موضوع: سیستم های chp - تولید همزمان برق و حرارت

چالش اصلی یکی از بزرگترین تامین کننده برق و گرمایش در فریبورگ آلمان تولید نیروی پاک و مقرون به صرفه است. در کنار فضای بسیار محدود سری 4000 MTU Onsite Energy نقش کلیدی را در این امر ایفا کرده است. شرکت محلی برق با همکاری گسترده MTU Onsite Energy برای 5300 شهروند این شهر زندگی راحت تری را رقم زده است. تعریف نیروگاه تولید برق مقیاس کوچک :به كليه نيروگاههاي تولید برق با توان تا ٢٥ مگاوات كه در نقاط متعدد به شبكه برق متصل مي شوند مولدهاي مقياس كوچك مي گويند.مولد های مقیاس کوچک می تواند تبدیل گاز شهری ، انرژی باد و نور خورشید به برق باشد. تعریف تولید همزمان برق و حرارت CHP :برخی از واحد های تولید در مقیاس کوچک به گونه ای طراحی مي شوند كه علاوه بر توليد توان الكتريكي ، حرارت مورد نياز جهت استفاده در سيستمهاي تاسيساتي يا ساير نقاط مجموعه مصرف را تامين كنند. به اين سيستم توليد همزمان برق و حرارت CHP - Combined Heat and Power اطلاق مي شود. عملکرد سیستمهای CHP :در سیستم های CHP ، غالباً برای تولید برق و حرارت بصورت همزمان طراحی می شود. یک محرک اولیه دیزل یا توربین انرژی شیمیایی سوخت را آزاد نموده و به توان مکانیکی در محور خروجی تبدیل می کند. در این موارد ، محور محرک با یک ژنراتور کوپل شده و توان الکتریکی تولید می شود ، از طرف دیگر ، حداکثر راندمان موجود برای محرک اولیه دستگاه و مولد کمتر از 50% است و این به معنی اتلاف بیش از نیمی از انرژی سوخت بصورت حرارت می باشد.در این نوع سیستم ، منابع اتلاف این حرارت ، که بارتند از گازهای خروجی از محرک اولیه ، سیکل خنک کن و روغن روغنکاری ، شناسایی شده و با قرار دادن مبدل های حرارتی ، گرمای اتلافی به شکل حرارت با دمای بالا ( حرارت قابل استفاده ) بازیافت می شود. با فراهم شدن امکان استحصال حرارت اتلافی در سیستم تولید مشترک برق و حرارت خصوصیات منحصر بفرد این سیستم بدست می آید.منبع : سازمان بهر هوری انرژی ایران (سابا) فناوری سیستم CHP :معمولاً برق مورد نیاز واحدهای صنعتی، ساختما نهای تجاری و ساختما نهای مسکونی از نیروگاههای عمده کشور تأمین می شود. در حالیکه نیاز حرارتی تمام آنها در همان محل تولید می گردد. اما روش دیگری که از دیر باز وجود داشته و امروزه توجه بیشتری را معطوف خود کرده که تولید همزمان بر ق و حرارت است . که عبارتست از تولید همزمان برق ، یا توان محوری و حرارت مفید توسط یک سیستم.سال ها پیش این فناور ی برای اولین بار در نیروگا ههای سیکل بخار بکار رفته و از بخار استخراج شده از سیکل برای مصارف گرمایشی کارخانه و واحدهای اطراف آن استفاده می شده است . این عمل گرچه کمی باعث کاهش راندمان نیروگاه بوده اما با تأمین حرارت مورد نیاز واحد از مصرف حجم زیادی سوخت جلوگیری می کرده است. خوشبختانه این ایده تنها به نیروگا ههای بخار محدود نشد و در طی این سا لها ، بویژه درسال های اخیر ، فناوری تولید مشترک برق و حرارت ، که بهره وری بالایی را در مصرف انرژی