un edificio o fuera en un cuarto propio. El costo total y la facilidad de instalación del sistema de potencia depende de la distribución y el lugar físico de todos los elementos del sistema conjunto generador, tanques de combustible, ductos de ventilación y persianas, accesorios, etc. Tanto para lugares interiores como exteriores, considere estos puntos: Montaje del conjunto generador. Localización del tablero de distribución y los interruptores de transferencia. Circuitos ramales para calentadores de refrigerante, cargador de batería, etc. 2-6

19 Seguridad contra inundación, incendio, congelamiento y vandalismo. Contención de combustible y refrigerante accidentalmente derramado o fugas. Posible daño simultáneo de los servicios normales y de emergencia. Acceso de servicio para el mantenimiento e inspecciones generales. Acceso y espacio de trabajo para trabajo mayor como reparaciones o desmontaje/cambio de componentes. Acceso para prueba con banco de carga cuando se requiera por mantenimiento, el propio ejercicio o certificación. Consideraciones de la Localización Externa Ruido aéreo y tratamiento. Barreras de sonido pueden ser requeridas. Además, aumentar la distancia entre el conjunto generador y el área sensible al ruido disminuye el ruido percibido. A menudo se dispone de cubiertas acústicas y se pueden requerir para satisfacer las expectativas del cliente o las ordenanzas de ruido locales. Se puede requerir de una cubierta de protección de intemperie, como su nombre lo sugiere, para la protección contra el medio ambiente pero que también puede proporcionar un cierto nivel de seguridad así como un límite estético del conjunto generador. Arrancar y aceptar la carga y, hacerlo dentro de restricciones específicas de tiempo, en temperaturas de ambiente frío puede ser un problema. Los sistemas de emergencia como los definen los códigos requieren que se mantenga una temperatura ambiente alrededor del conjunto generador a niveles mínimos. Los ejemplos son el NFPA 110 que exige que la temperatura ambiente mínima alrededor del conjunto generador sea de 40 F (4 C) y, el CSA 282 el cual exige que esta temperatura mínima sea de 10 C (50 F). Mantener estos requisitos de temperaturas mínimas en una cubierta muy ajustada o algo similar puede ser difícil o imposible. Se puede requerir una caseta aislada o tal vez con calefacción. Una caseta que esté diseñada estrictamente para el tratamiento acústico contiene material de aislamiento pero puede no proporcionar suficiente aislamiento térmico. Las cubiertas unitarias de una sola pieza o las casetas con entrada normalmente están disponibles con aislamiento, persianas motorizadas o por gravedad y, calefactores si es necesario. Se podrían requerir varios dispositivos de calefacción auxiliares para el arranque o para mejorar la aceptación de la carga, aún si la aplicación no es un sistema de emergencia. Se pueden necesitar calefactores para el refrigerante, baterías y hasta el aceite. Consulte la sección en este manual titulada Dispositivos de Calefacción Estándar para Conjuntos Generadores en la sección 4, Selección de Equipo para obtener información más detallada. Acondicionamiento y calentamiento del combustible. A temperaturas ambientales frías el combustible diesel se hace nebuloso, tapa los filtros y bombas o no fluye lo suficiente. Los combustibles mezclados se usan a menudo para tomar en cuenta este problema, sin embargo, el calentamiento del combustible puede exigir de una operación confiable. El aire salado en las regiones costeras puede causar problemas de corrosión en casetas de acero para generadores, bases patín y tanques de combustible instalados al aire libre. El uso de una caseta y patín de aluminio pueden ser una opción para el conjunto generador, siempre que los ofrezca CPG, se considera ser una práctica de instalación apropiada debido a la resistencia a la corrosión adicional, y por lo tanto, se requiere en aplicaciones en el exterior en regiones costeras, definidas como lugares a 60 millas o más cercanas a los cuerpos de agua salada. El acceso para servicio en reparaciones mayores, cambio de componentes (como el radiador y el alternador) o reparación general, debe considerarse en el diseño de las cubiertas y la localización de los conjuntos generadores cerca de otro equipo o estructuras. Si se requiere de trabajo mayor debido a las muchas horas de operación o el daño/falla de componentes mayores, el permitir el acceso es crítico. Estos accesos incluyen las cubiertas de acceso, paredes desmontables de la cubierta, espacios adecuados a estructuras cercanas y el acceso del equipo de apoyo requerido. Cercas de seguridad y barreras de visibilidad. Distancias a los límites de la propiedad. El escape del motor debe dirigirse lejos de las ventilas y aberturas del edificio. Aterrizado Se pueden requerir de electrodos o anillos de aterrizado para un sistema por separado derivado y/o el aterrizado del equipo. Protección contra rayos. 2-7

