مهر
مبنای تکنولوژی تولید همزمان
مبنای تکنولوژی تولید همزمان
کلیه ژنراتورها برای تولید الکتریسیته گرمای خاصی را در طول تولید برق تولید میکنند که میتوان از آن در روشی به نام تولید همزمان استفاده‌کرد. تولید، یا بازیابی گرمای هدررفته، می‌تواند برای گرم کردن و خنک کردن ساختمان‌های بزرگ استفاده‌شود یا به عنوان یک انرژی بالقوه برای مصرف درکاربرد های صنعتی استفاده‌کرد.
به طور متوسط بیشتر موتورها حدود 50٪ از انرژی حرارتی خود را از دست‌می‌دهند. با تولید همزمان، نیروگاه‌ها به طور بالقوه می‌توانند تا 80٪ راندمان کلی‌برسند. در این مقاله به بررسی جنبه های مهندسی تولید همزمان و کاربردهای عملی آن در سراسر جهان می‌پردازیم.
تولید همزمان یا CHP (گرما و توان ترکیبی) را میتوان به‌صورت تهیه دو شکل از انرژی از یک منبع سوخت تعریف‌کرد. به عنوان مثال، یک ژنراتور انرژی الکتریکی را به عنوان منبع انرژی اصلی تولید‌می‌کند و گرمای هدررفته را به عنوان منبع انرژی ثانویه تولید‌می‌کند. غالباً اصطلاح تولید همزمان نادرست استفاده‌می‌شود. تولید همزمان به معنای عملکرد دو ژنراتور که با هم موازی شده اند نیست.
مثال
دیگرمی‌تواند یک ژنراتور توربین بادی موازی با یک دیزل ژنراتورباشد. دراین مثالها، سیستم از هر دو انرژی تولید شده گرما و الکتریسیته همزمان استفاده‌نمی‌کند. انرژی حاصل از یک سیستم تولید همزمان واقعی معمولاً در صورت نبود این سیستم در محیط ازادمی‌شود و به صورت تلفات از بین‌می‌رود.
تولید همزمان یکی از پیشرفت‌های برتر فناوری برای دستیابی به راندمان سوخت‌است. درشرایط مناسب، سیستم‌های تولید برق می‌توانند 50٪ تا200٪ راندمان یا بیشتر از عملکرد فعلی خود به دست‌آورند. افزایش نگرانی در مورد انتشار دی اکسید کربن باعث‌می‌شود که کاهش استفاده از سوخت‌های فسیلی برای آینده ضروری‌باشد. در عوض تغییر در فناوری تولید برق (خورشیدی، باد، هیدروالکتریک) دراثر تولید همزمان ارزان تر بهره وری بیشتری کسب‌می‌کنند.
منبع اصلی انرژی می‌تواند به هر شکل از توان محرکه اصلی مانند سیستم‌های تولید برق، بلورها، واحدهای نمک زدایی، پمپ ها، کمپرسور هوا یا چیلرهای گریز از مرکز (محرک)باشد. گرمای ترمودینامیکی که از محرک اصلی بدست‌می‌آید معمولاً به صورت بخار یا آب گرم‌است و به یک سیستم تولید همزمان تبدیل‌می‌شود. تفاوت اصلی بین موتور توربین گازی و یک موتور رفت و برگشتی در نحوه خارج شدن حرارت‌است.
توجه
توجه به این نکته ضروری‌است که در صورت نیاز مستمر به استفاده از گرمای هدررفته، باید پروژه‌های تولید همزمان مورد توجه قرارگیرد. اگر گرمای هدررفته فقط برای چند ماه از سال استفاده‌شود، چندان اقتصادی نیست. سیستم تولید همزمان که از گرمای هدررفته در زمستان‌استفاده‌می‌کند برای گرم کردن یک فضا نیاز به استفاده از این گرما در فصول دیگردارد. به عنوان مثال، از طریق 7 نیروگاه، Con Edison هر ساله 66 میلیارد کیلوگرم بخار 350 درجه فارنهایت را در 100000 ساختمان در منهتن توزیع‌می‌کند. اکثر این ساختمان‌ها از نظر بخار و تهویه هوا از طریق بخار تنظیم شده‌اند. استفاده از بخار فقط برای گرم کردن ساختمان و سپس نصب سیستم های مجزای تهویه هوا ، منجر به هدر رفتن هزینه خواهدشد. اکثر نیروگاههای تولید همزمان کوچکتر برای بیمارستان ها، هتل ها، کارخانه های صنعتی و پردیس دانشگاه‌ها مناسب‌هستند.