بدنبال دارد ، به سایر مولدهای تولید قدرت ( مکانیکی یا الکتریکی ) گسترش داده شد . به عبارت دیگر امروزه می توان با پیشرف ت های صورت گرفته ، هر سیستم مولد قدرتی با هر اندازه و کاربرد را به صورت یک واحد مشترک طراحی نمو د . به این ترتیب علاوه بر تولید توان الکتریکی یا مکانیکی توسط دستگاه ، امکان استحصال حرارت اتلافی مولد یا موتور بصورت انرژی گرمایی قابل استفاده وجود دارد. امروزه بدلیل توجه خاصی که به این نوع سیستمها می شود و نیز اهمیت کاربرد آن در دنیای امروز و نهادینه کردن فرهنگ استفاده از آن ، در ادبیات مهندسی بجای اصطلاح دیر آشنای Cogeneration از عنوان " سیستم ترکیبی حرارت و قدر ت Combined Heat and Power " استفاده می شود.بنابراین سیستم CHP در اصل یک فناوری جدید محسوب نمی شود. اما آنچنان پیشرفت و گسترش یافته است که کمتر شباهتی با مفهوم کلمه مترادفش Cogeneration دارد.منبع : سازمان بهر هوری انرژی ایران (سابا) راندمان یک مولد برق حرارتی :دستگاه CHP بیشترین بهره وری در مصرف انرژی سوخت را دارد . به گونه ای که متوسط راندمان یک مولد برق در حدود 35% , متوسط راندمان یک بویلر حدود 90% است. در حالیکه یک سیستم CHP با تولید هر دوی این محصولات راندمانی بیش از 85% دارد. یعنی راندمان الکتریکی آن حدود 35% و راندمان حرارتی ( منظور از راندمان حرارتی عبارتست از انرژی حرارتی تولید شده به انرژی سوخت مصرفی 50% ) است. از طرف دیگر در مقایسه با سیستم های تولید برق و تولید حرارت متشابه رایج که بصورت مجزا هستند ، حدود 35% سوخت کمتری مصرف می کند.منبع : سازمان بهر هوری انرژی ایران (سابا) کاهش مصرف سوخت با استفاده از فناوری CHP :کاهش در مصرف سوخت ، هزینه سوخت مصرفی را در سبد اقتصادی واحد کاهش می دهد. همچنین از دید ملی ، این صرفه جویی در مصرف سوخت می تواند چه از طریق صادرات و چه از طریق فراهم آمدن شرایطی برای استفاد ه های سودمندتر از سوخت فسیلی مزیت محسوب شو د. بعلاوه استفاده هر چه کمتر از سوخت های فسیلی باعث کاهش آلاینده های محیط زیست می شود. سیستم های CHP نه تنها توسط فیلترهایی از آزاد شدن آلاینده هایی مانند UHC و CO ، CO2 ، NOx جلوگیری می کند ، بلکه کاهش 35% سوخت در این دستگاه ها نقش بزرگی در کم شدن تولید آنها دارد.سیستم CHP در زمینه های مختلف صنعتی و کشاورزی بویژه گلخانه ها ، تجاری و مسکونی استفاده می شود. و بنابراین انداز ه های متنوعی از آن وجود دارد.منبع : سازمان بهر هوری انرژی ایران (سابا) کاربرد مهم برای حرارت سودمند :تغییر در طراحی و عملکرد یک نیروگاه تولید توان به تولید مشترک حرارت سودمند و توان ، کاربرد و استفاده از انرژی را توسعه و بهبود می بخشد . البته حرارت بدست آمده بایستی کیفیت ، مقدار و دمای بالا و کافی را برای آب گرم موردنیاز خانگی ، تجاری و ساختمانهای عمومی یا بخار مورد نیاز صنایع را جهت فرآیندها ی آن تأمین نماید . بنابراین دو کاربرد مهم برای حرارت سودمند وجود دارد :1- گرمایش ناحیه یا بخش خاص CHP& DHCombined heat and power & District Heating2- استفاده در صنعت جهت فرآیندها CHP& INDCombined heat and power & For Industry.