T4. Tema 4. Descripció de la maniobra d'arrencada, acoblament i distribució de càrrega i parada de generadors

Desarrollo del tema

### T4: Descripció de la Maniobra d'Arrencada, Acoblament, Distribució de Càrrega i Parada de Generadors

#### 1. Introducció als Generadors Marins

Els generadors elèctrics són el cor del subministrament d'energia a qualsevol embarcació moderna, des de petits pesquers fins a grans vaixells mercants o creuers. La seva funció principal és transformar l'energia mecànica, normalment provinent d'un motor dièsel, en energia elèctrica per alimentar tots els sistemes i equips a bord: navegació, comunicacions, il·luminació, motors auxiliars, sistemes de refrigeració, maquinària de càrrega, etc. Una gestió incorrecta dels generadors pot comportar avaries, pèrdua de subministrament elèctric (blackout), situacions de perill per a la navegació i danys materials significatius. Per tant, és fonamental per a qu'un professional de la navegació comprengui a fons les maniobres d'arrencada, acoblament, distribució de càrrega i parada.

En la formació professional de Navegació a Catalunya, es posa especial èmfasi en la seguretat i l'eficiència operacional. Els vaixells solen disposar de diversos generadors, no només per satisfer la demanda de càrrega, sinó també per garantir la redundància i la fiabilitat del sistema. En cas d'avaria d'un generador, n'hi ha d'altres disponibles per assumir la càrrega. A més dels generadors principals, molts vaixells tenen un generador d'emergència, situat fora de la sala de màquines i dissenyat per proporcionar energia vital en situacions crítiques (incendis, inundacions o fallada total dels generadors principals).

Els tipus de generadors més comuns són els dièsel-generadors, que utilitzen motors de combustió interna per accionar un alternador. També hi ha els generadors d'eix, que aprofiten el moviment de l'eix de propulsió principal per generar electricitat, especialment eficients en navegació oceànica. La correcta comprensió de la seva operació és clau per garantir la seguretat de la vida humana al mar, la protecció del medi ambient i la continuïtat del servei marítim.

#### 2. Arrencada del Generador

L'arrencada d'un generador és una maniobra que requereix atenció i la realització d'una sèrie de verificacions prèvies per assegurar el seu funcionament correcte i segur.

**2.1. Verificacions prèvies a l'arrencada:** Abans d'intentar arrencar qualsevol generador, el personal de màquines ha de realitzar una inspecció visual i funcional exhaustiva. Aquesta inclou: * **Nivells de fluids:** Comprovar i, si cal, reposar els nivells d'oli lubricant del motor, aigua de refrigeració (dolça i salada si aplica), i combustible. * **Sistema de combustible:** Assegurar que les vàlvules de subministrament de combustible estan obertes, que els filtres no estan obstruïts i que el sistema està purgat d'aire si s'ha manipulat. * **Sistema de lubricació:** Verificar la pressió de l'oli (si hi ha bombes de pre-lubricació) i assegurar que els filtres estan nets. * **Sistema de refrigeració:** Comprovar que les vàlvules de circulació d'aigua estan obertes i que la bomba de refrigeració (si és independent) funciona correctament. * **Sistema d'aire d'arrencada:** Verificar la pressió del dipòsit d'aire d'arrencada, que ha de ser suficient per a diverses arrencades consecutives. Assegurar que les vàlvules d'aire d'arrencada estan en posició. * **Sistema elèctric:** Inspeccionar el quadre de control del generador, verificar que els disjuntors principals estan oberts i que no hi ha alarmes actives. * **Entorn físic:** Assegurar que no hi ha cap eina, material o persona que pugui interferir amb la rotació del motor o de l'alternador.

**2.2. Procediment d'arrencada:** L'arrencada pot ser manual o automàtica, depenent del nivell d'automatització del vaixell.

* **Arrencada manual:** 1. Desactivar el mode automàtic (si n'hi ha). 2. Realitzar les verificacions prèvies. 3. Engegar la bomba de pre-lubricació (si aplica) i esperar la pressió d'oli adequada. 4. Seleccionar el generador al quadre de control. 5. Premer el botó d'arrencada (START). El motor girarà amb aire a pressió fins que s'encengui. 6. Un cop engegat, monitoritzar les revolucions per minut (RPM), la pressió d'oli, la temperatura de l'aigua i altres paràmetres vitals. 7. Deixar que el motor s'escalfi a una velocitat baixa i sense càrrega durant uns minuts per estabilitzar-se.

