Dimensionamiento de una unidad de cogeneración a gas natural personalizada de 18–150 kW según la demanda de calor

Dimensione un generador CHP de gas natural a medida de 18-150kW según el calor que su instalación pueda absorber durante las horas de funcionamiento previstas. El mejor punto de partida es una carga térmica sostenida a una temperatura compatible, respaldada por una demanda simultánea de electricidad. La capacidad máxima de la caldera y el consumo anual de gas, por sí solos, no permiten establecer ese punto de funcionamiento: ambos pueden ocultar largos periodos en los que no hay un uso útil para el calor recuperado.

A menudo, una unidad adecuada cubre la parte constante de la demanda de calor, mientras que las calderas se encargan de los picos y de los periodos de mantenimiento. La potencia eléctrica nominal definitiva depende de la producción de calor recuperable del motor seleccionado, las condiciones del emplazamiento y los límites de control. Establecer primero estas relaciones evita que una capacidad eléctrica aparentemente atractiva dé lugar a una instalación térmica sobredimensionada.

Defina la carga térmica en el punto de conexión

Elabore el perfil de demanda en función del circuito que recibirá realmente el calor de la CHP. Separe la calefacción de espacios, el agua caliente sanitaria, la calefacción de procesos y cualquier otro uso térmico propuesto. Cada uno tiene horarios y requisitos de temperatura distintos. Agruparlos en una sola cifra de energía anual oculta si las cargas coinciden y si un mismo circuito de recuperación puede atenderlas.

El caudal medido y la diferencia de temperatura entre impulsión y retorno proporcionan una base útil para calcular el calor suministrado. En los circuitos de agua, la potencia térmica se calcula multiplicando el caudal másico por el calor específico y la diferencia de temperatura. Si hay glicol, utilice las propiedades adecuadas del fluido y confirme la ubicación de los caudalímetros: las mediciones en un colector de caldera pueden incluir circulación o pérdidas que no representan la demanda útil en el punto de conexión previsto para la CHP.

Cuando solo se dispone de registros de consumo de combustible, convertir el consumo de combustible de la caldera en calor útil requiere asumir un rendimiento adecuado para las condiciones reales de funcionamiento. El rendimiento de placa no tiene en cuenta los ciclos de encendido y apagado, las pérdidas en espera ni las variaciones de la temperatura de retorno. Considere esa conversión como una estimación hasta que las mediciones permitan determinar la carga con mayor fiabilidad.

Trace una curva de duración de la carga térmica para determinar cuánta demanda se mantiene a lo largo de las horas de funcionamiento. Conserve también el perfil cronológico. Una curva de duración ordena las cargas y elimina su secuencia, por lo que no revela las ventanas de demanda breves y recurrentes, las paradas nocturnas ni los horarios necesarios para evaluar el almacenamiento térmico.

La compatibilidad de temperaturas determina el calor recuperable

El calor recuperable total solo es útil si puede transferirse a través del intercambiador de calor y satisfacer los requisitos del circuito receptor. La recuperación del agua de las camisas del motor y la recuperación de los gases de escape están sujetas a distintas limitaciones de temperatura. Sus producciones deben especificarse por separado, indicando las condiciones en las que está disponible cada aporte.

Un circuito de calefacción con una temperatura de retorno elevada deja una diferencia de temperatura menor para la transferencia de calor. Esto puede reducir el calor suministrado o acercar el circuito de refrigeración del motor a su límite de funcionamiento. Por tanto, una potencia térmica nominal medida con agua de retorno más fría no puede aplicarse directamente a un circuito de proceso más caliente. La temperatura de impulsión requerida, la temperatura máxima de retorno, el rango de caudal y la diferencia de temperatura mínima del intercambiador deben incluirse en las especificaciones de dimensionamiento.

Si un proceso requiere temperaturas superiores a las que puede alcanzar el circuito de agua caliente propuesto, contabilice únicamente el calor que la configuración de recuperación seleccionada pueda suministrar en esas condiciones. No sume toda la energía del agua de las camisas y de los gases de escape en una única cifra de calor útil sin confirmar la configuración hidráulica y los niveles de temperatura.

El intercambiador de calor también separa el refrigerante del motor del circuito de la instalación. Su pérdida de carga, el margen para ensuciamiento, los materiales y la compatibilidad de los fluidos afectan tanto al suministro de calor como a las necesidades de bombeo. Un intercambiador demasiado pequeño puede hacer que un motor correctamente dimensionado parezca térmicamente insuficiente; aumentar el tamaño del motor no resolvería la limitación subyacente.

Convierta la demanda térmica sostenida en potencias eléctricas candidatas

Una vez definidas las condiciones del circuito receptor, solicite los datos de rendimiento de las unidades candidatas dentro del rango eléctrico de 18–150 kW. Utilice la producción térmica suministrada en el punto de conexión acordado para la instalación, en lugar del calor disponible antes de las pérdidas en tuberías e intercambiadores. La relación entre calor y potencia varía según el diseño del motor, la carga y la configuración de recuperación, por lo que una relación fija no debe aplicarse a todo el rango.

Una relación preliminar es:

Potencia eléctrica candidata = demanda térmica útil sostenida ÷ relación entre calor recuperable y potencia eléctrica en el punto de funcionamiento previsto.

