Cómo la ventilación del recinto evita la reducción de potencia de los pequeños generadores con turbina de gas

La ventilación de la envolvente suele considerarse un accesorio de un paquete de generador de turbina de gas pequeña. En la práctica, puede determinar si la unidad entrega la potencia eléctrica prevista durante los períodos de operación más calurosos. Cuando el calor se acumula dentro de una envolvente, la turbina puede aspirar aire considerablemente más caliente que la condición ambiente utilizada para su clasificación. La consiguiente pérdida de densidad del aire reduce el flujo másico a través del compresor y puede obligar a reducir la potencia disponible.

Para los equipos de compras, no se trata simplemente de una cuestión de refrigeración. Un paquete puede cumplir su potencia nominal en condiciones de prueba abiertas o bien ventiladas, pero sufrir una reducción de potencia en servicio debido a la recirculación del aire de la envolvente, a que el calor de escape vuelve hacia la admisión o a que la capacidad de ventilación no coincide con la carga térmica instalada. El objetivo práctico es mantener el entorno de admisión de la turbina cercano a la condición ambiente del sitio asumida en la garantía de rendimiento, al tiempo que se protege el equipo eléctrico y auxiliar de temperaturas excesivas.

Por qué el calor de la envolvente provoca una reducción de potencia del generador

Una turbina de gas depende de la masa de aire que entra en su compresor. A medida que aumenta la temperatura de admisión, el aire se vuelve menos denso. Para un tamaño de compresor y un límite de velocidad de rotación determinados, hay menos masa de aire disponible para la combustión. El sistema de control puede reducir el flujo de combustible o limitar la temperatura de la turbina para mantenerse dentro de límites operativos seguros. Como resultado, el generador produce menos potencia, aunque no exista ninguna falla mecánica.

El calor de la envolvente puede amplificar el efecto normal de un clima cálido. Un sitio puede tener una temperatura ambiente diurna alta, lo que ya reduce la potencia de la turbina. Si la envolvente añade otro aumento de temperatura entre el aire exterior y la admisión del paquete, la capacidad disponible puede caer por debajo de la carga que el comprador esperaba que soportara la unidad. Esta diferencia resulta especialmente problemática cuando el generador alimenta cargas de proceso continuas, bombas críticas, auxiliares de compresión u operaciones remotas con poca capacidad de reserva.

La ventilación también afecta a más aspectos que el aire de admisión de la turbina. Las condiciones de alta temperatura en la envolvente pueden reducir el margen operativo de los devanados del generador, paneles de control, baterías, aislamiento de cables, equipos de aceite lubricante y controles electrónicos. La unidad puede seguir funcionando, pero la exposición repetida a altas temperaturas puede aumentar las alarmas, paradas, necesidades de mantenimiento e incertidumbre sobre la potencia fiable disponible.

El diseño de ventilación debe gestionar el flujo de aire, no solo mover aire

Una cifra elevada de caudal de aire del ventilador por sí sola no demuestra un diseño de envolvente eficaz. El aire debe entrar por ubicaciones útiles, barrer los equipos que generan calor y salir sin crear cortocircuitos entre las aberturas de suministro y escape. Una ventilación mal dirigida puede dejar zonas calientes alrededor del paquete de turbina o del gabinete eléctrico, mientras que una gran parte del aire de refrigeración evita esos componentes.

Un diseño funcional normalmente considera cuatro trayectorias interrelacionadas:

• Aire de combustión y admisión de la turbina: La admisión debe tomar el aire práctico más frío disponible y estar protegida contra la recirculación de la pluma de escape.
• Aire de ventilación de la envolvente: El aire fresco debe absorber el calor de la carcasa de la turbina, el generador, los accesorios y las tuberías locales antes de salir de la envolvente.
• Flujo de aire del radiador o enfriador: Cuando el equipo de refrigeración del paquete rechaza calor hacia la envolvente o a través de ella, su trayectoria de descarga no debe elevar la temperatura en la admisión de la turbina.
• Descarga de escape: El encaminamiento del escape debe impedir que los gases calientes vuelvan a entrar por rejillas, filtros de admisión o aberturas cercanas del edificio bajo las condiciones de viento previstas.

Estas trayectorias deben revisarse en conjunto. Un ventilador de ventilación puede estar correctamente dimensionado mientras el sistema general sigue fallando porque una chimenea de escape descarga cerca del lado de admisión, una rejilla tiene una pérdida de presión excesiva o una cubierta contra la intemperie bloquea la entrada efectiva de aire. En un skid compacto, incluso cambios modestos en la disposición pueden alterar la trayectoria del calor y crear una recirculación que no estaba presente durante una prueba de paquete abierto.

El aumento de temperatura es la verificación de compras que importa

Los compradores deben pedir al proveedor que defina el aumento de temperatura esperado dentro de la envolvente por encima de la temperatura ambiente del sitio para el régimen previsto, en lugar de aceptar una declaración general de que el paquete está “ventilado”. La base de diseño debe distinguir entre la temperatura ambiente exterior, la temperatura del aire en la admisión de la turbina y la temperatura local más alta dentro de la envolvente cerca de los componentes sensibles. Son valores relacionados, pero no intercambiables.

