Estudio de cargabilidad en poligráfico de Guantánamo

INTRODUCCIÓN

La energía posibilita y facilita toda la actividad humana. Las diferentes fuentes y sistemas de producción y uso de la energía empleados por el hombre han marcado grandes etapas en el desarrollo de la sociedad humana. En muchos casos, el desarrollo de estas ha dependido de las elecciones energéticas realizadas en cada momento.

Con el decurso del tiempo el hombre pasó del empleo de su fuerza muscular al uso de diversas fuentes para satisfacer sus necesidades: el empleo del fuego, la utilización de la tracción animal, y finalmente, en rápida sucesión, el dominio de las tecnologías del carbón, del petróleo y el gas natural, y la producción y uso del vapor y la electricidad. Esta última ha sido la base para el mejoramiento de los niveles de vida de la población y para el desarrollo industrial.

La satisfacción de los principales servicios energéticos del hombre por una vía basada en los combustibles fósiles (cerca del 80 % del total mundial), conjuntamente con el desarrollo industrial, el crecimiento de la población y su concentración en grandes urbes, ha alterado significativamente algunos ciclos vitales en el planeta. (Viego, 2007, p. 7__. (2007). Tecnología de gestión total eficiente de energía. Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente. Editorial Universo Sur.).

Ante este panorama nada alentador, nuestro país, a partir del año 2006, viene desarrollando un proceso denominado “Revolución Energética en Cuba”. En él se ha puesto en práctica nuevas concepciones para el desarrollo de un sistema electro energético nacional más eficiente y seguro. Dentro de los ejes temáticos del Plan Nacional de Desarrollo para el 2030 se encuentra el de Medio Ambiente y Recursos Naturales, y entre sus objetivos específicos se encuentra: “Elevar la eficiencia energética y el desarrollo de fuentes renovables de energía, lo que contribuye, entre otros beneficios, a reducir la emisión de gases de efecto invernadero, a mitigar el cambio climático y a promover un desarrollo económico menos intenso en carbono”. (Tabloide Especial, Granma, 2017Tabloide Especial. (2017). Documentos del 7mo Congreso del PCC aprobados por el III Pleno del Comité Central del PCC el 18 de mayo del 2017 y respaldados por la Asamblea Nacional del Poder Popular el 1 de junio del 2017. Periódico Granma.).

El poligráfico de Guantánamo se integra a este programa, y realiza acciones encaminadas a disminuir su demanda de energía eléctrica y a hacer más efectiva su gestión energética. Dentro de sus talleres productivos se encuentran instaladas máquinas de impresión y encuadernación que tienen alrededor de 45 años de explotación. Dichas máquinas trabajan por debajo de su capacidad nominal debido al deterioro técnico sufrido con el paso de los años. Los motores eléctricos de estas máquinas trabajan también por debajo de su valor de potencia nominal atendiendo a las causas explicadas arriba. En la industria, estas máquinas consumen más del 50 % de la energía eléctrica generada por lo que es preciso establecer medidas que permitan contribuir al ahorro de energía y de gastos capitales en este campo. De ahí que el objetivo de este trabajo sea determinar el estado de carga de los motores eléctricos, y la viabilidad de su posible sustitución por otros de alta eficiencia.

METODOLOGÍA

De acuerdo con Viego (2006 b)__. (2006b). Uso final eficiente de la energía eléctrica. Texto para la Especialización en Eficiencia Energética. Universidad Autónoma de Occidente, Cali, Colombia. “Un programa de perfeccionamiento energético difícilmente puede considerarse completo sin una evaluación de la eficiencia de los motores más potentes y críticos de una instalación” (p. 7). En la actualidad, debido a los precios crecientes y a las exigencias de ahorro de energía, el valor de la eficiencia juega un papel fundamental en la industria. Para la realización del estudio se partió del hecho de que la energía eléctrica es el principal portador energético que se consume en la UEB. La demostración de ello aparece en la estructura de consumo mostrada en la Figura 1. Aquí es posible apreciar que haciendo hincapié en el ahorro de electricidad se puede mejorar la eficiencia económica e industrial de la instalación ya que el mayor porciento de consumo corresponde a este portador. Para llevar a cabo la investigación se emplearon métodos del nivel teórico (análisis - síntesis e histórico - lógico) y empírico (análisis documental).

