El mantenimiento predictivo termodinámico de motores de gas en plantas de cogeneración

La evaluación termodinámica del motor de gas permite a los equipos de operación y mantenimiento de las plantas de cogeneración conocer si el motor esta funcionando de acuerdo con sus prestaciones garantizadas. El desvío de dichos parámetros indicará que algo no está funcionando como se espera en el interior del motor, y por tanto, permitirá diagnosticarlo y tomar las acciones correctivas a tiempo y de forma sencilla y eficaz.

Evaluar los parámetros termodinámicos de un motor consiste básicamente en conocer presiones, temperaturas y caudales del aire (comburente) y del combustible, para conocer si el motor se está comportando de acuerdo con lo esperado en todos sus puntos.

El proceso se inicia conociendo temperatura, presión y humedad ambiental del aire de entrada al motor, medido en el interior de la sala o contenedor donde se aloja el motor. Esto nos permite conocer la entalpía y la potencia del comburente a la entrada del motor.

En segundo lugar se analiza el combustible, especialmente los siguientes parámetros:

• Composición.
• Poder calorífico inferior (PCI).
• Presión y temperatura.
• Caudal de entrada.

Nuevamente, esto nos permite conocer la entalpía y la potencia en forma de combustible que entra al motor, que sumado a la entalpía y potencia del comburente constituirá la entrada total de energía al motor.

De todos estos parámetros el más complejo de medir es, sin duda, el caudal de comburente, ya que no es habitual colocar ningún tipo de caudalímetro en la entrada de aire. El resto de los parámetros son fáciles de medir, pero ese tiene la dificultad de no contar con un instrumento de medida.

Para calcular el aire de entrada es posible recurrir a un pequeño truco, que matemáticamente es preciso y exacto: medir el exceso de aire en los humos de combustión. Para ello se necesita un medidor de la composición de los gases de combustión. Entonces, el cálculo resulta sencillo, y el proceso es el siguiente. Se calcula la cantidad estequiométrica de aire que se corresponde con la cantidad de gas que está entrando, y se le añade el aire necesario para aportar a los humos de combustión el exceso indicado en el analizador.

Hay que tener en cuenta que los analizadores nos aportan un dato volumétrico es decir % de oxígeno en volumen, y no en peso, por lo que tendremos que hacer la correspondiente corrección para transformar ese % en volumen en % en peso.

Además, hay que recordar la importancia de las unidades, porque aquí suele residir la mayor parte de los errores que se comenten en los cálculos termodinámicos. Si todas le entalpías implicadas en las entradas y salidas se convierten a kJ/kg; los caudales deben indicarse en kg/s; las potencias en kW y las energías, ya sean térmicas o eléctricas, en kJ (si se quiere convertir kJ en kWh habrá que dividir estos entre 3.600), con estas consideraciones el problema de las unidades estará resuelto. Pero en el momento en que empiecen a mezclarse kWh con kJ, m³ con kg, etc., el caos estará servido.

Considerando las entradas de energía (aire+combustible) y las salidas de energía (energía eléctrica, energía en los humos de combustión, energía en el agua de refrigeración de alta temperatura, energía en el agua de refrigeración de baja temperatura, pérdidas del generador y pérdidas por radiación; tenemos un balance de masa, potencia y energía que nos permitirá conocer si el comportamiento del motor es acorde con lo esperado. Y si no lo fuera, nos permite conocer, con precisión, dónde está el problema y proceder así tanto a su diagnóstico, como a dar las pautas para una posible solución.

Conviene construir una pequeña hoja de cálculo, muy sencilla, de manera que podamos introducir el caudal de combustible, las condiciones ambientales (presión, temperatura y humedad), el poder calorífico del combustible, la energía eléctrica generada, la temperatura de los humos de combustión, las temperaturas de entrada y salida del circuito de agua de refrigeración de alta temperatura y las temperaturas de entrada y salida del circuito de agua de refrigeración de baja temperatura; y que la hoja de cálculo haga el resto por nosotros, aportándonos el rendimiento del motor y la potencia/energía que tenemos, tanto en la entrada como en las salidas.

El mantenimiento predictivo termodinámico se convierte así en una herramienta sencilla y precisa a la hora de diagnosticar un motor alternativo de combustión interna.

Santiago García Garrido, director técnico de Renovetec Ingeniería, te lo cuenta en este vídeo: