CHP چیست؟ معرفی کامل سیستم های CHP

CHP چیست؟

CHP که مخفف عبارت Combined Heat and Power است به معنای تولید همزمان دو نوع انرژی می باشد. به عبارت دیگر اگر شما از یک منبع انرژی دو نوع انرژی در محل مصرف دریافت کنید یک سیستم CHP دارید. مانند استفاده از بخاری ماشین در زمستان یک واحد CHP می باشد.

در نیروگاه‌های حرارتی که سهم عمده‌ای در تامین نیاز الکتریسیته جوامع مختلف دارند، به‌طور متوسط تنها یک‌سوم از انرژی سوخت ورودی، به انرژی مفید الکتریسیته تبدیل می‌شود، به عبارت دیگر بازده این نیروگاه‌ها حدود ۳۰ تا ۳۵ درصد است. در نتیجه واحد های CHP در صنعت برق در محل مصرف توسط نیروگاه های کوچک که به DG یا تولید پراکنده معروف هستند ایجاد می شود که این امر مزایای دیگری نیز به همراه دارد .

وقتی که برق یک شبکه به صورت نیروگاه های کوچک در نقاط مختلف کشور تامین بشود اولا که تلفات الکتریکی که در خطوط انتقال اتفاق می افتاد از بین میرود یا بسیار کم می شود دوما قابلیت اطمینان شبکه بالا می رود چون برق از نقاط مختلفی تامین می شود در نتیجه قطعی هم کم تر می شود.پس CHP معمولا در نیروگاه های DG یا تولید پراکنده برای تولید همزمان برق و حرارت در محل مصرف ایجاد می شود.

یک واحد CHP کوچک با عنوان micro chp unit در خانه وجود دارد که انرژی گاز ورودی ۱۰ تا ۲۵ درصد تبدیل به الکتریسیته شده است و ۷۰ درصد از انرژی گرمایی تولید نیز برای گرم کردن آب و گرمایش خانه استفاده شده و ۱۰ تا ۱۵ درصد نیز به صورت تلفات از خانه خارج شده است.

واحد CCHP چیست؟

CCH که مخفف Combined Cooling ,Heat and Power می باشد به معنای تولید همزمان برق ,سرما و حرارت می باشد.به این قبیل سیستم ها که به طور همزمان برق، گرما و سرما تولید می شود ، اصطلاحا Trigeneration یا CCHP گفته می شود.

مولد قدرت اولیه در سیستم‌های CHP، معمولاً موتورهای احتراقی، توربین گازی، میکروتوربین و پیل سوختی است. کیفیت گرمای خروجی هر یک از این فناوری‌ها، متفاوت بوده و بسته به کاربردهای مختلف و نیاز گرمایشی، می‌توان یکی از آنها را به کار برد. امروزه از نظر هزینه نصب و راه‌اندازی، موتورهای احتراقی دارای پایین‌ترین قیمت و سیستم‌های پیل سوختی با توجه به اینکه هنوز به مرحله تجاری شدن نرسیده‌اند، بالاترین هزینه را دارند.

مزایای استفاده از سیستم CHP

-افزایش بازده انرژی تا ۹۰ درصد -کاهش هزینه‌های انرژی اولیه برای مصرف کنندگان -یکنواخت شدن و بدون نوسان بودن ولتاژ و فرکانس بدلیل استفاده از یک مبدل برای تبدیل برق از DC به AC در خروجی سیستم .هم اکنون با توجه حمایت وزارت نیرو از احداث واحد های تولید برق در مقیاس کوچک توسط اشخاص حقیقی یا حقوقی موجب شده تا مدیران صنایع نسبت به صرفه جویی بیشتر در مصرف انرژی اهتمام ورزیده و بعضا اقدام به احداث نیروگاه های برق با مقیاس کوچک نمایند .
در مجموعه ها مصرف کننده های عمده انرژی عبارتند از :
۱- موتورهای احتراق داخلی
۲- مشعل ها

روش های بهینه سازی انرژی مصرفی در مجموعه موتورها و مشعل ها :

۱- تنظیم فشار پمپ سوخت
۲- تمیز کردن و یا تعویض نازل پاشش سوخت
۳- تنظیم و کنترل مستمر هواکش و یا دمپر هوا و در صورت وجود تعویض بموقع فیلتر های هوا
رعایت نکات اساسی فوق باعث کاهش قابل توجه سوخت مصرفی میشود .
مبحث دیگری که در اشل کشوری دارای اهمیت میباشد افزایش راندمان سیستم های مصرف کننده سوخت میباشد .

