نیروگاه CHP چیست؟

نیروگاه CHP چیست؟

نیروگاه های CHP و CCHP به طور هم‌زمان قادر به تولید دو یا سه نوع انرژی هستند. در نیروگاه های CHP حرارت حاصل از تولید برق در مولدهای محرک ژنراتور، به منظور تأمین انرژی لازم جهت گرمایش، مورد استفاده قرار می­ گیرد. فرایند تولید همزمان را می ­توان بر اساس انواع مولدهای نیروی محرکه، از جمله توربین ­های گاز، توربین ­های بخار، موتورهای احتراقی و مولدهای دیگر طبقه ­بندی نمود. در شرایطی که منابع تولید انرژی اولیه نیز شامل دامنه وسیعی از جمله سوخت­ های فسیلی (Fossil) زیست توده (Biomass) زمین گرمایی (Geothermal) و یا انرژی خورشیدی (Solar Energy) می ­باشند.سوخت اصلی آن‌ها معمولاً گاز است، این نیروگاه‌های گازی، انرژی حاصل از سوخت فسیلی را به انرژی الکتریکی، گرمایش و سرمایش تبدیل می‌کنند. در واقع تولید همزمان (Cogeneration) از نگاه ترمودینامیکی به معنای تولید دو یا چند شکل از انرژی با استفاده از یک منبع انرژی اولیه می ­باشد و از آنجا که دو شکل معمول انرژی، حرارتی و مکانیکی هستند و انرژی مکانیکی غالباً برای راندن یک ژنراتور الکتریکی به کار برده می­ شود، این فرآیند به تولید همزمان برق و حرارت (CHP) شناخته می­ شود. حال در صورت به کارگیری چیلر جذبی جهت تولید برودت و استفاده از گرمای قابل بازیافت نیروگاه تولید برق، به منظور تأمین انرژی مورد نیاز ژنراتور چیلر، امکان تولید همزمان برق، گرما و سرما نیز وجود خواهد داشت که چنین سیستمی را CCHP (مخفف عبارت Combined Cooling, Heat and Power) می­ نامند.با استفاده از انرژی که از این نیروگاه‌ها تولید می‌شود، می­ توان تأمین برق و حرارت فروشگاه‌های بزرگ، کارخانجات صنعتی و برج‌های تجاری و هر ساختمان بزرگ دیگری را انجام داد.

مزایای استفاده از نیروگاه CHP

در مقایسه با سيستم ­های متمركز تولید برق (نیروگاه­ های حرارتی سنتی)، نیروگاه CHP یک روش توليد غير متمركز و محلی (District) به حساب می ­آید. به این معنا که می ­توان برای هر منطقه و محله ­ای، یک نیروگاه تولید برق مستقل پیش ­بینی نمود، که برق در محلی که نیاز صرف وجود دارد به صورت نیروگاه‌های کوچکی که به آن‌ها DG گفته می‌شود، پراکنده می‌شوند. این چنین به علت نزدیکی محل تولید برق به محل مصرف، تلفات ناشی از انتقال جریان الکتریسیته بسیار ناچیز خواهد بود. در حالی که میزان اتلاف در مسیرهای انتقال شبکه ­های سراسری در حدود 20 درصد می ­باشد (البته در بعضی از شهرهای ایران نظیر شهر اهواز، اتلاف برق در شبکه توزیع تا 30 درصد نیز گزارش شده است).

انرژي گرمایي ناشی از بازيافت تلفات حرارتي در مولدهاي محرک­ ژنراتور و همچنین سیستم­ های خنک­ کاری نیروگاه ­های CHP (برج های خنک کننده و کندانسورهای تبخیری) را می ­توان در دو حوزه پرمصرف و کاربردی، مورد بهره­ برداری قرار داد:

1. HVAC ) heating, ventilation, and air conditioning) : به منظور تأمین انرژی لازم جهت تولید آب گرم، تهویه هوا و … مورد نیاز برای گرمایش ساختمان­ های مسکونی، اداری، تجاری .
2. صنعت: جهت برآورده کردن نیاز بسیاری از فرایندهای صنعتی به انرژی گرمایی، در صنایع مختلفی همچون پتروشیمی­ ها، کارخانجات کاغذسازی و …