درصورت وجود اختلاف بین برق و گرما، می توان یکی از آنها را در یک توافق‌نامه خرید برق فروخت. به عنوان مثال، در صورت وجود تقاضای بیشتری برای گرما از توان الکتریکی، می‌تواند مستقیماً به یک شرکت فروخته شود. برعکس، در برخی مناطق سردسیر شهری، تولید بیش از حد گرما می‌تواند برای توزیع در خانوارهای مسکونی به یک شرکت گازرسانی فروخته‌شود.
مقالات مرتبط:
نیروگاه حرارتی چیست و چگونه کار می‌کند
نیروگاه دیزلی چیست و چگونه کار می‌کند
راکتور هسته ای چیست و چگونه کار می‌کند
نیروگاه هسته ای چیست و چگونه کار می‌کند
انواع نیروگاههای تولید همزمان
رایج ترین نوع سیستم های بازیابی گرمای هدررفته، بخار و آب گرم است. بیشتر موتورها دارای حداکثر دمای خروجی آب 210 درجه فارنهایت می‌باشند. موتورهای دیگر ممکن است در دمای 260 درجه فارنهایت کار کنند. موتورها باید بطور خاص تنظیم‌شوند تا در دمای بالاتر کارکنند.
با این حال، برای اکثر کاربردها، 210 درجه فارنهایت به اندازه کافی زیاداست تا تمام نیازها را برآورده‌کند. بخار کم فشار قادر به تولید از آب در دمای 250 درجه فارنهایت می‌باشد. این درجه حرارت (که با یک موتور به درستی تنظیم شده) می‌تواند با استفاده از کاربرد خنک کنندگی ایجادشود که بخار در خود موتور ایجاد می شود و به دلیل اختلاف چگالی بین آب و بخار بالا می رود. قبل از در نظر گرفتن نیروگاه تولید همزمان، بهتراست با یک پیمانکار برق حرفه ای صحبت کنید تا مشخص‌شود که پیکربندی مورد نیازچیست.
روش دیگر تولید بخار کم فشار از گرماگیر موتور از طریق گردش پمپاژ آب در سیستم خنک کننده‌است. آب مایع حاصل از استوانه بخار از طریق موتورها پمپ‌می‌شود و گرمای آب با ورود به محفظه استوانه‌ای بخار تبدیل به بخار می‌شود.
15 PSIG تا 250 PSIG بخار را میتوان با هر اگزوز توربین گازی یا دیزلی تولیدکرد. اکثر سیستم‌های اگزوز نیز با دیگ بخار اختیاری طراحی‌شده‌اند که توسط یک دریچه بای پس از گاز اگزوز استفاده‌می‌شود. از گرمای اگزوز در رابطه با گرمای گرماگیر آبی میتوان برای ایجاد 15 بخار PSIG استفاده‌کرد یا میتوان از آن در یک سیستم جداگانه استفاده‌کرد تا فشار بیشتری در آن بخار تولیدشود.
ادامه
با موتورهای برگشت پذیر (پیستون) تقریبا 34٪ از ورودی گرما به عنوان توان بازیابی می‌شود، و 66٪ بازیافت نشده‌است. تمام گرمای پس زده شده از گرماگیر آبی قابل بازیابی‌است و بسته به نوع موتور، تقریباً 40٪تا60٪ از گرمای رد شده در جریان خروجی اگزوز قابل بازیافت‌است. در برخی موارد، گرچه نادر میتوان گرمای پس از خنک‌سازی و روغن ماشین را بازیابی‌نمود. برای موتور توربین گازی تقریبا 29٪ از ورودی گرما برای توان استفاده می‌شود و 71٪ به دلیل اگزوز از بین‌می‌رود. با یک سیستم تولید همزمان ،٪ 60 اگزوز معمولاً قابل بازیابی‌است.
در پیکربندی تولیدهمزمان، دو سیکل مجزا وجوددارد: سیکل بالایی و پایینی. در سیکل بالایی سیستم الکتریکی محصول اصلی‌است و گرمای پسماند محرک اصلی‌است. به عبارت دیگر، نیروگاه های سیکل بالایی برق را از یک توربین بخار تولیدمی‌کنند و گرمای هدررفته محصول جانبی‌است. در طی سیکل پایینی، بخار ایجاد‌شده در ابتدا برای تأمین نیرو برای فرآیندهای صنعتی، از قبیل توربین بخار، (محصول اصلی) با بخار اگزوز و با فشار کمتر استفاده‌می‌شود که برای ایجاد برق استفاده‌می‌شود (محرک اولیه).
