15 mayo 2011

Dimensionado de una planta diesel y análisis de rendimiento de microgrid diesel-eólica remotos (2ª PARTE)



Ver 1ª PARTE

DIMENSIONADO DE PLANTAS DIESEL

El dimensionado incorrecto de una planta diesel ha sido común hasta ahora y ello conlleva fuertes penalizaciones en consumo energético. Para conseguir un dimensionado óptimo de la unidad se requiere una consideración cuidadosa de varios factores incluyendo análisis detallado de las fluctuaciones de carga estacional y diaria, crecimiento de carga anual, e incorporación de restricciones prácticas para la operación diesel factible y fiable. Si la unidad diesel solamente se basa en valores de carga promedio y/o cargas pico, o en una base anual, con algunos márgenes de seguridad y capacidad adicional para ampliaciones futuras, la planta diesel estará generalmente muy sobredimensionada. El motivo es que las cargas de las comunidades remotas se caracterizan normalmente por ser altamente variables, con cargas pico tan altas como 5 o 10 veces las cargas promedio. Una aproximación práctica es emplear múltiples unidades, series de dos o tres generadores, con varios tamaños y aplicar ciclos para repartir la energía y optimizar las cargas de cada unidad para alcanzar la máxima eficiencia del combustible.


Un aspecto desafiante del uso de las plantas diesel es que la eficiencia de un generador diesel drásticamente se reduce cuando la carga cae por debajo del 30-40 % de la capacidad diesel nominal. En el ejemplo estudiado la carga se suministra con una unidad generadora diesel de 925 kW. Pero si reemplazamos esta unidad por otra de 635 kW cuando tengamos cargas por debajo de 530 kW y/o por otra unidad de 560 kW cuando la carga está por debajo de 450 kW, la demanda de carga total se reduce. De esta forma conseguimos que en todo momento se esté trabajando con plantas diesel que en todo momento estén más próximas a la carga nominal y la eficiencia en el consumo de combustible aumenta.
El uso de unidades múltiples con tamaños distintos es un sistema eficaz de trabajar con generadores diesel cuando nos enfrentamos a cargas variables. Un aspecto desafiante de un sistema diesel-eólico sin almacenamiento de energía es maximizar la tasa de absorción de energía eólica, o la cantidad de energía eólica importada, que también afecta la eficiencia de combustible diesel. Por razones asociadas al riesgo de fallo, al envejecimiento del generador y el impacto adverso en el consumo de combustible, la carga mínima de cada unidad se limita al 30 %. En consecuencia, el exceso de energía eólica se pierde cuando la demanda de carga es baja. Gestionando la carga diesel basándonos en unidades múltiples de diferentes tamaños y aplicando una estrategia de funcionamiento óptima puede reducirse de forma efectiva la energía perdida y conseguir un ahorro sustancial de combustible. Sin embargo, esta solución no es tan fácil de aplicar por lo que en el proyecto de Ramea fue investigada la configuración de reemplazar una de las tres unidades diesel por una unidades diesel de tamaño más pequeño. Para valorar la configuración más correcta se computó la eficiencia (kWh/litro) en relación a la carga suministrada por el generador. Varios análisis estudiando el modelo de carga demostraron que la decisión más racional era considerar la unidad de 635 kW como el tamaño óptimo de generación. Se realizaron análisis diarios detallados y estacionales del rendimiento del sistema de energía diesel-eólica requeridos para asegurar la selección correcta para la operación concurrente de la planta diesel y eólica. Se desarrolló un modelo del flujo de energía para este propósito.
Después de calcular la carga total de los generadores diesel, el controlador maestro de la planta, DPMC, realiza la tarea de gestionar el ciclo del generador, cuando se requiera, para actualizar el estatus de operación de los generadores diesel, apagando/encendiendo generadores adicionales, compartiendo la energía entre múltiples generadores, y calcular el consumo de combustible de cada unidad.
Restricciones de operación y control de plantas diesel
La planta de energía diesel es la principal fuente de generación de la red de electricidad remota de la isla. Aunque la carga de la comunidad fluctúa en un amplio rango y puede caer a 200 kW, la planta de generación eólica no está diseñada para operar independientemente del generador diesel. De aquí, bajo cualquier condición de generación de energía eólica y/o carga, el controlador de la planta diesel necesita asegurar la operación de al menos un generador diesel con una capacidad de reserva para soportar cargas repentinas y fluctuaciones de la energía eólica.

Las siguientes restricciones de operación se incorporan al modelo de control de la planta diesel como parte del análisis del flujo de energía:


·       Restricciones de carga mínima (MLC) establecida al 30 %
·   Restricciones de reserva de rotación (SRC), que se determinan basándose en una carga promedio y configurada al 0,85 % de la capacidad nominal real del grupo diesel.
·      Restricción de potencia máxima (MPC), que se define basándonos en la potencia instantánea de la planta diesel e incorpora tanto potencia real como reactiva suministrada por la planta diesel. MPC se configura al 0,95 % de la potencia aparente total de la planta diesel. Sin embargo, un generador diesel puede momentáneamente tolerar hasta un 10 % de sobrecarga.
Ciclo de suministro de energía
Basándonos en la estructura actual de la planta diesel con tres generadores diesel y la curva de duración de carga anual de la red, se obtuvo que un generador diesel de 925 kW puede suministrar la carga de la comunidad un 88 % del tiempo.


Compartiendo carga
Normalmente, una o dos unidades de generadores diesel operan juntos. En condiciones de carga raras, se requiere la adición de una tercera unidad. El DPMC supervisa las operaciones de arranque, sincronización y operación en paralelo de la unidad diesel.


Rendimiento
Desde el punto de vista del rendimiento la mejor solución fue una unidad de 635 kW con dos unidades de 925 kW. La reducción de combustible se reduce significativamente para las mismas cargas y condiciones de velocidad del viento. Usando un generador diesel de un tamaño más pequeño se incrementa la absorción de energía eólica en un 6,7 % y correspondientemente se reduce la cantidad de energía eólica desperdiciada en un 30 %. Un efecto adverso del tamaño diesel reducido es que el número total de ciclos de arranque/parada de los generadores diesel se incrementan en un 50 %.


Bibliografía: Diesel plant sizing and performance analysis of e remote wind-diesel microgrid. Proceeding f the IEEE-PES 2007. General meeting
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