Diseño y construcción de paneles de mando para generadores y sincornicos de corrientes alterna

Resumen

La generación de energía eléctrica a partir de combustibles renovables como la fibra del bagazo que queda al serle extraído el jugo a la caña de azúcar que es el caso que nos ocupa, en la actualidad tiene gran importancia, es el camino que utilizan varios países para dar solución a sus problemas de disponibilidad de energía eléctrica; nuestro país enfrenta una carrera contra el tiempo en el montaje de nuevas fuentes de energías renovables buscando un crecimiento acelerado y continuo del desarrollo económico y social cubano, convirtiéndose de esta forma en una de las tareas fundamentales de las máximas autoridades del estado.

Esta nueva forma de descentralizar la generación de energía eléctrica por su naturaleza cambia la concepción a la hora de analizar las técnicas de protección respecto a las que se conocen tradicionalmente, por lo que su aplicación debe estar bien concebida y fundamentada. Sobre esta línea está dirigido el trabajo de montaje cableado y programación de los relés de multifunción inteligentes utilizados para proteger los generadores, y el montaje de un regulador de voltaje automático (AVR), así como las protecciones de interconexión con el Sistema Electroenergético Nacional (SEN) instalados en la planta eléctrica de la UEB del Central Azucarero Ifrain Alfonso.

Palabras clave: relés de multifunción inteligentes, generadores, paneles de mando, planta eléctrica.

Introducción

La crisis energética que sufre el mundo, conduce a extremar el aprovechamiento de cuanta fuente de energía esté disponible. Por ello, los sistemas tradicionales de distribución están cambiando sus características, en estructura, criterios de operación y metodologías de protección. Este cambio no se está produciendo en forma coordinada entre los sectores involucrados. La interconexión a la red, modifica la potencia de cortocircuito del sistema. El nivel de este aporte depende de la potencia relativa, del tipo de generador y de la interface empleada. De estos tres elementos, el que requiere mayor análisis es el tipo de generador, ya que por la amplia variedad de fuentes pueden emplearse equipos distintos. Los generadores han avanzado en sus diseños y construcción desde sus comienzos y en la actualidad se encuentran instalados equipos de diferentes tecnologías.

Puede ocurrir que en los sistemas de potencia aparezcan altos tiempos de limpieza de la falla o que exista coordinación no selectiva, ambas no aceptadas por los criterios de protección y además por el mercado de la energía eléctrica. Se deduce entonces, que los generadores requieren de una técnica de protección cuya metodología puede variar respecto a la conocida tradicionalmente, debido a que las características de operación e interconexión y el tipo de planta, entre otras cuestiones a tener en cuenta, hacen necesario analizar la influencia que provoca la inclusión de los generadores en el sistema al que se conectan, ya que ante las perturbaciones en el sistema eléctrico que afectan las plantas generadoras de electricidad aparezcan altos tiempos de limpieza de la falla o que no coordinen las protecciones, por ende su aplicación debe estar bien concebida y encaminada a evitar daños en los generadores ,trasformadores y sistema en general.

En base a lo planteado anteriormente, este trabajo está centrado en los siguientes objetivos:

• Sustituir todo lo viejo instalado, falto de seguridad y confiabilidad tanto para el personal técnico y de operación, así como para los equipos y montar paneles nuevos dotados de tecnología de avanzada elevando la calidad y explotación de los turbogeneradores.

• Brindar información sobre las protecciones de los generadores y sus peculiaridades, montadas en la planta eléctrica del central azucarero Ifraín Alfonso ubicado en el municipio de Ranchuelo.

• Diseñar y proporcionar integralmente los esquemas de control, protección, medición y señalización de las protecciones de los generadores, e interconexión con el sistema.

• Ofrecer de forma clara y resumida toda la información actualizada sobre las protecciones de los generadores, e interconexión con el sistema.

• Proporcionar integralmente los esquemas de control eléctricos del regulador de voltaje automático montado en el generador Nº1, que funciona en la actualidad.

Para cumplimentar estos objetivos se realizó una búsqueda bibliográfica brindada por los fabricantes y otras fuentes más dispersas, donde se encuentran todos los datos técnicos de los diferentes equipos, por lo que se considera que se utiliza como método fundamental en esta investigación la revisión bibliográfica.

Desarrollo

Descripción tecnológica

La Planta Eléctrica del Central Azucarero Ifrain Alfonso disponía en el año 2012 de un turbo generador de 3.2 MW 480 V y del servicio eléctrico nacional al mismo nivel de voltaje para satisfacer las necesidades de la producción de azúcar crudo.

