ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL ANÁLISIS DE LOS TRANSITORIOS ELECTROMECÁNICOS EN UNA PLANTA DE GENERACIÓN Autor: Director: Ramón Iturbe Uriarte Madrid Mayo 2014
1. INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIÓN DEL PROYECTO El 97,5% del agua que existe en nuestro planeta es salada y sólo una cantidad inferior al 1% es apta para el consumo humano. La existencia de zonas en el mundo donde no hay agua dulce, hace necesaria la utilización de sistemas de desalinización de agua marina. Los procesos de desalinización, hoy en día, son procesos muy costosos que requieren un gran consumo de energía. En la zona de Oriente Medio, donde escasea el agua pero sin embargo las reservas de combustible son altas, la implantación de estos sistemas es cada vez más común debido al crecimiento que llevan experimentando los países de la zona los últimos años. En este caso concreto, para la obtención de la potencia necesaria para el sistema de desalinización, se ha diseñado una central térmica de fuel-oil que destinará también una parte de la potencia generada a alimentar la red de consumo. El objeto del proyecto es el cálculo y análisis de los diferentes transitorios eléctricos y mecánicos de los equipos de la planta de generación térmica. En concreto se analizarán el comportamiento dinámico de los diferentes motores durante el arranque y transferencias, y la estabilidad dinámica del grupo de generación. El proyecto requiere del desarrollo de los modelos y parámetros para representar el comportamiento tanto de los motores como del generador incluyendo sus reguladores de velocidad y de excitación. El propósito del proyecto es analizar los valores que alcanzan las tensiones y las corrientes así como las velocidades en los equipos cuando el grupo se expone a situaciones extremas, y de esta manera poder comprobar el dimensionamiento y asegurarse de que el sistema se ajusta a la norma. 2. SOFTWARE EMPLEADO La herramienta que se ha empleado para la realización de este proyecto es ETAP, en su versión 12.0. ETAP es una herramienta informática muy utilizada en el ámbito de la ingeniería eléctrica. Es muy versátil porque ofrece soluciones para muchos campos del sector, como análisis de sistemas de potencia, monitorización a tiempo real de sistemas, análisis y simulación de Smart Grids así como soluciones para redes de transporte y distribución de energía eléctrica. 1
Como ventaja respecto a otras herramientas como el PSS de Siemens, tiene que no hace falta generar un código con los parámetros de la instalación. ETAP tiene una interfaz muy intuitiva y gráfica que hace fácil el uso y el aprendizaje para el usuario. Para este estudio en concreto, el paquete que se necesita es el de análisis de sistemas de potencia, que permite hacer tanto cálculos estáticos como la resolución de flujos de cargas y cortocircuitos, como cálculos dinámicos como estabilidad transitoria de sistemas y arranque de motores. Dentro del paquete, se han incorporado los módulos de estimación de parámetros para máquinas de inducción así como una herramienta para el desarrollo de modelos de usuario, que permiten modelar los reguladores de tensión y de velocidad mediante diagramas de bloques. 3. ESQUEMA UNIFILAR DE LA PLANTA Esquema correspondiente a uno de los 5 grupos de 600 MW que componen la planta: 2
4. COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL GRUPO DE GENERACIÓN El propósito de este estudio es analizar el comportamiento del grupo de generación ante contingencias en el sistema. La contingencia más grave en un sistema de este tipo es el cortocircuito trifásico franco en la red exterior, será entonces la que se analizará para obtener valores límite. Ante una falta en el sistema, el sistema de excitación y el regulador de velocidad del grupo actúan para recuperar las condiciones iniciales de funcionamiento. Se realizarán primero dos pruebas de comprobación y luego una final. Las pruebas son: Determinación del tiempo máximo de cortocircuito. Paso a funcionamiento en modo aislado del generador. Paso a funcionamiento en modo aislado del generador tras un cortocircuito en la red, con una duración igual a la del tiempo máximo calculado. o Máxima caída de tensión. o Máxima velocidad. Se han analizado las tensiones en todas las barras, así como la tensión de excitación del generador, las potencias generadas por el grupo y la velocidad del mismo. 5. TRANSFERENCIAS DE ALIMENTACIÓN Todas las barras de los auxiliares de la planta tienen varias posibilidades para su alimentación: Las barras más principales tienen la alimentación conectada a transformadores que se alimentan desde otros grupos de generación, aparte de la toma principal de su grupo. En las barras menos importantes, los transformadores que dan servicio suelen estar dimensionados al 50%, de manera que un único transformador puede asumir la alimentación de dos barras. Las transferencias de alimentación se realizan mayormente en caso de fallo en las alimentaciones de las barras, de manera que se puede abrir esa alimentación y realizar el mantenimiento correspondiente sin perder el servicio de la barra. Es importante analizarlas porque no son inmediatas, ya que hay que dar un tiempo para que los interruptores abran, eso hace que durante un tiempo se pierda la alimentación en 3
los motores. Esto supone un problema a la hora de la reconexión, en la cual aparecen sobreintensidades que habrá que tener en cuenta. Las simulaciones que se han realizado en este apartado son: Transferencia de toda la carga de auxiliares a otro grupo. Transferencia de toda la carga de auxiliares a otro grupo que está en isla. Transferencias entre barras de unidad. Transferencia de la barra de unidad a otro grupo. Transferencia de la barra de desulfuración a otro grupo. Transferencia de las barras comunes a otro grupo. Transferencia de la barras de unidad a otro grupo en isla. Transferencia de la barra de desulfuración a otro grupo en isla. Se han analizado las tensiones en las barras afectadas, que son las que se transfieren y las que reciben la carga, así como las corrientes por los motores afectados y sus velocidades, comprobando que los valores que alcanzan las corrientes son admisibles y que las máquinas no se frenan mucho y son capaces de volver a su velocidad nominal tras la transferencia. 4