امکانات موتور پیستون
تاکنون متداول‌ترین روش تولید همزمان‌است. گرمای ناشی از موتورهای با پیستون کوچکتر، معمولاً دیزل، از رادیاتور یا اگزوز گرفته‌می‌شود. این سیستم‌ها بدلیل نگهداری آسان، هزینه کمتر و سازگاری با نیازهای مختلف بسیار رایج‌هستند.
امکانات موتور گازی
این نیروگاه‌ها از موتور گازی استفاده‌می‌کنند که به طور کلی نگهداری از توربین گازی کوچکتر (5 مگاوات) آسان تر‌است. رایج ترین سوخت مورد استفاده‌گاز طبیعی یا پروپان‌است. این نیروگاه‌ها به طور معمول به عنوان یک بسته کامل ارائه‌می‌شوند و در یک انبار بزرگ با اتصال به سیستم های گرمایشی، برقی و گازی ذخیره‌می‌شوند.
امکانات توربین گازی
بااستفاده‌از این‌نیروگاه‌ها، گرمای هدررفته در گاز لوله بخار توربین ایجادمی‌شود. رایج‌ترین سوخت گاز طبیعی‌است. نیروگاه های توربین گازی به طور معمول بزرگ‌هستند و در داخل خانه ها ذخیره نمی‌شوند بلکه در محفظه‌های ضعیف شده با دسترسی به خط گازهستند.
امکانات توربین بخار
این امکانات نسبتاً معمول‌است و بر اساس اصول یک سیستم گرمایشی که از کندانسور بخار برای تأمین نیروگاه توربین بخار استفاده‌می‌شود، کارمی‌کنند.
امکانات سوخت زیستی
این نوع نیروگاه‌ها بسته به پیکربندی سوخت مورد استفاده، از یک موتور گازرسانی یا دیزل متقابل استفاده‌می‌کنند. این طرح کاملاً شبیه نیروگاه موتور بنزینی‌است. مزیت اصلی نیروگاه سوخت های زیستی کاهش مصرف سوخت هیدروکربن و کاهش انتشار کربن‌است.
از نظر تاریخی، نیروگاههای سوخت زیستی نسبت به سایر نیروگاههای تولید همزمان دارای زمان آسان تری هستند اما معمولاً از نظر بازده تولید ضعیف ترهستند.
امکانات روغن سوخت سنگین
نیروگاههای HFO به طور گسترده در تولید همزمان در ایالات متحده مورد استفاده‌قرارنمی‌گیرند اما در کشورهای در حال توسعه رایج‌است.
HFO شماره 5 و شماره 6، که نیاز به پیش گرمایش 170 درجه تا 260 درجه فارنهایت‌دارند رایج ترین انواع مورد استفاده‌در نیروگاههای تولید همزمان‌است. فایده HFO این است که ارزان‌است اما اشکال عمده آن‌است که دارای آلودگی قابل توجهی‌است.
امکانات سیکل ترکیبی
نیروگاههای سیکل ترکیبی بر این اساس کار میکنند که اگزوز یک موتور حرارتی را محدود می‌کند تا برق تولید شود یا فرآیندهای مکانیکی را هدایت کند. ترکیبی از چندین چرخه ترمودینامیکی منجر به افزایش کارایی و کاهش هزینه سوخت می شود. نکته منفی این است که اکثر نیروگاههای تولید همزمان باید متناسب با این فناوری سازگار شوند.
امکانات سلول سوختی
فن آوری سلول سوختی با تبدیل انرژی شیمیایی پتانسیل به الکتریسیته از طریق یک واکنش شیمیایی با یک عنصر اکسید کننده کار می کند. هیدروژن سوخت مورد نظر برای استفاده در نیروگاههای تولید همزمان است، اما کربنات مذاب یا اکسید جامد به دلیل دمای بالای اگزوز، که می تواند به 1200 درجه فارنهایت برسد، موذد علاقه است.
امکانات توان هسته‌ای
برخی از نیروگاههای هسته ای می توانند پس از تپ توربین ها مجدداً ساخته شوند تا بخار سیستم گرمایش مرکزی را تأمین کنند. این سیستم ها چندان رایج نیستند زیرا اتلاف انرژی در حدود 10 مگاوات برای تولید 95 درجه سانتیگراد گرما است.
امکانات توان زیست توده
با توجه به محبوبیت، نیرووگاه‌های زیست توده با استفاده‌از هیدروژن، کربن یا اکسیژن ناشی از زباله‌های صنعتی کار میکنند .مانند همیشه، بهتراست قبل از شروع یک پروژه تولید همزمان با یک پیمانکار برق یا مهندس طراحی مشورت کنید. متخصصان می توانند بازیابی گرمای مناسب را برای حرکت اولیه انجام دهند تا به نتیجه مطلوب برسند.
