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Un generador diésel (DG) (también conocido como grupo electrógeno diésel) es la combinación de un motor diésel con un generador eléctrico (a menudo un alternador ) para generar energía eléctrica . Este es un caso específico de motor generador . Un motor diésel de encendido por compresión suele estar diseñado para funcionar con combustible diésel , pero algunos tipos están adaptados para otros combustibles líquidos o gas natural (GNC).
Los grupos electrógenos diésel se utilizan en lugares sin conexión a una red eléctrica o como suministro de energía de emergencia si la red falla, así como para aplicaciones más complejas como reducción de picos, soporte de red y exportación a la red eléctrica.
El tamaño del generador diésel es crucial para minimizar la carga baja o la escasez de energía. El dimensionamiento es complicado por las características de la electrónica moderna , específicamente las cargas no lineales. En rangos de tamaño de alrededor de 50 MW y superiores, una turbina de gas de ciclo abierto es más eficiente a plena carga que una serie de motores diésel, y mucho más compacta, con costos de capital comparables; pero para carga parcial regular, incluso a estos niveles de potencia, a veces se prefieren los generadores diésel a las turbinas de gas de ciclo abierto, debido a sus eficiencias superiores.
La combinación empaquetada de un motor diesel , un generador y varios dispositivos auxiliares (como base, cubierta, atenuación de sonido, sistemas de control , disyuntores , calentadores de agua de camisa y sistema de arranque) se conoce como "grupo generador" o "grupo electrógeno" para abreviar.
Los tamaños de los conjuntos varían de 8 a 30 kW (también monofásicos de 8 a 30 kVA ) para hogares, pequeñas tiendas y oficinas, mientras que los generadores industriales más grandes van desde 8 kW (11 kVA) hasta 2000 kW (2500 kVA). trifásico) utilizado para complejos de oficinas, fábricas y otras instalaciones industriales. Se puede alojar un conjunto de 2000 kW en un contenedor ISO de 40 pies (12 m) con un tanque de combustible, controles, equipo de distribución de energía y todos los demás equipos necesarios para operar como una central eléctrica independiente o como respaldo de reserva de la energía de la red. Estas unidades, denominadas módulos de potencia, son grupos electrógenos montados en grandes remolques de tres ejes que pesan 85.000 libras (38.555 kg) o más. Se utiliza una combinación de estos módulos para centrales eléctricas pequeñas y pueden utilizar de una a 20 unidades por sección de potencia; estas secciones se pueden combinar para involucrar cientos de módulos de potencia. En estos tamaños más grandes, el módulo de potencia (motor y generador) se lleva al sitio en remolques por separado y se conecta con cables grandes y un cable de control para formar una planta de energía sincronizada completa . También existen una serie de opciones para adaptar necesidades específicas, incluidos paneles de control para AutoStart y conexión en paralelo a la red eléctrica, marquesinas acústicas para aplicaciones fijas o móviles, equipos de ventilación, sistemas de suministro de combustible, sistemas de escape, etc.
Los generadores diésel no son sólo para energía de emergencia, sino que también pueden tener una función secundaria de suministrar energía a las redes de servicios públicos, ya sea durante los períodos pico o en los períodos en los que hay escasez de grandes generadores de energía. En el Reino Unido, este programa lo gestiona la red nacional y se llama STOR.
Los barcos también suelen emplear generadores diésel, a veces no sólo para proporcionar energía auxiliar para luces, ventiladores, cabrestantes, etc., sino también indirectamente para la propulsión principal . Con propulsión eléctrica, los generadores se pueden colocar en una posición conveniente para permitir transportar más carga. Los propulsores eléctricos para barcos se desarrollaron antes de la Primera Guerra Mundial . Los propulsores eléctricos se especificaron en muchos buques de guerra construidos durante la Segunda Guerra Mundial porque la capacidad de fabricación de grandes engranajes reductores era escasa, en comparación con la capacidad de fabricación de equipos eléctricos. [1] Esta disposición diésel-eléctrica también se utiliza en algunos vehículos terrestres muy grandes, como las locomotoras de ferrocarril .
Los grupos electrógenos se seleccionan en función de la carga eléctrica que pretenden suministrar, las características de la carga eléctrica como kW , kVA , var , contenido de armónicos , sobrecorrientes (por ejemplo, corriente de arranque del motor) y cargas no lineales . También se debe considerar el servicio esperado (como energía de emergencia, primaria o continua), así como las condiciones ambientales (como altitud, temperatura y regulaciones de emisiones de escape).
La mayoría de los fabricantes de grupos electrógenos más importantes ofrecen software que realizará complicados cálculos de tamaño simplemente ingresando las condiciones del sitio y las características de la carga eléctrica conectada .
