مبنای تکنولوژی تولید همزمان[1]

کلیه ژنراتورها برای تولید الکتریسیته گرمای خاصی را در طول تولید برق تولید می کنند که می توان از آن در روشی به نام تولید همزمان استفاده کرد. تولید، یا بازیابی گرمای هدررفته، می تواند برای گرم کردن و خنک کردن ساختمانهای بزرگ استفاده شود یا به عنوان یک انرژی بالقوه برای مصرف درکاربرد های صنعتی استفاده کرد.

به طور متوسط بیشتر موتورها حدود 50٪ از انرژی حرارتی خود را از دست می دهند. با تولید همزمان، نیروگاه‌ها به طور بالقوه می توانند تا 80٪ راندمان کلی برسند. در این مقاله به بررسی جنبه های مهندسی تولید همزمان و کاربردهای عملی آن در سراسر جهان می پردازیم.

تولید همزمان یا CHP (گرما و توان ترکیبی) را می توان به صورت تهیه دو شکل از انرژی از یک منبع سوخت تعریف کرد. به عنوان مثال، یک ژنراتور انرژی الکتریکی را به عنوان منبع انرژی اصلی تولید می کند و گرمای هدررفته را به عنوان منبع انرژی ثانویه تولید می کند. غالباً اصطلاح تولید همزمان نادرست استفاده می شود. تولید همزمان به معنای عملکرد دو ژنراتور که با هم موازی شده اند نیست.

مثال دیگر می‌تواند یک ژنراتور توربین بادی موازی با یک دیزل ژنراتور باشد. در این مثالها، سیستم از هر دو انرژی تولید شده گرما و الکتریسیته همزمان استفاده نمی کند. انرژی حاصل از یک سیستم تولید همزمان واقعی معمولاً در صورت نبود این سیستم در محیط ازاد می شود و به صورت تلفات از بین می رود.

تولید همزمان یکی از پیشرفتهای برتر فناوری برای دستیابی به راندمان سوخت است. در شرایط مناسب، سیستم‌های تولید برق می توانند 50٪ تا200٪ راندمان یا بیشتر از عملکرد فعلی خود به دست آورند. افزایش نگرانی در مورد انتشار دی اکسید کربن باعث می شود که کاهش استفاده از سوخت های فسیلی برای آینده ضروری باشد. در عوض تغییر در فناوری تولید برق (خورشیدی، باد، هیدروالکتریک) در اثر تولید همزمان ارزان تر بهره وری بیشتری کسب می کنند.

منبع اصلی انرژی می‌تواند به هر شکل از توان محرکه اصلی مانند سیستم های تولید برق، بلورها، واحدهای نمک زدایی، پمپ ها، کمپرسور هوا یا چیلرهای گریز از مرکز (محرک) باشد. گرمای ترمودینامیکی که از محرک اصلی بدست می آید معمولاً به صورت بخار یا آب گرم است. فرآیند محرک اصلی هنگامی که گرمای خارج شده از جابجایی اصلی که معمولاً هدر می رود، بازیابی می‌گردد و در یک دستگاه مصرف‌کننده گرما استفاده می شود، و به یک سیستم تولید همزمان تبدیل می شود. تفاوت اصلی بین موتور توربین گازی و یک موتور رفت و برگشتی در نحوه خارج شدن حرارت است.

توجه به این نکته ضروری است که در صورت نیاز مستمر به استفاده از گرمای هدررفته، باید پروژه های تولید همزمان مورد توجه قرار گیرد. اگر گرمای هدررفته فقط برای چند ماه از سال استفاده شود، چندان اقتصادی نیست. سیستم تولید همزمان که از گرمای هدررفته در زمستان استفاده می کند برای گرم کردن یک فضا نیاز به استفاده از این گرما در فصول دیگر دارد. به عنوان مثال، از طریق 7 نیروگاه، Con Edison هر ساله 66 میلیارد کیلوگرم بخار 350 درجه فارنهایت را در 100000 ساختمان در منهتن توزیع می کند. اکثر این ساختمان ها از نظر بخار و تهویه هوا از طریق بخار تنظیم شده اند. استفاده از بخار فقط برای گرم کردن ساختمان و سپس نصب سیستم های مجزای تهویه هوا ، منجر به هدر رفتن هزینه خواهد شد. اکثر نیروگاه‌های تولید همزمان کوچکتر برای بیمارستان ها، هتل ها، کارخانه های صنعتی و پردیس دانشگاه‌ها مناسب هستند.

در صورت وجود اختلاف بین برق و گرما، می توان یکی از آنها را در یک توافقنامه خرید برق فروخت. به عنوان مثال، در صورت وجود تقاضای بیشتری برای گرما از توان الکتریکی، می‌تواند مستقیماً به یک شرکت فروخته شود. برعکس، در برخی مناطق سردسیر شهری، تولید بیش از حد گرما می تواند برای توزیع در خانوارهای مسکونی به یک شرکت گازرسانی فروخته شود.