20 Consideraciones de la Localización Interna Cuarto dedicado al generador Para sistemas de potencia de emergencia, ciertos códigos pueden exigir que el cuarto del generador sea dedicado sólo para ese propósito. También considere el efecto que tendría el gran flujo del aire de ventilación en otro equipo en el mismo cuarto, como el equipo de calefacción del edificio. Capacidad a incendio de la construcción del cuarto Los códigos especifican de una capacidad de resistencia al fuego mínimo de 1 a 2 horas. Consulte a las autoridades locales para ver los requisitos aplicables. Espacio de trabajo El espacio de trabajo alrededor del equipo eléctrico normalmente se especifica por código. En la práctica, debe haber cuando menos tres pies (1 m) de espacio alrededor de cada conjunto generador. El alternador debe poder cambiarse sin desmontar todo el conjunto o algún accesorio. También, el acceso para el trabajo mayor (como la reparación general o el cambio de componentes como el radiador) debe permitirse desde el diseño de la instalación. Tipo de sistema de enfriamiento Se recomienda un radiador montado en planta, sin embargo, el ventilador del radiador puede crear una significativa presión negativa en el cuarto. Las puertas de acceso, por lo tanto, deben abrirse hacia adentro del cuarto o ser de persiana para que se puedan abrir cuando el conjunto esté operando. Ver Enfriamiento del Generador en la sección Diseño Mecánico para ver las opciones adicionales de enfriamiento. La ventilación involucra grandes volúmenes de aire. Un diseño óptimo del cuarto toma aire de admisión directamente del exterior y lo descarga directamente al exterior a través de la pared opuesta. Se requerirán ventiladores para ventilación del cuarto en configuraciones de enfriamiento del conjunto generador opcionales que involucran intercambiadores de calor o radiadores remotos. Escape del motor La salida de escape del motor debe estar tan alta como sea prácticamente posible en el lado de los vientos dominantes del edificio y dirigido lejos de las ventilas y aberturas de entrada del edificio. Almacenamiento y tubería de combustible Los códigos locales pueden especificar métodos de almacenamiento de combustible dentro de los edificios y restringir las cantidades de almacenamiento de combustible. Se recomienda consultarlo al principio con el concesionario de Cummins Power Generation o el jefe de bomberos local. Se requiere del acceso para llenar los tanques de almacenamiento. Ver Selección de Combustible enseguida. Se recomienda incluir las medidas en el sistema de distribución eléctrica para la conexión de un banco de carga temporal para el generador. La localización dentro de un edificio debe permitir el acceso tanto para la entrega inicial del producto como para la instalación y, para darle servicio y mantenimiento posteriormente. El lugar lógico preferido de un conjunto generador en un edificio basándose en esto, es el piso, cerca de un lote de estacionamiento o el carril de acceso o en una rampa de estacionamiento abierta. Entendiéndose que éste es el mejor espacio del edificio, si está forzado a un lugar alterno, recuerde que se puede necesitar de equipo pesado para la colocación o el servicio mayor de la unidad. También, se necesitan las entregas de combustible, refrigerante, aceite, etc. a diversos intervalos. Un sistema de combustible es muy posible que se diseñe con tanques de suministro, bombas, líneas, tanques diarios, etc. pero los cambios de aceite lubricante y refrigerante pueden ser difíciles si los materiales tienen que llevarse a mano en barriles o cubetas. Las instalaciones en el techo, si bien son comunes, requieren de más consideración en la planeación y el diseño estructural. La vibración y el almacenamiento/entrega del combustible pueden ser problemáticos con instalaciones en el techo. Los lugares en el interior generalmente requieren de un cuarto dedicado con una construcción resistente al fuego. Proporcionar el flujo de aire requerido a un cuarto interior puede ser difícil. Los amortiguadores de fuego en la ductería a los cuartos interiores generalmente no se permiten. Idealmente el cuarto deberá tener dos muros opuestos para que el aire de admisión fluya sobre el conjunto generador y se descargue por el muro opuesto, en el lado extremo del radiador de la unidad. 2-8

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