Uno o más generadores diésel que funcionan sin conexión a una red eléctrica se denominan funcionamiento en modo isla . Operar generadores en paralelo proporciona la ventaja de la redundancia y puede proporcionar una mejor eficiencia con cargas parciales. La planta pone en funcionamiento y desconecta grupos electrógenos en función de las demandas del sistema en un momento determinado. Una central eléctrica aislada destinada a ser una fuente de energía primaria de una comunidad aislada a menudo tendrá al menos tres generadores diésel, dos de los cuales están clasificados para transportar la carga requerida. No son raros los grupos de hasta 20 personas.
Los generadores pueden conectarse eléctricamente mediante el proceso de sincronización . La sincronización implica hacer coincidir el voltaje , la frecuencia y la fase antes de conectar el generador al sistema. No sincronizar antes de una conexión podría causar una alta corriente de cortocircuito o desgaste en el generador o su tablero . El proceso de sincronización puede realizarse automáticamente mediante un módulo sincronizador automático o manualmente por el operador instruido. El sincronizador automático leerá los parámetros de voltaje, frecuencia y fase de los voltajes del generador y de la barra colectora , mientras regula la velocidad a través del gobernador del motor o ECM (Módulo de control del motor).
La carga se puede compartir entre generadores que funcionan en paralelo mediante el reparto de carga. La carga compartida se puede lograr mediante el uso de un control de velocidad de caída controlado por la frecuencia en el generador, mientras se ajusta constantemente el control de combustible del motor para cambiar la carga hacia y desde las fuentes de energía restantes. Un generador diésel soportará más carga cuando aumente el suministro de combustible a su sistema de combustión, mientras que la carga se liberará si disminuye el suministro de combustible.
Además de su conocido papel como fuentes de alimentación durante cortes de energía, los grupos electrógenos diésel también respaldan habitualmente las principales redes eléctricas de todo el mundo de dos maneras distintas:
Los generadores diésel de reserva de emergencia, como los que se utilizan en hospitales y plantas de agua, se utilizan ampliamente, como función secundaria, en los EE. UU. y, en el pasado reciente, en Gran Bretaña para respaldar las respectivas redes nacionales, en ocasiones por diversas razones. . En el Reino Unido, las licitaciones conocidas como Reserva Operativa a Corto Plazo han mostrado precios bastante variables, y desde 2012 el volumen de participación por el lado de la demanda, que implica principalmente el uso de motores diésel in situ, ha disminuido a medida que bajaban los precios de las licitaciones. En ocasiones se han utilizado unos 0,5 GWe de motores diésel para respaldar la Red Nacional , cuya carga máxima es de unos 60 GW. Se trata de conjuntos en el rango de tamaño de 200 kW a 2 MW. Esto suele ocurrir, por ejemplo, durante la pérdida repentina de una gran planta convencional de 660 MW, o un aumento repentino e inesperado de la demanda de energía que erosiona la reserva rotativa normal disponible. [2]
Esto es beneficioso para ambas partes: los motores diésel ya se han comprado por otros motivos, pero para que sean fiables es necesario probarlos con carga completa. El paralelismo de cuadrículas es una forma conveniente de hacer esto. Este método de operación normalmente lo lleva a cabo un agregador externo que gestiona el funcionamiento de los generadores y la interacción con el operador del sistema.
En algunos casos, estos motores diésel pueden estar funcionando en paralelo en tan solo dos minutos, sin impacto en el sitio (no es necesario cerrar la oficina o la fábrica). Esto es mucho más rápido que una central eléctrica de carga base, que puede tardar 12 horas en estar fría, y más rápido que una turbina de gas, que puede tardar varios minutos. Si bien los diésel son muy caros en términos de combustible, sólo se utilizan unos pocos cientos de horas al año en esta tarea, y su disponibilidad puede evitar la necesidad de una estación de carga base que funcione de manera ineficiente a carga parcial de forma continua. El combustible diesel utilizado es el combustible que se habría utilizado en las pruebas de todos modos.
En Gran Bretaña, National Grid generalmente puede contar con aproximadamente 2 GW de reducción de la demanda de los clientes mediante el autodespacho de diésel de respaldo durante aproximadamente 10 a 40 horas al año en momentos de máxima demanda nacional esperada. National Grid no controla estos motores diésel: los gestiona el cliente para evitar los cargos por uso del sistema de la red de transmisión "tríada" (TNUoS), que se aplican únicamente al consumo de cada sitio, en las tres medias horas de máxima demanda nacional. No se sabe de antemano cuándo serán las tres medias horas de máxima demanda nacional (los períodos de la "tríada"), por lo que el cliente debe hacer funcionar sus motores diésel durante bastante más media hora al año que sólo tres.
