لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه54
بخشی از فهرست مطالب
تولید همزمان برق و حرارت (CHP). 4
Large scale CHP-small scale CHP-mini scale CHP.. 8
موارد کاربرد تولید مشترک برق و حرارت : 10
تولید مشترک برق و حرارت در مقیاس کوچک (Mini CHP) : 13
فواید تولید همزمان برق و حرارت : 15
موتور های رفت و برگشتی (Reciprocating Engines): 22
موتور دیزل / ژنراتور های اضطراری (Standby Generator): 24
موتور استرلینگ (Stirling Engine) : 25
تولید همزمان برق ،حرارت و سرما (CCHP) در ساختمان های مسکونی : 30
جریان انرژی در سیستم های CCHP : 31
Eequipment الکتریسته مصرف شده توسط تجهیزات الکتریکی.. 31
(Following the Electric Load) : 32
(Following the Thermal Load) : 32
استراتژی آزاد برای تایین ظرفیت بهینه در CCHP : 33
بررسی و مقایسه سیستم های CHP,CCHP,GHP : 33
بررسی سیستم CCHP (Combined Cooling & Heating & Power) : 34
مشخصات فنی و اقتصادی سیستم : 36
چکیده
معرفی فناوری های تولید همزمان برق و حرارت
درسه دهه اخیرپس ازافزایش عمده بهای سوخت،اهمیت بحث سوخت جایگزین ، افزایش کارآیی انرژی
و کاهش آلودگی زیست محیطی، تمایل به استفاده ازفنآوریهای جدید ازجمله تولید همزمان برق وحرارت
CHP(combined heat and power) افزایش یافته است. در روشهای معمول برای تامین نیازهای
الکتریکی وحرارتی، الکتریسته ازشبکه توزیع سراسری وحرارت بوسیله سوزاندن سوخت در بویلر ها
و تجهیزات گرمازا به روش تولید جداگانه تامین میگردد . دراین روش انرژی قابل توجهی به گونه ای
متفاوت از طریق گازهای داغ خروجی دودکش ، برجهای خنک کن ، کندانسورها ، خنک کننده ها در
موتورهای احتراق داخلی و همچنین تلفات توزیع وانتقال الکتریسیته درشبکه سراسری به هدر می رود،
که بیشتر این حرارت قابل بازیافت است ومی تواند در تامین انرژی حرارتی مورد استفاده قرارگیرد .
ازطرفی الکتریسیته تولیدی به این روش به صورت متمرکز (نیروگاهی) بوده و تلفات انرژی زیادی را
در بر دارد . درمقابل این سیستم های متمرکز ، روش های تولید غیر متمرکز و مستقل با استفاده از
فناوری CHP با ترکیبی از تولید همزمان برق و حرارت قرار دارد . از لحاظ ترمودینامیکی این روش
به معنی تولید همزمان دو شکل معمول انرژی یعنی الکتریکی وحرارتی ، با استفاده از یک منبع انرژی
اولیه می باشد . انرژی گرمائی از بازیافت تلفات حرارتی این مولدهای مستقل بدست می آید و این
حرارت در بخش های مختلف صنعتی ، تجاری و مسکونی به کار گرفته می شود از طرفی الکتریسیته
تولیدی توسط این فنآوری به صورت محلی و مستقل و غیر متمرکز بوده که این دو ویژگی در کنار
یکدیگر کارآیی مولدهای تولید برق را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد . کارآیی سیستم های
معمول به روش متمرکز درحدود 27 تا 55 درصد می باشد که بیشترین کارآیی مربوط به نیروگاه های
سیکل ترکیبی می باشد در حالیکه با بهره گیری از فنآوری تولید همزمان برق وحرارت بصورت مستقل،
کارآیی انرژی این مولدها به حدود 90 درصد نیز خواهد رسید ، تا آنجا که دولت های اروپائی ، امریکا
