CHP چیست؟

CHP چیست؟

تولید همزمان گرما و برق یا به نوعی تولید همزمان انرژی را CHP می گویند که این نوع تولید انرژی یکی از مهمترین کاربردهای تولید پراکنده است که حرارت حاصل از تولید برق در مولدهای محرک ژنراتور، به منظور تأمین انرژی لازم جهت گرمایش، مورد استفاده قرار می­ گیرد. منابع تولید انرژی اولیه می تواند  شامل دامنه وسیعی از جمله سوخت­ های فسیلی (Fossil) زیست توده (Biomass) زمین گرمایی (Geothermal) و یا انرژی خورشیدی (Solar Energy) باشد.

در موادهای امروزی با سوزاندن سوخت های فسیلی، گرمای حاصله تبدیل به انرژی الکتریسیته می گردد که متداول ترین این نوع سیستم ها، نیروگاه های برق هستند. در نیروگاه های حرارتی تنها یک سوم از انرژی ورودی به انرژی مفید الکتریسیته تبدیل می شود و مابقی از طرق مختلف نظیر کندانسور، دیگ بخار، برج خنک کن، پمپ‌ها و سیستم لوله کشی موجود در تأسیسات، هدر می رود. استفاده هرچه بیشتر از گرمای آزاد شده در حین فرایند سوختن سوخت، باعث افزایش بازده انرژی و کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش هزینه های مربوط به تأمین انرژی اولیه می‌شود.

در CHP، از انرژی گرمایی تولیدی به عنوان منبع انرژی در فرایند تولید قدرت استفاده می‌شود. از گرمای اتلافی بازیافتی از این سیستم ها، می‌توان برای مصارف گرمایشی، سرمایشی و بسیاری از فرایندهای صنعتی استفاده کرد. تولید همزمان برق و گرما، می تواند علاوه بر افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت، باعث کاهش انتشار گازهای آلاینده شود. صنایع تولیدی، بیمارستان ها، ساختمان ها، دفاتر بزرگ، خشک شویی ها و ... می توانند از CJP برای کاهش هزینه های خود استفاده کنند.

با افزایش چشم گیر هزینه های سوخت در جهان، بحران انرژی و کمبود سوخت های فسیلی، روند تولید همزمان یا همان CHP آغاز گردید. سایر عواملی از جمله :  قانونمند شدن تولید برق، سهم اندک هزینه‌های خرید برق از شبکه در مجموع هزینه‌های جاری کارخانه‌ها، پیشرفت تکنولوژی‌های دیگ‌های بخار نیروگاهی، فراهم بودن سوخت‌های مایع و گازی در پایین‌ترین قیمت و نبود یا کمبود محدودیت‌های زیست‌محیطی در ایجاد تولید همزمان تاثیرگذار بوده است. در ابتدا کشورهای اروپایی و آمریکایی تولید همزمان را انجام دادند و با انجام پروژه های تحقیق و توسعه نیز به پیشرفت‌های مهم تکنولوژی نظیر فناوری پیل سوختی منجر شده‌است. امروزه پیل‌های سوختی به یکی از سیستم‌های نوظهور در زمینه تولید انرژی تبدیل شده‌اند.

فرایند تولید هم زمان برق و گرما

تولید همزمان برق و گرما، هدر رفت ناشی از گازهای داغ خروجی از توربین های گازی به صورت بازیافت حرارت وارد شبکه تولید همزمان برق و انرژی می گردد. با این عمل بازده توربین گازی پس از نصب سیستم بازیافت حرارت، از حدود ۳۴ درصد به بیش از ۷۰ درصد افزایش می‌یابد؛ لذا تلفات توربین‌های گازی از حدود ۶۶ درصد به کمتر از ۳۰ درصد می‌رسد. تجهیزات و سیستم CHP شامل یک مولد قدرت، مبدل های حرارتی بازیافت گرما، ژنراتور، لوله و اتصالات، پمپ ها و عایق ها و .... می باشد که اگر جهت تولید سرمایشی استفاده گردد به یک چیلر تراکمی یا جذبی نیاز دارد. به این صورت می توان از توانایی همزمان برق، گرما و سرما استفاده کرد.

کیفیت گرمای خروجی CHP با توجه به فناوری های مورد استفاده در این سیستم متفاوت خواهد بود و امروزه از نظر هزینه نصب و راه‌اندازی، موتورهای احتراقی دارای پایین‌ترین قیمت و سیستم‌های پیل سوختی با توجه به اینکه هنوز به مرحله تجاری شدن نرسیده‌اند، بالاترین هزینه را دارند.

مزایا و ویژگی های سیستم CHP

در سیستم CHP حدود ۸۰ درصد از انرژی ورودی به انرژی مفید تبدیل می‌شود و اگر از پیل سوختی استفاده شود، بازده تا نزدیکی ۹۰ درصد هم می‌رسد. مزایای دیگر ای نسیتم، کاهش هزینه های انرژی اولیه برای مصرف کنندگان می باشد که مجبور به خرید برق هستند.

