chp یا تولید همزمان برق و گرما چیست (مقاله کامل)

تمام دیزل ژنراتورها ، ژنراتور های گازی و موتور جوش ها در زمان تولید برق درجه ی معینی از حرارت را تولید می کنند که از آن می توان در فرآیندی به نام “CHP” استفاده کرد. CHP، یا بازیابی حرارت تلف شده،  را می توان هم برای گرم کردن و هم برای خنک کردن ساختمان های بزرگ، یا برای کاربردهای صنعتی استفاده کرد. بطور میانگین ماشین های بخار 50% از انرژی حرارتی شان را از دست می دهند. با استفاده از CHP، نیروگاه ها می توانند به راندمان 80% برسند. این مقاله جنبه های مهندسی CHP ها و کاربردهای حال حاضر آن ها در دنیا را بررسی می کند.

اساس تکنولوژی CHP

CHP یا CHP ( گرما و قدرت ترکیبی) را می توان بدست آوری دو شکل انرژی از یک منبع سوخت تعریف کرد. بعنوان مثال، یک ژنراتور انرژی برق را بعنوان انرژی اولیه تولید و گرما را بعنوان انرژی ثانویه تلف می کند. خیلی از اوقات از کلمه ی “CHP” به اشتباه استفاده می شود. CHP به معنای انجام کار دو منبع انرژی بصورت موازی مانند دو ژنراتور که بعنوان یک منبع انرژی به هم پیوسته  کار کنند نیست. مثالی دیگر یک توربین بادیست که که بصورت موازی با موتور ژنراتور کار کند. در این مثال ها سیستم با استفاده از بخار یک دیگ بخار مشترک الکترسیسته و گرما را بصورت همزمان دریافت نمی کند. انرژی گرفته شده از یک سیستم CHP  بطور معمول در محیط زیست آزاد می شود.

CHP یکی از تکنولوژی های پیشرفته ی پیشتاز در دستیابی به بهره وری سوخت است. راندمان سیستم های ژنراتوری تحت شرایط مطلوب می تواند تا 200% یا حتی بیشتر افزایش یابد. افزایش نگرانی ها در رابطه با انتشار دی اکسید کربن باعث شده تا کاهش استفاده از سوخت های فسیلی در آینده ضروری شود.  بجای ایجاد تغییر اساسی در تکنولوژی های تولید نیروی حال حاضر(خورشیدی، باد، آبی) شرکت ها با استفاده از کوژ نراسیون با هزینه ای کمتر به راندمان بالاتر دست می یابند.

منبع  اولیه نیرو می تواند هر یک از انواع نیروهای محرکه ی اولیه موتور مانند (البته نه محدود به) : سیستم های تولید برق، دمنده های، واحد های آب شیرین کن، پمپ ها، کمپرسورهای هوا و یا چیلرهای گریز از مرکز باشند . حرارت ترمودینامیکی دوباره بدست امده از محرکه ی اولیه معمولا بصورت بخار یا آب جوش است.

فرآیند اولیه حرکت زمانی  به یک سیستم CHP تبدیل می شود که حرارت از محرک اولیه(که بطور معمول هدر می رود) بازیافت می شود و در یک دستگاه حرارت مصرف استفاده می شود. تفاوت اصلی بین یک موتور توربین گازی و موتور پیستونی نحوه ی خروج گرما است.

اشاره به این نکته مهم است که پروژه های CHP باید تنها زمانی مطرح شوند که نیاز مداوم به گرمای تلف شده باشد. استفاده از گرمای تلف شده برای فقط چند ماه از سال کاری اقتصادی نیست. سیستم CHPی که از گرمای تلف شده برای گرم کردن یک فضا استفاده می کند باید از آن گرمای تلف شده در ماه های دیگر سال هم استفاده کند. بعنوان مثال، با استفاده از 7 دستگاه CHP، Con Edison 66 میلیارد کیلوگرم بخار آب 350 درجه را بین 100 هزار ساختمان در سال در منهتن توزیع می کند. اکثر این ساختمان ها طوری اند که از بخارآب هم برای سیستم گرمایشی و هم سرمایشی استفاده کنند. استفاده از بخار اب فقط برای گرم کردن ساختمان ها، و استفاده از کولرهای جداگانه برای سیستم سرمایشی اتلاف سرمایه است. دستگاه های CHP کوچکتر برای بیمارستان ها، هتل ها، کارخانه های صنعتی و دانشگاه ها ایده آل هستند.

اگر اختلاف  در میزان مصرف بین برق و گرما وجود داشته باشد، یکی از آن ها می تواند در یک قرارداد خرید قدرت فروخته شود.بعنوان مثال، اگر تقاضای بیشتری برای نیرو برق باشد ، می توان وظیفه ی تامین آن را به طور مستقیم به یک شرکت برق فروخت. در مقابل، در بعضی از مناطق سردتر شهری، تولید گرمای اضافه  را می توان  به یک شرکت گاز برای توزیع بین خانواده ها فروخت.