بطور مثال راندمان یک مشعل حدودا ۸۰ % است که با تنظیم مقدار هوای مناسب و پا شش صحیح سوخت افزایش این راندمان تا ۹۸ درصد امکان پذیر میباشد .که باید سازمان های گواهی دهنده و استاندارد در سطح کشور به آن توجه نمایند .
بعنوان مثال :
راندمان یک نیروگاه گازی حدود ۳۱ % الی ۳۶ % در شرایط ایده آل کار توربین ، کمپرسور،کوره هوای گرم می باشد الباقی انرژی که حدودا ۶۴ % الی  ۶۹ % میباشد بصورت گازهای داغ از دودکش خارج میگردد که با قراردادن مبدل آبگرم یا بخار و یا هوای گرم مقدار راندمان ۳۱% الی ۳۶ % را تا ۷۰ % الی ۷۸ % میتوان ارتقا داد ، اگر درصد های فوق را به واحد های انرژی تبدیل کنیم مقدار صرفه جویی قابل لمس تر خواهد بود .

بطور مثال در یک شهرک صنعتی که بطور متوسط مجموع مصرف انرژی با راندمان ۵۰ % میباشد . مصرف سوخت این شهرک صنعتی در روز معادل ده ماشین حمل سوخت با مجموع ظرفیت ۰۰۰/۲۸۰ لیتر میباشد .

توجه کنید:

انرژی حاصل از این سوخت مایع حدوداً ۲۸۰۰ مگا کیلوکالری میباشد . که فقط ۱۴۰۰ مگا کیلوکالری آن بصورت مفید مصرف و الباقی بصورت حرارت از دودکش ها و بدنه ماشین آلات خارج میگردد و به ازای هر یک درصد افزایش راندمان ۱۴۰۰ لیتر صرفه جویی سوخت خواهیم داشت.

و اگر بتوانیم راندمان مجموعه را تا ۷۰ % ارتقاء دهیم . یعنی ۲۸۰۰۰ لیترصرفه جویی در روز برای یک مجموعه. مسئله صرفه جویی در کشورهای پیشرفته از قدمت بیشتری برخوردار میباشد شاید به قدمت اختراع دیگ بخار که در آن زمان محوطه کارگران را با گرمای حاصل از دودکش گرم میکردند .

به دلیل اهمیت موضوع شاخه ای از علم مکانیک به این موضوع اختصاص داده شده است و آن ترکیب حرارت و قدرت یا  Combind Heat & Power یا اختصارا CHP نامیده شده است . علم CHPP بدلیل صرفه جویی در سرانه انرژی مصرفی کشورها و کمک به پاکیزگی محیط زیست ودر بعضی از مواقع جلوگیری از الودگی هوا و همینطور استفاده از انرژی پاک طبیعت پیشرفت قابل ملاحظه ای کرده است .

بطور مثال انسان مدرن با صرف هزینه های بسیار زیاد از گرما و انرژی خورشید توسط سلول های خورشیدی انرژی دریافت میکند در حالیکه ده ها برابر آنرا توسط اگزوز ها و دودکش ها هدر می دهد . بنابراین به موازات استفاده از انرژی پاک استفاده از حرارت دودکش ها نیز به طبیعت کمک می کند .

حرارتی که از دودکش میگیریم در کجا میتوان مصرف کرد ؟

۱- گرمایش محیط زندگی و کار
۲- تولید بخار جهت مصارف صنعتی و یا نیروگاه بخار ( سیکل ترکیبی )
۳- تولید آبگرم مصرفی ساختمان ها و ادارات و کارخانجات
۴- تولید کوره های هوا گرم
۵- استفاده از هوای گرم جهت خشک کردن میوه جات
۶- استفاده از حرارت دود و گازهای خروجی موتورهای درون سوز جهت ژنراتور دستگاه های Absorbtion برای تولید هوای سرد در تابستان .
۷۷- دریافت انرژی الکتریسته ( برق ) از حرارت دودکش در نیمه هادی ها و ترموکوبل ها ( اگر دو فلز با دو جنس مخالف را از یک سر بهم گره بزنیم و در مقابل حرارت قرار دهیم در دو سر دیگر اختلاف ولتاژ بوجود میاید که این اختلاف ولتاژ بطور خطی افزایش می یابد. با سری کردن این ترموکوپل ها می توان به ولتاژ های قابل قبول جهت روشنایی محوطه در شب ها رسید.

