Los retos más comunes al momento de diseñar una central eléctrica

Planta eléctrica y central de generación eléctrica son otros nombres comunes empleados para designar a las centrales eléctricas. Como quiera que se les llame, son parte esencial de la cotidianidad de nuestra vida moderna. No habría internet, televisión, electricidad ni, mucho menos, luz. La generación de energía eléctrica ha ocurrido desde la segunda mitad del siglo XIX, cuando se empleaba agua del lago para hacer funcionar a los dínamos de Siemens. La electricidad proveía a los consumidores de energía para alumbrar, calentar, producir agua caliente y manejar un elevador, así como para dispositivos que reducen el trabajo y para las granjas.

Una planta de energía es una instalación industrial para generar energía eléctrica. Cada una contiene varios generadores para convertir la energía mecánica en eléctrica. El nivel de ingeniería requiere muchas consideraciones antes de siquiera considerar la implementación. ¿Cuáles son algunos de los problemas de ingeniería eléctrica que enfrentan las instalaciones en la actualidad? ¿Cuáles son algunas de las soluciones comunes que han contribuido a remediar dichas cuestiones?

Hasta hace poco, el objetivo principal de los sistemas eléctricos era garantizar la operación ininterrumpida del alumbrado de una instalación, un proceso o un sistema ambiental. Este modelo, muy simple, fue desarrollado a principios del siglo XX, cuando el consumo de energía provenía primordialmente de cargas lineares. En años recientes, las cargas no lineares tales como motores de velocidad variable, controladores lógicos programable y otros equipos eléctricos se han convertido en la norma.
 
Comparadas con las cargas lineares, estas cargas no lineares son mucho más sensibles al alto o bajo voltaje y a otros disturbios que siempre han existido en la distribución de la línea eléctrica. Los problemas de rutina pueden causar problemas, que van desde malos funcionamientos, aunque menores, del equipo, hasta costosos apagones del sistema y daños al equipo. Adicionalmente, los equipos no lineares pueden generar sus propios inconvenientes de energía, lo cual puede ocasionar problemas en otras partes de la central, lo cual, posiblemente, repercuta en el sistema de distribución de la instalación.
 
La creciente confianza en cargas no lineares ha agregado nuevos objetivos al diseño de sistemas eléctricos. Mientras que sigue siendo crucial garantizar la distribución de energía, los problemas de confiabilidad y calidad de la energía también están haciéndose primordiales y los requerimientos de capacidad se han incrementado. Adicionalmente, la necesidad de controlar el uso y el costo de la energía para ser competitivo permanece latente. De cara a estos retos, los ingenieros eléctricos deben asumir el riesgo de experimentar problemas de confiabilidad y de calidad de la energía, así como asumir el impacto económico que estos, aunados a la implementación de un programa de gestión del efecto en el costo de los riesgos, generarán.

Suministro confiable de energía

El suministro confiable de energía es aquel que genera la suficiente cantidad de electricidad para que una instalación pueda usar la cantidad que desee. Asimismo, provee de suficiente energía durante el evento de una reducción u otras condiciones de emergencia, para asegurar la seguridad del personal así como la protección de procesos cruciales y de los equipos que los llevan a cabo.
 
Así, el diseño de una central eléctrica que pueda anticipar los requerimientos de carga que la instalación demanda raramente se acerca al ideal. Es necesario que los ingenieros de la planta hagan un perfil de carga de la instalación. Este proveerá al equipo de administración de un entendimiento concienzudo del consumo de energía eléctrica por intervalo de tiempo deseado. Un método para identificar el patrón de carga del servicio eléctrico es llevar a cabo un análisis de las gráficas de demanda. O, alternativamente, emplear sistemas de medida que transmitan datos con información de uso durante los picos más altos. La instrumentación es esencial para el monitoreo continuo de sistemas eléctricos; también resulta fundamental para informar a los operadores de su eficiencia y su rendimiento.

Calidad de la energía eléctrica

En términos de la energía eléctrica, el servicio público convencional no es 100% confiable. Para algunos de los clientes, que están dispuestos a pagar más, la distribución de energía puede estar cercana a 100%. Sin embargo, incluso en su mayor nivel de confianza, es posible que algunos usuarios necesiten contar con un sistema de acondicionamiento de energía hecho en casa.
A pesar del uso de diagnósticos y de la adopción de medidas preventivas por parte de los ingenieros de planta, siguen ocurriendo los apagones inesperados y otras fallas. En esas situaciones, un sistema eléctrico bien gestionado provee energía de emergencia, por lo menos la suficiente para permitir apagar el equipo.
 