Ese mismo año se decidió mediante la inversión aprobada por AZCUBA ampliar la capacidad de la planta eléctrica con la instalación de otro turbogenerador de 3 MW, pero a 6.3 kv que se uniría mediante transformadores de enlace, así como la sustitución del transformador de entrada a la fábrica de 33kv por otro que permitiera la alimentación de 33 kv a 6.3 kv con el objetivo de sincronizar la planta con la red nacional a este nivel de voltaje.

Para la realización de esta inversión fue necesaria la búsqueda del turbogenerador y paneles de mando, protección y sincronización así como los paneles de fuerza para la nueva pizarra a 6.3 kv, cables y algún otro recurso.

El montaje de este conjunto formado por dos turbogeneradores de diferentes voltajes y tecnologías y carentes de los correspondientes planos para la conexión e interconexión de todos los paneles, fue realizado a pie de obra gracias a especialistas de otros centrales que tenían experiencia en plantas de media tensión donde realizaron las adaptaciones y modificaciones tanto de los paneles de mando que existían anteriormente, como los que se trajeron de estos centrales. De esta forma se terminó la realización del trabajo.

En el mes de agosto de 2013, previo a las reparaciones, se procedió a la tarea de comenzar a identificar todos los circuitos de control, mando, protección y sincronización que se habían realizado y se confeccionaron los planos de lo que existía realmente, donde se pudo evaluar la necesidad de reorganizar todo lo existente y hacer las correcciones a determinadas imprecisiones. Surgió entonces la idea de sustituir todo lo viejo y falto información por paneles construidos en base a nuestra concepción que cubrieran las necesidades técnicas de operación en cuanto a seguridad, confiabilidad y sencillez. La confección de dichos planos y la ejecución de la obra, se realizó previa coordinación con los especialistas provinciales y nacionales, además del apoyo prestado por la dirección de la UEB Ifrain Alfonso,el jefe de mantenimiento, Jefe de la Planta Eléctrica, así como el personal técnico de apoyo.

El nivel de deterioro existente en los circuitos de control y protección de los paneles de los generadores, producto de modificaciones y cancelaciones en los dispositivos de mando, protección, medición y señalización, así como la carencia de planos e informaciones técnicas, hacían inoperantes, no confiables e inseguras dichas instalaciones, lo que constituían un problema que afectaba el proceso tecnológico de puesta en marcha y posterior funcionamiento de los generadores.

Los nuevos paneles dotados de dispositivos modernos como el relé PL-300IC y el relé PD-300G ambos de tecnología digital, de la firma INGETEAM montados sobre un diseño confiable y seguro, permiten la puesta en marcha y sincronización con elevada sencillez, confianza y seguridad, además de una alta operatividad, también brinda la posibilidad de visualizar en tiempo real todos los parámetros eléctricos de los generadores, subestaciones internas, centros de cargas y sistema electroenergético nacional, a partir de la adquisición de analizadores de redes garantizando una protección segura y óptima explotación de las máquinas.

El panel existente de la protección de interconexión con el SEN equipado con relés de la firma SEPAM de procedencia francesa, estaba sometido a modificaciones no registradas en nuevos planos que permitieran la revisión y el mantenimiento, se hacían indeseables las inspecciones y búsquedas de cualquier falla o avería imposibilitando la solución de las mismos.

Se procedió al reordenamiento y sustitución de dichas protecciones reconectando mediante un esquema sencillo y seguro, así como el montaje de relés inteligentes PD-3002D para transformadores de dos devanados y el relé salto vector PL-70 ambos de la firma INGETEAM. Se instaló una moderna columna de sincronismo dando la posibilidad de sincronizar desde el SEN hacia las barras colectoras sin necesidad de interrumpir el proceso productivo.

El generador Nº1 no contaba con un regulador de voltaje automático, por lo que su operación quedaba en manos de la experiencia y habilidad de los operadores y al ocurrir cualquier desviación de carga o fluctuación del voltaje comprometía el funcionamiento óptimo del generador y el sistema.

Se adquiere un novedoso regulador de voltaje con tecnologías de avanzadas de la familia DECS-200 de la firma BASLER ELECTRIC con procedencia norteamericana. Este dispositivo cuenta con un paquete de protecciones muy completo sobre el sistema de excitación de generadores sincrónicos, además de un sistema de curvas donde se puede seleccionar por parte del usuario las características de ganancia proporcional con tiempos de integración y derivativos (PID) para buscar la mejor respuesta al lazo de excitación del generador. Se monta y se programa elevándose la confiabilidad y estabilidad del voltaje en la operación de reparto de potencia reactiva entre ambos generadores, tanto en operación sincronizada con el SEN o formando una isla paralelo.