وحتی در کشورهای آسیائی نظیر ژاپن سیاست ها و قوانینی را برای ترغیب به استفاده از سیستم های
تولید همزمان برق وحرارت وضع نموده اند . از مزایای سیستم های تولید همزمان می توان به حرکت به
سوی خصوصی سازی و تولید غیر متمرکز و مستقل برق و حرارت ، جلوگیری از تلفات توزیع وانتقال
در شبکه سراسری ، افزایش کارآیی تبدیل انرژی و استفاده از آن ، کاهش مصرف سوخت و افزایش
رقابت در تولید برق وتوان نیروگاهی و کاهش آلاینده های زیست محیطی بخصوص دی اکسید کربن و
گازهای گلخانه ائی اشاره نمود . CHP متشکل از یک محرک اولیه است که انرژی شیمیایی سوخت را
آزاد نموده و به توان مکانیکی در محور خروجی تبدیل می کند. در این موارد، محور محرک با یک
ژنراتور کوپل شده و توان الکتریکی تولید می شود. از طرف دیگر حداکثر راندمان موجود برای محرک
اولیه دستگاه و مولد کمتر از 50% است و این به معنی اتلاف بیش از نیمی از انرژی سوخت به صورت حرارت می باشد.در این نوع سیستم منابع اتلاف این حرارت که عبارتند از گازهای خروجی از محرک اولیه، سیکل خنک کن وروغن روغنکاری ، شناسایی شده و با قرار دادن مبدل های حرارتی ، گرمای اتلافی به شکل حرارت با دمای بالا (حرارت قابل استفاده) بازیافت می شود. با فراهم شدن امکان
استحصال حرارت اتلافی در سیستم تولید مشترک برق و حرارت خصوصیات منحصر به فرد این سیستم
به دست می آید. بدین صورت از توان الکتریکی حاصل از محرک اولیه برق مورد نیاز واحد تامین می شود و از حرارت بازیافت شده برای گرمایش و حتی سرمایش (در چیلر های جذبی ) مورد استفاده
قرار می گیرد. با استفاده از این فن آوری راندمان تولید بسیار بالا میرود و علاوه بر آن می توان با
فروش برق تولیدی مازاد کسب درامد نیز حاصل گردد. از مهمترین این محرک های اولیه می توان به
توربین های گاز ،موتورها یپیستونی ،پیل های سوختی و میکروتوربین ها اشاره کرد. توربین های گاز
قابلیت اطمینان بالا ، حرارت قابل استفاده با انرژی بالا ،هزینه سرمایه گذاری نسبتاً کم برای تولید واحد
توان خروجی می باشند . توربین های گاز می توانند در بارهای کم به طوردائم کارکنند دراین سیستم ها
امکان استفاده از سوخت های مختلف وجود دارد و حتی ممکن است یک واحد با چند سوخت کار کند اما
در صورتی که واحد گازسوز باشد لازم است فشار گاز مورد استفاده بالا باشد . از دیگر معایب این
سیستم ها محدود بودن ظرفیت تولیدی آنها و امکان نیاز به دوره های تعمیرات اساسی طولانی می باشد.
در موتورهای پیستونی مقداری از حرارت تولید شده در احتراق سوخت را به حرکت مکانیکی تبدیل و با
استفاده از یک ژنراتور توان الکتریکی تولید می گردد . همچنین این موتورها دارای مزیت هایی از قبیل
امکان کار با گازهای فشار پایین و عمل کردن یک واحد با چند نوع سوخت می باشند .
پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریسیته است. این تبدیل مستقیم بوده و بنابراین از
بازدهی بالایی برخوردار است. در واقع می توان گفت که در این تبدیل از عمل عکس الکترولیز آب
استفاده می گردد. یعنی از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می گردد.