La energía de respaldo puede ser suministrada por generadores auxiliares o por un dispositivo conocido como Suministro ininterrumpido de energía (UPS, por sus siglas en inglés). En un número creciente de plantas se hace factible proveer generación de energía eléctrica in situ a través de un sistema de cogeneración. Los sistemas de cogeneración utilizan desechos o adquieren combustibles para generar energía y recuperar el calor desperdiciado.

Las causas de los problemas de calidad de la energía

Aun cuando actualmente las empresas eléctricas emplean software y hardware avanzados en sus subestaciones o en sus sistemas de distribución, los problemas energéticos ocurren. Estos pueden ser resultado de:

• Fallas en la transmisión
• Problemas con el sistema de distribución
• Caída de rayos
• Operación del equipo de manera simultánea

En muchos casos, los inconvenientes pueden ser rastreados como problemas de cableado y de conexión a tierra dentro de la misma planta. Los problemas más comunes son apagones, bajo o alto voltaje, sobrevoltaje, picos, variaciones o ruido. Pueden variar de duración: desde apagones que duren varias horas, hasta variaciones que duren solamente unos microsegundos, y que incluso sean (imperceptibles) para los ingenieros de planta.

El equipo eléctrico viejo, como motores, solenoides y controles electromecánicos prácticamente no se ve afectado durante interrupciones de corta duración. Sin embargo, aún el equipo electrónico en condiciones óptimas es susceptible a una gran cantidad de fallas. Esta vulnerabilidad se debe a la forma como el dispositivo electrónico consume la corriente alterna (AC, por sus siglas en inglés) que se le suministra. Los dispositivos electrónicos que no pueden convertir el suministro de poder AC en corriente directa (DC), pueden tener problemas que incluyen:

• Interrupción del dispositivo
• Errores en los datos
• Pérdida de memoria
• Cierres del sistema inesperados

En el peor de los casos, algunos dispositivos pueden dañarse permanentemente.

Consideraciones para corregir los problemas de la calidad de la energía

Existen varios remedios distintos, disponibles para proteger de los problemas de energía a sus equipos en condiciones óptimas y con alta sensibilidad; la mayoría de ellos es simple y no representa gastos importantes. Además, los disturbios pueden prevenirse juntos si se condiciona el suministro para suavizar la forma de la onda sinusoidal. Debido a que el equipo de acondicionamiento de energía es costoso, se recomienda solamente para aquellas aplicaciones que requieran el mayor grado de poder eléctrico.

• Cableado y conexión a tierra
  Aproximadamente 80% de los problemas de calidad de la energía en instalaciones comerciales e industriales puede rastrearse como problemas con conexión a tierra y cableado inadecuados, conexiones flojas y acumulación de polvo y suciedad por causa de prácticas de mantenimiento deficientes. No es posible enfatizar suficientemente la importancia de un buen piso con poca resistencia, especialmente porque los sistemas, en condiciones sólidas, dependen de la conexión a tierra como referencia, pues deben operar por y para disipar las fallas energéticas que podrían causar daños si se dejan en el circuito. Esta es una medida de prevención de bajo costo para problemas de calidad de energía.
• Circuitos dedicados
  La mayor cantidad de inconvenientes en forma de ruido son generados dentro de la propia central eléctrica. Como resultado, un método de protección efectivo y crucial para equipo altamente sensible es ubicarlo en su propio circuito aislado, de manera que se le proteja contra las interrupciones de energía ocasionadas por otros equipos en proximidad.
• Supresor de picos de voltaje
  Estos supresores reducen la amplitud de los brincos de voltaje para salvar niveles y eliminar los cambios repentinos de voltaje. Son los dispositivos protectores más económicos y simples; no obstante, su capacidad depende de la calidad del supresor que se adquirió.
• Transformadores de aislamiento
  Los transformadores de energía filtran el ruido eléctrico y las distorsiones provenientes de otro equipo in situ o de la energía entrante. Antes bien, no pueden proteger al equipo de otro tipo de inconvenientes, como picos y variaciones.
• Reguladores de voltaje
  Los reguladores de voltaje mantienen un voltaje relativamente constante, pues protegen de variaciones a través de medios mecánicos o eléctricos. Esta opción es más costosas que las enlistadas arriba, pero es un punto medio del costo que tendría un dispositivo para aumentar la energía eléctrica.
• Suministro de energía ininterrumpible (UPS)
  Un UPS protege al equipo de interrupciones de energía de corta duración y de problemas externos de energía. Típicamente, estos sistemas fungen como rectificador/cargador, como un banco de batería, como un inversor estático y como un interruptor de derivación automático o manual. Ofrece protección contra todos los problemas de calidad de la energía, incluyendo apagones momentáneos. La protección contra apagones largos se limita a la potencia del banco de batería. El UPS no protege contra cambios transitorios, caídas de voltaje, sobrevoltaje u otros inconvenientes.

 
Fuente: cim-team.com.br