سيستم هاي توليد انرژي الكتريكي و حرارت (CHP)

chp

فراهم كردن فضايي كه منجر به توليد مشترك برق و حرارت شود علاوه بر آنكه سبب صرفه جويي در مصرف انرژي مي شود بلكه اين امكان را به وجود مي آورد كه از فن آوري مناسب در جهت توليد برق بهره لازم گرفته شود.

در مقاله زير كه به وسيله مهندس معصومه لاجوردي از كارشناسان شركت مهندسين دانشمند برق اصفهان تدوين و تنظيم شده است درمورد سيستم هاي توليد همزمان برق و حرارت (CHP) نكاتي مطرح شده است.

توليد مشترك برق و حرارت (Cogeneration) توليد همزمان برق با توان محوري و حرارت مفيد، توسط يك سيستم، با استفاده از دو شكل مختلف انرژي مفيد با به كارگيري يك منبع اوليه انرژي به شمار مي آيد.

اين فنآوري براي نخستين بار در نيروگاههاي سيكل بخاري استفاده شد، به طوري كه از بخار استخراج شده از سيكل براي مصارف گرمايشي كارخانه و واحدهاي اطراف آن بهره گرفته مي شد. اگرچه با اين عمل راندمان اينگونه نيروگاهها اندكي كاهش مي يافت ولي با تأمين حرارت مورد نياز در مصرف سوخت تا حد زيادي صرفه جويي به عمل مي آمد. در سالهاي اخير، كاربرد اينسيستم ها كه بهره وري بالايي را در مصرف انرژي درپي دارد، به نيروگاههاي بخار محدود نگشته و به ساير مولدهاي توليدقدرت اعم از مكانيكي يا الكتريكي گسترش يافته است، به طوري كه امروزه مي توان هر سيستم مولد قدرت را با هر اندازه و با هر كاربردي به صورت يك واحد مشترك طراحي كرد و بدين ترتيب علاوه بر توليد توان الكتريكي يا مكانيكي به وسيله دستگاه،بهره گيري از حرارتي اتلافي مولد يا موتور را به صورت انرژي گرمايي مي توان قابل استفاده و امكان پذير ساخت.

● آشنايي با مفاهيم سيستم هاي CHP

در دنياي امروز با توجه به نقش و اهميت كاربرد اين نوع سيستم ها در بعضي از صنايع كه به طور همزمان به انرژي الكتريكي و بخار فشار پائين جهت انجام فرآيندهاي صنعتي نياز دارند و نيز به دليل نهادينه كردن فرهنگ كاربرد آنها، به جاي اصطلاح (Cogenration) از عنوان ”سيستم هاي تركيبي حرارت و قدرت“ (CHP) و يا به عبارتي: Combined Heat & Power استفاده مي شود.

در اين سيستم ها، انرژي شيميايي سوخت به وسيله يك محرك اوليه (موتور يا توربين) آزاد شده و به توان مكانيكي در محور خروجي تبديل شده و سپس محور محرك با يك ژنراتور كوپل شده و توان الكتريكي توليد مي شود. با توجه به اينكه حداكثر راندمان موجود براي محرك اوليه دستگاه و مولد كمتر از ۵۰ درصد است، در نتيجه بيش از نيمي از انرژي سوخت به صورت حرارتتلف مي شود. بنابراين مي توان با شناسايي منابع اتلاف حرارت يعني گازهاي خروجي از محرك اوليه و سيكل خنك كن روغن روغنكاري و با قراردادن مبدلهاي حرارتي مناسب، گرماي اتلافي را به صورت حرارت با دماي بالا و قابل استفاده بازيافت كرد.

اين نوع سيستم ها داراي بيشترين بهره وري درمصرف سوخت بوده و در حاليكه در سيستم هاي نوع مجزا، متوسط راندمان يك مولد برق در حدود ۳۵ درصد و متوسط راندمان يك بويلر ۹۰ درصد است، يك سيستم CHP با توليد همزمان برق و حرارت داراي راندماني بيش از ۸۵ درصد خواهد بود، يعني راندمان الكتريكي حدود ۳۵ درصد و راندمان حرارتي ۵۰ درصد خواهد بود.

راندمان حرارتي عبارت از انرژي حرارتي توليدشده به انرژي سوخت مصرفي است. از ديدگاه اقتصادي، كاهش ۳۵ درصدي مصرف سوخت توسط اين سيستم، كاهش هزينه سوخت مصرفي را در پي داشته و از ديدگاه ملي، صرفه جويي در مصرف سوخت، از طريق صادرات و فراهم كردن شرايط لازم، استفاده مفيدتر از سوختهاي فسيلي را دربر دارد.

در واقع سيستم هاي CHP به وسيله فيلترهايي، از آزادشدن آلاينده هاي زيست محيطي نظير: Nox، ۲Co، Co و UHC جلوگيريكرده و راندمان سيستم را نسبت به حالت مجزا افزايش مي دهند.

در بخشهاي صنعتي، كشاورزي، تجاري و مسكوني اين سيستم ها با اندازه هاي متنوعي يافت مي شود. معيار اندازه اينسيستم ها بر مبناي توان الكتريكي توليدي آنها است كه در سه بخش تقسيم بندي مي شوند كه به طور اعم اندازه هاي بيش از چند مگاوات در بخش صنعتي، كمتر از يك مگاوات در بخش تجاري و اندازه هاي كوچك در مصارف خانگي كاربرد دارد.

كاربرد اين سيستم ها تنها شامل توليد برق و آب يا بخار كم فشار است و در اندازه هاي بزرگتر، از توان محور براي به كارانداختن كمپرسورهاي چيلر، يخچالهاي صنعتي و يا هواي فشرده و از حرارت حاصله براي گرم كردن مستقيم محيط، چيلرهاي جذبي وحرارت مورد نياز فرآيندهاي صنعتي از قبيل خشك كن استفاده مي شود.