Este cálculo permite identificar una capacidad inicial. Aun así, la unidad candidata debe evaluarse en función de su curva de carga real, su carga mínima de funcionamiento continuo y las reducciones de potencia debidas a las condiciones del emplazamiento. Cuando afecten a la producción, la composición y presión disponibles del gas, la temperatura ambiente, la altitud y las condiciones de refrigeración deben incluirse en las condiciones de referencia del rendimiento ofertado.

Compare las unidades candidatas con el perfil cronológico de demanda. En cada intervalo, el calor útil de la CHP está limitado tanto por la recuperación disponible como por la demanda térmica conectada; el almacenamiento se evalúa por separado. Registre también el aporte de la caldera, el calor rechazado, la generación eléctrica, el consumo auxiliar y los arranques. Así se detecta una unidad de mayor tamaño que, pese a producir más energía sobre el papel, pasa mucho tiempo limitada o rechazando calor.

Las especificaciones del producto deben interpretarse con cuidado durante esta comparación. La ficha de30-90kW biogas generator sets identifica el modelo AMC30GFJ-PZ con una potencia nominal de 30 kW (37.5 kVA), 400 V y 50 Hz. Estas cifras describen las características eléctricas; no confirman la compatibilidad con gas natural ni el calor CHP recuperable. La compatibilidad del combustible y el rendimiento térmico deben confirmarse por separado antes de incorporar esta especificación a un cálculo de dimensionamiento de CHP de gas natural.

Resuelva el funcionamiento a baja carga antes de aumentar la capacidad

El rendimiento a carga parcial determina si una unidad dimensionada para una demanda sostenida sigue siendo útil cuando esta disminuye. Solicite los datos de rendimiento eléctrico, producción térmica recuperable, temperaturas admisibles y carga mínima continua en todo el rango de funcionamiento propuesto. Una cifra de rendimiento a plena carga ofrece poca orientación para una máquina que previsiblemente funcionará buena parte del tiempo con una potencia reducida.

Si la demanda cae repetidamente por debajo de la producción térmica útil de la unidad a carga mínima, las opciones prácticas incluyen paradas programadas, almacenamiento, una unidad más pequeña o varios módulos. Los arranques frecuentes introducen periodos de calentamiento y modifican la relación entre las horas de funcionamiento y la energía suministrada. El modelo operativo debe incluir esos periodos, en lugar de presuponer que la recuperación en régimen estable es inmediata.

El almacenamiento térmico es adecuado cuando existe un desfase temporal y el calor sobrante puede satisfacer una demanda posterior. Dimensione la energía útil almacenada a partir del excedente acumulado durante el periodo de carga y del rango de temperatura permitido. El volumen del depósito, por sí solo, no es suficiente: la estratificación, la temperatura mínima útil de descarga y la potencia de carga determinan cuánta energía almacenada llega a la carga. El almacenamiento no puede resolver un excedente estacional persistente si no existe una demanda térmica posterior.

Varios módulos más pequeños permiten adaptar la producción por etapas cuando la demanda varía considerablemente. Su ventaja depende de la carga mínima de cada módulo, la configuración hidráulica y la lógica de secuenciación. Compare esta solución con una unidad única utilizando los mismos datos de demanda e incluyendo los consumos auxiliares y el espacio disponible para la instalación.

Las limitaciones eléctricas pueden cambiar una selección basada en la demanda térmica

Superponga la demanda eléctrica de la instalación al programa de funcionamiento térmico propuesto. Cuando no se permita exportar electricidad o esta esté restringida, una demanda eléctrica baja puede obligar a reducir la producción de la unidad CHP aunque la demanda térmica siga siendo elevada. Una curva de duración de la carga eléctrica por sí sola no muestra este problema, porque no indica si la electricidad y el calor se necesitan al mismo tiempo.

Distinga entre la potencia en los terminales del generador y la electricidad neta disponible para la instalación. Las bombas, la ventilación, los controles y otros equipos auxiliares del conjunto consumen energía. Compare la producción neta con la carga de la instalación y especifique cómo responde el controlador cuando disminuye la demanda eléctrica: modulación, parada, exportación permitida u otro modo de funcionamiento acordado.

El funcionamiento basado en la demanda térmica también requiere una respuesta definida cuando el circuito receptor deja de aceptar calor. Para mantener la refrigeración del motor puede ser necesaria una vía de disipación térmica, pero el calor rechazado debe excluirse de los cálculos de energía útil. La secuenciación de las calderas debe adaptarse al calentamiento de la CHP y a las paradas, sin causar temperaturas de retorno inestables ni un funcionamiento simultáneo innecesario.

Especifique el rendimiento en el punto de conexión de la instalación

Una propuesta de dimensionamiento que pueda revisarse debe indicar la potencia eléctrica seleccionada junto con el suministro térmico garantizado a temperaturas de impulsión y retorno, condiciones de combustible y puntos de carga definidos. También debe especificar el funcionamiento estable mínimo, el consumo auxiliar, las prioridades de control y el límite entre los equipos del conjunto y las tuberías de la instalación.

Las mediciones de puesta en servicio deben utilizar esos mismos límites: potencia eléctrica neta, calor suministrado, consumo de combustible y temperaturas del circuito receptor bajo una carga representativa. Si el calor suministrado medido es inferior al previsto, el caudal, el rendimiento del intercambiador, la temperatura de retorno y la carga del motor permiten identificar causas diferentes. Solo debe aumentarse la capacidad cuando haya pruebas de que el motor en sí está subdimensionado, y no para compensar una limitación en la transferencia de calor o en el control.