* **Arrencada automàtica:** 1. Seleccionar el generador en mode "AUTO". 2. El sistema de gestió d'energia (PMS - Power Management System) del vaixell s'encarregarà de les verificacions i de l'arrencada. Si la pressió de la barra disminueix per sota d'un valor preestablert o la càrrega supera un límit, el PMS arrencarà un generador automàticament. 3. En qualsevol cas, el personal ha de supervisar el procés.

**2.3. Monitorització inicial:** Després de l'arrencada, és crucial monitoritzar constantment els paràmetres del motor (RPM, pressions, temperatures) i de l'alternador (tensió, freqüència) per assegurar que tot funciona dins els límits de disseny. Qualsevol anomalia ha de ser atesa immediatament. El motor s'ha de mantenir sense càrrega o amb càrrega mínima durant un període d'escalfament abans d'assumir la càrrega completa.

#### 3. Acoblament de Generadors en Paral·lel

Per a vaixells amb múltiples generadors, l'acoblament en paral·lel és una operació habitual que permet compartir la càrrega elèctrica i proporcionar redundància. L'objectiu és connectar un generador recentment arrencat a la barra principal (busbar) on ja hi ha un o més generadors en funcionament.

**3.1. Condicions de sincronisme:** Per evitar corrents de circulació excessives i danys a l'alternador, el generador que es vol acoblar ha de complir les següents condicions respecte a la barra principal: * **Igualtat de tensió:** La tensió del generador entrant ha de ser igual (o molt pròxima) a la tensió de la barra. S'ajusta amb el regulador de tensió (AVR - Automatic Voltage Regulator). * **Igualtat de freqüència:** La freqüència del generador entrant ha de ser lleugerament superior a la de la barra (normalment entre 0.1 i 0.5 Hz més alta) per assegurar que el generador agafa càrrega immediatament i evita comportar-se com un motor. S'ajusta amb el regulador de velocitat del motor. * **Sincronisme de fase:** Els pics de tensió de les tres fases del generador entrant han de coincidir exactament amb els de la barra. Aquesta és la condició més crítica.

**3.2. Mètodes d'acoblament:**

* **Acoblament manual (amb llums de sincronisme i/o sincroscopi):** * **Llums de sincronisme:** Tres llums connectades entre el generador i la barra. Quan les llums s'apaguen completament (mètode "llums apagades"), indica que les tensions són iguals i en fase. La velocitat a la qual parpellegen indica la diferència de freqüència. S'espera que les llums s'apaguin lentament per indicar una petita diferència de freqüència. * **Sincroscopi:** Un instrument que mostra la diferència de fase i freqüència entre el generador i la barra mitjançant una agulla giratòria. Quan l'agulla es mou lentament en sentit horari i s'apropa a la posició de "0" o "12 en punt" (punt de sincronisme), indica que les condicions són adequades.

* **Acoblament automàtic:** La majoria dels vaixells moderns utilitzen sistemes d'acoblament automàtic integrats en el PMS. Aquests sistemes ajusten automàticament la tensió i la freqüència del generador entrant i connecten el disjuntor quan es compleixen les condicions de sincronisme. L'operador supervisa el procés i pot intervenir si cal.

**3.3. Procediment pas a pas per a l'acoblament (manual amb sincroscopi):** 1. Arrencar el generador (punt 2). 2. Deixar escalfar el motor sense càrrega. 3. Activar el regulador de tensió (AVR) i ajustar la tensió del generador fins que sigui igual a la tensió de la barra (mesurada amb voltímetre). 4. Activar el sincroscopi. 5. Ajustar la velocitat del motor (freqüència) del generador entrant perquè el sincroscopi giri lentament en sentit horari. Això indica que la freqüència del generador entrant és lleugerament superior a la de la barra. 6. Quan l'agulla del sincroscopi s'apropi a la posició de sincronisme ("12 en punt"), premer el botó de tancament del disjuntor principal del generador. L'acció ha de ser anticipada lleugerament al "12 en punt" per compensar el temps de resposta del disjuntor. 7. Un cop tancat el disjuntor, el generador estarà en paral·lel amb els altres. La càrrega es començarà a compartir segons la configuració del governador de velocitat. 8. Verificar que el generador ha assumit una càrrega de manera estable i que no hi ha corrents de circulació excessives.