دو كاربرد مهم CHP براي حرارت مفيد به شرح زير است:

۱) گرمايش ناحيه يا بخش خاص (CHP/ DH) مانند مناطق تجاري و مسكوني و يا به عبارتي: Combined Heat and Power/ District Heating

۲) استفاده در صنايع جهت انجام فرآيندها (CHP/ IND) و يا به عبارتي: Combined Heat and Power/ for industry

كه حالت اول به شبكه گرمايشي ناحيه اي كه حرارت تغذيه آن توسط آب داغ در دماي بين (۱۵۰ سانتيگراد ۸۰ سانتيگراد) فراهم مي شود ارتباط دارد و در حالت دوم نيز بخار داغ يا گازهاي داغ (خروجي از توربين گاز يا بخار) گرماي مورد نظر را ايجاد مي كند. بايد اذعان كرد كه آب گرمي كه از كندانسور نيروگاهها خارج مي شود و در بخش كشاورزي و استخر پرورش ماهي كاربرد دارد و نيز آشغالها و زباله هايي كه براي توليد توان الكتريكي به عنوان سوخت در نيروگاهها زباله سوز به كار مي روند به عنوان حرارتمفيد در اين سيستم ها به شمار نمي آيد. بنابراين، امروزه تبديل و تغيير نيروگاههاي موجود و يا طراحي نيروگاههاي جديد CHPبه منظور توليد حرارت مازاد به صورت مفيد در دمايي بالاتر از نيروگاههاي مرسوم مدنظر است.

اگرچه در كشورهاي آمريكا و انگلستان طرحهاي زيادي به منظور توليد توام حرارت و توان و استفاده از حرارت حاصله جهت انجام فرآيندها به صورت (CHP/ IND) وجود دارد و از نيروگاههاي خاصي بدين منظور استفاده مي شود، با اين حال، كاربرد نوع (CHP/D H) اين نوع سيستم ها در اين كشورها نسبتاً محدود است، اما در چند كشور اروپايي توليد توام توان و حرارت براي كاربرد در گرمايش ناحيه اي استفاده وسيع تري دارد.

● موارد كاربرد سيستم هاي CHP

دامنه كاربرد موثر سيستم هاي CHP شامل موارد زير است:

الف) توليدمشترك درUtility: از قبيل سرمايش و گرمايش منطقه اي

ب) توليد مشترك در صنعت مانند: صنايع غذايي، داروسازي، نساجي، فولاد، سيمان، كاغذ و مقوا، صنعت شيشه، صنعت سراميك، پالايشگاه و پتروشيمي.

ج) توليد مشترك در مؤسسات خانگي و تجاري نظير: بيمارستانها، دانشگاهها و هتلها

ضمناَ از اين سيستم ها مي توان در تأمين برق مورد نياز و گرمايش واحدهاي مسكوني از قبيل: آپارتمانها، برجها و نيز واحدهاي مسكوني تك خانوار نيز بهره جست.

مشخصات يك سيستم CHP ايده آل در نصب و اجرا شامل موارد زير است:

۱) نياز مبرم به استفاده از توان الكتريكي.

۲) افزايش موارد كاربرد انرژي حرارتي نسبت به انرژي الكتريكي.

۳) وجود الگوهاي بار پايدار و ثابت انرژي حرارتي و الكتريكي.

۴ طولاني بودن ساعات بهره برداري فرآيند. ۵ بالابودن قيمت برق شبكه يا عدم دسترسي به شبكه.

از طرف ديگر از انرژي حرارتي حاصله مي توان به منظور خشك كردن، پيش گرم كردن، توليد بخار فرآيند، محرك تجهيزات بازيافتحرارت، توليد آب سرد، آب گرم، سيال داغ و مانند آن استفاده كرد. بنابراين در صنايعي كه نياز مبرم به استفاده توأم از حرارت و توان احساس مي شود، ظرفيت ايجاد توليد مشترك وجود دارد و با دارابودن مشخصات بالا مي توان صرفه جويي قابل توجهي در هزينه انرژي بدست آورد و سيستم توليد مشترك مقرون به صرفه تري داشت.

● جمع بندي

در طي سالهاي اخير، با توجه به دامنه كاربرد سيستم هاي CHP و اشاعه فرهنگ استفاده از اين نوع سيستم ها، شركتهاي سازنده به منظور جلب رضايت مشتريان و سهولت عرضه، خريد و نصب اين سيستم ها در اندازه كوچكتر از يك مگاوات آنها را به صورت پكيج شده توليد مي كنند. بدين ترتيب علاوه بر اطمينان مشتريان از سلامت دستگاه در هنگام خريد، هزينه نصب، تعمير و نگهداري آنها نيز كاهش پيدا مي كند.

معيار اصلي در انتخاب صحيح اندازه CHP و نحوه استفاده از آن به نياز واقعي مصرف كننده به برق و حرارت بستگي دارد و عدم رعايت اين معيار هزينه هاي گزافي را هم در مرحله خريد و هم در زمان تعمير و نگهداري دستگاه درپي خواهد داشت.

اين سيستم ها به تنهايي كاربرد ندارند و از نظر توليد برق زماني از آنها استفاده مي شود كه هزينه برق توليدي در مقايسه با برق خريداري شده از شبكه مقرون به صرفه باشد.

بنابراين در دنياي امروز كه بحران انرژي و آلودگي محيط زيست دو مشكل اساسي جهان به شمار مي آيند، بجاست تا با بهرهگيري از اين نوع سيستم ها بتوان گامي موثر در جهت كاهش مصرف سوخت و آلاينده هاي زيست محيطي برداشت.