فناوری تولید همزمان

مبانی فناوری تولید همزمان

همه ژنراتور برای فروش در حین تولید برق درجه معینی از گرما تولید می شود که می توان از آن در روشی به نام تولید همزمان استفاده کرد. تولید همزمان یا بازیابی گرمای اتلاف، می‌تواند هم برای گرمایش و هم برای خنک کردن ساختمان‌های بزرگ یا استفاده از انرژی پتانسیل برای تامین انرژی هر تعداد کاربرد صنعتی استفاده شود.

به طور متوسط اکثر موتورها حدود 50 درصد از انرژی حرارتی خود را از دست می دهند. با تولید همزمان، نیروگاه ها به طور بالقوه می توانند به راندمان کلی تا 80 درصد برسند. این مقاله جنبه های مهندسی پشت تولید همزمان و کاربردهای عملی در حال استفاده در سراسر جهان را مورد بحث قرار خواهد داد.

تولید همزمان یا CHP (ترکیب حرارت و توان) را می توان به عنوان تهیه دو شکل انرژی از یک منبع سوخت تعریف کرد. به عنوان مثال، یک ژنراتور برای فروش، نیروی الکتریکی را به عنوان منبع انرژی اولیه و گرمای هدر رفته را به عنوان منبع انرژی ثانویه تولید می کند. اغلب اوقات از اصطلاح به اشتباه استفاده می شود. تولید همزمان به عملکرد دو منبع مولد که به صورت موازی کار می کنند اطلاق نمی شود. مانند دو ژنراتور که به عنوان منبع انرژی یک واحدی به یکدیگر متصل شده اند.

مثال دیگر می تواند یک ژنراتور توربین بادی به موازات یک ژنراتور موتور باشد. در این مثال ها، سیستم برق و گرما را به طور همزمان با استفاده از بخار از همان دیگ تامین نمی کند. انرژی گرفته شده از یک سیستم تولید همزمان واقعی به طور معمول در محیط طبیعی آزاد می شود.

تولید همزمان یکی از پیشرفت های تکنولوژیکی پیشرو برای دستیابی به بهره وری سوخت است. در شرایط مناسب، سیستم‌های تولید برق می‌توانند 50 تا 200 درصد بازدهی یا بیشتر از راه‌اندازی فعلی خود به دست آورند. افزایش نگرانی در مورد انتشار دی اکسید کربن، کاهش استفاده از سوخت های فسیلی را برای آینده ضروری می کند. شرکت‌ها به جای تغییر کامل در فناوری تولید برق (خورشیدی، بادی، برق آبی) بازدهی بسیار ارزان‌تری از طریق تولید همزمان به دست می‌آورند.

منبع برق اولیه می‌تواند هر شکلی از نیروی محرکه اصلی مانند، اما نه محدود به، سیستم‌های تولید برق، دمنده‌ها، واحدهای نمک‌زدایی، پمپ‌ها، کمپرسورهای هوا یا چیلرهای گریز از مرکز (جذب) باشد. گرمای ترمودینامیکی بازیابی شده از محرک اصلی معمولاً به صورت بخار یا آب داغ است. فرآیند محرک اولیه به a تبدیل می شود سیستم تولید همزمان هنگامی که گرمای خارج شده از محرک اصلی که معمولاً تلف می شود، بازیابی می شود و در یک دستگاه مصرف کننده گرما استفاده می شود. تفاوت اصلی بین موتور توربین گازی و موتور رفت و برگشتی در نحوه خروج گرما است.

توجه به این نکته حائز اهمیت است که پروژه های تولید همزمان تنها در صورتی باید در نظر گرفته شوند که نیاز مداوم به استفاده از گرمای اتلاف وجود داشته باشد. اگر گرمای هدر رفته فقط برای چند ماه از سال استفاده شود، راه حل اقتصادی نیست. یک سیستم تولید همزمان که از گرمای هدر رفته در زمستان برای گرم کردن یک فضا استفاده می کند، باید از آن گرمای تلف شده در فصول دیگر نیز استفاده کند. برای مثال، Con Edison از طریق 7 نیروگاه تولید همزمان، 66 میلیارد کیلوگرم بخار 350 درجه فارنهایت را هر سال در 100000 ساختمان در منهتن توزیع می کند. اکثر این ساختمان ها برای گرما و تهویه هوا از طریق بخار راه اندازی شده اند. استفاده از بخار فقط برای گرم کردن ساختمان و سپس نصب تهویه مطبوع جداگانه، هدر دادن پول است. نیروگاه‌های تولید همزمان کوچک‌تر برای بیمارستان‌ها، هتل‌ها، کارخانه‌های صنعتی و پردیس‌های دانشگاهی مناسب هستند.