محدودیت های استفاده از هوای گرم دودکش ها

الف- محدودیت دمای مبدل حرارتی

مبدلی که گرمای دودکش و محصولات احتراق را دریافت میکند خود سقف دمای کار از پیش تعیین شده ای دارد. این سقف محدودیت استفاده از دود را تعیین مینماید .
مثال : اگر قصد داریم دیگ بخاری با فشار کار ۱۰ اتمسفر سر راه دودکش قرار دهیم ناچارا دمای اشباع بخار ۱۸۰ درجه خواهد بود و حداقل ۲۰۰ الی ۳۰ درجه سانتیگراد دمای دود خروجی از مبدل باید بالاتر باشد .بنابراین دود خروجی از مبدل و در نهایت دودکش به ۲۳۰ درجه سانتی گراد محدود خواهد شد .

ب- محدودیت نقطه شبنم

هنگامیکه دمای دود به پایین تر از دمای نقطه شبنم می رسد بخار آب کندانس شده و با گوگرد و یا CO2 موجود در سوخت و دود ، اسیدی با  PH پایین تولید مینماید که موجب خوردگی در مبدل و یا دیواره دودکش میگردد و طراح باید در مقوله طراحی دمای دود را در نظر گرفته و به نسبت خورندگی گازها جنس دودکش را تعیین نماید.

ج- افت فشار کوره

مهمترین نکته در استفاده از مبدل های CHP افت فشار کوره میباشد. قتی که افت فشار مسیر گازهای داغ افزایش میابد موجب هدر رفتن مقداری از قدرت الکترو موتور برای جبران این افت میگردد و ایراد اساسی که در فن مشعل ها و یا کمپرسورها بوجود میاید مقدار هوای طراحی شده است که بشدت کاهش یافته و این کاهش هوا موجب بالا رفتن دمای شعله و یا دود شده وتولید گازهای NOX میگردد که به محیط زیست اسیب میرساند.

در این مورد بحث های فراوانی پیش میاید که در جای خود بدان پرداخته خواهد شد . مثلا چرا از ابتدا راندمان را بالا نمی بریم ؟که مجبور بشویم از ضایعات حرارت استفاده کنیم .

واقعیت این است که در بسیاری از پروسه های عملی امکان بالا بردن مستقیم راندمان وجود ندارد .برای بالا بردن راندمان یک نیروگاه بخار بشکل ذیل عمل می شود .
۱- افزایش دمای بخار ورودی توربین .
۲- کاهش دمای آب ورودی پمپ .
حال اگر فرض کنیم تمامی تجهیزات نیروگاه شامل دیگ بخار – توربین – پمپ کندانسور با راندمان ۱۰۰۰ % کار کنند راندمان ایده آل این نیروگاه برابر با

(دمای بخار به کلوین ) / ( دمای آب به کلوین- دمای بخار به کلوین) = μ

بالاترین دمایی که بخار را می توان افزایش داد ۳۷۰ درجه سانتی گراد و یا ۶۴۳ = ۳۷۰ + ۲۷۳ درجه کلوین و کمترین دمایی که اقتصادی باشد دمای محیط می باشد . اگر در زمستان دمای کندانسور را تا ۷ درجه سانتی گراد و یا ۲۸۰ = ۷ + ۲۷۳ درجه کلوین پایین اورده شود بالاترین راندمان این نیروگاه در صورت داشتن راندمان ۱۰۰% تک تک اجزای آن برابر با :

رسیدن به راندمان ایده آل نیاز به پمپی دارد که ۲۱۰ آتمسفر کار کندیا فلزی که در دمای بالا و فشار بالایی را تحمل نماید که بسیار گران خواهد شد.پس در جاهایی که محدودیت قیمت و راندمان داریم راه دیگری باید انتخاب کنیم یکی از این راه ها CHP میباشد .