هر سلول در پیلهای سوختی از سه جزء آنُد، کاتُد و الکترولیت تشکیل شده است .[1],[2]
تولید همزمان برق و حرارت(CHP)
ابتدای قرن بیستم تولید قدرت الکتریکی در طفولیت خود بوده و بیشتر واحد های صنعتی تمام قدرت
الکتریکی مورد نیاز را خود تولید کرده و غالباً قدرت تولیدی مازاد را به واحد های همجوار نیز ارائه
می کردند . این واحد های صنعتی در واقع اولین تولید کنندگان همزمان بوده اند . عمده ی محرک های
اولیه در آنزمان موتور های بخاری رفت و برگشتی بوده وبخار خروجی با فشار پائین برای کاربرد های
گرمایش استفاده می شد . بین سال های اولیه دهه 20 تا 70 صنعت برق رشد سریعی پیدا کرد ، همزمان
با این رشد سریع یک کاهش عمومی در هزینه های تولید نیروی برق به وجود آمد . در خلال این مدت
اغلب صنایع ، تولید توان الکتریکی خود را به دلایل زیر فراموش کردند:
- نیروگاه ها نرخ های برق تولیدی خود را کاهش دادند .
- قوانین مالیات بر درآمد به جای حمایت از سرمایه گذاری در امر فوق به نفع هزینه های خریداران
برق بود .
- هزینه های مربوط به دستمزد ها افزایش یافت .
- صنایع علاقه مند بودند تا به تولیدات توجه داشته باشند تا این که به مسائل جنبی مثل تولید قدرت
الکتریکی بپردازند .
تخمین های مربوط به تولید انرژی الکتریکی همزمان نشان داد که طی سال های 1954 تا 1976 تولید
برق مشترک صنعتی آمریکا از 25% به 5% در کل تولید برق رسید . طی دهه 60 و 70 صنعت گاز
طبیعی تعریف جدید ” انرژی کل “ را از مفهوم تولیدهمزمان ارائه کرد . این تلاش به دلیل ضعف های
نسبی اقتصادی ( مثل ارزانی نسبی برق وگرانی سوخت ها) و نبود قوانین دولتی برای هماهنگی و
ارتباط بهتر با نیروگاه های بزرگ خیلی موفق نبود . در اواخر سال 1973 و مجددا در سال 1979
آمریکا بحران های عمده ای را در خصوص انرژی تجربه کرد که عمدتاً ناشی از کاهش نفت وارداتی
بود بین سال های 1973 و 1983 قیمت های سوخت و قدرت الکتریکی 5 برابر شد . در آن زمان تمام
صنایع خریدار قدرت الکتریکی ، بررسی هایی را در رابطه با صرفه جوئی های اقتصادی ناشی از
تولید همزمان آغاز کردند . از طرفی این بررسی ها با قوانین دولتی که در جهت کم کردن و یا برداشتن
موانع در سر راه تولید مشترک بوجود آمد همزمان گردید . در سال 1978 دولت آمریکا قانون انرژی
ملی را تصویب کرد (National Energy Act)(NEA) ، که چندین قانون مهم را در بر داشت . قانون
انرژی ملی در واقع قانون مصرف سوخت ، قانون سیاست گاز طبیعی و سیاست های قانونی نیروگاه ها
(Public Utility Regulatory Policies Act)(PURPA) را شامل می شد . هر یک از قوانین فوق
تأثیر مستقیمی بر تولید مشترک داشت و قانون PURPA سیستم های تولید همزمان برق وحرارت را بدین
صورت تعریف کرد که شامل نیروگاه هائی باشد که درصد مشخصی از انرژی ورودی را به صورت
انرژی حرارتی مفید خروجی (علاوه بر خروجی انرژی الکتریکی یا مکانیکی ) تأمین کنند . دیگر
قوانین تصویب شده در اواخر دهۀ 1950 تا ابتدای سال 1995 ، به نصب سیستم های تولید مشترک
کمک کرد . به خصوص ، قانون دولتی مربوط به مدیریت کیفیت آب و هوا تأثیر زیادی بر نصب سیستم
های تولید همزمان گذاشت . برای مدیریت آلودگی هوا ، قانون اصلی عبارتست از قانون کیفیت هوا سال
1967 که سال های 1970 ، 1977 و 1990 اصلاحیه هائی به آن افزوده گردید . اساس اولیه در مورد
مدیریت آلودگی آب ، قانون کنترل آلودگی آب مربوط به سال 1956 می باشد که در سال 1965 با قانون