 لذا در نیروگاه­ های CHP با توجه به تولید الكتريسيته به صورت محلي و مستقل (غير متمركز) و استفاده همزمان از گرمای تلف­ شده، كارايي مولدهاي توليد برق به ميزان قابل توجهي افزايش یافته است. چنانکه راندمان تولید برق در نیروگاه ­های گازی، حدود 30 درصد می ­باشد که با افزایش هزینه­ های سرمایه­ گذاری و مجهز شدن به تجهیزات سیکل ترکیبی، راندمان آن نهایتاً تا 55 درصد قابل افزایش است. این در حالي است كه با بهره­ گيري از فناوری توليد همزمان برق و حرارت، آن هم بصورت مستقل، بازدهی انرژي اين مولدها به حدود 75 تا 85 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 سیستم­ های CHP میزان تولید CO₂ به ازای واحد تولید برق (kW) بسیار پایین ­تر از روش ­های مرسوم دیگر بوده که از منظر کاهش انتشار گازهای گلخانه­ ای از جمله CO₂ بسیار قابل توجه خواهد است. تا آنجا که بسیاری از دولت­ هاي اروپائي، آمريكا و حتي در بعضی از كشورهاي آسيایي نظير ژاپن، سياست­ ها و قوانيني را براي ترغيب به استفاده از نیروگاه ­های  CHP وضع نموده ­اند و این نشان از اهمیت CHP در کاهش مصرف انرژی می­ باشد.

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 کوپل شده به مولد
3. سیستم بازیافت حرارت: مکانیزم بازیابی گرمای تلف­ شده
4. سیستم کنترلی مناسب: مکانیزم مدیریت و کنترل کلیه سنسورها و عملگرها

نیروگاه CHP شامل موتورهای احتراق داخلی، مشعل‌ها و دستگاه‌های تنظیم و کنترل مستمری هستند که بتوانند انرژی تولیدشده را مدیریت کنند. تفاوت این نیروگاه‌ها نسبت به نیروگاه‌های قدیمی‌تر، کاهش هزینه‌های سرمایه گذاری و  نصب آنها می ­باشد. 

و در آخر ، کم‌تر شدن قطعی برق از مزایای دیگر این نیروگاهی تولید پراکنده انرژی از نقاط مختلفی تأمین می‌شود و به سرعت جایگزین همدیگر می‌شوند.

لذا نیروگاهای تولید پراکنده در حال توسعه در ایران و جهان می­ باشد و امروزه رویکرد منتهی به افزایش حجم تولید این گونه نیروگاه ها وجود دارد و هر روزه اقبال بیشتری به احداث این نیروگاه ها نشان داده می شود.

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.

با توجه به وابستگی ظرفیت سیستم ­های CHP به نیاز گرمایشی هر مجموعه و در نتیجه ظرفیت پایین آن­ ها، می ­توان CHP را در دسته سیستم­ های تولید پراکنده برق قرار داد.

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
  ايمني، سنجش فشار و حجم و..در اين رگولاتور انجام مي گيرد.

• از طرفي ديگر، از طريق فن هاي تعبيه شده در ساختمان نيروگاه، هواي مورد نياز احتراق موتور تامين مي گردد و از طريق فيلترهاي هوا به درون موتور انتقال پيدا مي كند.

• استفاده از توربوشارژر در موتورها، باعث افزايش راندمان موتور مي گردد. اين دستگاه از دو بخش اصلي متصل به هم تشكيل شده كه با هماهنگي همديگر، حجم و فشار هواي ورودي به محفظه سيلندر را افزايش داده و در نهايت موجب افزايش قدرت كلي موتور ميگردند.

• پس از فشرده سازي و تنظيم دماي هواي ورودي درون موتور، عمليات تركيب با گاز طبيعي با نسبت استوكيومتري مشخص انجام شده و مخلوط سوخت و هوا به درون محفظه احتراق سيلندر ها از طريق منيفولد هدايت مي شود.

• در زمان مناسب عمليات جرقه زني توسط شمع ها انجام گرفته و انرژي دروني مخلوط گاز و هوا به انرژي حركتي پيستون منجر مي شود.

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

• انرژي مكانيكي خطي پيستون از طريق شاتون و ميل لنگ در نهايت به انرژي مكانيكي دوراني تبديل شده و در محل فلايويل و كوپلينگ موتور به ژنراتور انتقال مي يابد.

• انرژي مكانيكي دوراني ژنراتور با توجه به قوانين القاي الكترو مغناطيسي از روتور به استاتور، باعث ايجاد حركت الكترون هاي آزاد درون سيم پيچ ها گرديده و بدين ترتيب انرژي مكانيكي به انرژي الكتريكي تبديل مي شود.