Se estima que la capacidad total de generación de reserva operable de manera confiable en Gran Bretaña es de alrededor de 20 GW, casi toda la cual es impulsada por motores diésel. Esto equivale a casi el 29% del pico del sistema británico, aunque sólo una fracción muy pequeña alguna vez estará generando al mismo tiempo. La mayor parte de la planta es para grandes bloques de oficinas, hospitales, supermercados y diversas instalaciones donde la energía continua es importante, como los aeropuertos. Por lo tanto, la mayoría se encuentra en áreas urbanas, particularmente en centros urbanos y comerciales. Se estima que alrededor del 10% de la planta supera 1 MW, aproximadamente el 50% está en el rango de 200 kW-1 MW y el 40% restante está por debajo de 200 kW. Aunque está creciendo, se cree que sólo una proporción muy pequeña se utiliza regularmente para la reducción de picos, siendo la gran mayoría sólo para generación de reserva. La información contenida en este párrafo proviene de la sección 6.9 del informe del gobierno: "Superación de barreras para programar la generación integrada para respaldar las redes de distribución" [3]
En Gran Bretaña se está haciendo un uso cada vez mayor de bancos de generadores diésel (conocidos como "parques diésel") para equilibrar la producción fluctuante de fuentes de energía renovables, como los parques eólicos . [4]
En Francia funciona un sistema similar a la Reserva Operativa a Corto Plazo de Gran Bretaña. Se conoce como EJP; En momentos de tensión en la red, las tarifas especiales pueden movilizar al menos 5 GW de grupos electrógenos diésel para que estén disponibles. En este caso, la función principal del diésel es inyectar energía a la red.
Durante el funcionamiento normal en sincronización con la red eléctrica, los motores se gobiernan con un control de velocidad de caída del cinco por ciento . Esto significa que la velocidad a plena carga es del 100% y la velocidad sin carga es del 105%. Esto es necesario para el funcionamiento estable de la red sin oscilaciones ni caídas de las centrales eléctricas. Normalmente los cambios de velocidad son menores. Los ajustes en la producción de potencia se realizan elevando lentamente la curva de caída aumentando la presión del resorte en un regulador centrífugo . Generalmente, este es un requisito básico del sistema para todas las plantas de energía porque las plantas más antiguas y más nuevas deben ser compatibles en respuesta a los cambios instantáneos de frecuencia sin depender de la comunicación externa. [5]
El consumo de combustible es la mayor parte del costo de propiedad y operación de una planta diésel para aplicaciones de energía, mientras que el costo de capital es la principal preocupación para los generadores de respaldo. El consumo específico varía, pero una planta diésel moderna, con su carga casi óptima del 65-70%, generará al menos 3 kWh por litro (aproximadamente un 30% de eficiencia de combustible ). [6] [7]
Los generadores deben proporcionar la potencia prevista requerida de manera confiable y sin daños y esto se logra cuando el fabricante otorga una o más clasificaciones a un modelo de grupo electrógeno específico. Es posible que un modelo específico de generador que funciona como generador de reserva solo necesite funcionar durante unas pocas horas al año, pero el mismo modelo que funciona como generador de energía principal debe funcionar de forma continua. Cuando está en funcionamiento, el generador de reserva puede funcionar con una sobrecarga específica (por ejemplo, del 10%) que puede tolerarse durante el corto tiempo de funcionamiento esperado. El mismo modelo de generador tendrá una clasificación más alta para servicio de reserva que para servicio continuo. Los fabricantes otorgan a cada conjunto una calificación basada en definiciones acordadas internacionalmente.
Estas definiciones de clasificación estándar están diseñadas para permitir comparaciones válidas entre fabricantes, evitar que los fabricantes califiquen incorrectamente sus máquinas y guiar a los diseñadores.
Definiciones de clasificación del generador
Clasificación de reserva basada en Aplicable para el suministro de energía de emergencia durante la interrupción normal del suministro eléctrico. No hay capacidad de sobrecarga sostenida disponible para esta clasificación. (Equivalente a Fuel Stop Power de acuerdo con ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Clasificado nominalmente.
Aplicación típica: centrales eléctricas de emergencia en hospitales, oficinas, fábricas, etc. No conectadas a la red.
Clasificación Prime (tiempo de funcionamiento ilimitado): No debe usarse para aplicaciones de energía de construcción. Salida disponible con carga variable por tiempo ilimitado. Demanda máxima típica 100% de ekW nominal principal con 10% de capacidad de sobrecarga para uso de emergencia durante un máximo de 1 hora en 12. [ cita necesaria ] Una capacidad de sobrecarga del 10% está disponible por tiempo limitado. (Equivalente a Prime Power de acuerdo con ISO8528 y Overload Power de acuerdo con ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Esta clasificación no es aplicable a todos los modelos de grupos electrógenos.