#### 4. Distribució de Càrrega

Un cop dos o més generadors estan operant en paral·lel, és essencial distribuir la càrrega elèctrica de manera equitativa i eficient entre ells. Una distribució inadequada pot provocar sobrecàrregues, inestabilitat i un consum de combustible ineficient.

**4.1. Principis de la distribució de potència activa (kW):** La potència activa (kW) es distribueix controlant el governador de velocitat de cada motor dièsel. * **Característica "Droop" (caiguda de velocitat):** Els governadors dels motors dièsel marins solen estar configurats amb una característica de caiguda de velocitat (droop). Això significa que a mesura que la càrrega sobre el motor augmenta, la seva velocitat (i, per tant, la freqüència del generador) disminueix lleugerament. Aquesta característica és fonamental per a l'estabilitat quan diversos generadors operen en paral·lel. Si tots els generadors tenen el mateix droop, compartiran la càrrega proporcionalment. * **Ajust de càrrega:** Per augmentar la càrrega d'un generador respecte als altres, s'incrementa lleugerament la seva velocitat de consigna (setpoint) actuant sobre el governador. Això fa que intenti generar més kW. Per disminuir la càrrega, es redueix la velocitat de consigna.

**4.2. Principis de la distribució de potència reactiva (kVAR):** La potència reactiva (kVAR) es distribueix controlant el regulador de tensió (AVR) de cada alternador. * **Regulador automàtic de tensió (AVR):** L'AVR manté la tensió de sortida del generador constant. Però, quan hi ha diversos generadors en paral·lel, l'AVR també s'utilitza per controlar el flux de potència reactiva. * **Ajust de kVAR:** Per augmentar la potència reactiva que subministra un generador, s'incrementa lleugerament la seva tensió de sortida mitjançant l'AVR. Això fa que el generador "empenyi" més corrent reactiva cap a la barra. Per disminuir-la, es redueix la tensió.

**4.3. Sistemes de control de càrrega (Load Sharing):** * **Manual:** L'operador ajusta manualment els governadors de velocitat i els AVR per aconseguir la distribució desitjada de kW i kVAR. Requereix habilitat i atenció constants. * **Automàtic (Power Management System - PMS):** Els vaixells moderns disposen de PMS que automatitzen la distribució de càrrega. Aquests sistemes monitoritzen contínuament la càrrega total de la barra i la càrrega individual de cada generador. Poden: * Arrencar i acoblar automàticament generadors addicionals quan la càrrega augmenta. * Desacoblar i parar generadors quan la càrrega disminueix, optimitzant el consum de combustible. * Distribuir la càrrega de manera equitativa o segons una prioritat preestablerta. * Gestionar la càrrega per evitar sobrecàrregues i garantir l'estabilitat de la freqüència i la tensió.

**4.4. Gestió de càrregues crítiques:** Alguns sistemes a bord (govern, bombes d'emergència, sistemes de comunicació) són considerats càrregues crítiques. El PMS sol tenir protocols per assegurar que aquestes càrregues sempre rebin energia, fins i tot en condicions de fallada o sobrecàrrega, mitjançant la desconnexió automàtica de càrregues menys essencials (load shedding).

#### 5. Parada del Generador

La parada d'un generador ha de ser una maniobra controlada per evitar danys al motor, a l'alternador i a la resta del sistema elèctric. L'objectiu és retirar el generador de la barra principal de manera segura i, posteriorment, aturar el seu motor.

**5.1. Reducció gradual de la càrrega:** Abans de desacoblar un generador, la seva càrrega (kW i kVAR) ha de ser reduïda a zero o al mínim possible. * Si s'opera amb un PMS, aquest s'encarregarà de transferir automàticament la càrrega als altres generadors en funcionament. * En operació manual, l'operador haurà de reduir la càrrega del generador a parar augmentant la càrrega dels altres generadors. Això s'aconsegueix ajustant el governador de velocitat (per a kW) i l'AVR (per a kVAR) dels altres generadors, mentre es redueixen els del generador a parar. Aquest procés ha de ser lent i controlat per evitar fluctuacions de freqüència o tensió.