Existen diversos métodos para determinar la eficiencia. Por ejemplo: la IEEE-112 establece cinco métodos denominados A, B, C, E y F con las variantes E₁, F₁. En la práctica industrial, los métodos de evaluación toman nombres genéricos, y pueden fundarse en la combinación de varios métodos básicos. Figuran entre ellos el método de los datos de placa, el método de la corriente equivalente, etc.

En todos los métodos la eficiencia se calcula según la ecuación $\eta =\frac{P salida}{P electrica entrada}$ :

La potencia de salida es la potencia de entrada menos las pérdidas. De la forma en la cual se determinan las pérdidas depende la exactitud del método aplicado. El equipamiento tecnológico instalado en la planta industrial data de finales de los años 70, y la mayoría de estos proviene del desaparecido campo socialista. Estas máquinas tienen un alto grado de obsolescencia tecnológica. Desde el punto de vista técnico el estado del equipamiento deja mucho que desear por los años de explotación a que han sido sometidos. Estos motores eléctricos tienen bajo factor de potencia, baja eficiencia, y adolecen de piezas de recambio para su mantenimiento. Para la realización del estudio de carga a los motores eléctricos se utilizó un analizador de redes de marca CIRCUTOR ARL - 5 como se mencionó arriba. Dicho analizador es capaz de monitorear, registrar y grabar varias variables de comportamiento de un motor eléctrico en una unidad de tiempo determinada. Este equipo es capaz de ofrecer en forma tabular y gráfica como la tensión (V), corriente (A), potencia activa (kW), potencia reactiva (ckVAr), potencia aparente (kVA), factor de potencia (cosφ), frecuencia (Hz), etc. Este equipo posee un puerto que permite, después de recopilados los datos, vaciarlos en la PC y mediante un software, llamado POWER VISION, visualizarlos y analizarlos en forma gráfica y/o tubular. En la figura que se muestra a continuación, se puede ver el equipo montado en una máquina de impresión Planeta a cuatro colores.

El analizador de redes se monta en el motor principal de cada una de las máquinas antes mencionadas. Dicho analizador posee terminales que varían su calibre de acuerdo con la tensión (V) del motor a medir. El analizador se programa para registrar y grabar valores durante una hora de trabajo a intervalos de 1 minuto. La máquina impresora o encuadernadora comienza a trabajar y al cabo de la hora se obtienen alrededor de 60 mediciones, las cuales son suficientes para determinar el comportamiento energético del motor eléctrico. Se retiran los terminales del analizador, y después, utilizando un puerto, estos valores se llevan a la PC donde se descarga el archivo correspondiente. De esa forma, se procede en todas las máquinas y los archivos creados por el analizador van siendo guardados en la PC para su posterior examen. Con estos registros en máquina, después de verificar que el motor eléctrico analizado consume por debajo de su valor nominal de chapa, se prepara una hoja de cálculo electrónica en el Microsoft Excel, siguiendo el siguiente algoritmo de cálculo, para proponer el nuevo motor con el nuevo valor de potencia a consumir:

Se tomó como referencia el cálculo realizado al accionamiento principal de una máquina impresora Planeta de 4 colores. El motor eléctrico original tiene las siguientes características técnicas:

Utilizando el método de la corriente equivalente cuya fórmula $Ieq=\sqrt[2]{\frac{{\sum }_{i=1}^{n}I{i}^{2}ti}{{\sum }_{i=1}^{n}ti}}$ se muestra a continuación efectuamos:

Sustituyendo los valores registrados por el analizador de redes se obtiene:

La cargabilidad del motor se puede calcular por:

Este valor revela que de la potencia nominal del motor solo se aprovecha el 54,56 %. Con ello es posible establecer que dicho motor está subutilizado.