حالت اول مربوط می شود به شبکه گرمایش ناحیه ای که حرارت تغذیه توسط آب داغ در دمای بین 80 الی 150 درجه سانتی گراد صورت می پذیرددر حالت دوم ( استفاده در صنعت جهت فرآیند ها ) بخار داغ یا گازهای داغ ( خروجی از توربین گاز یا بخار ) گرمای مورد تقاضا را برآورده می نمایند.در تعریف تولید مشترک حرارت و توان و استفاده از حرارت مفید ، موارد زیر شامل این حرارت سودمند نمی گردد :- آب گرمی که از کندانسور نیروگاه خارج شده و مصرف آن در بخش کشاورزی و استخر پرورش ماهی می باشد.- زباله ها و آشغالهایی که بعنوان سوخت در نیروگاههای زباله سوز مورد مصرف قرار گرفته و تولید توان الکتریکی می نماید.اساساً تبدیل و تغییر نیروگاههای موجود یا طراحی نیروگاههای جدید CHP جهت فراهم آوردن و تولید حرارت مازاد به شکل سودمند و مفید در دمایی بالاتر از نیروگاههای مرسوم مورد نظر می باشد.منبع : سازمان بهر هوری انرژی ایران (سابا) تولید همزمان برق و حرارت : Cogenerationتولید همزمان دو شکل مختلف انرژی مفید و مورد استفاده را با بکارگیری یک منبع اولیه انرژی Cogeneration یا تولید همزمان می گویند.دو شکل مختلف انرژی عبارتست از :- انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی.- انرژی مکانیکی و انرژی حرارتی.کاربرد آن در بعضی از صنایع می باشد که همزمان به انرژی الکتریکی و بخار فشار پائین جهت فرآیند نیاز دارند. موارد کاربرد تولید مشترک برق و حرارت :در واحدها یی که بطور همزمان به حرارت و توان نیاز دارند ، پتانسیل ایجاد تولید مشترک وجود دارد . البته در صورتیکه سیستم مصرف انرژی خصوصیات زیر را داشته باشد،صرفه جوئی قابل توجهی در هزینه انرژی بدست آمده و سیستم تولید مشترک جذاب تر و مقرون به صرفه تر خواهد بود.مشخصات یک سیستم ایده آل برای نصب و اجرای تولید مشترک :- نیاز حتمی به توان الکتریکی.- افزونی موارد استفاده انرژی حرارتی نسبت به انرژی الکتریکی.- الگوهای بار پایدار و ثابت انرژی حرارتی و الکتریکی.- طولانی بودن ساعات بهره برداری فرآیند.- قیمت بالای برق شبکه یا عدم دسترسی به شبکه. انرژی حرارتی مورد نیاز به منظور اهداف زیر مورد استفاده قرار می گیرد :خشک کردن، پیشگرم نمودن، تولید بخار فرآیند، محرک تجهیزات بازیافت حرارت و تولید آب سرد، آب گرم، سیال داغ و غیره.بعضی از دامنه های کاربرد کاملاً مؤثر سیستم تولید مشترک عبارتند از : الف – تولید مشترک در Utility- سرمایش و گرمایش منطقه ای ب – تولید مشترک در صنعت- صنایع غذایی- صنایع دارو سازی- صنایع کاغذ و مقوا- پالایشگاه و پتروشیمی- صنایع نساجی- صنایع فولاد- صنایع سیمان- صنعت شیشه- صنعت سرامیک ج – تولید مشترک در مؤسسات خانگی و تجاری- بیمارستان- دانشگاه- هتل همچنین برای تأمین برق و نیاز گرمایشی واحدهای مسکونی مانند آپارتما ن ها ، برج ها و حتی برای واحدهای مسکونی تک خانوار می توان از آن استفاده کرد . بعبارت ساده تر سیستم CHP برای واحدهایی که نیاز توأمان به برق و حرارت داشته باشند مفید است.