Para la programación y ajustes de las señales de entradas y salidas análogo digitales, temporizadores, lógicas de disparos y selección de curvas de tiempo inverso, fue necesario la utilización del software SIPCOM para los relé de sobre corriente PL 300 IC, relé diferencial del generador PD300, relé diferencial del transformador PD300 2D y el relé salto vector PL70. También fue usado el software BESTCOM para el ajuste de los diferentes parámetros de excitación, protección y estabilidad del regulador de voltaje DECS-200 montado en el generador Nº1. Cabe señalar que los mismos fueron suministrados por los diferentes fabricantes INGEATEAM Y BASLER ELECTRIC respectivamente.

La simulación de las corridas de los niveles de corrientes de cortocircuito tanto de los generadores como barras colectoras y transformadores de potencia que intervienen en la interconexión de la planta eléctrica con el SEN aseguran la explotación de la instalación de una forma segura y fiable para el sistema eléctrico, personal técnico y de operación.

Análisis técnico económico

La primera experiencia de la inversión, fue en la Zafra 2011-2012, donde se presentaron dificultades de operación en la planta eléctrica, unidas a problemas de la instalación, no se había realizado una inversión de equipos nuevos acoplados a otros equipos también nuevos, sino que la nueva planta eléctrica es la adaptación de paneles viejos y mutilados que existían con paneles viejos recogidos en centrales desmantelados, además de la carencia de planos de conexión e informaciones técnicas.

Por tales motivos ocurrieron durante la Zafra 18 paradas entre interrupciones operativas y averías para un total de 37.74 horas.

La zafra 2012-2013 la planta eléctrica no estuvo exenta de las dificultades antes mencionadas, aumentándose el tiempo perdido total a 42.00 horas.

Comenzamos la zafra 2013-2014 cosechando resultados positivos con la nueva instalación donde se ha visto la rápida adaptación de los operadores al sencillo procedimiento de operación y aunque como es lógico durante la marcha se han hecho los ajustes y correcciones pertinentes, el resultado final hasta hoy es excelente ya que las deficiencias que han existido han sido en su mayoría por causas externas, no imputable a lo realizado.

Para la construcción de los nuevos paneles se utilizó el recurso disponible en la Planta Eléctrica, tales como se muestra en la tabla Nº1

Tabla Nº 1: equipos y componentes utilizados en la confección de los paneles de mando y protección de los generadores de la planta eléctrica del central azucarero Ifrain Alfonso.

Según datos suministrados por los especialistas nacionales la adquisición en el mercado internacional de dos paneles integrales dotados de todo un sistema de control y protección para generadores trifásicos sincrónicos diseñados y construidos por la firma española ATHEL, están valorados en 60000€ cada uno. En nuestro caso reconocemos que los paneles construidos en la UEB cumplen con las funciones básicas de control y lógica de programación para la protección, faltándole aún la explotación de la potencialidad que ofrecen estos relés digitales multifunción, las cuales se cubrirán en trabajos posteriores.

El cálculo del efecto económico de este trabajo se ha realizado teniendo en cuenta las horas de paradas provocadas por interrupciones operativas y roturas en el sistema de control y protección de los generadores de la planta eléctrica en los años 2012 y 2013 producto de la tecnología obsoleta instalada, además de los recursos utilizados y salario devengado por el autor y técnicos que estuvieron presentes en este proyecto.

A continuación brindamos un resumen de lo antes planteado.

Cuando el suministro de materia prima a la industria es constante y cumple con los parámetros de calidad de la misma, además de mantenerse de forma estable el flujo de producción, se producen como promedio 325 toneladas de azúcar en 24 horas, o lo que es lo mismo 13.5 toneladas por hora.

En la zafra 2012 ocurrieron 18 paradas totales con 37.74 horas, dejando de producir 509.5 toneladas de azúcar, teniendo en cuenta que el precio de la tonelada vendida arganel es de 1251.60 pesos en moneda nacional y si multiplicamos este valor por 509.5 obtendremos un equivalente a 637690.20 pesos en MN.

En la zafra 2013 ocurrieron paradas entre averías e interrupciones operativas para un total de 42 horas, dejando de producir 567 toneladas teniendo en cuenta que el precio de la tonelada vendida arganel es de 1251.60 pesos en moneda nacional, si multiplicamos este valor por 567 se obtendrá un equivalente a 709657.20 pesos en MN.

El importe total de los materiales usados en la confección de los paneles de protección de los generadores es de 3123.76 pesos en MN y 14062.785 MLC. Este monto total fue obtenido teniendo en cuenta los precios actuales que tiene montado en el sistema de la comercializadora AZUMAT.

El salario total devengado por mano de obra en moneda nacional.

Especialista en automatización 408.00 pesos al mes.

Electricista B 318. 06 pesos al mes.

