چكيده

تدوين برنامه بلندمدت بهينه‌سازي بخش عرضه انرژي، تاثير مثبتي بر اقتصاد كشور و ارتقاي نقش ايران در بازارهاي جهاني انرژي دارد. از جمله نتايج حاصل از برنامه بهينه‌سازي بخش عرضه انرژي، بهبود راندمان و كاهش توليد آلاينده‌هاي ‌زيست محيطي ناشي از توليد انرژي است. راهكارهاي بهينه سازي متعددي در بخش عرضه انرژي مطرح است كه از جمله آنها ميتوان به توليد همزمان برق و حرارت، سرمايش هواي ورودي به توربينهاي گازي، استفاده از توربينهاي انبساطي و تعيين تركيب بهينه در عرضه حاملهاي انرژي اشاره نمود. در مطالعه حاضر، برنامه بلندمدت استفاده از واحدهاي توليد همزمان برق و حرارت در كشور،كه بر اساس حداقل سازي مجموع هزينه‌هاي اقتصادي سيستم عرضه انرژي كشور تهيه‌شده است، از نظر ميگذرد. در محاسبه هزينه‌هاي اقتصادي سيستم عرضه ‌انرژي، مولفه‌هاي سرمايه‌گذاري، هزينه‌هاي بهره برداري و هزينه هاي سوخت لحاظ شده است.

توليد همزمان برق و حرارت يك روش صرفه جويي انرژي است كه در آن برق و حرارت بطور همزمان توليد مي‌شوند. حرارت حاصل از توليد همزمان مي‌تواند بمنظور گرمايش ناحيه‌اي  (District heating) يا در صنايع فرآيندي مورد استفاده قرار گيرد.

فرآيند توليد همزمان مي‌تواند بر اساس استفاده از توربينهاي گاز، توربينهاي بخار يا موتورهاي احتراقي بنا نهاده شود و منبع توليد انرژي اوليه نيز شامل دامنه وسيعي است كه مي‌تواند سوختهاي فسيلي، زيست توده، زمين گرمايي يا انرژي خورشيدي باشد.

گرمايش ناحيه‌اي شامل سيستمي است كه در آن حرارت بصورت متمركز توليد و به تعدادي مشتري فروخته ميشود. اين كار با استفاده از يك شبكة توزيع كه از آب داغ يا بخار بعنوان حامل انرژي حرارتي بهره مي‌برد، انجام مي‌پذيرد. شكل (۱) شماي يك سيستم بازيافت و انتقال حرارت را نشان مي دهد.

شكل ۱- تجهيزات بازيافت و انتقال حرارت در توليد همزمان

سابقة تاريخي

اولين سابقه تاريخي استفاده از گرمايش مركزي و توليد همزمان به قرنهاي سوم و چهارم پيش از ميلاد باز مي‌گردد. در آن زمان امپراتوريهاي يونان و روم كه از نظر فن آوري پيشرفته بودند، براي اولين بار آب گرم خروجي از لايه‌هاي آهكي را با حفره كانال به حمام‌هاي عمومي، ورزشگاه، قصرها و قلعه‌هاي نظامي منتقل نمودند. در سال ۱۸۸۸ اولين توليد كننده همزمان برق و حرارت در آلمان شروع بكار نمود. در اين سال در شهر هامبورگ از حرارت حاصل از توليد برق بمنظور تأمين حرارت تالار شهر (City Hall) استفاده شد. هم اكنون در بسياري از نقاط جهان از سيستم‌هاي توليد همزمان استفاده ميشود.

روشهاي توليد همزمان

سیستم های توليد همزمان را مي‌توان به پنج دستة كلي تقسيم نمود.

