مولد ترکیبی برق و حرارت

piping

مولد ترکیبی برق و حرارت

تولید ترکیبی برق و حرارت (Cogeneration) تولید ترکیبی برق با توان محوری و حرارت مفید، توسط یک سیستم، با استفاده از دو شکل مختلف انرژی مفید با به کارگیری یک منبع اولیه انرژی به شمار می‌آید به عبارت دیگر تولید ترکیبی برق و گرما یا به اختصار تولید ترکیبی(CHP) عبارت است از تولید همزمان و توام ترمودینامیکی دو یا چند شکل انرژی از یک منبع ساده اولیه.شکل زیر فرآیند تولید ترکیبی برق و گرما را نشان می دهد. 

این فن آوری برای نخستین بار در نیروگاه های سیکل بخاری استفاده شد، به طوری که از بخار استخراج شده از سیکل برای مصارف گرمایشی کارخانه و واحدهای اطراف آن بهره گرفته می‌شد. اگر چه با این عمل راندمان اینگونه نیروگاه ها اندکی کاهش می‌یافت ولی با تأمین حرارت مورد نیاز در مصرف سوخت تا حد زیادی صرفه‌ جویی به عمل می‌آمد. در سالهای اخیر، کاربرد این سیستم‌ها که بهره‌وری بالایی را در مصرف انرژی درپی دارد، به نیروگاه های بخار محدود نگشته و به سایر مولدهای تولید قدرت اعم از مکانیکی یا الکتریکی گسترش یافته است، به طوری که امروزه می‌توان هر سیستم مولد قدرت را با هر اندازه و با هر کاربردی به صورت یک واحد مشترک طراحی کرد و بدین ترتیب علاوه بر تولید توان الکتریکی یا مکانیکی به وسیله دستگاه، بهره‌ گیری از حرارتی اتلافی مولد یا موتور را به صورت انرژی گرمایی می‌توان قابل استفاده و امکان‌پذیر ساخت.

نیروگاه های تولید ترکیبی را می‌توان به پنج دسته کلی تقسیم نمود.
- بازیافت از توربین های زیرکش دار (Extraction condensing)
- بازیافت از توربین های پس فشاری (Back – Pressure)
- بازیافت حرارت از توربین های گازی (Gas turbine heat recovery)
- بازیافت از سیکل ترکیبی (Combined Cycle)
- بازیافت از موتورهای رفت و برگشتی (Reciprocating Engines)

ساده‌ترین نیروگاه تولید همزمان، نیروگاه هایی هستند که از توربینهای Back - pressure استفاده می‌کنند. در ایـن نـیـروگـاه هـا، برق و حرارت در یک توربین بخار تولید می شود. یکی دیگر از اجزای اصلی نیروگاههای Back - pressure بویلر است که می‌تواند برای سوزاندن سوخت های جامد، مایع یا گازی شکل طراحی شود.

1-4- نیروگاههای Extraction Condensing (زیر کشدار)
تولید حرارت به روش تولید پراکنده می‌تواند در نیروگاههای مجهز به توربین بخار زیر کشدار (Extraction Condensing) انجام شود. به این طریق که مقداری از بخار قبل از رسیدن به آخرین مرحله توربین از آن خارج شود. گرمایش متمرکز می‌تواند با استفاده از بخار استخراج شده از توربین یا برای مصارف صنعتی مورد استفاده قرار داد.
شکل (3) چرخه یک نیروگاه بخار که در آن یک ایستگاه کاهش فشار نیز تعبیه شده است را نشان می دهد. از ایستگاه کاهش فشار بخار در مواقعی که از توربین بخار استفاده نشود، استفاده می شود. در این حالت بخار مطمئن برای تأمین حرارت فرآیندها تأمین خواهد شد. باید دقت داشت که در صورتیکه از توربین بخار استفاده نشود به این سیستم تولید پراکنده اطلاق نمی‌شود. در یک نیروگاه معمولی فقط برق تولید می‌شود ولی دریک نیروگاه Extraction Condensing جزئی از بخار برای تولید حرارت از توربین خارج میشود.

