بخشی از مقاله
چکیده
از آنجا که در سه دهه اخیر پس از افزایش عمده بهاي سوخت، اهمیت بحث سوخت جایگزین، افزایش کارآیی انرژي و کاهش آلودگی زیست محیطی، تمایل به استفاده از فن آوري هاي جدید از جمله تولید همزمان برق و حرارت - - CHP افزایش یافته است.
نتایج حاصل از برنامه بهینهسازي بخش عرضه انرژي، بهبود راندمان و کاهش تولید آلایندههاي زیست محیطی ناشی از تولید انرژي است و راهکارهاي بهینه سازي متعددي در بخش عرضه انرژي مطرح شده است. هدف این مقاله معرفی فناوري و شرح طریق کاربرد این سیستم ها در صنعت و تأییدات مثبت آنها جهت بازیافت در تأمین انرژي حرارتی و همچنین طریق قابلیت دسترس در کشور ایران و هزینه هاي عملکرد و نگهداري آنها می باشد.
.1 مقدمه
در روشهاي معمول براي تامین نیازهاي الکتریکی و حرارتی، الکتریسته از شبکه توزیع سراسري و حرارت بوسیله سوزاندن سوخت در بویلرها و تجهیزات گرمازا به روش تولید جداگانه تامین میگردد . در این روش انرژي قا بل توجهی به گونه اي متفاوت از طریق گازهاي داغ خروجی دودکش ، برجهاي خنک کن، کندانسورها، خنک کننده ها در موتورهاي احتراق داخلی و همچنین تلفات توزیع و انتقال الکتریسیته در شبکه سراسري به هدر می رود ، که بیشتر این حرارت قابل بازیافت است و می تواند در تامین انر ژي حرارتی مورد استفاده قرار گیرد. از طرفی الکتریسیته تولیدي به این روش به صورت متمرکز - نیروگاهی - بوده و تلفات انرژي زیادي را در بردارد.
در مقابل این سیستم هاي متمرکز ، روشهاي تولید غیر متمرکز و مستقل با استفاده از فن آوري - - CHP با ترکیبی از تولید همزمان برق و حرارت قرار دارد . از لحاظ ترمودینامیکی این روش به معنی تولید همزمان دو شکل معمول انرژي یعنی الکتریکی و حرارتی ، با استفاده از یک منبع انرژي اولیه میباشد . انرژي گرمائی از بازیافت تلفات حرارتی این مولدهاي مستقل بدست می آید و این حرارت در بخشهاي مختلف صنعتی، تجاري و مسکونی بکار گرفته میشود . از طرفی الکتریسیته تولیدي توسط این فن آوري به صورت محلی و مستقل و غیر متمرکز بوده که این دو ویژگی در کنار یکدیگر ، کارآیی مولد هاي تولید برق را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد .
کارآیی سیستم هاي معمول به روش مت مرکز در حدود 27 تا 55 درصد میباشد که بیشترین کارآیی مربوط به نیروگاههاي سیکل ترکیبی می باشد در حالیکه با بهره گیري از فنآوري تولید همزمان برق و حرارت بصورت مستقل، کارآیی انرژي این مولد ها به حدود 90 درصد نیز خواهد رسید ، تا آنجا که دولتهاي اروپائی، امري کا و حتی در کشورهاي آسیائی نظیر ژاپن سیاستها و قوانینی را براي ترغیب به استفاده از سیستم هاي تولید همزمان برق و حرارت وضع نموده اند.
از مزایاي سیستم هاي تولید همزمان میتوان به حرکت به سوي خصوصی سازي و تولید غیر متمرکز و مستقل برق و حرارت، جلوگیري از تلفات توزیع و انتقال در شبکه سراسري ، افزایش کارآیی تبدیل انرژي و استفاده از آن، کاهش مصرف سوخت و افزایش رقابت در تولید برق و توان نیروگاهی و کاهش آلاینده هاي زیست محیطی بخصوص دي اکسید کربن و گازهاي گلخانه ائی اشاره نمود . از مهمترین این سیستم ها میتوان به تور بین هاي گاز ، موتور هاي پیستونی و میکرو توربین ها که همگی مجهز به سیستم بازیافت حرارت هستند اشاره نمود.
توربین هاي گاز قابلیت اطمینان بالا، حرارت قابل استفاده با انرژي بالا، هزینه سرمایه گذارينسبتاً کم براي تولید واحد توان خروجی می باشند. توربین هاي گاز می توانند در بارهاي کم به طور دائم کار کنند. در این سیستم ها امکان استفاده از سوختهاي مختلف وجود دارد و حتی ممکن است یک واحد با چند سوخت کار کند اما در صورتی که واحد گاز سوز باشد لازم است فشار گاز مورد استفاده بالا باشد. از دیگر معایب این سیستمها محدود بود ن ظرفیت تولیدي آنها و امکان نیاز به دوره هاي تعمیرات اساسی طولانی می باشد.
موتورهاي پیستونی در این موتورها مقداري 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 داراي مزیتهایی از قبیل امکان کار با گازهاي فشار پایین، عمل کردن یک واحد با چند نوع سوخت می باشند.
میکروتوربین ها، سیستم هاي تولید توان با سرعت بالایی هستند که داراي توربین، کمپرسور و ژنراتور م یباشند . میکروتوربین ها از موتورهاي پیستونی معمولی کوچکتر می باشند و هزینه نگهداري آنها نیز پایین تر می باشد .قابلیت اطمینان در آنها زیاد است. از دیگر مزایاي این سیستم ها سادگی نصب ،نیاز به نگهداري کمتر ، اندازه کوچک، کم بودن صداي آنها و آلاینده هاي کم ولی قیمتنسبتاٌ بالا می باشند.