• انرژي الكتريكي 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 كنترلي، ميترينگ و حفاظتي به شبكه برق سراسري تحويل داده مي شود.
• جهت خنك سازي موتورژنراتور از دو مسير ورودي آب خنك به نام LT و HT كمك مي گيريم. مسير HT شامل اجزايي با دماي بالاتر مثل پيستون و… با دماي حدود ٨٠ درجه مي باشد و مسير LT شامل برخي اجزاي موتور با دماي كاركردي پايين تر مي باشد.سيكل هاي مذكور بسته مي باشد و پس از خنك سازي درون رادياتور، به چرخه باز خواهند گشت. جهت استفاده از حرارت موتور قبل از خنك سازي درون رادياتور، تجهيزاتي موسوم به Heat Exchanger jacket Water مورد استفاده قرار می گیرد.
• در اين تجهيز، دماي 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 اساسي خنك سازي موتور مي باشد، ولي استحصال گرما از روغن موتور، مقرون به صرفه نمي باشد.

• در قسمت خروجي دود موتور (اگزاست)، با توجه به ايجاد صداي زياد معمولا از سايلنسر اگزاست استفاده مي گردد.

• خروجي اگزاست موتور براي استفاده از حرارت، به درون بويلر بازياب حرارت رفته و با توجه به نيازمندي طرح سيالاتي مثل آب گرم، بخار داغ و … از مدار ثانويه ورودي به بويلر قابل استحصال مي باشد. (اصطلاحا CHP اگزاست)

• در صورت نيازمندي به برودت، گرمای تولید شده توسط حرارت مسير اگزاست موتور در قالب آب گرم یا بخار به سمت چيلر هاي جذبي هدايت مي شود، مكانيزم كاركردي چيلرهاي جذبي بدين گونه است كه با استفاده از گرماي ورودي، انرژي موردنياز براي برودت سيال ثانويه را تامين مي نمايد.

اهمیت استفاده از نیروگاه CHP

با توجه به اهمیت صرفه جویی انرژی و سهم بالای مصرف انرژی در صنایع، بکارگیری روش های مؤثر در این راستاT تأثیرات قابل توجهی در پیشرفت و توسعه هر کشوری را به دنبال خواهد داشت. تولید همزمان برق و حرارت (CHP) به عنوان یک روش کارامد برای کاهش مصرف انرژی، در بسیاری از کشورهای پیشرفته مورد استفاده قرار گرفته و سهم قابل توجهی از تولید برق و حرارت مورد نیاز در این کشورها، با استفاده از این روش تأمین می گردد.

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 و از جمله صنایع ای هستند که موجب انتشار بیش از حد آلودگی های زیست محیطی می شوند، 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.

راندمان بالای واحدهای تولید همزمان، این واحدها را به عنوان راه حل قابل قبولی برای تبدیل انرژی، مطرح نموده است. همچنین بازده بالای این واحدها، باعث می شود تولید دی اکسید کربن و سایر آلاینده ها نظیر ترکیبات گوگردی و اکسیدهای نیتروژن کاهش یابد. از سوی دیگر در کشورهایی که قوانین سخت گیرانه زیست محیطی در آن ها اعمال می گردد با کاهش تعداد واحدهای تبدیل سوخت به حرارت مفید، کنترل واحدهای تولید آلاینده راحت تر انجام خواهد پذیرفت.

نیروگاه CHP تأمین برق برج میلاد

وقتی از کنار برج میلاد و لامپ‌های روشنش می‌گذریم، ممکن است این سؤال از ذهنمان رد بشود که این همه برق چه طور تأمین می‌شود؟ آیا این برق دارد از شبکه سراسری برق تأمین می‌شود؟ اما نکته اینجاست که تأمین برق برج میلاد با سازه‌های عظیمش، از نیروگاه برق مجزایی به نام نیروگاه مقیاس کوچک گازی CHP استفاده می‌کند. این نیروگاه‌ها قابلیت تولید هم‌زمان چند انرژی را دارند و برای کارخانجات و مراکزی که نیاز به برق دائمی دارند، طراحی شده‌اند. این نیروگاه‌ها، نه تنها هزینه برق مصرفی را به شدت پایین می‌آورند، بلکه نگرانی شهروندان را نسبت به قطعی برق برطرف می‌کنند. این تکنولوژی کارآمد در تأمین برق برج میلاد هم به کار رفته است.تولید برق از نیروگاه CHP که تکنولوژی جدیدی محسوب می­گردد، توسط مهندسان ایرانی در برج میلاد انجام شده است. این نیروگاه که توان خروجی 4 مگاواتی دارد، تنها درصدی از آن صرف تأمین برق برج میلاد می‌شود. در حقیقت برج میلاد نه تنها برق شهری را مصرف نمی‌کند، بلکه در تأمین برق در شهر تهران نیز یاری می­رساند