بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزيابي عملکرد ترکيب سيستم CHP با آب شيرين کن اسمز معکوس جهت مصارف يک مجتمع مسکوني در تهران
چکيده
سيستم توليد همزمان برق و حرارت ، با بهره گيـري از انـرژي هـاي اتلافي و درنظر گرفتن بارهاي سالانه ، باعث کاهش مصرف سوخت و آلـودگي هـاي زيسـت محيطـي مـي شـود. تعيـين ظرفيـت بهينـه تجهيزات اين سيستم و عملکرد سالانه ي آن نقش بسزايي در تامين درخواست ها خواهد داشت . در اين مقاله به تعيين ظرفيت بهينـه و عملکرد توام سيستم CHP با آّب شيرين کن غشايي جهت مصـارف خانگي پرداخته شده است . عملکرد اين سيستم در حالت عدم امکان فروش برق به شبکه با انتخاب محـرک موتـور گـازي بررسـي شـده است . نتايج نشان داد که سيستم مورد نظر در حالـت يـک انتخـاب براي محرک، ماکزيمم سود ساليانه را به همـراه داشـته ، در صـورتي که در حالت دو انتخاب براي محرک توانسته ميـزان ١٠٠ درصـد از کل آب شرب را تامين کند. اين در حالي است کـه ايـن رقـم بـراي حالت يک انتخاب براي محرک ٤٠ درصد مي باشد. از طرفي ميزان صرفه جويي در مصرف سوخت نسبت به سيستم معمولي در حالـت دو انتخاب برابر ٢٣.٧ و براي حالت يک انتخاب ١٩.٣ درصد بدست آمد.
واژه هاي کليدي: سيستم CHP، ماکزيمم سود ساليانه ، آب شيرين کن غشايي
مقدمه
بحران هاي انرژي و محيط زيست ، انسان امروزي را به انديشيدن درباره ي طراحي سيستم هايي با بازدهي بالا جهت تامين نيازها سوق داده است . سيستم CHP با بهره وري دقيق از انرژي هاي اتلافي و درنظر گرفتن بارهاي سالانه ، باعث کاهش مصرف سوخت و آلودگي هاي زيست محيطي مي شود. آب شرب مصرفي از ديگر نيازهاي جوامع امروزيست که جهت تامين آن بخصوص در مناطق گرم ، نيازمند انرژي قابل ملاحظه اي خواهد بود. تامين الکتريسيته ، گرمايش و آب سالم ، هنوز هم يکي از مسائل اساسي در مناطق مختلف جهان به خصوص در مناطق دور افتاده است . از آنجايي که برق ، حرارت و آب مصرفي خانوارها داراي نوسانات فصلي و ساعتي ميباشد ضروري است که چگونگي عملکرد سالانه تجهيزات براي تغييرات تقاضا ها تامين شود. در حقيقت عملکرد يک سيستم CHP در ترکيب با آب شيرين کن غشايي تنها متاثر از تغييرات تقاضاي سالانه نيست بلکه قيمت سوخت ، برق ، آب شرب مصرفي و ساير سياست هاي انرژي نيز بر آن تاثير گذار است . بنابراين تعيين بهينه تجهيزات سيستم و عملکرد سالانه ي آنها نقش بسزايي خواهد داشت . تاکنون تحقيقات زيادي در اين زمينه انجام شده که نشان دهنده اهميت اين موضوع ميباشد اما تحقيقات متعددي راجع به ترکيب سيستم هاي CHP با سيستم هاي توليد آب شيرين صورت گرفته است که اکثر اين مطالعات مربوط به سيستمهاي نيروگاهي بوده و در حوزه سيستمهاي CHP ميکرو توربين ها و موتورهاي گازي تحقيقات اندکي انجام شده است [١] [٢]. صنايع و همکاران با استفاده از آناليز انرژي_اقتصادي، ظرفيت و تعداد محرک را در يک سيستم CHP براي ساختمان تجاري بهينه کردند[٢] . محرک استفاده شده آنها ميکروتوربين بود که عملکرد آن در بار جزيي مورد بررسي قرار گرفت . يوانگ و همکاران با کمک الگوريتم ژنتيک ، ظرفيت و عملکرد سيستم