انواع سیستم های CHP

رایجترین نوع سیستم های بازیافت گرمای بخار  تلف شده سیستم های بخار و آب گرم هستند. اکثر موتورها حداکثر دمای خروجی آب 210 درجه فارنهایت  دارند.م موتور های دیگر ممکن است تا 260 درجه فارنهایت کار کنند. موتورها باید طوری طراحی شوند تا در دماهای بالا بتوانند کار کنند. با این حال دمای 210 به اندازه ی کافی بالا است تا تمام احتیاجات در دستگاه ها برطرف گردد.  بخار آب با فشار کم را می توان از ژاکت آب (water jacket) در دمایی بین 250-260 درجه فارنهایت تولید کرد. این دما  (در یک موتور به درستی پیکربندی شده ) را می توان با استفاده از یک وسیله ی خنک کننده که در ان ، بخار در ژاکت آب  بوجود می آید و سپس بدلیل تفاوت چگالی بین آب و بخار آب بالا می رود ، تولید کرد. قبل از اینکه به فکر یک دستگاه کژنراسیون بیفتید بهتر است با یک پیمانکار حرفه ای الکتریکی صحبت کنید تا مشخص شود کدام یک از تنظیمات ژاکت آب  مورد نیاز است.

یک روش دیگر برای تولید بخار اب کم فشار از ژاکت آبی در موتور، گردش آب پمپ شده در سیستم خنک کننده است. آب مایع از درام بخار (steam drum)  در بین موتور ها پمپ می شود و گرمای ژاکت آب زمانی که وارد قسمت درام بخار می شود،  به بخار آب تبدیل می شود.

بین 15 تا 20 PSIG(پوندبراینچ مربع) بخار آب را می توان با   توربین گازی یا از طریق خروجی ژنراتور دیزلی تولید کرد. اکثر سیستم های دارای خروجی نیز با بویلر بخار اختیاری طراحی شده اند که توسط یک سوپاپ گاز اگزوز استفاده می شود. گرمای خروجی را می توان در کنار گرمای ژاکت آب استفاده کرد و 15PSIG بخار تولید کرد یا می توان از آن در سیستم های جداگانه برای تولید بخار آب در فشارهای بالاتر استفاده کرد.

با استفاده از موتورهای پیستونی تقریبا 34% از گرمای ورودی بازیافت می شود و 66% هدر می رود. تمام گرما که به سمت ژاکت آب خارج می گردد قابل بازیافت (استفاده) است. و تقریبا 40 تا 60 گرمای خروجی از اگزوز قابل بازیافت است. در برخی موارد هرچند اندک، گرمای حاصل از خنک کننده های نهایی(aftercooler) و روغن روانکاری (lube oil) قابل بازیافت است.

در یک موتور توربین گازی حدود 29% از گرمای ورودی برای تامین نیرو و 71% از اگزوز خارج می گردد. با استفاده از سیستم CHP بین 40 تا 60 درصد از گرمای خروجی اگزوز قابل استفاده است.

در تنظیمات CHP دو سیکل ی جدا وجود دارد: سیکل ی بالایی و سیکل ی پایینی. در سیکل ی بالایی  تولید اولیه برق،  و گرمای اتلافی باقیمانده نیرو  محرکه ی اولیه است.به بیان دیگر، سیکل ی بالایی برق را از یک توربین بخار تولید و گرمای تولید شده محصول جانبی ست. در طول یک سیکل ی پایینی ،بخار تولید شده ابتدا برای تولید نیرو در فرآیند های صنعتی مانند توربین بخار استفاده گدد ،  که در آن محصول اولیه  با بخار فشار پایین اگزوز برای تولید برق  ( نیروی محرکه ی اولیه )  استفاده می شود. دستگاه های با سیکل ی پایینی با توجه به دمای بسیار بالایی که برای کار کردن نیاز دارند در دنیا کمتر هستند.

ماشین های رایج CHP

تاسیسات موتور پیستونی: این متد با اختلاف زیاد، رایج ترین متد CHP است. گرمای موتورهای پیستونی کوچکتر، که معمولا دیزلی هستند، از رادیاتور یا اگزوز گرفته می‌شود. این سیستم ها محبوب اند زیرا نگه داری از آنها آسان است، هزینه ی کمی برمی دارند و به راحتی با طیف وسیعی از ملزومات مربوط به سایزبندی ها قابل تطبیق اند.

تاسیسات موتور گازی: این ماشین ها از یک موتور گازی استفاده می کنند که بطور کلی، نگه داری آن آسان تر از یک توربین گازی کوچکتر است ( 5 مگاواتی ) . رایج ترین سوخت مورد استفاده، گاز طبیعی یا پروپان است.

