CHP

 معمولاً برق مورد نیاز واحدهای صنعتی، ساختمان های تجاری و ساختمان های مسکونی از نیروگاه های عمده کشور تأمین می شود. در حالی که نیاز حرارتی تمام آنها در  همان محل تولید می گردد. اما روش دیگری که از دیرباز وجود داشته و امروزه توجه بیشتری را معطوف خود کرده، تولید مشترک بر ق و حرارت است که عبارتست از تولید همزمان برق، یا توان محوری و حرارت مفید توسط یک سیستم.

          

سال ها پیش این فناوری برای اولین بار در نیروگا ه های سیکل بخار  بکار رفته و از بخار استخراج شده از سیکل برای مصارف گرمایشی کارخانه و واحدهای اطراف آن استفاده می شده است. این عمل گرچه کمی باعث کاهش راندمان نیروگاه بوده، اما با تأمین حرارت مورد نیاز واحد از مصرف حجم زیادی سوخت جلوگیری می کرده است.

خوشبختانه این ایده تنها به نیروگاه های بخار محدود نشد و در طی این سا ل ها، به ویژه در سال های اخیر، فناوری تولید مشترک برق و حرار ت، که بهره وری بالایی را در مصرف انرژی به دنبال دارد، به سایر مولدهای تولید قدرت (مکانیکی یا الکتریکی)  گسترش داده شد. به عبارت دیگر امروزه می توان با پیشرفت های صورت گرفته، هر سیستم مولد قدرتی با هر اندازه و کاربرد را بصورت یک واحد مشترک طراحی نمو د.  به این ترتیب علاوه بر تولید توان الکتریکی یا مکانیکی توسط دستگاه، امکان استحصال حرارت اتلافی مولد یا موتور به صورت انرژی گرمایی قابل استفاده وجود دارد. امروزه بدلیل توجه خاصی که به این نوع سیستم ها می شود و نیز اهمیت کاربرد آن در دنیای امروز و  نهادینه کردن فرهنگ استفاده از " سیستم ترکیبی حرارت و برق"، Combined Heat and Power (CHP) استفاده می شود.

دستگاه CHP بیشترین بهره وری در مصرف انرژی سوخت را دار د.  متوسط راندمان یک مولد برق در حدود 35 % و متوسط راندمان یک بویلر 90 % است. در حالیکه یک سیستم CHP با تولید هر دوی این محصولات راندمانی بیش از 85 % دارد. یعنی راندمان الکتریکی آن حدود 35 % و راندمان حرارتی(منظور از راندمان حرارتی عبارتست از انرژی حرارتی تولید شده به انرژی سوخت مصرفی) 50 % است. از طرف دیگر در مقایسه با سیستم های تولید برق و تولید حرارت متشابه رایج که بصورت مجزا هستند،  حدود 35% سوخت کمتری مصرف می کند.

کاربرد سیستم های تولید همزمان برق و حرارت :
در واحدهایی که بطور همزمان به حرارت و توان نیاز دارند، پتانسیل ایجاد تولید مشترک وجود دارد. البته در صورتیکه سیستم مصرف انرژی خصوصیات زیر را داشته باشد، صرفه جوئی قابل توجهی در هزینه انرژی بدست آمده و سیستم تولید مشترک جذاب تر و مقرون به صرفه تر خواهد بود.

 

مشخصات یک سیستم ایده آل برای نصب و اجرای تولید مشترک :

  • نیاز حتمی به توان الکتریکی؛
  • افزونی موارد استفاده انرژی حرارتی نسبت به انرژی الکتریکی؛
  • الگوهای بار پایدار و ثابت انرژی حرارتی و الکتریکی؛
  • طولانی بودن ساعات بهره برداری فرآیند؛
  • قیمت بالای برق شبکه یا عدم دسترسی به شبکه؛

انرژی حرارتی مورد نیاز به منظور اهداف زیر مورد استفاده قرار می گیرد :
خشک کردن، پیشگرم نمودن، تولید بخار فرآیند، محرک تجهیزات بازیافت حرارت و تولید آب سرد، آب گرم، سیال داغ و غیره.

در سیستمهای تولید همزمان از انواع تجهیزات استفاده شده و ممکن است برای رفع نیاز بخصوص، در یک محل مشخص طراحی گردند. از طرف دیگر، بسیاری از واحدها دارای احتیاجات مشابه بوده و سیستمهای تولید همزمان پکیج) از قبل طراحی شده) می توانند این احتیاجات را رفع کرده و از جهت اقتصادی بر سیستمهای مهندسی طراحی از ابتدا، ترجیح داده می شوند. آنچه در ذیل می آید مثالهائی برای سیستمهای تولید همزمان در سه بخش مختلف اقتصادی می باشد. سیستم های تولید همزمان در تمام بخشهای اقتصادی دنیا وجود دارند. برای سادگی مقایسه، سیستمهای تولید همزمان را غالباً در یکی از سه گروه زیر تقسیم بندی می کنند:

  1. صنعتی
  2. اداری
  3. تجاری

انواع و اندازه های سیستم تولید همزمان در این سه بخش تا اندازه ای با یکدیگر تطابق دارند ولی برای تشریح انواع کاربردها این تقسیم بندی سه گانه کار را راحت می کند. در این بخش مثالهائی در مورد انواع کاربردهائی که وجود دارند آورده می شود.