Se calcula ahora el valor de la potencia equivalente por la fórmula $Peq=\sqrt[2]{\frac{{\sum }_{i=1}^{n}P{i}^{2}ti}{{\sum }_{i=1}^{n}ti}}$ que aparece a continuación:

Este valor se multiplica por la eficiencia real ajustada que es igual a un 85 % después de tener en cuenta varios factores que influyen en ella como la variación de tensión, desbalance de tensión y otros. Al final la potencia real entregada es igual a:

Multiplicando este último valor por un factor de seguridad igual a 1,65, se determina que la potencia que se requiere para energizar esta máquina es igual a 10,03 kW. Ahora se normaliza este valor de potencia y para ello hay que apoyarse en un catálogo de motores de la marca SIEMENS donde se encuentran valores estandarizados de potencia. Entonces se elige el nuevo motor con las características que se muestran a continuación:

A continuación, se calcula el momento máximo que pide la carga, según la fórmula $Mmáxc=\frac{Pmáxc}{\frac{\pi n}{30}*rpm}*1000$ :

A continuación, se calculan los valores de momento nominal y momento máximo absoluto del motor propuesto utilizando la fórmula que aparece arriba. Se obtuvieron los resultados siguientes:

Seguidamente, se comprueba si el motor propuesto es capaz de mover la carga. Para ello se calcula si el momento máximo en el ciclo es menor que el momento máximo del motor seleccionado.

Momento máximo en el ciclo < (0,7-0,8) Momento máximo del motor seleccionado

Los resultados son:

Luego se concluye que el motor propuesto resulta adecuado para los requerimientos de momento máximo. En coordinación con la agencia CEDAI, han sido importados tres motores de alta eficiencia, los cuales fueron montados en el taller de impresión plana y rotativa. Hasta este momento se han obtenido excelentes resultados. A continuación, se muestra la máquina impresora Planeta de cuatro colores con el nuevo accionamiento.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El procedimiento antes descrito se llevó a cabo en cada uno de los motores eléctricos estudiados en los talleres de conversión, impresión y encuadernación de la UEB. Fueron obtenidos los siguientes resultados:

La aplicación en el poligráfico de Guantánamo de la Tecnología de Gestión Total Eficiente de Energía (TGTEE) ha permitido identificar el potencial que existe para el ahorro de energía eléctrica en este lugar, ya que este portador es el de mayor consumo como se demostró en la estructura de consumo de portadores energéticos antes presentada. (Ver Figura 1).

Con la sustitución de estos motores eléctricos por otros de menores consumos energéticos, y más eficientes se obtiene el siguiente ahorro energético:

Por el ahorro conseguido en un año de trabajo (24,56 MW.h) deja de emitirse a la atmósfera la siguiente cantidad de gases contaminantes:

La termoeléctrica Antonio Maceo (Renté) de Santiago de Cuba deja de emitir a la atmósfera, 16,85 toneladas de gases de efecto invernadero en un año de trabajo. Además, 6877 kilogramos de combustible dejados de quemar para la generación de energía eléctrica teniendo en cuenta que su índice de consumo es de 280 g/kWh.

En el momento en que se deje de consumir 24,56 MW.h considerando 16 horas de trabajo, 254 días laborables y recontratando la demanda máxima, al año, la UEB dejará de pagar por concepto de facturación eléctrica lo siguiente:

CONCLUSIONES

La aplicación de este trabajo en el poligráfico de Guantánamo posibilitó la determinación del estado de carga de los motores eléctricos de los talleres de conversión, impresión y encuadernación. Se concluyó que quince de ellos están subcargados. En coordinación con la agencia CEDAI se ha podido sustituir tres. Esta solución ha permitido una disminución en el gasto de la facturación eléctrica, así como realizado una importante contribución a la disminución en la emisión de gases de efecto invernadero que tanto dañan nuestro medio ambiente.