مروری کوتاه بر فناوری تولید همزمان برق و حرارت

توليد همزمان برق و حرارت يا به اختصار توليد همزمان(CHP[1]) عبارت است از توليد همزمان و توام ترموديناميكي دو يا چند شكل انرژي از يك منبع ساده اوليه.

معمولاً در مولدهاي قدرت امروزي، از سوزاندن سوختهاي فسيلي و حرارتي حاصله براي توليد قدرت محوري و سپس تبديل آن به انرژي الكتريسيته استفاده مي شود. متداولترين اين سامانه ها نيروگاههاي عظيم برق ميباشند. در نيروگاههاي حرارتي كه سهم عمده اي در تأمين نياز الكتريسيته جوامع مختلف دارند، بطور متوسط تنها يك سوم انرژي سوخت ورودي به انرژي مفيد الكتريسيته تبديل ميشود.

در كشور ايران بازده معمول نيروگاههاي حرارتي چيزي در حدود 34% است. در اين نيروگاهها مقدار زيادي انرژي حرارتي از طرق مختلف مانند كندانسور، ديگ بخار، برج خنك كن، پمپمها و سامانه لوله كشي موجود در تأسيسات و .... به هدر مي رود. از اين گذشته در شبكه هاي انتقال برق نيز در كشور ما انرژي الكتريسيته توليدي تلف ميشود كه اگر توليد برق در محل مصرف آن انجام شود، عملاً اين مقدار اتلاف وجود نخواهد داشت.

استفاده هر چه بيشتر از گرماي آزاد شده در حين فرايند احتراق سوخت باعث افزايش بازده انرژي، كاهش مصرف سوخت و در نتيجه كاهش هزينه هاي مربوط به تأمين انرژي اوليه مي گردد.

از حرارت اتلافي بازيافت شده از اين سامانه ها مي توان براي مصارف گرمايشي، سرمايشي و بسياري از فرآيندهاي صنعتي استفاده نمود. توليد همزمان برق و حرارت، مي تواند علاوه بر افزايش بازده و كاهش مصرف سوخت، باعث كاهش انتشار گازهاي آلاينده و گلخانه ای شود. در CHP از انرژي حرارتي توليد شده در فرآيند توليد قدرت به عنوان منبع انرژي استفاده مي شود. مصرف كنندگاني كه به مقدار انرژي حرارتي زيادي در طول روز نياز دارند مانند صنايع توليدي، بيمارستانها، ساختمانها و دفاتر بزرگ، خشكشويي ها و غیر از آن ها مي توانند براي كاهش هزينه هاي خود به نحو مطلوبي از CHP بهره ببرند.

 

تاريخچه

توليد همزمان در اواخر 1880 در اروپا و امريكا پديد آمد. در اوايل قرن بيستم اغلب كارخانجات صنعتي، برق مورد نياز خود را با استفاده از ديگهاي ذغال سوز و ژنراتورهاي توربين بخار توليد مي كردند. از طرفي در بسياري از اين كارخانجات، بخار داغ خروجي در فرآيندهاي صنعتي بكار گرفته مي شد، بطوري كه در اوايل 1900 در آمريكا، حدود 58% از كل توان توليد شده در نيروگاهها در محل، به شكل توليد همزمان بوده است.

هنگامي كه نيروگاههاي برق مركزي و شبكه هاي قابل اطمينان برق ساخته شدند، هزينه هاي توليد و تحويل كاهش يافت و بدين سبب بسياري از كارخانجات صنعتي از اين شبكه ها برق خريداري و توليد برق خود را متوقف كردند.

در نتيجه استفاده از توليد همزمان كه 15% از مجموع ظرفيت الكتريسيته توليدي امريكا در سال 1950 را به خود اختصاص داده بود، در سال 1974 به 5% كاهش يافت. ساير عوامل كاهش استفاده از توليد همزمان  عبارت بودند از: قانونمند شدن توليد برق، سهم اندك هزينه هاي خريد برق از شبكه در مجموع هزينه هاي جاري كارخانه ها، پيشرفت فناوريهايي نظير ديگهاي بخار نيروگاهي، در دسترس بودن بودن سوختهاي مايع و گازي با پايين ترين قيمت و نبود يا كمبود محدوديت هاي محيط زيستي.

در سال 1973 پس از افزايش هنگفت قيمت سوخت مكانيكي و متعاقب آن بروز بحران انرژي در اغلب كشورهاي جهان، روند مذكور در توليد همزمان روندي معكوس يافت. در اثر كاهش منابع سوخت فسيلي و افزايش قيمتها، اين سامانه ها كه بازده انرژي بیشتری داشتند، بسيار مورد توجه قرار گرفتند.