اگر بین مصرف برق و گرما اختلاف وجود داشته باشد، یکی یا دیگری را می توان در قرارداد خرید برق فروخت. برای مثال، اگر تقاضا برای گرما بیشتر از برق باشد، می‌توان آن را مستقیماً به یک شرکت برق فروخت. برعکس، در برخی مناطق سردتر شهری، تولید گرمای اضافی می تواند به یک شرکت گاز فروخته شود تا در خانوارهای مسکونی توزیع شود.

انواع نیروگاه های تولید همزمان

متداول‌ترین نوع سیستم‌های بازیابی گرمای زباله، بخار و آب گرم است. اکثر موتورها دارای حداکثر دمای خروجی آب ژاکت 210 درجه فارنهایت هستند. موتورهای دیگر ممکن است در دمای 260 درجه فارنهایت کار کنند. موتورها باید به طور خاص پیکربندی شوند تا در دمای بالاتر کار کنند.

با این حال، برای اکثر کاربردها، دمای 210 درجه فارنهایت به اندازه کافی گرم است تا تمام نیازها را برآورده کند. بخار کم فشار می تواند از آب ژاکت در دمای 250 تا 260 درجه فارنهایت تولید شود. این دما (با موتوری که به درستی پیکربندی شده است) را می توان با استفاده از یک برنامه خنک کننده ایجاد کرد که در آن بخار در خود ژاکت های موتور تشکیل می شود و سپس به دلیل تفاوت در چگالی بین آب و بخار افزایش می یابد. قبل از در نظر گرفتن یک نیروگاه تولید همزمان، بهتر است با یک پیمانکار برق حرفه ای صحبت کنید تا تعیین کنید که چه پیکربندی آب ژاکت مورد نیاز است.

روش دیگر تولید بخار کم فشار از آب ژاکت موتور از طریق گردش پمپ آب از طریق سیستم خنک کننده است. آب مایع از درام بخار از طریق موتورها پمپ می شود و گرمای آب ژاکت با ورود به محفظه درام بخار به بخار تبدیل می شود.

بخار 15 PSIG تا 250 PSIG را می توان با هر توربین گاز یا اگزوز دیزل ژنست تولید کرد. بیشتر سیستم‌های اگزوز با دیگ بخار اختیاری که توسط یک سوپاپ بای پس گاز اگزوز استفاده می‌شود، طراحی شده‌اند. گرمای اگزوز را می توان به همراه گرمای آب ژاکت برای ایجاد بخار 15 PSIG یا می توان از آن در یک سیستم جداگانه برای تولید بخار با فشار بالاتر استفاده کرد.

با موتورهای رفت و برگشتی (پیستونی) تقریباً 34٪ از گرمای ورودی به عنوان توان بازیابی می شود و 66٪ بازیابی نمی شود. تمام گرمای رد شده به آب ژاکت به همراه بسته به موتور، تقریباً 40 تا 60 درصد گرمای دفع شده به خروجی اگزوز قابل بازیابی است. در برخی موارد، اگرچه به ندرت، گرمای پس از خنک کننده و روغن روان کننده قابل بازیابی است. برای موتورهای توربین گازی، تقریباً 29٪ از گرمای ورودی برای نیرو استفاده می شود و 71٪ به دلیل اگزوز از بین می رود. با سیستم تولید همزمان، 60-40 درصد اگزوز معمولا قابل بازیابی است.

در پیکربندی تولید همزمان، دو چرخه متمایز وجود دارد: چرخه بالا و پایین. در یک سیستم چرخه روکش، الکتریسیته محصول اولیه و گرمای هدر رفته باقیمانده محرک اولیه است. به عبارت دیگر، نیروگاه‌های سیکل بالا، برق را از یک توربین بخار تولید می‌کنند که گرمای تلف شده محصول جانبی آن است. در طول چرخه ته نشینی، بخار ایجاد شده ابتدا برای تامین انرژی برای فرآیندهای صنعتی، مانند یک توربین بخار، (محصول اولیه) با بخار خروجی فشار پایین تر برای ایجاد الکتریسیته (حرکت اولیه) استفاده می شود. گیاهان چرخه ته نشینی به دلیل دمای بالا مورد نیاز در سرتاسر جهان کمتر رایج هستند.

امکانات موتور پیستونی

تا کنون رایج ترین روش تولید همزمان گرمای موتورهای پیستونی کوچکتر، معمولاً دیزلی، از رادیاتور یا اگزوز گرفته می شود. این سیستم ها به این دلیل محبوب هستند که نگهداری از آنها آسان است، هزینه کمتری دارند و به راحتی با نیازهای اندازه های مختلف سازگار هستند.

امکانات موتور گازی

این نیروگاه ها از یک موتور گازی استفاده می کنند که به طور کلی نگهداری آن راحت تر از یک توربین گازی کوچکتر (5 مگاوات) است. متداول ترین سوخت مورد استفاده گاز طبیعی یا پروپان است. این گیاهان معمولاً به صورت یک بسته کامل عرضه می شوند و در یک نوع انبار بزرگ با اتصال به سیستم های گرمایشی، برقی و گازی ذخیره می شوند.