مزایا، معایب و ظرفیت‌های تولید موجود برای انواع محرک اصلی سیستم‌های CHP

 سیستم CHP  مزایا  معایب  اندازه‌های در دسترس
 توربین گازی  1- اعتمادپذیری بالا

 2- آلودگی کم

 3- وجود حرارت با کیفیت بالا

 4- نیاز نداشتن به سرد کردن

 1- نیاز به گاز دارای فشار بالا یا  استفاده از کمپرسور گازی

 2- بازده پایین در
 low loading

 3- کاهش بازده با افزایش دمای  محیط

 500 کیلووات تا 250 مگاوات
 میکروتوربین  1- کم بودن تعداد قسمت‌های  متحرک

 2- اندازه کوچک و وزن کم

 3- آلودگی کم

 4- نیاز به سرد کردن ندارد

 1- هزینه بالا

 2- بازده مکانیکی نسبتا پایین

 3- محدو به کاربردهای تولید  همزمان با دمای پایین

 30 کیلووات تا 250 کیلووات
موتور رفت و برگشتی Spark Ignition (SI) 1- بازده قدرت بالا با انعطاف‌پذیری در part-load کارکردن

2- راه اندازی سریع

3- هزینه‌ سرمایه‌گذاری نسبتا پایین

4- می‌تواند در Island mode استفاده شود و قابلیت مناسبی در load following دارد.

5- می‌تواند در مکان مورد استفاده، اورهال شود با افراد معمولی

6- کارکردن با گاز فشار پایین

1- هزینه نگهداری بالا

2- محدود به کاربردهای تولید همزمان با دمای پایین

3- آلودگی هوای نسبتا بالا

4- حتما باید سرد شوند حتی اگر حرارت گرفته شده استفاده نشود

5- دارای سروصدای بالا

کمتر از 5 مگاوات در کاربردهای DG
موتو رفت و برگشتی Compression Ignition (CI) کمتر از 4 مگاوات در سرعت چرخش بالا (rpm 1200)
4 مگاوات تا 75 مگاوات در سرعت‌های چرخش پایین
 (rpm 514 - 102)
توربین بخار 1- بازده کلی بالا

2- از هر نوع سوختی می‌تواند استفاده کند.

3- توانایی فراهم‌کردن حرارت برای بیش از یک سایت

4- طول عمر طولانی و قابلیت اطمینان بالا

5- نسبت قدرت به حرارت می‌تواند تغییر داده شود.

1- راه‌اندازی کند

2- نسبت قدرت به حرارت کم

250 کیلووات تا 250 مگاوات
موتور استرلینگ 1- صدای کم و کارکردن بدون لرزش

2- هزینه نگهداری کم و قابلیت اعتماد‌پذیری بالا

3- تقریبا قسمت‌های متحرک کمی دارد و از لحاظ مکانیکی ساده است.

4- قابلیت استفاده از سوخت‌های گوناگون حتی انرژی خورشیدی

5- طول عمر طولانی

1- هزینه بالا

2- بازده کم

کمتر از 1 کیلووات تا 150 کیلووات

هزینه‌های متداول و پارامترهای عملیاتی انواع محرک‌های اصلی مورد استفاده در سیستم‌های chp

 

نسبت قدرت به حرارت

تکنولوژی توربین گازی میکروتوربین موتور رفت و برگشتی توربین بخار موتور استرلینگ
بازده قدرت (HHV) %36 - 22 %27 – 18 %40 – 22 %38 - 15 %30 - 12
بازده کلی (HHV) %75 - 70 %75 - 65 %80 – 70 %80  
بازده الکتریکی موثر %70 - 50 %70 - 50 %80 – 70 %75  
ظرفیت تولید (MWe) 250 – 5/0 25/0 – 03/0 5 – 01/0 250 – 5/0 15/0 – 001/0
2 – 5/0 7/0 – 4/0 1 – 5/0 3/0 – 1/0  
قابلیت کارکردن بصورت part-load ضعیف مناسب مناسب مناسب مناسب
هزینه‌های نصب CHP ($/kWe) 1300 – 970

(5 تا 40 مگاوات)

3000 - 2400 2200 - 1100 1100 - 430  
هزینه‌های عملیات و نگهداری ($/kWhe) 011/0 – 004/0 025/0 -012/0 022/0 – 009/0 کمتر از 005/0  
در دسترس بودن %98 - 90 %98 - 90 %97 - 92 نزدیک %100  
ساعت‌های کارکرد تا اورهال 50000 -25000 40000 - 20000 50000 - 25000 بیشتر از 50000  
زمان راه‌اندازی 10 دقیقه تا 1 ساعت 60 ثانیه 10 ثانیه 1 ساعت تا 1 روز  
فشار سوخت (psig) 500 – 100

(کمپرسور)

80 – 50

(کمپرسور)

45 - 1    
سوخت‌ها گازطبیعی، بیوگاز، پروپان، نفت گازطبیعی، بیوگاز، پروپان، نفت گاز طبیعی، بیوگاز، پروپان، گاز landfill همه نوع سوخت همه نوع سوخت
میزان سروصدا متوسط متوسط بالا بالا کم
استفاده‌های حرارت خروجی حرارت، آب داغ، بخار آب فشار بالا تا فشار پایین حرارت، آب داغ، بخار آب فشار پایین آب داغ، بخار آب با فشار پایین بخار آب فشار بالا تا فشار پایین  
چگالی قدرت (kW/m2) 500 - 20 70 - 5 50 - 35 بیش از 100  
میزان NOx (lb/MMBtu) بدون استفاده از SCR 05/0 – 036/0 036/0 – 015/0 013/0 (rich burn)

17/0 (lean burn)

گاز 2/0 – 1/0

چوب 5/0 – 2/0

زغالسنگ 2/1 – 3/0

 
میزان کل آلودگی بدون استفاده از SCR (lb/MWh) 25/0 – 17/0 20/0 – 08/0 06/0 (rich burn)

8/0 (lean burn)

گاز 8/0 – 4/0

چوب 4/1 – 9/0

ذغال سنگ 0/5 – 2/1