توليد سه گانه برودت ، حرارت و توان را بهينه کردند[٣]. آنها انرژي جريان سيستم توليد سه گانه مورد بررسي قرار دادند و سپس مصرف انرژي اوليه يک ساختمان براي ارزيابي عملکرد سيستم توليد سه گانه با در نظر گرفتن سه معيار شامل انرژي اوليه ، سالانه صرفه جويي در هزينه کل و کاهش انتشار دي اکسيد کربن ، بهينه کردند. ليو و همکاران يک ساختار از سيستم توليد سه گانه با چيلرهاي ترکيبي، شامل چيلرهاي الکتريکي و جذبي ارائه دادند[٤]. در اين مدل ، نسبت بار خنک کننده به بار الکتريکي متفاوت بود. استراتژي عملکردي جديد بر اساس تغييرات بار الکتريکي به نسبت بار سرمايي، براي سيستم توليد سه گانه مورد بررسي قرار گرفت و با توجه به استراتژي عمليات پيشنهادي، الگوريتم بهينه سازي اتخاذ شده تا ظرفيت بهينه واحد را تعيين کند. صنايع و همکاران با تعريف دو تابع هدف اگسرژي و سود ساليانه ، در دو حالت امکان فروش برق و عدم امکان آن ، به تعيين ظرفيت سيستم سه گانه با سه نوع محرک توربين گاز، موتور ديزل وموتورگازي پرداختند[٥]. دنگ و همکاران در پژوهشي به مباني کلي انتگراسيون آب شيرين کن ها و سيستم CCHP، نيروگاهها و سيستمهاي خورشيدي در کشور چين پرداخته اند اما هيچگونه کار تحليلي در اين خصوص انجام نداده اند[٦]. همچنين سوي و همکاران در پژوهش ديگري به بررسي دو سيستم CCHP با آب شيرين کن پرداخته اند که يک سيستم با سوخت فسيلي و ديگري با انرژي خورشيدي تغذيه مي شود[٧] .اين مقاله به مدل سازي توام سيستم CHP با سيستم آب شيرين کن غشايي پرداخته شده است . مدل بررسي در نرم افزار متلب و با روش نقطه يابي مستقيم بهينه گرديده است . تابع بهينه ماکزيمم سود ساليانه براي سيستم در نظر گرفته شده که بايد در عدم امکان فروش برق به شبکه بهينه گردد.
آناليز انرژي
شکل ١ شماتيکي از سيستم سه گانه در تداخل با شبکه هاي آب و برق را نشان مي دهد. در اين سيستم ميزان برق مورد نياز ساختمان که شامل روشنايي و برق مورد نياز براي آب شيرين کن غشايي جهت تامين آب شرب است ، توسط موتورگازي تامين مي شود. در صورت کمبود اين الکتريسيته توليدي از ميزان تقاضا با خريداري از شبکه الکتريسيته تامين ميشود. علاوه بر اين ديگر از حرارت هاي اتلافي موتور گازي جهت تامين گرمايش ساختمان استفاده ميشود و در صورت کمبود مابقي گرما توسط بويلر کمکي تامين ميشود. آب بهداشتي ساختمان هم از شبکه آب خريداري کخنونادهدگان ش،دنسازب آت جباه کزه مابن ارمهاتغيرحهراسرتتيند،و دالرکتنترييجکه ي تمجوهريدزانيت ازسميصسرتف توليد همزمان نيز بايد خروجي متفاوتي را نسبت به زمان بدهند. از اين رو، نياز است تا تجهيزات در بعضي ساعات در باري کمتر از بار نامي خود و به اصطلاح در بار جزئي کار کنند. با تغيير نقطه ي کارکردي تجهيز بروي بار جزئي، شاخص هاي فني تجهيزات همچون ، بازده ، مصرف سوخت ، اتلاف حرارتي و ضريب عملکرد تغيير مي کنند. کليه تغييرات نام برده نسبت به بار جزئي در تجهيزات مختلف سيستم توليد همزمان اين مقاله در نظر گرفته شده است . ولي به علت حجم زياد روابط فقط به منابع مربوطه در انتهاي اين پاراگراف اشاره مي شود [٨][٦][٢].