**5.2. Desacoblament:** Un cop la càrrega del generador a parar és pràcticament nul·la: 1. Obrir el disjuntor principal del generador. Això el desconnecta de la barra principal. 2. Verificar visualment o mitjançant indicadors que el disjuntor està obert. El generador quedarà girant "en buit" (sen-se càrrega).

**5.3. Procediment de parada del motor:** Després del desacoblament, el motor dièsel del generador ha de passar per un període de refredament abans de ser aturat completament. 1. Deixar el motor girant en buit durant uns minuts (5-10 minuts, segons el fabricant) per permetre que les seves temperatures es redueixin gradualment i s'estabilitzin. Això prevén l'estressament tèrmic dels components. 2. Activar el botó de parada (STOP) del generador al quadre de control. Això sol tallar el subministrament de combustible al motor. 3. Un cop el motor s'ha aturat, tancar les vàlvules de combustible, refrigeració i altres serveis auxiliars si no són necessaris immediatament o es requereix per manteniment. 4. Desactivar l'AVR i qualsevol altre sistema de control del generador.

**5.4. Verificacions post-parada:** * Realitzar una inspecció visual per detectar possibles fugues o anomalies. * Comprovar els nivells de fluids un cop el motor s'hagi refredat completament, especialment l'oli. * Deixar el generador en condicions de "stand-by" o "ready for start" si cal una arrencada ràpida, o realitzar les tasques de manteniment programades si la parada és per aquest motiu.

#### 6. Sistemes de Protecció i Seguretat

Els sistemes de generació elèctrica a bord estan equipats amb nombroses proteccions per salvaguardar el personal, l'equipament i la integritat del vaixell.

**6.1. Proteccions elèctriques:** * **Sobreintensitat (Overcurrent):** Protegeix contra curtcircuits o sobrecàrregues excessives. Sol ser la protecció principal del disjuntor. * **Curtcircuit (Short Circuit):** Desconnecta el generador ràpidament en cas de curtcircuit sever per evitar danys. * **Sota/sobre tensió (Under/Over Voltage):** Desconnecta el generador si la tensió de la barra surt dels límits acceptables. * **Sota/sobre freqüència (Under/Over Frequency):** Desconnecta si la freqüència s'desvia massa, indicant problemes greus amb el governador del motor o una càrrega desproporcionada. * **Potència inversa (Reverse Power):** Actua si el generador comença a comportar-se com un motor, consumint energia de la barra en lloc de subministrar-ne (típicament per una fallada del subministrament de combustible o del governador). * **Corrent de circulació (Circulating Current):** Protecció contra desequilibris de fase o de tensió quan operen generadors en paral·lel.

**6.2. Proteccions mecàniques (del motor dièsel):** * **Baixa pressió d'oli lubricant:** Alarma i possible parada automàtica (shutdown) per evitar danys al motor. * **Alta temperatura d'aigua de refrigeració:** Alarma i shutdown per prevenir el sobreescalfament del motor. * **Alta temperatura de gasos d'escapament:** Pot indicar una combustió deficient o sobrecàrrega. * **Sobrevelocitat (Overspeed):** El motor excedeix les RPM màximes permeses, activant un shutdown immediat per prevenir danys catastròfics. * **Baixa pressió d'aire d'arrencada:** Alarma per indicar que el generador no es podrà arrencar.

**6.3. Alarmes i shutdowns:** * **Alarmes:** Avisen l'operador d'una condició anormal que requereix atenció, però que no és immediatament crítica (ex: nivell baix d'oli, alta temperatura del turbo). * **Shutdowns (parada d'emergència):** Aturen el motor automàticament en cas de condicions crítiques que podrien causar danys severs o posar en perill la seguretat del vaixell (ex: sobrevelocitat, baixa pressió d'oli, alta temperatura de l'aigua).