مهمترین سیستم هاي تولید همزمان:
در ابتدا مهمترین سیستم هاي مولد تولید پراکنده برق مورد بررسی قرار می دهیم که مشتمل بر سه سیستم عبارتند از:
-1 توربین هاي گازي -2 موتورهاي پیستونی -3 میکرو توربین ها
-2 توربین هاي گازي
تعاریف مختلفی براي تولیدات پراکنده بکار رفته است، ولی تعریف جامع و بدون محدودیت آن، عبارت است از "منبع انرژي توربین هاي گاز در اوایل سال هاي 1900 میلادي با توجه به پیشرفتهاي مهندسی پایه گذاري شد و در اواخر سالهاي 1930 میلادي نیز استفاده از این توربین ها به منظور تولید توان آغاز گردید. به دلیل استفاده از توربین هاي گازي در صنایع دفاعی و هوایی، پیشرفت هاي زیادي در این زمینه حاصل شده، به طوریکه بازده توربین هاي گاز به بیش از توربین هاي بخار رسیده و استفاده از آنها افزایش یافته است.
توربین هاي گازي در اندازه هاي مختلف از چند صد کیلووات تا چند صد مگاوات موجود می باشند .این توربین ها حرارتی با کیفیت بالا - دماي بالا - تولید می نماید که می تواند براي گرمایش ناحیه اي یا صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین ممکن است این حرارت بازیافت شود تا باعث بهبود بازدهی گردد و یا از آن براي تولید بخار استفاده شود و بخار حاصل در یک سیکل ترکیبی توربین بخار را به حرکت درآورد . کم بودن هزینه نگهداري و بالا بودن کیفیت حرارت، اغلب باعث می شود توربین گازي انتخاب مناسبی براي بسیاري ازCHP هاي صنعتی و تجاري بزرگتر از 1 مگاوات باشد. طرح واره اي از یک مجموعه CHP بر پایه توربین گاز در شکل یک نشان داده شده است.
شکل -1 مجموعه توربین گاز توربین هاي گازي ممکن است به صورتهاي مختلفی مورد استفاده قرار گیرند:
- 1 عملکرد در چرخ ه ساده اي که از یک توربین گاز تشکیل می شود و تنها برق تولید می کند .وضعیت فعلی در صنعت برق کشور نیز از همین نوع است که از توربین گاز فقط براي تولید برق استفاده میشود.
- 2 عملکرد در یک CHP که از یک چرخه ساده توربین گاز به همراه یک مبدل بازیافت حرارتی که علا وه بر تولید برق انرژي حرارتی گازهاي خروجی را به آبگرم یا بخار تبدیل می نماید و این وضعیتی است که ما آنرا در این تحقیق براي استفاده در آینده مورد بررسی قرار میدهیم.
- 3 عملکرد در چرخه ترکیبی که در آن با استفاده از حرارت گازهاي خروجی توربین، بخار پر فشار تو لید می گردد و از آن در یک توربین بخار، به منظور تولید توان بیشتر استفاده می شود .در برخی از چرخه هاي ترکیبی از مراحل میانی بخار برداشت می گردد که از آن در فرآیندهاي صنعتی و مجموعه هاي CHP استفاده می شود .
چرخه هاي ساده توربین گازي که تنها براي تولید برق مو رد استفاده قرار می گیرند داراي بازدهی نزدیک به 35 درصد - بر اساس ارزش حرارتی خالص - هستند .توربین هاي گازي به طور گسترده در نیروگاهها براي ت أمین توان در زمانهاي اوج مصرف مورد استفاده قرار گرفته اند.
در اوایل سالهاي 1980 ، بازدهی و قابلیت اطمینان توربین هاي گازي کوچک 1 - تا 40 مگاواتی - به مقادیري رسیدند که براي کاربرد در سیستم هايCHP صنعتی بزرگ مناسب شناخته شدند . توربین هاي گازي حرارت خروجی با کیفیت بالا تولید می نمایند که با استفاده در سیستمهاي CHP بازدهی کل - برق و انرژي مفید - به 60 تا 80 درصد می رسد. توربین هاي گازي از کم آلاینده ترین تجهیزات تولید توان می باشد که مقدارNOx در گاز خروجی آنها بسیار کم است . بدلیل بازدهی بالا و استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوخت اولیه، مقدار دي اکسید کربن CO2 بر واحد کیلووات ساعت که در توربین هاي گازي تولید می شود کمتر از دیگر فن آوریهاي فسیلی مورد استفاده میباشد.
-1-2 موارد کاربرد
توربین هاي گازي در صنایع نفت و گاز به طور متداول براي به کار انداختن پمپها و کمپرسورها، در فرایندهاي صنعتی براي بکار انداختن کمپرسورها و تجهیزات مکانیکی بزرگ دیگر، و براي تولید برق مورد استفاده قرار می گیرند .در مواقعی که توربین گاز براي تولید برق به کار می رود،معمولاً حرارت نیز از آن گرفته می شود. به این ترتیب که گازهاي خروجی از توربین براي تولید حرارت مورد استفاده قرار می گیرند.
توربین هاي گازي براي استفاده در سیستم CHP بسیار مناسب می باشند زیرا دماي بالاي دود خروجی از آنها که حدود 60 تا 70 درصد انرژي سوخت ورودي را تشکیل می دهد، قابلیت تولید بخار فرایند با فشار و دماي بالایی در حد 1200psig و 900 درجه فارنهایت را دارد و همچنین می توان از آن در فرایندهاي صنعتی براي گرمایش یا خشک کردن استفاده کرد. از CHP هاي با سیکل ساده توربین گاز بیشتر در تاسیسات کوچک، کمتر از 40 مگاوات، استفاده می گردد.