کیفیت آب اصلاح شد و در سال 1972 با اصلاحیه های قانون کنترل آلودگی آب و در سال 1977 با
قانون آب تمیز اصلاح گردید . این قوانین و دیگر موارد و تأثیرات آن ها در گسترش پروژه های تولید
همزمان کاملاً مؤثر بود . با شروع قرن بیست و یکم ، تولید همزمان رشد فزاینده ای را تجربه خواهد
کرد ، چرا که صرفه جوئی انرژی و مالی را به همراه دارد . تکنولوژی های جدید قابل استفاده و قوانین
و مقررات جدید وضع خواهد شد . معمولاً برق مورد نیاز واحدها ی صنعتی، ساختمان های تجاری
وساختمان های مسکونی از نیروگاه های عمده کشورتأمین می شود. در حالیکه نیازحرارتی تمام آنها در
همان محل تولید می گردد. اما روش دیگری که از دیرباز وجود داشته و امروزه توجه بیشتری را
معطوف خود کرده،تولید مشترک برق و حرارت است که عبارتست از تولید همزمان برق،یا توان
محوری و حرارت مفید توسط یک سیستم. سالها پیش این فناوری برای اولین بار در نیروگاههای سیکل
بخار بکار رفته و از بخار استخراج شده ازسیکل برای مصارف گرمایشی کارخانه و واحدهای اطراف
آن استفاده می شده است . این عمل گرچه کمی باعث کاهش راندمان نیروگاه بوده اما با تأمین حرارت
مورد نیاز واحد از مصرف حجم زیادی سوخت جلوگیری می کرده است. خوشبختانه این ایده تنها به
نیروگاه های بخار محدود نشد و در طی این سال ها، بویژه در سال های اخیر،فناوری تولید مشترک برق
و حرارت ،که بهره وری بالایی را در مصرف انرژی بدنبال دارد، به سایرمولدهای تولید قدرت
(مکانیکی یا الکتریکی ) گسترش داده شد . به عبارت دیگر امروزه می توان با پیشرفت های صورت
گرفته ، هر سیستم مولد قدرتی با هر اندازه و کاربرد را به صورت یک واحد مشترک طراحی نمود. به
این ترتیب علاوه بر تولید توان الکتریکی یا مکانیکی توسط دستگاه ، امکان استحصال حرارت اتلافی
مولد یا موتور به صورت انرژی گرمایی قابل استفاده وجود دارد . سیستم های CHP غالباً برای تولید
برق و حرارت بصورت همزمان طراحی می نشود . یک محرک اولیه (موتوریا توربین ) انرژی
شیمیایی سوخت را آزاد نموده و به توان مکانیکی در محور خروجی تبدیل می کند. دراین موارد ،
محورمحرک با یک ژنراتور کوپل شده وتوان الکتریکی تولید می شود ، ازطرف دیگر،حد اکثر راندمان
موجود برای محرک اولیه دستگاه و مولد کمتر از 50% است و این به معنی اتلاف بیش از نیمی از
انرژی سوخت به صورت حرارت می باشد . دراین نوع سیستم ، منابع اتلاف این حرارت که عبارتند
از گازهای خروجی ازمحرک اولیه ، سیکل خنک کن و روغن روغنکاری ، شناسایی شده وبا قراردادن
مبدلهای حرارتی ، گرمای اتلافی به شکل حرارت با دمای بالا (حرارت قابل استفاده ) بازیافت می شود.
با فراهم شدن امکان استحصال حرارت اتلافی در سیستم تولید مشترک برق و حرارت خصوصیات
منحصر بفرد این سیستم بدست می آید .
سیستم CHP بیشترین بهره وری در مصرف انرژی سوخت را دارد . به گونه ایکه متوسط راندمان یک
مولد برق در دستگاه CHP حدود 35 % ومتوسط راندمان یک بویلر 90 % است. در حالیکه یک
سیستم CHP با تولید هر دوی این محصولات راندمانی بیش از 85 % دارد. یعنی راندمان
الکتریکی آن حدود 35 % وراندمان حرارتی (منظور از راندمان حرارتی عبارتست از انرژی حرارتی
تولید شده به انرژی سوخت مصرفی ) 50 % است. ازطرف دیگر در مقایسه با سیستم های تولید برق
و تولید حرارت متشابه رایج که به صورت مجزا هستند،حدود 35% سوخت کمتری مصرف می کند .