مقالات مرتبط:

نیروگاه حرارتی چیست و چگونه کار می کند

نیروگاه دیزلی چیست و چگونه کار می کند

نیروگاه هسته ای چیست و چگونه کار می کند

راکتور هسته ای چیست و چگونه کار می کند

انواع نیروگاه‌های تولید همزمان

رایج ترین نوع سیستم های بازیابی گرمای هدررفته، بخار و آب گرم است. بیشتر موتورها دارای حداکثر دمای خروجی آب 210 درجه فارنهایت می‌باشند. موتورهای دیگر ممکن است در دمای 260 درجه فارنهایت کار کنند. موتورها باید بطور خاص تنظیم شوند تا در دمای بالاتر کار کنند.

با این حال، برای اکثر کاربردها، 210 درجه فارنهایت به اندازه کافی زیاد است تا تمام نیازها را برآورده کند. بخار کم فشار قادر به تولید از آب در دمای 250 درجه فارنهایت می‌باشد. این درجه حرارت (که با یک موتور به درستی تنظیم شده) می تواند با استفاده از کاربرد خنک کنندگی ایجاد شود که بخار در خود موتور ایجاد می شود و به دلیل اختلاف چگالی بین آب و بخار بالا می رود. قبل از در نظر گرفتن نیروگاه تولید همزمان، بهتر است با یک پیمانکار برق حرفه ای صحبت کنید تا مشخص شود که پیکربندی مورد نیاز چیست.

روش دیگر تولید بخار کم فشار از گرماگیر موتور از طریق گردش پمپاژ آب در سیستم خنک کننده است. آب مایع حاصل از استوانه بخار از طریق موتورها پمپ می شود و گرمای آب با ورود به محفظه استوانه‌ای بخار تبدیل به بخار می شود.

15 PSIG تا 250 PSIG بخار را می توان با هر اگزوز توربین گازی یا دیزلی تولید کرد. اکثر سیستم های اگزوز نیز با دیگ بخار اختیاری طراحی شده اند که توسط یک دریچه بای پس از گاز اگزوز استفاده می شود. از گرمای اگزوز در رابطه با گرمای گرماگیر آبی می توان برای ایجاد 15 بخار PSIG استفاده کرد یا می توان از آن در یک سیستم جداگانه استفاده کرد تا فشار بیشتری در آن بخار تولید شود.

با موتورهای برگشت پذیر (پیستون) تقریبا 34٪ از ورودی گرما به عنوان توان بازیابی می شود، و 66٪ بازیافت نشده است. تمام گرمای پس زده شده از گرماگیر آبی قابل بازیابی است و بسته به نوع موتور، تقریباً 40٪تا60٪ از گرمای رد شده در جریان خروجی اگزوز قابل بازیافت است. در برخی موارد، گرچه نادر می‌توان گرمای پس از خنک‌سازی و روغن ماشین را بازیابی نمود. برای موتور توربین گازی تقریبا 29٪ از ورودی گرما برای توان استفاده می شود و 71٪ به دلیل اگزوز از بین می رود. با یک سیستم تولید همزمان ،٪ 60 اگزوز معمولاً قابل بازیابی است.

در پیکربندی تولیدهمزمان، دو سیکل مجزا وجود دارد: سیکل بالایی و پایینی. در سیکل بالایی سیستم الکتریکی محصول اصلی است و گرمای پسماند محرک اصلی است. به عبارت دیگر، نیروگاه های سیکل بالایی برق را از یک توربین بخار تولید می کنند و گرمای هدررفته محصول جانبی است. در طی سیکل پایینی، بخار ایجاد شده در ابتدا برای تأمین نیرو برای فرآیندهای صنعتی، از قبیل توربین بخار، (محصول اصلی) با بخار اگزوز و با فشار کمتر استفاده می شود که برای ایجاد برق استفاده می شود (محرک اولیه). نیروگاه‌های سیکل پایینی به دلیل دمای مورد نیاز بالا در سراسر دنیا کمتر دیده می شوند.

امکانات موتور پیستون

تاکنون متداول ترین روش تولید همزمان است. گرمای ناشی از موتورهای با پیستون کوچکتر، معمولاً دیزل، از رادیاتور یا اگزوز گرفته می شود. این سیستم ها بدلیل نگهداری آسان، هزینه کمتر و سازگاری با نیازهای مختلف بسیار رایج هستند.