2-4- نیروگاه های Back - pressure
در نیروگاههای بخار معمولی، بخار فشار بالا در بویلر تولید میشود که اصطلاحاً به آن بخار زنده اطلاق میشود. این بخار از میان توربین عبور می‌کند و پس از انبساط کامل، با فشار پایین وارد یک کندانسور میشود. در این بخش حرارت باقیمانده در این بخار با هوا یا آب منتقل میشود.
در یک توربین Back - pressure بخار از قسمتهای میانی توربین و با فشار بالاتر خارج میشود و از این بخار به منظور استفاده در مصارف گرمایشی استفاده میشود. این بخار می‌تواند مستقیماً به عنوان بخار فرآیند (مثلاً در ماشینهای کاغذسازی) یا بعنوان سیال گرم در یک مبدل حرارتی برای گرم کردن آب مورد استفاده در سیستمهای گرمایشی ناحیه‌ای مورد استفاد قرار گیرد.

1-2-4- نیروگاههای Back - pressure صنعتی

در نیروگاههای صنعتی Back - pressure معمولاً فشار پشت توربین در بارهای کامل و جزئی و با در نظر گرفتن شرایط فرآیند ثابت نگه داشته میشود. همچنین میتوان از قسمتهای میانی توربین نیز مقداری از بخار را با کیفیت بالاتر را استخراج نمود. این بخار می‌تواند در فرآیندهای صنعتی استفاده شود یا به مصرف داخلی نیروگاه برسد. در صورتیکه این بخار به مصرف داخلی نیروگاه برسد به آن CHP اطلاق نمی‌شود. هرچه بخار با فشار بالاتر از توربین استخراج شود میزان برق تولیدی کمتر خواهد بود.
2-2-4- ‌نیروگاههای Back - pressure برای استفاده در گرمایش ناحیه‌ای
در سیستمهای متداول گرمایش ناحیه‌ای آب گرم که حامل انرژی است با عبور از مبدلهای حرارتی عمل انتقال حرارت را انجام می‌دهد. دمای این آب با توجه به تغییرات دمای محیط متغیر خواهد بود. بسته به طراحی شبکه دمای آب خروجی از نیروگاه حداکثر بین 120 تا 150 درجه سانتی گراد در نظر گرفته میشود. بعنوان مثال اگر میانگین دمای آب خروجی از نیروگاه بین 80 تا 85 درجه باشد، دمای آب برگشتی حدود 50 تا 55 درجه سانتی گراد خواهد بود.
در بعضی از مواقع برای افزایش دمای آب خروجی ازنیروگاه بویلرهایی بصورت سری با مبدلهای حرارتی در نظر گرفته میشود. لازم بذکر است افزایش حرارت در اثر عبور از این بویلرها نباید در محاسبات راندمان کل سیستم CHP منظور شود.
هر چه دمای آب خروجی از سیستم گرمایش ناحیه‌ای بیشتر باشد. میزان تولید برق کاهش خواهد یافت ارتباط بین میزان برق حرارت تولیدی را با فاکتوری بنام نسبت حرارت به برق (Heat to power Ratio) می‌سنجد.