تاسیسات توربین گازی

با این نیروگاه ها گرمای اتلاف در گاز دودکش توربین تولید می شود. متداول ترین سوخت گاز طبیعی است. نیروگاه‌های توربین گاز معمولاً بزرگ هستند و در داخل خانه ذخیره نمی‌شوند، اما در محفظه‌های ضعیف شده با دسترسی به خط گاز ذخیره می‌شوند.

تاسیسات توربین بخار

این امکانات نسبتاً رایج هستند و روی اصل سیستم گرمایشی با استفاده از کندانسور بخار برای تغذیه توربین بخار کار می کنند.

تاسیسات سوخت زیستی

این نوع نیروگاه ها بسته به پیکربندی سوخت زیستی مورد استفاده از یک موتور دیزلی یا گازی رفت و برگشتی استفاده می کنند. این طرح کاملاً شبیه به کارخانه موتور گازی است. مزیت اصلی یک کارخانه سوخت زیستی کاهش مصرف سوخت هیدروکربنی و کاهش انتشار کربن است.

از نظر تاریخی، نیروگاه‌های تولید همزمان سوخت زیستی نسبت به سایر نیروگاه‌های تولید همزمان سوخت‌های زیستی زمان آسان‌تری برای دریافت مجوز دارند، اما معمولاً از نظر بازده تولید در سمت کوچک‌تری قرار دارند.

تاسیسات نفت سوخت سنگین

گیاهان HFO به طور گسترده در تولید همزمان در ایالات متحده استفاده نمی شوند، اما در کشورهای در حال توسعه بیشتر رایج هستند. نفت کوره سنگین ترین سوخت تجاری است که احتمالاً از پالایش نفت خام ساخته می شود و سوخت با عیار پایین در نظر گرفته می شود.

HFO شماره 5 و شماره 6، که نیاز به پیش گرمایش 170 درجه فارنهایت تا 260 درجه فارنهایت دارند، رایج ترین گونه های مورد استفاده در نیروگاه های تولید همزمان هستند. مزیت HFO این است که ارزان خریداری می شود اما نقطه ضعف آن انتشار قابل توجهی است.

امکانات سیکل ترکیبی

نیروگاه های سیکل ترکیبی بر این اصل کار می کنند که اگزوز یک موتور حرارتی از موتور دیگر برای تولید الکتریسیته یا فرآیندهای مکانیکی خارج می شود. ترکیب چرخه های ترمودینامیکی متعدد منجر به افزایش راندمان و کاهش هزینه سوخت می شود. نکته منفی این است که بیشتر نیروگاه های تولید همزمان باید با این فناوری سازگار شوند.

تاسیسات پیل سوختی

فناوری پیل سوختی با تبدیل انرژی شیمیایی بالقوه به الکتریسیته از طریق یک واکنش شیمیایی با یک عنصر اکسید کننده کار می کند. هیدروژن سوخت ترجیحی برای استفاده است، اما در نیروگاه های تولید همزمان، کربنات مذاب یا اکسید جامد به دلیل دمای بالای خروجی آنها که می تواند به 1200 درجه فارنهایت برسد، مورد علاقه است.

تاسیسات انرژی هسته ای

برخی از نیروگاه‌های هسته‌ای را می‌توان با شیرهایی پس از توربین‌ها برای تامین بخار یک سیستم گرمایش مرکزی تقویت کرد. این سیستم ها چندان رایج نیستند زیرا اتلاف توان الکتریکی حدود 10 مگاوات برای تولید گرمای 95 درجه سانتیگراد است.

تاسیسات برق زیست توده

با افزایش محبوبیت، گیاهان زیست توده با استفاده از هیدروژن، کربن یا اکسیژن از زباله های صنعتی یا زباله ها کار می کنند. در سال‌های اخیر، ارتقای فناوری برای جذب انرژی بیشتر از چوب، زباله، مواد زائد، سوخت‌های الکلی یا گازهای دفن زباله ایجاد شده است.

در بیشتر موارد، تعداد محدودی از سیستم های تولید همزمان پیش بسته بندی شده برای استفاده در مقیاس متوسط تا بزرگ وجود دارد. اکثریت قریب به اتفاق سیستم ها طرح های مناسبی هستند که برای پروژه های سفارشی ساخته شده اند. مثل همیشه، بهتر است قبل از شروع پروژه تولید همزمان با یک پیمانکار برق حرفه ای یا مهندس طراح مشورت کنید. دیزل استار قادر خواهند بود بازیابی حرارت مناسب را برای محرک اصلی محاسبه کنند تا به نتیجه دلخواه برسند.