• بازيافت از توربينهاي زيركش دار (Extraction condensing)
• بازيافت از توربينهاي پس فشاري (Back – Pressure)
• بازيافت حرارت از توربين هاي گازي ( (Gas turbine heat recovery
• بازيافت از سيكل تركيبي (Combined Cycle)
• بازيافت از موتورهاي رفت و برگشتي (Reciprocating Engines)

ساده‌ترين نيروگاه توليد همزمان، نيروگاههايي هستند كه از توربينهاي Back – pressure استفاده مي‌كنند. در ايـن نـيـروگـاهـهـا، برق و حرارت در يك توربين بخار توليد ميشود. يكي ديگر از اجزاي اصلي نيروگاههاي Back – pressure بويلر است كه مي‌تواند براي سوزاندن سوختهاي جامد، مايع يا گازي شكل طراحي شود.

 

نيروگاههاي Extraction Condensing (زير كشدار)

توليد حرارت به روش توليد همزمان مي‌تواند در نيروگاههاي مجهز به توربين بخار زير كشدار (Extraction Condensing) انجام شود. به اين طريق كه مقداري از بخار قبل از رسيدن به آخرين مرحله توربين از آن خارج شود. گرمايش متمركز مي‌تواند با استفاده از بخار استخراج شده از توربين يا براي مصارف صنعتي مورد استفاده قرار داد.

 

 نيروگاههاي Back – pressure

در نيروگاههاي بخار معمولي، بخار فشار بالا در بويلر توليد ميشود كه اصطلاحاً به آن بخار زنده اطلاق ميشود. اين بخار از ميان توربين عبور مي‌كند و پس از انبساط كامل، با فشار پايين وارد يك كندانسور ميشود. در اين بخش حرارت باقيمانده در اين بخار با هوا يا آب منتقل ميشود.

در يك توربين Back – pressure بخار از قسمتهاي مياني توربين و با فشار بالاتر خارج ميشود و از اين بخار به منظور استفاده در مصارف گرمايشي استفاده ميشود. اين بخار مي‌تواند مستقيماً به عنوان بخار فرآيند (مثلاً در ماشينهاي كاغذسازي) يا بعنوان سيال گرم در يك مبدل حرارتي براي گرم كردن آب مورد استفاده در سيستمهاي گرمايشي ناحيه‌اي مورد استفاد قرار گيرد.

 نيروگاههاي Back – pressure صنعتي

در نيروگاههاي صنعتي Back – pressure معمولاً فشار پشت توربين در بارهاي كامل و جزئي و با در نظر گرفتن شرايط فرآيند ثابت نگه داشته ميشود. همچنين ميتوان از قسمتهاي مياني توربين نيز مقداري از بخار را با كيفيت بالاتر را استخراج نمود. اين بخار مي‌تواند در فرآيندهاي صنعتي استفاده شود يا به مصرف داخلي نيروگاه برسد. در صورتيكه اين بخار به مصرف داخلي نيروگاه برسد به آن CHP اطلاق نمي‌شود. هرچه بخار با فشار بالاتر از توربين استخراج شود ميزان برق توليدي كمتر خواهد بود.

‌نيروگاههاي Back – pressure براي استفاده در گرمايش ناحيه‌اي

در سيستمهاي متداول گرمايش ناحيه‌اي آب گرم كه حامل انرژي است با عبور از مبدلهاي حرارتي عمل انتقال حرارت را انجام مي‌دهد. دماي اين آب با توجه به تغييرات دماي محيط متغير خواهد بود. بسته به طراحي شبكه دماي آب خروجي از نيروگاه حداكثر بين ۱۲۰ تا ۱۵۰ درجه سانتي گراد در نظر گرفته ميشود. بعنوان مثال اگر ميانگين دماي آب خروجي از نيروگاه بين ۸۰ تا ۸۵ درجه باشد، دماي آب برگشتي حدود ۵۰ تا ۵۵ درجه سانتي گراد خواهد بود.

در بعضي از مواقع براي افزايش دماي آب خروجي ازنيروگاه بويلرهايي بصورت سري با مبدلهاي حرارتي در نظر گرفته ميشود. لازم بذكر است افزايش حرارت در اثر عبور از اين بويلرها نبايد در محاسبات راندمان كل سيستم توليد همزمان برق و حرارت منظور شود.