منبع : سازمان بهر هوری انرژی ایران (سابا) عملکرد مطلوب دستگاه CHP :لذا برای ترویج فرهنگ استفاده از CHP شرکت های سازنده نیز برای جلب رضایت مشتریان و ساد ه تر شدن عرضه و خرید و نصب سیستم های CHP کوچکتر از 1 مگاوات الکتریکال آنها را به صورت پکیج شده تولید می کند ، به این ترتیب مشتریان علاو بر اطمینان از سلامت دستگاه هنگام خرید ، هزینه نصب و تعمیر و نگهداری آن نیز کاهش می یابد.دانستن نیاز واقعی واحد مصر ف کننده به برق و حرارت در انتخاب درست اندازه CHP و نحوه استفاده از آن تأثیر فراوانی دارد. یک سیستم CHP مطلوب به گونه ای است که حداقل 4500 ساعت در طول سال فعال باشد. برای اندازه های mini CHP تا 3000 ساعت نیز قابل قبول است.و تا جایی که ممکن است روشن بودن آن مداوم باشد و پی در پی قطع و وصل نشود. این معیار اولیه در انتخاب اندازه CHP به گونه ای مؤثر است که عدم رعایت آن هزینه های مضاعفی را چه برای خرید دستگاه و چه برای تعمیر و نگهداری بر کاربر تحمیل می کند.معمولاً سیستم CHP به تنهایی کاربرد ندارد ، یعنی برای تأمین تمام نیاز واحد تنها CHP در نظر گرفته نمی شود. از نظر تولید برق در زمانهایی از CHP استفاده می شود که هزینه برق تولیدی در مقایسه با برق خریداری شده از شبکه مقرون به صرفه باشد. ( لذا گاهی در برخی از ساعات شبانه روز خرید برق از شبکه مقرون به صرفه تر خواهد بود ).حرارت تولیدی CHP نیز در اغلب موارد تمام نیاز واحد را پوشش نمی دهد ، لذا در کنار آن از یک بویلر نیز استفاده می شود. همچنین توصیه می شود در کنار سیستم CHP یک مخزن آب گرم تعبیه شود که علاوه بر فراهم بودن همیشگی آب گرم ، امکان نصب یک آب گرمکن ثانویه ( مانند بویلر مذکور ) نیز باشد.بدین ترتیب علاوه بر اقتصادی تر شدن سرمایه گذاری ، عدم انطباق زمان تولید و مصرف آب گرم برطرف می شود.از آنجائیکه امکان فروش برق تولیدی مازاد بر مصرف توسط CHP به شبکه برق وجود دارد ، لذا معیار اصلی در انتخاب اندازۀ CHP ، دیماند حرارتی واحد می باشد ، تا مازاد حرارت تولید نشود ، اما از طرف دیگر نباید مصرف برق بگونه ای باشد که بار اعمالی کمتر از 50% بار نامی سیستم شود چرا که این موضوع افت شدید راندمان را در پی دارد.علاوه بر انتخاب اندا زۀ مناسب ، نوع سیستم CHP نیز اولاً برای توانایی تأمین نیازهای کاربر و ثانیاً از لحاظ صرفه اقتصادی ، بسیار مهم می باشد.منبع : سازمان بهر هوری انرژی ایران (سابا) کاربرد سیستمهای تولید همزمان برق و حرارت :در سیستمهای تولید همزمان از انواع تجهیزات استفاده شده و ممکن است برای رفع نیاز بخصوص ، در یک محل مشخص طراحی گردند. از طرف دیگر ، بسیاری از واحدها دارای احتیاجات مشابه بوده و سیستمهای تولید همزمان پکیج ( از قبل طراحی شده ) میتوانند این احتیاجات را رفع کرده و از جهت اقتصادی بر سیستمهای مهندسی طراحی از ابتدا ، ترجیح داده می شوند. آنچه در ذیل می آید مثالهائی برای سیستمها ی تولید همزمان در سه بخش مختلف اقتصادی می باشد. سیستم های