کاهش در مصرف سوخت ، هزینه سوخت مصرفی را در سبد اقتصادی واحد کاهش می دهد. همچنین از
دید ملی ، این صرفه جویی درمصرف سوخت می تواند چه ازطریق صادرات و چه از طریق فراهم
آمدن شرایطی برای استفاده های سودمند تر از سوخت فسیلی مزیت محسوب شود. به علاوه استفاده
هرچه کمتر از سوختهای فسیلی باعث کاهش آلاینده های محیط زیست می شود . سیستم های CHP نه
تنها توسط فیلترهایی از آزاد شدن آلاینده هایی مانند NOX, CO2, CO, UHC جلوگیری می کند بلکه
کاهش35 درصدی سوخت در این دستگاه ها نقش بزرگی در کم شدن تولید آنها دارد. سیستم CHP در
زمینه های مختلف صنعتی و کشاورزی (به ویژه گلخانه ها)،تجاری و مسکونی استفاده می شود و بنا بر
این اندازه های متنوعی از آن وجود دارد . اندازه سیستم CHP برحسب توان الکتریکی تولیدی آن بیان
می شود و در یک طبقه بندی رایج در سه طیف عمده تقسیم بندی می شود :
Large scale CHP-small scale CHP-mini scale CHP
گرچه به طور قطع نمی توان زمینه استفاده CHPها را بر این تقسیم بندی منطبق دانست اما عموما
اندازه های بیش از چند مگاوات را در بخش صنعت ،کمتر از1MWرادر بخش تجاری و اندازه های
کوچک را در مصارف خانگی استفاده می کنند. البته مجدداً لازم به یادآوری است که استفاده از CHP
نه تنها در تولید برق و آب داغ یا بخار کم فشار محدود می شود و اتفاقاً در اندازه های بزرگتر آن از
توان محور برای به کار انداختن کمپرسورهای چیلر، یخچال های صنعتی و یا هوای فشرده و از
حرارت استحصالی برای گرمایش محیط به طور مستقیم ، چیلرهای جذبی وحرارت مورد نیاز
فرآیندهای صنعتی مانند خشک کن استفاده می شود . بعد ازبحران نفت در سال 1973 وافزایش قیمت
نفت ، کشورهای صنعتی با مشکل بزرگی مواجه شدند و راهکار های جدیدی را برای رهایی از
وابستگی به سوخت های فسیلی و صرفه جوئی در مصرف انرژی در صنایع وابسته به سوختهای فسیلی
و همچنین بالا بردن تکنولوژی ها به دو منظور کاهش مصرف انرژی در صنایع و استفاده بهینه از
انرژی بکار بردند. از مفاهیم و کلیات جملۀ این فعالیتها می توان به مواردی همچون افزایش تولید زغال
سنگ ، استفاده از منابع انرژی های تجدید پذیر، توسعۀ نیروگاه های هسته ای ، صرفه جوئی در
مصرف انرژی،عایق های حرارتی پیشرفته ، افزایش کارآیی منابع حرارتی ( بویلرهاو . . . )،زباله
سوزها و نیروگاه های زباله سوز و تولید مشترک حرارت و توان اشاره کرد. در نیروگاه های مرسوم
حرارتی تنها یک سوم انرژی موجود و حاصل از سوختن نفت(فرآورده های آن ) یا زغال سنگ به توان
الکتریکی تبدیل می شود و دو سوم انرژی ازطریق آب نیم گرم در بر جهای خنک کننده و ( البته مقدار
کمی ) درمسیر فرآیند اتلاف می شود. تغییر در طراحی و عملکرد یک نیروگاه تولید توان به تولید
مشترک حرارت سودمند و توان ، کاربرد و استفاده از انرژی را توسعه و بهبود می بخشد. البته حرارت
بدست آمده بایستی کیفیت ، مقدار و دمای بالا و کافی را بر
مقاله در مورد تولید همزمان برق، حرارت و سرما CHP & CCHP