Ayudante de electricista 269.00 pesos al mes

El salario total consumido en los dos meses en el que se realizó el trabajo de montaje, cableado y programación fue de 1990.12 pesos.

Si se analizan todos estos datos podemos definir el ahorro que proporciona a la economía del país este trabajo, al aumentar la producción de azúcar, debido a la alta estabilidad, confiabilidad y seguridad en la operación y explotación de la planta eléctrica, que tan vital es en el proceso de fabricación del dulce grano, además de no tener que invertir en el extranjero en la adquisición de estos paneles ni contratar asesoría técnica extranjera para dar la puesta en marcha y capacitación al personal técnico y operación cubano.

Conclusiones

Con la realización de este trabajo, se pudo llegar a las siguientes conclusiones:

• El trabajo responde a las necesidades tecnológicas de operación, sincronización, protección y señalización del sistema eléctrico de la fábrica y del sistema electroenergético nacional con eficiencia y calidad.

• Simplifica la operación aumentando la confiabilidad y estabilidad de la instalación en general.

• En la actualidad las plantas de generación de electricidad y su interconexión han ido ganando un lugar cada vez más firme como generadores de energía eléctrica para el respaldo de la generación base en los sistemas eléctricos de potencia del país, complicándose las exigencias de protección a seguir para un funcionamiento seguro de los generadores y el sistema.

• No se encuentran evidencias en la UEB de trabajos anteriores relacionados con la interacción de las protecciones para plantas alemanas sincronizadas al SEN.

• No existía claridad en los esquemas electicos de control y la información se encontraba de forma dispersa y desorganizada.

• Los esquemas presentados en el trabajo aparecen simplificados por el autor, con el objetivo de facilitar su comprensión.

• La generación de energía eléctrica ha ido ganando espacio en nuestras redes eléctricas. Las protecciones de estos sistemas deben ser ajustadas de forma óptima para garantizar la seguridad del personal técnico, de operación, equipos y el sistema.

Recomendaciones

A partir de los resultados obtenidos en este trabajo y de las conclusiones expuestas, se proponen las siguientes recomendaciones:

• Programar la salida digital (SD4) del relé PL- 300IC de ambos generadores para que posibilite el cierre de sus respectivos interruptores sin sincronismo sobre barras desenergizadas.

• Adquirir y montar los reguladores programables con el fin de entregar potencia activa de forma automática al SEN en función del consumo de escape de la fábrica ahorrando bagazo y agua, dos elementos básicos para la fabricación de azúcar y generación de energía eléctrica en nuestra industria.

• Recalcular algunos de los ajustes de las protecciones debido a que no son sensibles a determinadas fallas.

• Continuar el análisis de estas protecciones en otras localizaciones de este tipo de plantas para seguir ganando en experiencia e implementar una metodología más detallada en tal sentido.

• Realizar estudios posteriores que permitan analizar la coordinación entre las protecciones y representarlas gráficamente.

• Hacer un estudio más profundo y detallado sobre el tema, es una práctica que no ha sido estudiada a profundidad desde el punto de vista de las protecciones y con el decursar del tiempo pueden aparecer fenómenos asociados en nuestra red.

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Autores:

MSc. Lic. Julio Cesar Suárez García, cubano nacido en 1968, se graduó de licenciado en educación especialidad Matemática en el Instituto Superior Pedagógico, en el 1991 Félix Varela de Santa Clara y Master en matemática aplicada en el 2008, se ha desempeñado como docente en la sede universitaria de Ranchuelo a tiempo completo desde el 2004 hasta la fecha. Ha impartido temas en pregrado de matemática superior I y II, estadística matemática, Sistema de información para el contador y matemática financiera entre otras, así como postgrados de estadísticas. Correo: [email protected]

Ing. Onel Aguiar Padilla, cubano nacido en 1974, se graduó de ingeniero eléctrico en la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas, en el año 2015, se desempeño como jefe de planta eléctrica en el central 10 de Octubre y actualmente es trabajador de AZCUBA en el central Ifrain Alfonso de Ranchuelo.

MSc. Lic. Nolivio López Díaz, cubano nacido en 1976, se graduó de licenciado en economía en la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas, en el año 2007 y Master en administración de negocios en el año 2010 en esa misma Universidad, se ha desempeñado como docente de la misma a tiempo parcial desde año 2007 y en el 2013 paso a ser parte del claustro a tiempo completo de la misma. Ha impartido temas en pregrado de finanzas, marketing, investigación de operaciones, administración y economía política entre otros, así como postgrados de cultura económica y pedagogía. Investiga cuestiones relacionadas con el desarrollo local, las finanzas y la administración. Correo: [email protected]

Anexos

Anexo 1

Anexo 2

Anexo 3

Anexo 4

Anexo 5

Anexo 6