توليد  همزمان علاوه  بر كاهش مصرف سوخت، گازهاي آلاينده را نيزكاهش مي دهد. به همين دلايل، دولت های اروپايي، آمريكا و ژاپن اقداماتي در زمينه افزايش استفاده از توليد همزمان انجام دادند. در سالهاي اخير نيز توليد همزمان نه تنها در صنعت بلكه در ساير بخشها توسعه يافته است. در 25 سال اخير انجام پروژه هاي تحقيق و توسعه، به پيشرفتهاي مهم فناوري نظير فناوري پيل سوختي منجر شده است. پيلهاي سوختي امروزه به عنوان يكي از سامانه هاي نو ظهور در CHP به خوبي شناخته شده اند و انتظار مي رود در آينده اي نزديك به توليد تجاري برسند.

 

فرايند توليد همزمان برق و حرارت

يك سامانه CHP از اجزاي مختلفي تشكيل شده است: مولد قدرت اوليه[2] ، مبدلهاي حرارتي بازيافت حرارت، ژنراتور، لوله ها و اتصالات  و ساير  تجهيزات  جانبي از  قبيل پمپها، عايق بندي ها و .... . همچنين در سامانه هايي كه از حرارت بازيافت شده جهت مصارف سرمايشي بهره برداری می شود، از يك چيلر تراكمي يا جذبي نيز در كنار ساير تجهيزات استفاده مي شود. به اين سامانه ها كه به طور همزمان برق، حرارت و سرما توليد مي کنند، اصطلاحاً Trigeneration يا CCHP[3] گفته مي شود

مولد قدرت اوليه در سامانه هاي CHP معمولاً موتورهاي احتراقي، توربين گاز، ميكروتوربين و پيل سوختي است. كيفيت حرارتي خروجي از هر يك از اين فناوريها متفاوت بوده و با توجه به كاربردهاي مختلف و نياز حرارتيشي مي توان يكي از اين فناوريها را بكار برد. از نظر هزينه نصب و راه اندازي امروزه موتورهاي احتراقي، پايين ترين قيمت را دارند و سامانه هاي پيل سوختي با توجه به آنكه هنوز به مرحله تجاري نرسيده اند، لذا هزينه نصب اوليه آنها بسيار زياد است.


مزاياي CHP

  • افزايش بازده انرژي

در سامانه هاي CHP بازده انرژي به طور قابل ملاحظه اي افزايش مي يابد. در سامانه هاي متداول امروزي معمولاً از كل انرژي ورودي به سامانه تنها يك پنجم يعني معادل 20% به انرژي مفيد تبديل مي شود. البته بازده ترموديناميكي نيروگاههاي چرخه تركيبي پيشرفته تا حدود زيادي افزايش يافته و به 40 تا 50% مي رسد. با اين حال تلفات زيادي در خطوط انتقال نيرو و مصارف داخلي نيروگاهها وجود دارد كه تقريباً اجتناب ناپذير است.

ولي در سامانه هاي CHP حدود  چهار پنجم انرژي ورودي به انرژي مفيد تبديل مي شود. چنانچه از سامانه هاي نوظهوري مانند پيل سوختي استفاده شود، بازده انرژي تا حد 90% افزايش مي يابد. بازده انرژي يكي از مهمترين مزاياي CHP در كاربردهاي صنعتي آن است.

 

  • كاهش هزينه هاي تأمين انرژي اوليه براي مصرف كننده

در CHP از آنجايي كه انرژي اوليه مصرفي (برق و حرارت) از طريق يك سامانه واحد با ورودي سوخت معين تأمين مي گردد، لذا هزينه هاي تأمين انرژي به طور قابل ملاحظه اي از سامانه هاي امروزي كمتر است. در سامانه هاي متداول كه برق و حرارت به صورت جداگانه تأمين مي شود، مصرف كننده مجبور است برق مورد نياز خود را از طريق شبكه هاي محلي خريداري كرده از سوي ديگر براي مصارف گرمايشي خود نيز بايد گاز طبيعي يا سایر سوختهاي فسيلي را به طور جداگانه خريداري نمايد. ولي در سامانه هاي CHP مصرف كننده از شبكه برق مستقل شده و از سوي ديگر چون از محتواي انرژي سوخت ورودي در حد بالايي استفاده مي شود لذا هزينه هاي مربوطه بسيار كاهش مي يابد.