از سیستم CHP می توان از HVAC  به منظور تأمین انرژی لازم جهت تولید آب گرم مورد نیاز برای گرمایش ساختمان­ های مسکونی، اداری، تجاری و ... و در صنعت برای برآورده کردن نیاز بسیاری از فرایندهای صنعتی به انرژی گرمایی، در صنایع مختلفی همچون پتروشیمی­ ها، کارخانجات کاغذسازی و ... استفاده کرد.

لذا در نیروگاه های تولید انرژی با بهره­ گيري از فناوری توليد همزمان برق و حرارت، آن هم بصورت مستقل، بازدهی انرژي اين مولدها به حدود 75 تا 95 درصد نيز خواهد رسيد که این راندمان بالا در مقایسه با توربین ­های گازی و سیکل ترکیبی، شانس زیادی در بهینه­ سازی مصرف سوخت ایجاد می­ کند. ضمن آنکه در این سیستم میزان تولید دی اکسیدکربن کاهش پیدا کرده و از انتشار گازهای گلخانه ای جلوگیری می شود.

یک نیروگاه CHP با بویلر 45000 کیلو واتی می تواند گرمایش و برق 30000 واحد مسکونی را تامین کند. هر ایستگاه CHP بر اساس تولید نوع انرژی ( گرمایشی، سرمایشی) بر اساس تجهیزات به کار گرفته شده توان حرارتی متفاوتی را ایجاد خواهد کرد. به هر ترتیب یک سیستم تولید همزمان دارای چهار عنصر و مؤلفه اساسی خواهد بود:

1. مولد نیروی محرکه: مکانیزم تولید کننده نیروی مکانیکی
2. ژنراتور الکتریکی: مکانیزم تولید کننده الکتریسیته
3. سیستم بازیافت حرارت: مکانیزم بازیابی گرمای تلف­ شده
4. سیستم کنترلی مناسب: مکانیزم مدیریت و کنترل کلیه سنسورها و عملگرها

در مجموع با توجه به همزمانی تولید و مصرف برق در سیستم­های تولید همزمان، نیاز است تا چنین سیستم ­هایی در محل­ هایی با خصوصیات ویژه زیر راه ­اندازی شوند:

1. تقاضای مصرف انرژی (برق و گرما) دائمی باشد.
2. تقاضای مصرف انرژی گرمایی، بالا باشد.
3. حتی الامکان، نسبت تقاضای برق و گرمایش متعادل باشد. به عبارت دیگر شرایط برای بهره­ برداری از سیستم در طی شبانه روز و در طول سال، به گونه ­ای باشد که بتوان بهره ­برداری پیوسته ­ای (دائم کار) را از سیستم محقق ساخت.

اهمیت CHP در کاهش مصرف انرژی

در کشور ایران به علت ارزان بودن انرژی و پایین بودن سهم هزینه های انرژی نسبت به سایر هزینه ها در سبد هزینه خانوار، تا کنون در خصوص چگونگی مصرف انرژی و راه های کاهش مصرف آن اقدامات اساسی انجام نشده است. اما به تدریج که قیمت انرژی مصرفی با توجه به جهانی شدن اقتصاد و تجارت، خود را به سمت قیمت های بین المللی می رساند و نسبت بالاتری را در هزینه خانواده پیدا می کند، مصرف و اتلاف بی رویه آن به سرمایه های ملی و چرخه اقتصادی کشور لطمه زده و محیط زیست را در معرض خطر قرار می دهد. لذا یافتن راهکارهایی برای بهینه سازی مصرف انرژی در نیروگاه ها که یکی از پر مصرف ترین صنایع کشور می باشند، از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

روش معمول برای تأمین نیاز الکتریکی و حرارتی مصرف کنندگان، خرید برق از شبکه و تولید حرارت از طریق سوزاندن سوخت در کوره ها و دیگ های بخار است. اما با به کارگیری فناوری تولید همزمان می توان مصرف سوخت و به طور کلی مصرف انرژی را تا حد قابل ملاحظه ای کاهش داد. در حال حاضر بخش اعظم انرژی مصرفی جهان از سوخت های فسیلی به خصوص نفت، گاز و زغال سنگ تأمین می شود. احتراق سوخت های فسیلی باعث انتشار انواع آلاینده ها نظیر اکسیدهای گوگرد، نیتروژن، منواکسید کربن و گاز کربنیک و … در محیط زیست می گردد و با ورود آن ها به جو زمین، سلامتی انسان ها و تمام موجودات زنده با خطر مواجه می گردد. سوخت های فسیلی علاوه بر انتشار گازهای مضر دارای منابع محدودی نیز می باشند، به طوری که در آینده ای نزدیک عمر ذخایر آن ها به پایان می رسد، که این واقعیت، جهان را با بحران جدی انرژی در قرن بیست و یکم روبرو خواهد کرد.