امکانات موتور گازی

این نیروگاه‌ها از موتور گازی استفاده می کنند که به طور کلی نگهداری از توربین گازی کوچکتر (5 مگاوات) آسان تر است. رایج ترین سوخت مورد استفاده گاز طبیعی یا پروپان است. این نیروگاه‌ها به طور معمول به عنوان یک بسته کامل ارائه می شوند و در یک انبار بزرگ با اتصال به سیستم های گرمایشی، برقی و گازی ذخیره می‌شوند.

امکانات توربین گازی

با استفاده از این نیروگاه‌ها، گرمای هدررفته در گاز لوله بخار توربین ایجاد می شود. رایج ترین سوخت گاز طبیعی است. نیروگاه های توربین گازی به طور معمول بزرگ هستند و در داخل خانه ها ذخیره نمی شوند بلکه در محفظه های ضعیف شده با دسترسی به خط گاز هستند.

امکانات توربین بخار

این امکانات نسبتاً معمول است و بر اساس اصول یک سیستم گرمایشی که از کندانسور بخار برای تأمین نیروگاه توربین بخار استفاده می‌شود، کار می‌کنند.

امکانات سوخت زیستی

این نوع نیروگاه‌ها بسته به پیکربندی سوخت مورد استفاده، از یک موتور گازرسانی یا دیزل متقابل استفاده می‌کنند‌. این طرح کاملاً شبیه نیروگاه موتور بنزینی است. مزیت اصلی نیروگاه سوخت های زیستی کاهش مصرف سوخت هیدروکربن و کاهش انتشار کربن است.

از نظر تاریخی، نیروگاه‌های سوخت زیستی نسبت به سایر نیروگاه‌های تولید همزمان دارای زمان آسان تری هستند اما معمولاً از نظر بازده تولید ضعیف تر هستند.

امکانات روغن سوخت سنگین

نیروگاه‌های HFO به طور گسترده در تولید همزمان در ایالات متحده مورد استفاده قرار نمی گیرند اما در کشورهای در حال توسعه رایج است. روغن سوخت سنگین ترین سوخت تجاری است که احتمالاً از پالایش نفت خام ساخته می شود و سوخت با درجه پایین محسوب می شود.

HFO شماره 5 و شماره 6، که نیاز به پیش گرمایش 170 درجه تا 260 درجه فارنهایت دارند رایج ترین انواع مورد استفاده در نیروگاه‌های تولید همزمان است. فایده HFO این است که ارزان است اما اشکال عمده آن است که دارای آلودگی قابل توجهی است.

امکانات سیکل ترکیبی

نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بر این اساس کار می کنند که اگزوز یک موتور حرارتی را محدود می‌کند تا برق تولید شود یا فرآیندهای مکانیکی را هدایت کند. ترکیبی از چندین چرخه ترمودینامیکی منجر به افزایش کارایی و کاهش هزینه سوخت می شود. نکته منفی این است که اکثر نیروگاه‌های تولید همزمان باید متناسب با این فناوری سازگار شوند.

امکانات سلول سوختی

فن آوری سلول سوختی با تبدیل انرژی شیمیایی پتانسیل به الکتریسیته از طریق یک واکنش شیمیایی با یک عنصر اکسید کننده کار می کند. هیدروژن سوخت مورد نظر برای استفاده در نیروگاه‌های تولید همزمان است، اما کربنات مذاب یا اکسید جامد به دلیل دمای بالای اگزوز، که می تواند به 1200 درجه فارنهایت برسد، موذد علاقه است.

امکانات توان هسته‌ای

برخی از نیروگاههای هسته ای می توانند پس از تپ توربین ها مجدداً ساخته شوند تا بخار سیستم گرمایش مرکزی را تأمین کنند. این سیستم ها چندان رایج نیستند زیرا اتلاف انرژی در حدود 10 مگاوات برای تولید 95 درجه سانتیگراد گرما است.

امکانات توان زیست توده[2]

با توجه به محبوبیت، نیرووگاه‌های زیست توده با استفاده از هیدروژن، کربن یا اکسیژن ناشی از زباله های صنعتی کار می کنند. در سال های اخیر، جهت حصول بیشتر انرژی از چوب، زباله، مواد زاید، سوخت های الکلی یا گازهای دفن زباله، فناوری مورد نظر ارتقا یافته است.

در بیشتر قسمت ها، تعداد محدودی از سیستم های تولید همزمان بسته بندی شده برای استفاده در مقیاس متوسط تا بزرگ وجود دارد. اکثریت قریب به اتفاق سیستم ها، طراحی های متناسب با پروژه های سفارشی هستند. مانند همیشه، بهتر است قبل از شروع یک پروژه تولید همزمان با یک پیمانکار برق یا مهندس طراحی مشورت کنید. متخصصان می توانند بازیابی گرمای مناسب را برای حرکت اولیه انجام دهند تا به نتیجه مطلوب برسند.

[1] cogeneration

[2] biomass

مبنای تکنولوژی تولید همزمان[1]