شکل ١:شماتيکي از سيستم توليد همزمان برق و حرارت به همراه آب شيرين کن غشايي در تداخل با شبکه هاي آب و برق
فقط رابطه مربوط به آب شيرين کن غشايي که ارتباط آب شرب توليدي را با توجه به الکتريسيته مصرفي مي دهد در زير آورده
شده است :
آناليز اقتصادي
در انتخاب سيستم CHP هم تحليل اقتصادي و هم تحليل انرژي بايد در نظر گرفته شوند. تحليل اقتصادي شامل هزينه هاي سرمايه گذاري اوليه ي تجهيزات سيستم توليد همزمان ، هزينه هاي عملکردي، اسقاطي و تعميرات و هزينه مصرف سوخت است . بهتر است که تمامي هزينه ها ساليانه شوند تا بتوان آنها را بدرستي با هم مقايسه کرد. هزينه اوليه توسط رابطه زير، ساليانه مي شود:
به طوريکه ضريب ساليانه کننده است و به دو پارامتر نرخ بهره (i) و تعداد سالياني که قصد استفاده از سيستم وجود دارد (k)
بستگي دارد و از رابطه زير ارزيابي مي شود:
هزينه ساليانه يکنواخت را مي توان با در نظر گرفتن هزينه اوليه و هزينه اسقاطي به صورت زير تعريف کرد :
به طوريکه (A) هزينه سالانه اسقاطي است که از رابطه زير ارزيابي مي شود:
که در آن هزينه اسقاطي در سال جاري مي باشد و معمولا به صورت درصدي از هزينه اوليه يک سيستم در نظر گرفته مي شود[٢][٨].
هزينه اوليه موتور گاز سوز نسبت به ظرفيت ، از رابطه زير تخمين زده مي شود[١٠]:
هزينه اوليه بويلر از رابطه زير ارزيابي مي شود:
همچنين هزينه kWh.$٠٠٠٢٧ به عنوان هزينه کارکرد بويلر در نظر گرفته مي شود[٥].
هزينه اوليه آب شيرين کن غشايي و نيز هزينه کارکرد آن با روابط زير ارزيابي مي شود
آناليز محيط زيستي
آناليز محيط زيستي انجام شده در اين مقاله بر اساس مقدار CO2 توليد شده ناشي از احتراق سوخت گازي در محفظه هاي احتراق مي باشدکه اثر اين آلودگي به صورت يک جريمه از هزينه کل سيستم کم خواهد شد[٩].
فرض شده که دماي گاز خروجي به محيط (stack) از مقدار ١٤٨.٨ درجه سلسيوس براي محرکهاي اوّليه و براي بويلرها از ١٢١.٢ 3 کمتر نباشد تا از تقطير بخار آب و در نتيجه از محصولات مضر فرايند احتراق جلوگيري شود[٥][٨].
تابع هدف
معيار انتخاب تعيين ظرفيت تجهيزات و شرايط عملکردي به عنوان تابع هدف روش سود سالانه ١مي باشد که در حقيقت اين روش تحليل سه گانه ، انرژي - اقتصادي - زيست محيطي بوده که با معرفي شاخصي مبتني بر سود سالانه سيستم توليد همزمان برق ، گرما، ظرفيت بهينه سيستم را تعيين ميکند . در اين روش با توجه به منحني بارهاي الکتريکي، گرمايي وآب شرب مصرفي در طول سال و در نظر گرفتن عواملي چون شرايط محيطي، کارکرد سيستم در بار جزئي ٢، و همچنين خريد و تعمير و نگهداري محرک اوّليه ، بويلر کمکي و تجهيزات آب شيرين کن و عواملي از قبيل قيمت خريد برق از شبکه ، خريد سوخت ، نرخ بهره سالانه و عمر مفيد دستگاه ، به تعيين توان نامي و استراتژي عملکردي محرک اوّليه به منظور ماکزيمم سود ساليانه مي پردازد که در ادامه روابط مربوط به اين روش ارايه گرديده است .
سود ساليانه عبارت است از اختلاف بين هزينه هاي کل سيستم توليد سنتي و هزينه هاي کل سيستم توليد
همزمان است که به صورت زير مي توان نوشت :
هزينه هاي سيستم سنتي براي توليد گرمايش و الکتريسيته و آب شرب مصرفي به صورت زير تخمين زده مي شوند:
اين هزينه ها شامل کليه ي هزينه هاي تعميرات ، اسقاطي، سرمايه گذاري اوليه ، هزينه هاي مربوط به جريمه ي انتشار آلاينده و براي توليد گرمايش با بويلر، خريد برق از شبکه جهت مصرف سوخ تامين برق مورد نياز براي روشنايي و آب شيرين کن مي باشند. هزينه ي خالص سالانه سيستم توليد همزمان به صورت زير تعريف مي شود.
که هزينه هاي جاري از جمله ، هزينه خريد برق ، خريد آب بهداشتي، هزينه مصرف سوخت و هزينه ي زيست محيطي در نظر گرفته شده است و در قسمت راست آن هزينه هاي سرمايه گذاري اوليه و هزينه هاي اسقاطي گنجانده شده اند[٨].
انتخاب توان نامي و شرايط عملکرد