 

  • تأمين انرژي الكتريسيته با كيفيت بسيار بالاتر

در سامانه های CHP  معمولاً از  يك  مبدل در  خروجي  ژنراتور  براي  تبديل  برق DC  به AC استفاده مي شود. خروجي اين مبدل بسيار يكنواخت و بدون نوسان ولتاژ يا فركانس مي باشد. از سوي ديگر مولدهاي CHP داراي فناوری بسيار پيشرفته تري نسبت به سامانه هاي متداول هستند و برق را با يكنواختي بيشتري توليد مي كنند.

از اين گذشته برقي كه از شبكه هاي محلي خريداري مي شود داراي نوسان ولتاژ و افت فركانس بسيار زيادي خصوصاً در نقاط انتهايي شبكه است كه اين امر مي تواند آسيبهاي جدي به دستگاهها و تجهيزات برقي وارد آورد.  علاوه بر این مقدار زيادي از انرژي الكتريسيته از طريق خطوط انتقال نيرو به هدر مي رود كه در سامانه هاي CHP چون برق در محل مصرف توليد مي شود، عملاً اين بخش از تلفات، صفر است.


 

  • امكان فروش برق توليد شده اضافي به شبكه

در سامانه های CHP مصرف كنندگان قادر خواهند بود علاوه بر تأمين نيازهاي الكتريسيته خود در ساعات اوج مصرف، برق توليدي اضافي را به شبكه هاي محلي بفروشند.

 

مزاياي احداث نيروگاه‌هاي كوچك براي سرمايه‌گذار و بهره‌بردار و يا مصرف‌كننده نهايي

مهمترين مزاياي استفاده از اين مولدها را مي‌توان در موارد زير عنوان كرد :

  • با توجه به استقرار مولدهاي توليد پراكنده در محلهاي مصرف، تلفات توزيع و انتقال كاهش يافته وهمچنين كيفيت تواني كه در اختيار مصرف‌كننده نهايي قرار مي‌گيرد در مقایسه با واحدهاي بزرگ نيروگاهي بهتر خواهد بود.
  • احداث اين واحدها نياز به سرمايه‌گذاري زياد ندارد لذا توسعه‌ مشارکت بخش خصوصي‌ را فراهم مي‌سازد. زمان كوتاه ساخت و احداث واحدها از ديگر مزاياي اين مجموعه‌ها به شمار می رود.
  • از مزاياي بارز احداث واحدهاي توليد پراكنده مي‌توان به فرهنگ‌سازي و ايجاد فضاي اشتغال آنها اشاره كرد.
  • مالكيت نيروگاهي با قابليت توليد 15 سال
  • سرعت و سهولت در تصميم‌گيري و اقدام نسبت به خريد، نصب و بهره‌برداري از مولدها
  • اصلاح و تعديل نرخ فروش انرژي متناسب با تغييرات موثر مولفه‌هاي قيمت تمام شده و مستقل از سياست‌هاي حمايتي، اقتصادي و اجتماعي حاكميت

 

انواع فناوريهاي توليد پراكنده

فناوريهاي قابل قبول در اين مبحث عبارتند از :

  • Gas Reciprocating Engine
  •  Gas Turbine
  • Wind Power
  • Hydro Power
  • Solar Power

 

از موارد اشاره شده انواع مولدهاي پراكنده، مولدهاي Gas Engine و Small  Gas Turbine داراي بيشترين اقبال براي استفاده از ديدگاه بازار جهاني است. هر چند كه با توجه به وفور منابع گاز در كشور و  آشنايي بيشتر با اين نوع فناوري ها و امكان تأمين برخي از قطعات مجموعه‌ها بهره‌برداري از دو نوع فناوري نامبرده داراي بيشترين توجيه مي‌باشد. ساير فناوري ‌ها يا تجاري نشده‌اند و يا به دلايلي در حال حاضر در حد مولدهاي گازسوز توجيه‌پذير نيستند. جدول ذيل اطلاعات اوليه سرمايه‌گذاري براي انواع فناوري ها را به استناد طرحهاي اجرا شده ارايه مي‌نمايد:

جدول 1- اطلاعات اولیه سرمایه گذاری برای انواع فناوری های مولدهای مقیاس کوچک

رديف

نوع فناوري

ظرفيت در شرايط استاندارد

هزينه تقريبي سرمايه گذاري براي خريد دستگاه

هزينه تعمير و نگهداري

1

Gas Reciprocating Engine

500kw-2MW

(Euro/Kw) 500-420

visible

2

Gas Turbine

2-5MW

(Euro/Kw) 400

visible

3

Gas Reciprocating Engine

بيش از 5MW

(Euro/Kw) 350

visible

 

