نیروگاه CHP | تولید همزمان برق و حرارت

نیروگاه CHP مخفف عبارت Combined Heat and Power یکی از روش­ های بهینه ­سازی مصرف انرژی است که در آن برق و حرارت به طور همزمان تولید می ­شوند

CHP چیست؟

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.

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 گردد. 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.

ویژگی ­ها و اجزای نیروگاه CHP (سیستم ­های تولید همزمان)

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

1. HVAC: به منظور تأمین انرژی لازم جهت تولید آب گرم مورد نیاز برای گرمایش ساختمان­ های مسکونی، اداری، تجاری و …
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 95 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 و مالیات بر CO₂ بسیار جالب توجه خواهد بود. 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 ­های تولید همزمان فقط از یک فرآیند برای تولید الکتریسیته، گرما و یا سرما استفاده می­ کنند؛ بنابراین ظرفیت­ های گرمایش/ سرمایش و برق مورد نیاز، باید به خوبی تخمین زده شوند و بر اساس آن تجهیزات سیستم به نحو مناسبی انتخاب گردند. می ­بایست این انتخاب با دقت فراوان همراه باشد. بطوری که ممکن است در یک منطقه و محدوده مشخص، تنها بتوان بخشی از توان حرارتی و یا توان الکتریکی مورد نیاز را از طریق نیروگاه CHP احداث شده تأمین نمود؛ در شرایطی که این امکان وجود دارد که در منطقه­ ای دیگر، گرما و برق بیشتر از نیاز، تولید شده باشند. به هر ترتیب یک 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
3. سیستم بازیافت حرارت: مکانیزم بازیابی گرمای تلف­ شده
4. سیستم کنترلی مناسب: مکانیزم مدیریت و کنترل کلیه سنسورها و عملگرها

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. در شرایط کنونی و با وجود پتانسیل­ های آتی تا سال 2030 میلادی، انواع تکنولوژی ­های CHP در تولید پراکنده برق با در نظر گرفتن گاز طبیعی به عنوان منبع تولید انرژی اولیه، به شرح ذیل می­ باشند:

1- موتورهای رفت و برگشتی (Reciprocating engines)

پیشنهاد مطالعه : سیستم GHP (سیستم گرمایش و سرمایش با موتور گازسوز)

2 – توربین های گازی (Gas turbines)

3- میکرو توربین­ ها (Micro turbines)

4- توربین ­های بخار (Steam turbines)

6- پیل­ های سوختی (Fuel cells)

اهمیت CHP در کاهش مصرف انرژی

با توجه به اهمیت مباحث صرفه جویی انرژی و سهم بالای مصرف انرژی در صنایع، بکارگیری روش های مؤثر در این راستا تأثیرات قابل توجهی در پیشرفت و توسعه هر کشوری به دنبال خواهد داشت. تولید همزمان برق و حرارت (CHP) به عنوان یک روش کارامد برای کاهش مصرف انرژی، در حال حاضر در دستور کار بسیاری از کشورهای پیشرفته 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 می باشند، از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

در فناوری های تولید همزمان برق و حرارت (CHP)، حرارت اضافی حاصل از تولید برق و یا توان مکانیکی، برای استفاده مجدد از انرژی در مصارف مختلف بازیافت می شود. استفاده از این فناوری ها به دلیل وجود مقدار زیادی تلفات در هنگام تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی یا الکتریکی شکل گرفته است. این تلفات معمولاً به صورت حرارت وارد دودکش شده، دمای آن کنترل شده و در اتمسفر آزاد می شود. با بازیافت مقداری از حرارت در مبدل های حرارتی، بازدهی کل سیستم به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش می یابد و در عین حال که برق تولید می شود، حرارت مورد نیاز مراکز تجاری، صنعتی و عمومی نیز تأمین می گردد. سیستم های تولید همزمان گرما، سرما والکتریسیته (CCHP) نیز، با کمک بازیافت حرارت تلف شده علاوه بر تولید توان الکتریکی، بارهای حرارتی و برودتی مورد نیاز را تأمین می کنند. گسترش روز افزون توربین های گاز و موتورهای احتراق داخلی گاز سوز، استفاده از سیستم های تولید همزمان با محرک اولیه توربین گازی و نیز موتورهای احتراقی را بسیار متداول کرده است. در این سیستم ها با استفاده از چیلر جذبی و نیز مولد بخار بازیاب حرارت (HRSG)، حرارت اضافی خارج شده از توربین (یا موتور احتراقی) می تواند بار حرارتی و برودتی محل مورد نظر را بدون مصرف جداگانه سوخت، علاوه بر الکتریسیته مصرفی، تأمین نماید. این عمل موجب کاهش مصرف سوخت و نیز کاهش انتشار مواد آلاینده می شود. 

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.

در شکل زیر یک نیروگاه CHP با یک نیروگاه معمولی مقایسه شده است.

در توجیه پذیری واحدهای CHP باید محدودیت های مالی را به دقت لحاظ نمود. لازم است در هر ناحیه انرژی های رقیب با واحدهای تولید همزمان مقایسه و تصمیم گیری به دقت انجام پذیرد. معمولاً واحدهای تولید همزمان به سرمایه گذاری بیشتری نسبت به سیستم های معمول تبدیل انرژی نیاز دارند. ولی باید دقت داشت که میزان مصرف انرژی در آن ها بسیار پایین تر است. به عبارت دیگر، هزینه های متوسط تبدیل یک واحد انرژی در سیستم های CHP پایین تر از سایر روش هاست.

شرکت مهندسی تهویه نگار در زمینه تولید سیستم های برودتی و سرمایشی فعالیت دارد و در صورتی که برای تامین انواع چیلر تراکمی هوا خنک و چیلر تراکمی آب خنک سفارشی دارید با کارشناسان ما تماس بگیرید