Aplicación típica: donde el generador es la única fuente de energía para, por ejemplo, una minería o un sitio de construcción remoto, un recinto ferial, un festival, etc.
Clasificación de carga base (continua) basada en: Aplicable para suministrar energía de forma continua a una carga constante hasta la clasificación de salida completa durante horas ilimitadas. No hay capacidad de sobrecarga sostenida disponible para esta clasificación. Consulte a un distribuidor autorizado para obtener la calificación. (Equivalente a Potencia Continua según ISO8528, ISO3046, AS2789, DIN6271 y BS5514). Esta clasificación no se aplica a todos los modelos de grupos electrógenos.
Aplicación típica: un generador que funciona con una carga continua e invariable, o en paralelo con la red eléctrica y alimenta continuamente energía al nivel máximo permitido de 8.760 horas por año. Esto también se aplica a los equipos utilizados para ahorro máximo y/o soporte de red, aunque esto solo puede ocurrir durante, digamos, 200 horas al año.
Como ejemplo, si en un conjunto particular la potencia en espera era de 1000 kW, entonces la potencia principal podría ser de 850 kW y la potencia continua de 800 kW. Sin embargo, estas clasificaciones varían según el fabricante y deben tomarse de la hoja de datos del fabricante.
A menudo, a un equipo se le pueden asignar las tres clasificaciones estampadas en la placa de datos, pero a veces puede tener solo una clasificación de reserva o solo una clasificación principal.
Sin embargo, normalmente es el tamaño de la carga máxima que debe conectarse y la caída de voltaje máxima aceptable lo que determina el tamaño establecido, no las clasificaciones en sí. Si se requiere que el conjunto arranque motores, entonces el conjunto tendrá que ser al menos tres veces el motor más grande, que normalmente se arranca primero. Esto significa que es poco probable que funcione cerca de las clasificaciones del conjunto elegido.
Muchos fabricantes de grupos electrógenos tienen programas de software que permiten la elección correcta de un grupo para cualquier combinación de carga determinada. El tamaño se basa en las condiciones del sitio y el tipo de electrodomésticos, equipos y dispositivos que serán alimentados por el grupo electrógeno. [8]
El combustible diésel lleva el nombre de los motores diésel y no al revés; Los motores diésel son simplemente motores de encendido por compresión y pueden funcionar con una variedad de combustibles diferentes, según la configuración y la ubicación. Cuando hay disponible una conexión a la red de gas, se suele utilizar gas, ya que la red de gas permanecerá presurizada durante casi todos los cortes de energía. Esto se logra introduciendo gas con el aire de admisión y utilizando una pequeña cantidad de combustible diesel para el encendido. La conversión a funcionamiento con combustible 100% diésel se puede lograr instantáneamente. [9]
En situaciones más rurales, o para plantas de bajo factor de carga, el combustible diesel derivado del petróleo crudo es un combustible común; es menos probable que se congele que los aceites más pesados. La resistencia estará limitada por el tamaño del tanque. Los motores diésel pueden funcionar con todo el espectro de destilados de petróleo crudo , desde gas natural , alcoholes , gasolina y gas de madera hasta fueloil , desde petróleo diésel hasta combustibles residuales más baratos que son como manteca de cerdo a temperatura ambiente, y deben calentarse para permitirles fluir por una línea de combustible. [10]
Los motores más grandes (de aproximadamente 3 MWe a 30 MWe) utilizan a veces aceites pesados, esencialmente alquitranes, derivados del final del proceso de refinación. La ligera complejidad añadida de mantener el fueloil caliente para permitir que fluya, al mismo tiempo que se mitigan los riesgos de incendio que se derivan del sobrecalentamiento del combustible, hace que estos combustibles sean impopulares para las centrales generadoras más pequeñas, a menudo no tripuladas.
Otros posibles combustibles incluyen: biodiesel , aceite vegetal , grasas y sebos animales , glicerina y lechada de agua y carbón . Deben utilizarse con precaución: debido a su composición, el motor debe ajustarse adecuadamente o afectarán negativamente a su vida útil. Por ejemplo, los motores que utilizan lechada de carbón y agua a menudo se modifican con inyectores más grandes para permitir que el combustible de mayor densidad se inyecte en la corta fracción de segundo necesaria. Se pueden usar otros combustibles de alta viscosidad como sebo, aceite vegetal o cera de parafina con inyectores de combustible estándar si el combustible se precalienta para reducir su viscosidad al rango del combustible diesel estándar. El motor diseñado y construido por Rudolf Diesel para la Exposición Universal de 1900 funcionaba con aceite de maní en lugar de un producto derivado del petróleo, como la mayoría de los motores modernos que utilizan su sistema.