تولید همزمان در تمام بخشهای اقتصادی دنیا وجود دارند. برای سادگی مقایسه ، سیستمهای تولید همزمان را غالباً در یکی از سه گروه زیر تقسیم بندی می کنند. 1 – صنعتی2 – اداری3 – تجاری انواع و اندازه های سیستم تولید همزمان در این سه بخش تا اندازه ای با یکدیگر تطابق دارند ولی برای تشریح انواع کاربردها این تقسیم بندی سه گانه کار را راحت می کند. در این بخش مثالهائی در مورد انوع کاربردهائی که وجود دارند آورده می شود. 1 - بخش صنعتی Industrial Sectorبخش صنعت در مقایسه با دیگر بخشهای اقتصادی ، قدیمی ترین ، بزرگترین و بیشترین تعداد را در سیستم های تولید همزمان دارا می باشد. تولید همزمان در صنعت ابتدا در اوایل قرن بیستم برای تأمین احتیاجات حرارتی و برقی بصورت کارآ مورد استفاده قرار گرفت. بسیاری از صنایع دارای تاریخچه غنی و دائمی از کاربردهای تولید همزمان می باشند. بخش صنعت به دلایل چندی عمده ترین کاربرد تولید همزمان را داشته است.واحدهای صنعتی غالباً بطور پیوسته کارکرده و در آنها نیازهای برقی و حرارتی همزمان وجود داشته و پیشاپیش دارای نیروگاه و پرسنل متخصص مربوطه می باشند. صنایعی که مشخصاً مصرف کننده بالای انرژی هستند ، مثل صنایع پتروشیمی و چوب و کاغذ ، صنایع غذایی بهترین موارد برای تولید همزمان هستند.بسیاری از این صنایع دارای ظرفیت تولید همزمان چند صد مگاوات نیروی برقی در محل هستند. بعلاوه صنایع با ظرفیت متوسط و کوچک نیز می توانند از تولید همزمان استفاده کنند. 2 - بخش اداری Institutional Sectorبخش اداری شامل طیف گسترده ای از مراکز غیر انتفاعی شامل دانشگاهها ، کالج ها و مدارس ، ساختمان های دولتی بزرگ ، بیمارستانها ، مر اکز نظامی و دیگر مراکز غیر انتفاعی می باشد. بسیاری از این مراکز اگر هم بطور پیوسته مورد استفاده قرار نگیرند در ساعات زیادی از روز مورد استفاده قرار می گیرند. بعضی مراکز ( مانند بیمارستان ها ) ممکن است از قبل برای توان رویارویی با شرایط اضطراری دارای سیستم تولید برق اضطراری که بتوان از آن در سیستم تولید همزمان استفاده کرد باشند. اگر چه یک بیمارستان بزرگ یا یک دانشگاه بزرگ را نمی توان با یک واحد صنعتی بزرگ مقایسه کرد ، ولی گاهی در این موارد به 50 مگا وات یا بیشتر ، نیروی برقی تولید شده بصورت همزمان نیاز است. 3 - بخش تجاری Commercial Sectorبخش های تجاری شامل طیف گسترده ای از مراکز انتفاعی شامل مراکز تجاری ، هتل ها ، متل ها ، آپارتمانها و مجتمع های مسکونی ، رستورانها ، مراکز خرید ، خشک شوئی های صنعتی و آزمایشگاهها می شود. عموماً دیزل ژنراتور این بخش کوچکتر نیز تولید کننده های همزمان را شامل شده و مزایای اقتصادی در این بخش در مقایسه با دیگر بخش ها کمتر بوده مگر اینکه نرخهای برق بطور غیرعادی بالا باشد. از آنجائیکه بسیاری از این مراکز خصوصیات مشابهی را دارند ، غالباً استفاده از سیستم های تولید همزمان آماده و طراحی شده از قبل امکان پذیر می باشد. استفاده از این واحدها ارزانتر از حالتی است که در آن طراحی از ابتدا صورت گرفته باشد.