 

 آمار ارائه شده براي سرمايه‌گذاري تنها براي سفارش خريد مولد و بدون لحاظ شدن هزينه‌هاي انتقال و نصب مي‌باشد .بعلاوه براي سرمايه‌گذاري، حتماً بايد اطلاعات زير را از فروشندگان واحد دريافت نمود :

  • قابليت اطمينان دستگاه
  • قابليت دسترسي
  • ميزان خروجي در شرايط سايت
  • ميزان تغييرات خروجي و راندمان دستگاه در هر سال بهره‌برداري تا دوره تعميرات اساسي
  • شرايط و هزينه‌هاي تعميرات اساسي
  • ميزان سازگاري با شرايط گاز (با ارايه فرمول گاز مصرفي به سازنده)

 

با بررسي اين موضوعات مي‌توان پي برد كدام طرحها براي اجرا داراي توجيه‌پذيري مي‌باشند. محاسبات اوليه نشان مي‌دهد استفاده از اين دو نوع فناوري داراي بيشترين توجيه در قياس با ساير فناوري ‌هاي پراكنده دركشور است.

به منظور ايجاد زمينه‌هاي لازم براي استفاده از تخصص متخصصان و سرمايه‌گذاراني كه قادر به احداث نيروگاه برق در ظرفیت های تولید کمتر هستند و با عنايت به حجم پايين سرمايه‌گذاري براي احداث واحدهاي توليد پراكنده، قوانين و راهكارهاي لازم براي استفاده از اين ظرفيتها تدوين شده است.

بعلاوه با عنايت به افزايش ميزان تقاضا براي مصرف در كشور و همچنين عدم امكان توسعه‌ي شبكه در برخي نقاط شبكه، بكارگيري واحدهاي قابل دسترسي سريع جهت رفع مشكل مناسب است. استفاده از اين مولدها در انتهاي شبكه منجر به كاهش تلفات از طريق ايجاد تغيير در ولتاژ انتهاي خط است.

از طرفي مولدهاي موتور گازسوز از قابليت كار با فشار گاز كم برخوردارند و در نقاط مختلف شبكه قابل نصب مي‌باشند که از اين نظر نيازي به توسعه شبكه گازرساني براي تأمين گاز اين واحد‌ها نمي‌باشد. مصرف‌كنندگان برق اين مولدها از مزاياي تأمين برق مطمئن و با كيفيت مطلوب حتي در شرايط قطع شبكه برخوردار مي‌باشند.

 

 

شرايط نصب و بكارگيري مولدهاي مقیاس کوچک در شبكه

با توجه به امكان اتصال مولدهای مقیاس کوچک به شبكه، در اتصال این مولدها به شبكه توزيع لازم است استانداردهای فنی وضع شده كاملاً رعايت شوند. سنجش و پايش عملکرد این مولدها از لحاظ آلاينده‌هاي محيط زيستي (به  ويژه  آلودگي صوتي  و انتشار گازها) با  توجه  به  استاندارد هاي تدوين شده به انجام می رسد.

 

خطرپذيريهاي سرمايه‌گذاري براي احداث مولدهای مقیاس کوچک 

با توجه به اينكه اين مولدها نوعاً كوچكند، لذا خطرپذيريهاي ‌سرمايه‌گذاري آنها اندك است. با اين وجود با توجه به تجارب ساير كشورها و برخي از پروژه‌هاي بهره‌برداري شده مهمترين خطرپذيريها عبارت است از:

  • انتخاب نادرست مولدها از لحاظ كيفي (عدم تطابق با شرايط محل نصب، عدم انطباق شرايط عملي با مشخصه‌هاي فني اوليه، عدم سازگاري با مشخصه‌ها و تركيبات سوخت)
  • لحاظ نكردن هزينه‌هاي بالاسري براي احداث
  • ورشكستگي و يا تغييرات سازماني سازنده اصلي كالا
  • عدم بكارگيري گروه كارشناسي مجرب و متناسب با فعاليتهاي اجرايي و طولاني شدن فرآيند‌هاي خريد و احداث

 



[1] Combined Heat And Power

[2] Primary mover

[3] Combined Cooling Heating Power

 

| نقشه سایت| © 2008 - 2017 Tarlan Pars Co| نمای قابل چاپ |

طراحی و پیاده سازی توسط ترلان پارس

براي مشاهده بهتر صفحه‌ها از Firefox استفاده کنيد !

هر گونه نسخه برداري و بهره برداري از مطالب و مندرجات اين سايت با ذکر نام منبع بلامانع است