El volumen de ventilación requerido está determinado por el calor rechazado dentro de la envolvente y el aumento de temperatura admisible del aire de ventilación. Esta carga térmica puede incluir radiación y convección de la turbina, pérdidas del generador, sistemas de aceite lubricante, equipos eléctricos, cargadores, iluminación y cualquier equipo de refrigeración ubicado en el mismo espacio. Un cálculo que considere únicamente la carcasa de la turbina puede subestimar la carga. Por el contrario, especificar más flujo de aire sin considerar las pérdidas en rejillas, la resistencia de los conductos, la presión estática del ventilador y las aberturas de aire de reposición puede crear un diseño que funcione mal después de la instalación.

El criterio de aceptación adecuado depende del modelo de turbina y de las condiciones del sitio. Por lo tanto, los documentos de compras deben solicitar la clasificación de temperatura ambiente indicada por el proveedor, la temperatura admisible de admisión de la turbina, la temperatura de diseño de ventilación y las condiciones de operación utilizadas en el cálculo de potencia. Si la potencia requerida debe estar disponible bajo una determinada condición de alta temperatura ambiente, ese requisito debe ser explícito. La “potencia nominal” sin una condición ambiente definida deja margen para una discrepancia evitable.

La disposición del sitio puede perjudicar un paquete bien diseñado

La ventilación de la envolvente está influida por las condiciones de instalación que pueden estar fuera del alcance estándar del proveedor del generador. Un paquete instalado contra una pared, bajo una cubierta, dentro de un edificio de proceso o en un pasillo estrecho de equipos no tendrá el mismo flujo de aire que una unidad independiente. Los equipos cercanos pueden descargar aire caliente hacia la admisión del generador. El viento puede mejorar la extracción o empujar el escape y el aire caliente de ventilación de vuelta hacia las rejillas.

El polvo y los contaminantes transportados por el aire añaden otra capa de riesgo. La filtración es necesaria para proteger la turbina, pero los filtros sucios aumentan la resistencia de admisión y pueden reducir el flujo de aire suministrado. Las rejillas de ventilación y las mallas contra insectos también acumulan residuos. En ubicaciones con polvo fino, aire cargado de sal, niebla de aceite o residuos estacionales, el acceso para inspección y limpieza debe considerarse parte del diseño de la envolvente, en lugar de una consideración posterior de mantenimiento.

Para una aplicación de perforación o suministro eléctrico en campo, el generador puede operar cerca de equipos accionados por diésel, como unabomba de lodo. La ubicación de estas cargas es importante. La descarga de sus radiadores, el escape de sus motores y su pluma de polvo no deben poder desplazarse hacia la admisión de la envolvente de la turbina. Un cálculo de capacidad puede ser correcto sobre el papel y aun así producir una reducción de potencia si el generador se sitúa en la estela de aire caliente de maquinaria adyacente.

Suposiciones comunes que provocan reducciones de potencia evitables

Una suposición común es que un ventilador de envolvente clasificado para un gran caudal de aire proporciona automáticamente suficiente refrigeración. Las clasificaciones de los ventiladores suelen publicarse bajo condiciones específicas de presión estática. Los conductos instalados, rejillas, filtros, silenciadores y mallas de protección pueden reducir considerablemente el caudal real. Lo importante es el punto de funcionamiento instalado, no el máximo del catálogo.

Otra suposición es que la sala del generador solo necesita cumplir una temperatura general de confort para el personal. El rendimiento de la turbina es más sensible a la temperatura del aire que entra en el compresor que a la temperatura promedio en otras partes de la sala. Una sala puede parecer adecuadamente ventilada mientras una bolsa localizada de aire caliente eleva la temperatura de admisión de la turbina.

También es arriesgado depender de un único sensor de temperatura. Los sensores colocados lejos de la admisión, en una zona de alto flujo de aire o cerca de una pared fría pueden no revelar la recirculación. La supervisión de temperatura debe cubrir el área de admisión de la turbina y las zonas relevantes de la envolvente, con alarmas configuradas para iniciar una investigación antes de que ocurra una parada por alta temperatura o un déficit recurrente de potencia.

Qué solicitar antes de realizar un pedido

Una revisión de compras no necesita prescribir cada detalle de conductos y ventiladores, pero debe establecer la evidencia necesaria para evaluar la exposición a la reducción de potencia. Los entregables útiles del proveedor incluyen una disposición general de la envolvente que muestre las entradas y salidas de aire, información sobre el flujo de aire de ventilación y la presión estática, supuestos de rechazo de calor, encaminamiento del escape, especificación de filtros y la base para la potencia del generador a la temperatura y altitud declaradas del sitio.

También es sensato definir la responsabilidad de la interfaz entre la envolvente suministrada como paquete y la instalación. Cuando el proyecto añade un edificio, una envolvente acústica, conductos externos o un sistema de ventilación compartido, es posible que los supuestos originales de rendimiento del paquete ya no sean aplicables. La parte responsable de confirmar las trayectorias finales del flujo de aire debe identificarse antes de la entrega del equipo.

La ventilación debe evaluarse como parte de la potencia disponible, no como una característica separada de la envolvente. Cuando la trayectoria del flujo de aire se diseña para la condición ambiente real, las fuentes de calor, la geometría de instalación y el entorno de mantenimiento, un generador de turbina de gas pequeña tiene muchas más posibilidades de entregar su potencia prevista sin reducciones rutinarias de potencia por alta temperatura.