**6.4. Procediments d'emergència:** És vital que la tripulació estigui capacitada per respondre a emergències elèctriques, com un blackout. Els procediments inclouen l'arrencada del generador d'emergència, la restauració de l'energia a les càrregues crítiques i la investigació de la causa de la fallada.

#### 7. Manteniment i Operacions Especials

Un manteniment adequat és essencial per a la fiabilitat i longevitat dels generadors marins.

**7.1. Manteniment rutinari:** * **Inspeccions diàries:** Comprovació de nivells, lectures de paràmetres, detecció de fugues o sorolls inusuals. * **Manteniment programat:** Canvis d'oli, filtres de combustible i oli, neteja de filtres d'aire, ajust de vàlvules, inspecció de l'alternador i neteja dels bobinats. * **Anàlisi d'oli:** Monitoritzar l'estat de l'oli i detectar desgast de components. * **Termografies:** Inspeccionar components elèctrics per detectar punts calents.

**7.2. Operacions amb generador d'emergència:** El generador d'emergència ha de ser provat regularment (setmanalment o mensualment) segons les normatives, per assegurar la seva operativitat immediata en cas de necessitat. La seva arrencada i assumpció de càrrega han de ser ràpides i fiables. Està dissenyat per arrencar automàticament en cas de fallada de l'energia principal.

**7.3. Gestió de fallades comunes:** * **Fallada d'arrencada:** Revisar pressió d'aire, subministrament de combustible, bateries. * **Caiguda de càrrega / pèrdua de sincronisme:** Investigar fallades del governador de velocitat, problemes de combustible, o sobrecàrrega. * **Alarmes persistents:** Consultar manuals, verificar sensors, i realitzar les accions correctives.

#### 8. Normativa i Regulacions

L'operació dels generadors a bord està estretament lligada a una estricta normativa internacional i local, crucial per garantir la seguretat i la protecció ambiental.

**8.1. Convenis internacionals (OMI):** * **SOLAS (Safety of Life at Sea):** Regula els requisits de seguretat per a la construcció, equipament i operació dels vaixells, incloent-hi els sistemes elèctrics i d'emergència. Defineix la necessitat de generadors d'emergència i la seva capacitat. * **MARPOL (Marine Pollution):** Encara que no directament sobre l'operació elèctrica, els motors dièsel dels generadors han de complir amb les regulacions d'emissions.

**8.2. Societats de classificació:** Organitzacions com Lloyd's Register, DNV, Bureau Veritas, American Bureau of Shipping, etc., estableixen regles tècniques detallades per al disseny, construcció, instal·lació i manteniment dels generadors i els seus sistemes associats. Aquestes regles van més enllà de SOLAS i són imprescindibles per a l'obtenció i manteniment del certificat de classificació del vaixell.

**8.3. Normativa específica per a vaixells que operen a Catalunya / Espanya:** La legislació espanyola i catalana, en el marc de la Unió Europea, adapta i complementa la normativa internacional. Per a l'FP de Navegació a Catalunya, és important conèixer les regulacions de la Direcció General de la Marina Mercant (DGMM) i les possibles especificitats per a embarcacions que operen en aigües territorials catalanes o en ports de la comunitat, especialment pel que fa a llicències, inspeccions i requisits de formació.

**8.4. Importància dels manuals d'operació:** Cada vaixell disposa de manuals d'operació i manteniment (OMM - Operation and Maintenance Manuals) proporcionats pels fabricants dels generadors i per l'armador. Aquests documents són la guia principal per a l'operació segura i eficient de l'equipament i han de ser consultats i seguits rigorosament.

#### Conclusió

La gestió dels generadors elèctrics és una de les responsabilitats més crítiques a bord d'un vaixell. La capacitat per realitzar amb seguretat i eficàcia les maniobres d'arrencada, acoblament, distribució de càrrega i parada és un pilar fonamental de la competència d'un professional de l'FP de Navegació. Aquesta habilitat no només garanteix el subministrament continuat d'energia, sinó que també contribueix directament a la seguretat marítima, la protecció de l'entorn i l'eficiència econòmica de l'operació naval. El coneixement profund dels principis de funcionament, els procediments operatius, els sistemes de protecció i la normativa aplicable és, per tant, indispensable per afrontar els reptes del sector marítim modern.