فرآیند تولید همزمان برق و حرارت  CCHP

• در ابتداي فرايند،گاز طبيعي از طريق لوله ي اصلي گاز به ايستگاه تقليل فشار گازانتقال مي يابد. پس از تقليل فشار گاز در ايستگاه، با توجه به ظرفيت موتورژنراتور، ( ٢٥٠ مترمكعب بر ساعت گاز به ازاي ١مگاوات برق) ميزان حجم مورد نياز گاز به ورودي رگولاتور انتقال مي يابد. تمهيدات كنترلي وحفاظت ایمنی، سنجش فشار و حجم و... در اين رگولاتور انجام مي گيرد.

• از طرفي ديگر، از طريق فن های تعبيه شده در ساختمان نيروگاه، هوای مورد نياز احتراق موتور تامين می گردد و از طريق فيلترهای هوا به درون موتور انتقال پيدا می كند.

• استفاده از توربوشارژر در موتورها، باعث افزايش راندمان موتور می گردد. اين دستگاه از دو بخش اصلی متصل به هم تشكيل شده كه با هماهنگی همديگر، حجم و فشار هوای ورودی به محفظه سيلندر را افزايش داده و در نهايت موجب افزايش قدرت كلی موتور ميگردند.

• پس از فشرده سازی و تنظيم دمای هوای ورودی درون موتور، عمليات تركيب با گاز طبيعی با نسبت استوكيومتری مشخص انجام شده و مخلوط سوخت و هوا به درون محفظه احتراق سيلندر ها از طريق منيفولد هدايت می شود.

• در زمان مناسب عمليات جرقه زنی توسط شمع ها انجام گرفته و انرژی درونی مخلوط گاز و هوا به انرژی حركتی پيستون منجر می شود.

• در موتورهای ٤ زمانه، ٤ عمليات ١- مكش(تنفس) ٢- تراكم(فشرده سازی) ٣- انفجار(قدرت) ٤ -تخليه(خروج دود) به صورت مداوم انجام مي گيرد.

• انرژی مكانيكي خطي پيستون از طريق شاتون و ميل لنگ در نهايت به انرژی مكانيكی دورانی تبديل شده و در محل فلايويل و كوپلينگ موتور به ژنراتور انتقال می يابد.

• انرژی مكانيكی دورانی ژنراتور با توجه به قوانين القای الكترو مغناطيسی از روتور به استاتور، باعث ايجاد حركت الكترون های آزاد درون سيم پيچ ها گرديده و بدين ترتيب انرژی مكانيكی به انرژی الكتريكی تبديل می شود.

• انرژی الكتريكی با توجه به سطح ولتاژ مورد نياز با استفاده از ترانسفورماتور افزاينده به سطح ولتاژ مطلوب (معمولا ٢٠ كيلوولت) رسيده و پس از عبور ازكابل ها، پايش و حفاظت توسط تجهيزات كنترلی، ميترينگ و حفاظتی به شبكه برق سراسری تحويل داده می شود.
• جهت خنك سازی موتورژنراتور از دو مسير ورودی آب خنك به نام LT و HT كمك مي گيريم. مسير HT شامل اجزايي با دمای بالاتر مثل پيستون و… با دماي حدود ٨٠ درجه می باشد و مسير LT شامل برخي اجزای موتور با دماي كاركردی پايين تر مي باشد.سيكل های مذكور بسته می باشد و پس از خنك سازی درون رادياتور، به چرخه باز خواهند گشت. جهت استفاده از حرارت موتور قبل از خنك سازی درون رادياتور، تجهيزاتی موسوم به Heat Exchanger jacket Water مورد استفاده قرار می گیرد.
• در اين تجهيز، دمای آب ثانويه با گرفتن حرارت از مدار HT بالا رفته و جهت مصارف مختلف استفاده ميگردد( اصطلاحا CHPجكت)

• استفاده از روغن و گردش آن در موتور نيز از روش هاي اساسی خنك سازی موتور می باشد، ولي استحصال گرما از روغن موتور، مقرون به صرفه نمی باشد.

• در قسمت خروجی دود موتور (اگزاست)، با توجه به ايجاد صدای زياد معمولا از سايلنسر اگزاست استفاده می گردد.

• خروجی اگزاست موتور برای استفاده از حرارت، به درون بويلر بازياب حرارت رفته و با توجه به نيازمندی طرح سيالاتی مثل آب گرم، بخار داغ و … از مدار ثانويه ورودی به بويلر قابل استحصال می باشد. ( CHP اگزاست)

• در صورت نياز به برودت، گرمای تولید شده توسط حرارت مسير اگزاست موتور در قالب آب گرم یا بخار به سمت چيلر های جذبی هدايت می شود، مكانيزم كاركردی چيلرهای جذبی بدين گونه است كه با استفاده از گرمای ورودی، انرژی موردنياز برای برودت سيال ثانويه را تامين می نمايد.