این ماشین ها بطور معمول در قالب یک پکیج کامل آورده شده و در اتاقی انبار مانند و وسیع که دسترسی به سیستم های گرمایش، الکتریکی و گازی دارد، انبار می شوند.

تاسیسات توربین گازی: در این ماشین ها، مقداری گرما از طریق گازهای دودکش توربین تلف می شود. رایج ترین سوخت، گاز طبیعی است. ماشین ها توربین گازی بطور معمول بزرگ هستند و در محیط داخلی انبار نمی شوند . آن ها را در محیطی با صدای کم که دسترسی به خط گاز دارد نگه داری می کنند

ماشین ها توبین بخار: این تاسیسات نسبتا رایج اند و بر طبق اصل یک سیستم گرمایشی که از کندانسور       ( خنک کننده) های بخار برای نیرودهی به توربین بخار استفاده می کند، کار می کنند.

تاسیسات با سوخت بیولوژیکی: این نوع از ماشین ها، بسته به شکل سوخت بیولوژیکی مورد استفاده، از یک موتور رفت و برگشتی گازی یا دیزلی استفاده می کنند. طراحی این نوع ماشین، بسیار شبیه به یک ماشین موتور گازی است. مزیت اصلی ماشین با سوخت بیولوژیکی ، کاهش مصرف سوخت هیدروکربنی و کاهش انتشار کربن است. ماشین های با سوخت بیولوژیکی  نیاز به زمان کمتری برای مجوز استفاده دارند، ولی  نظر میزان خروجی که می دهند کوچکتر هستند.

تاسیسات با سوخت های سنگین: ماشین های HFO ، بطور وسیعی در ایالات متحده بکار گرفته نمی شوند و بیشتر در کشورهای در حال توسعه رایج اند. سوخت نفتی، سنگین ترین سوخت تجاری ممکن است که از پالایش نفت خام بدست می آید و بعنوان یک سوخت رده پایین در نظر گرفته می شود. HFO شماره 5 و 6 که نیاز به پیش گرمایش 170 الی 260 درجه فارنهایت دارند، رایج ترین انواع در ماشین های CHP هستند.  مزیت HFO در این است که آنها با قیمت کمی خریداری می شوند ولی عیب آن، انتشار و آلایندگی قابل ملاحظه ی آن است.

تاسیسات سیکل ترکیبی: ماشین های سیکل ترکیبی، بر این اصل کار می کنند که خروجی یک موتور گرمایی به طور جداگانه برای تولید برق یا راه اندازی پروسه های مکانیکی عمل می کند. ترکیب چندین سیکل ترمودینامیکی منجر به افزایش کارآیی و کاهش هزینه های سوختی می شود. عیب آن اینست که اکثر ماشین های CHP باید برای متناسب بودن با این تکنولوژی، مطابقت داده شوند.

تاسیسات پیل سوختی : تکنولوژی پیل سوختی ،از طریق تبدیل انرژی پتانسیل شیمیایی به الکتریکی بوسیله واکنش شیمیایی با یک عنصر اکساینده ، عمل می کند. هیدروژن ، سوختی است که برای استفاده ترجیح داده می شود هرچند که در ماشین ها CHP ، کربنات مذاب یا اکسید جامد بدلیل میزان بالای انتشار گرما، که می تواند به 1200 درجه ی فارنهایت برسد، محبوب ترند.

تاسیسات نیروی هسته ای: برخی از نیروگاههای هسته ای میتوانند بوسیله ی قلاویزهایی در عقب توربین ها بمنظور فراهم کردن بخار برای یک سیستم گرمایش مرکزی، مقاوم سازی شوند. این سیستم ها زیاد رایج نیستند زیرا مصرف برق آنها به ازای تولید گرمای 95 درجه سانتی گراد برابر 10 مگاوات است.

تاسیسات بیومس ( زیست توده) : ماشین ها بیومس با استفاده از هیدروژن ، کربن و اکسیژن حاصل از پسماندهای صنعتی و زباله ها، در حال فراگیر شدن اند. در سال های اخیر، بهبود های تکنولوژیکی برای اخذ انرژی های بیشتر از چوب، زباله، محصولات پسماند، سوخت های الکلی و گازهای حاصل از خاکچال ها  صورت گرفته است.

برای اغلب بخش ها، تعداد محدودی از سیستم های همزایش از پیش اماده شده که برای استفاده در مقیاس معمولی تا مقیاس های بزرگ قابل استفاده باشند، وجود دارد.  اکثریت قریب به اتفاق این سیستم ها با طراحی هایی متناسب با پروژه های متعارف ساخته شده اند. بمانند همیشه، بهترین راه، مشورت کردن با یک پیمانکار الکتریکی یا مهندس طراحی پیش از شروع یک پروژه ی همزایش است.  متخصصین قادر خواهند بود تا میزان بازیابی گرمای مناسب برای محرک اولیه  را بمنظور حصول بهترین نتیجه، محاسبه کنند.