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 سیستم ­های متمرکز تولید برق (نیروگاه­ های حرارتی سنتی)، نیروگاه CHP یک روش تولید غیر متمرکز 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).

انرژی گرمایی ناشی از بازیافت تلفات حرارتی در مولدهای 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 الکتریسیته به صورت محلی و مستقل (غیر متمرکز) و استفاده همزمان از گرمای تلف­ شده، کارایی مولدهای تولید برق به میزان قابل توجهی افزایش 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 حالی است که با بهره­ گیری از فناوری تولید همزمان برق و حرارت، آن هم بصورت مستقل، بازدهی انرژی این مولدها به حدود 75 تا 85 درصد نیز خواهد رسید 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 CO_۲ 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 CO_۲ بسیار قابل توجه خواهد است. تا آنجا که بسیاری از دولت­ های اروپائی، آمریکا و حتی در بعضی از کشورهای آسیایی نظیر ژاپن، سیاست­ ها و قوانینی را برای ترغیب 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 ابتدای فرایند،گاز طبیعی از طریق لوله ی اصلی گاز به ایستگاه تقلیل فشار گازانتقال می یابد. پس از تقلیل فشار گاز در ایستگاه، با توجه به ظرفیت موتورژنراتور، ( ٢٥٠ مترمکعب بر ساعت گاز به ازای ١مگاوات برق) میزان حجم مورد نیاز گاز به ورودی رگولاتور انتقال می یابد. تمهیدات کنترلی وحفاظت
  ایمنی، سنجش فشار و حجم و..در این رگولاتور انجام می گیرد.

• از طرفی دیگر، از طریق فن های تعبیه شده در ساختمان نیروگاه، هوای مورد نیاز احتراق موتور تامین می گردد و از طریق فیلترهای هوا به درون موتور انتقال پیدا می کند.

• استفاده از توربوشارژر در موتورها، باعث افزایش راندمان موتور می گردد. این دستگاه از دو بخش اصلی متصل به هم تشکیل شده که با هماهنگی همدیگر، حجم و فشار هوای ورودی به محفظه سیلندر را افزایش داده و در نهایت موجب افزایش قدرت کلی موتور میگردند.

• پس از فشرده سازی و تنظیم دمای هوای ورودی درون موتور، عملیات ترکیب با گاز طبیعی با نسبت استوکیومتری مشخص انجام شده و مخلوط سوخت و هوا به درون محفظه احتراق سیلندر ها از طریق منیفولد هدایت می شود.

• در زمان مناسب عملیات جرقه زنی توسط شمع ها انجام گرفته و انرژی درونی مخلوط گاز و هوا به انرژی حرکتی پیستون منجر می شود.

• در موتورهای ٤ زمانه، ٤ عملیات ١- مکش(تنفس) ٢- تراکم(فشرده سازی) ٣- انفجار(قدرت) ٤ -تخلیه(خروج دود) به صورت مداوم انجام می گیرد.

• انرژی مکانیکی خطی پیستون از طریق شاتون و میل لنگ در نهایت به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل شده و در محل فلایویل و کوپلینگ موتور به ژنراتور انتقال می یابد.

• انرژی مکانیکی دورانی ژنراتور با توجه به قوانین القای الکترو مغناطیسی از روتور به استاتور، باعث ایجاد حرکت الکترون های آزاد درون سیم پیچ ها گردیده و بدین ترتیب انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

• انرژی الکتریکی با توجه به سطح ولتاژ مورد نیاز با استفاده از ترانسفورماتور افزاینده به سطح ولتاژ مطلوب (معمولا ٢٠ کیلوولت) رسیده و پس از عبور ازکابل ها، پایش و حفاظت توسط تجهیزات کنترلی، میترینگ و حفاظتی به شبکه برق سراسری تحویل داده می شود.
• جهت خنک سازی موتورژنراتور از دو مسیر ورودی آب خنک به نام LT و HT کمک می گیریم. مسیر HT شامل اجزایی با دمای بالاتر مثل پیستون و… با دمای حدود ٨٠ درجه می باشد و مسیر LT شامل برخی اجزای موتور با دمای کارکردی پایین تر می باشد.سیکل های مذکور بسته می باشد و پس از خنک سازی درون رادیاتور، به چرخه باز خواهند گشت. جهت استفاده از حرارت موتور قبل از خنک سازی درون رادیاتور، تجهیزاتی موسوم به Heat Exchanger jacket Water مورد استفاده قرار می گیرد.
• در این تجهیز، دمای آب ثانویه با گرفتن حرارت از مدار HT بالا رفته و جهت مصارف مختلف استفاده میگردد( اصطلاحا CHPجکت)

• استفاده از روغن و گردش آن در موتور نیز از روش های اساسی خنک سازی موتور می باشد، ولی استحصال گرما از روغن موتور، مقرون به صرفه نمی باشد.

• در قسمت خروجی دود موتور (اگزاست)، با توجه به ایجاد صدای زیاد معمولا از سایلنسر اگزاست استفاده می گردد.

• خروجی اگزاست موتور برای استفاده از حرارت، به درون بویلر بازیاب حرارت رفته و با توجه به نیازمندی طرح سیالاتی مثل آب گرم، بخار داغ و … از مدار ثانویه ورودی به بویلر قابل استحصال می باشد. (اصطلاحا CHP اگزاست)

• در صورت نیازمندی به برودت، گرمای تولید شده توسط حرارت مسیر اگزاست موتور در قالب آب گرم یا بخار به سمت چیلر های جذبی هدایت می شود، مکانیزم کارکردی چیلرهای جذبی بدین گونه است که با استفاده از گرمای ورودی، انرژی موردنیاز برای برودت سیال ثانویه را تامین می نماید.

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 ۴ 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