3-4- توربین گاز و بویلر بازیافت حرارت
یک سیستم ساده و کم هزینه تولید پراکنده برق و حرارت میتواند با ترکیب یک توربین گاز و یک بویلر بازیافت حرارت ایجاد شود. گازهای داغ خروجی از توربین گاز از یک بویلر بازیافت حرارت عبور می‌کنند و بخار مورد نیاز فرآیند یا گرمایش مورد نیاز را تأمین می‌کند. در این نوع نیروگاهها، هوای داغ خروجی از توربین گاز از بویلر بازیافت حرارت عبور کرده و حرارت خود را به سیال حامل (آب) منتقل می‌کند. در بسیاری از مواقع از گاز طبیعی بعنوان سوخت مصرفی استفاده میشود. اما گازوئیل یا ترکیبی از گاز و گازوئیل نیز به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
میزان حرارت بازیافت شده به نوع سوخت مصرفی و دمای حرارت بازیافت شده بستگی دارد. اگر از گاز طبیعی بعنوان سوخت توربین گاز استفاده شود، میتوان دمای گازهای خروجی از بویلر بازیافت را به حدود 60 تا 100 درجه سانتی گراد کاهش داد ولی در صورتیکه از سوختهای مایع استفاده شود بمنظور کاهش ریسک خوردگی گوگرد باید دما بین 120 تا 170 درجه کنترل شود. در بعضی مواقع نیروگاه به یک مشعل کمکی مجهز میشود که از گازهای خروجی از توربین گاز بجای هوای احتراق استفاده می‌کند. طبیعتاً حرارت تولیدی از مشعلهای کمکی را نباید در محاسبة حرارت تولیدی از CHP منظور نمود.
در بعضی از مواقع نیز اگزوز خروجی از توربینهای گاز مجهز به یک کنار گذر (By- Pass) خواهد بود که در اینصورت میتوان فقط در مواقع لازم از بویلر بازیافت استفاده کرد و در مواقع غیر ضروری آنرا از سیستم حذف نمود.

4-4- نیروگاه های سیکل ترکیبی
اخیراً، استفاده از نیروگاههای سیکل ترکیبی که شامل یکی یا چند توربین گاز به انضمام بویلرهای بازیافت حرارت و توربین بخار هستند نیز متداول شده‌اند. یک نیروگاه سیکل ترکیبی شامل یک یا چند توربین گازی و توربین بخار است. بسته به نوع توربین بخار، نیروگاه می‌تواند معمولی یا تولید پراکنده باشد. شکل (6) یک نیروگاه سیکل ترکیبی تولید پراکنده که شامل 2 توربین گاز، 2 بویلر بازیافت و یک توربین بخار است را نشان می‌دهد.
اگر از خنک کن‌های کمکی برای خنک کردن مایعات خروجی از توربین بخار استفاده نشود میتوان این واحدها را بعنوان واحدهایCHP  مورد استفاده قرار دارد. مشخصة تمامی نیروگاههای سیکل ترکیبی، بازیافت حرارت از گاز خروجی توربینهای گاز است. این حرارت توسط بویلرهای بازیافت و به منظور تولید بخار مورد نیاز توربینهای بخار استفاده میشود. معمولاً برای افزایش کیفیت بخار از مشعلهای کمکی که از گاز خروجی توربین گاز بعنوان هوای ورودی استفاده می‌کنند برای حرارت دادن بویلر کمکی استفاده میشود. سیستمهای سیکل ترکیبی که در آنها از مایع خروجی از کندانسور برای تأمین حرارت استفاده میشود اساس سیستمهای تولید پراکنده با سیکل ترکیبی را تشکیل می‌دهند.

5-4- نیروگاه های مجهز به موتورهای رفت و برگشتی
این روش نیز مشابه به روش تولید پراکنده در نیروگاههای گازی است با این تفاوت که بجای توربین گاز از موتورهای درونسوز رفت و برگشتی استفاده میشود. در نیروگاههایی که از موتورهای رفت و برگشتی استفاده می‌کنند، حرارت می‌تواند از روغن موتور یا آب خنک کن موتورها از حرارت گازهای خروجی از اگزوز بازیافت شود.

بازده الکتریکی موتورهای رفت و برگشتی بین 35 تا 42 درصد است و در صورتیکه در اثر قوانین زیست محیطی لازم باشد اکسیدهای نیتروژن به میزان زیادی کاهش پیدا کند این راندمان 1% کاهش می‌یابد. با توجه به اینکه موتورهای پیشرفته گازهای اگزوز خنک‌تری (حدود 400) دارند، بازیافت حرارت فقط می‌تواند بصورت بخار باشد. مثلاً یک موتور دیزل 2/4 مگاواتی می‌تواند 5/1 مگاوات بخار و 1/3 مگاوات آبگرم و داغ تولید کند. با توجه به اینکه کل مصرف سوخت برای این موتور حدود 10 مگاوات خواهد بود، بازده کل مجموعه حدود 88% میرسد.