تولید پراکنده و تولید همزمان

امروزه ، انرژی راهبردی ترین نیاز بشر است و تامین آن به یکی از نگرانی های همیشگی کشورها تبدیل گشته است. با نگاه به وضعیت رو به اتمام منابع انرژی فسیلی از یک سو و تاثیرات مخرب این نوع از انرژی بر محیط زیست از سوی دیگر ، اهمیت و ضرورت بهینه سازی روش های تولید انرژی و تبدیل سوخت های فسیلی به آن به روشنی نمایان می شود.
برق ، به عنوان یکی از انواع انرژی های تبدیلی ، نقشی حیاتی در سبد انرژی هر کشور بر عهده داشته و حجم عظیمی از آن در سراسر جهان ، از طریق تبدیل سوخت های فسیلی تامین می شود. در ایران ، بیش از ۸۰ درصد از انرژی الکتریکی مصرفی ، توسط توربین های گار و بخار نیروگاه های حرارتی تولید می شود. بنابراین بدلیل محدودیت منابع سوخت فسیلی ، موضوع کنترل قیمت تمام شده انرژی ، کاهش اثرات تبدیل و مصرف انرژی بر محیط زیست ، کاهش اتلاف و ارتقا راندمان در تولید برق به روش حرارتی ضرورت و اهمیت بالایی به خود می گیرد. افزایش راندمان، به روش‌های مختلفی انجام می‌شود.
در کنار بهبود طراحی تجهیزات، دو راهکار دیگر در صنعت برق روز دنیا بکار گرفته می شود که عبارتند از:
۱- استفاده مجدد از پسماند انرژی حرارتی یا «تولید همزمان برق و حرارت»
۲- انتقال مراکز تولید به نزدیکی محل مصرف یا «تولید پراکنده»
گروه مپنا به عنوان شرکت پیشرو در صنعت برق، با توجه به ظرفیت های کم نظیر مدیریتی، فنی – مهندسی ، مالی – اقتصادی، تأمین تجهیزات و توانمندی های اجرایی در پروژه های نیروگاهی و با احساس مسئولیت در قبال حفظ و حراست از سوخت های فسیلی به عنوان سرمایه های بی بدیل ملی و در راه کاهش تلفات انرژی حاصله، در ورود به بازار تولید پراکنده (DG) و تولید همزمان (CHP) با نگاه ملی و از منظر مسئولیت اجتماعی و نه رسیدن به سود مادی، گامهای نخستین را برداشته و با استفاده از همه ظرفیت های شرکت‌های گروه، در پی ایفای وظیفه ای است که جامعه، نسل های آتی و سهامداران از آن انتظار دارند.
تولید پراکنده و تولید همزمان

تولید پراکنده

در روش رایج ، برق مورد نیاز مصرف کنندگان اعم از صنعتی ، تجاری و کشاورزی و خانگی در نیروگاه های بزرگ و متمرکز، تولید و پس از انتقال ، توسط شبکه های توزیع به دست مصرف کننده می رسد؛ اما در روش تولید پراکنده، به جای تولید متمرکز و توزیع، از نیروگاه های کوچک که در نزدیکی و یا مجاورت محل مصرف تاسیس می شوند استفاده می شود.
میزان تلفات برق تولید شده توسط نیروگاه های مقیاس بزرگ مطابق جدول زیر است:
نوع تلفات میزان تلفات (%)
مصرف داخلی نیروگاه ها ۴
شبکه های انتقال ۴/۵
شبکه های توزیع ۱۷/۵
جمع ۲۶
همانطور که ملاحظه می شود ، ۲۶% از برق تولیدی در روش تولید متمرکز و انتقال و توزیع هدر می رود. در گزارشی که توسط وزارت نیرو تهیه شده است ، بیش از ۳۰ درصد از ظرفیت در دوره پیک تابستان به تلفات اختصاص می یابد. بنابراین تغییر استراتژی تولید متمرکز انرژی الکتریکی به تولید پراکنده تصمیمی حیاتی و راهبردی است.

مزایای استفاده از روش تولید پراکنده

  • تولید برق اضطراری
  • کاهش هزینه انتقال و توزیع
  • افزایش بازدهی در صنعت برق
  • کاهش تلفات شبکه انتقال و توزیع
  • افزایش امنیت، پایداری و کیفیت تامین انرژی
  • امکان استفاده از سوخت های متنوع و افزایش بازده
  • کاهش بار شبکه در ساعات اوج مصرف (پیک سائی)
  • کاهش حجم سرمایه گذاری و در نتیجه تسهیل ورود طیف گسترده بخش خصوصی
  • تملک کمتر زمین برای توسعه شبکه و کاهش تبعات مالی، اجتماعی، زیست محیطی و آلودگی
تولید پراکنده و تولید همزمان

تولید همزمان برق و حرارت

در روش تولید پراکنده ، به علت نزدیکی به محل مصرف ، امکان بازیافت حرارت، همزمان با برق فراهم است. به عبارت دیگر معمولا تولید پراکنده (DG) به تولید همزمان (CHP) منجر می گردد.
تولید همزمان عبارت از تولید همزمان چند نوع انرژی قابل استفاده (معمولا الکتریکی و گرمایی) در یک سیستم واحد و یکپارچه می باشد. وقتی در یک سیستم علاوه بر تولید برق و حرارت با استفاده از انرژی در حال اتلاف ، تولید برودت هم صورت پذیرد به آن (CCHP (Combined cooling, Heating & Power گفته می شود.
در یک سیستم تولید همزمان برق و حرارت علاوه بر مزایای نام برده شده برای تولید پراکنده ، راندمان به طور چشمگیری افزایش می یابد. با اجرای این سیستم راندمان بالای ۸۰% هم دست یافتنی است.
 

فن آوری CHP

سیستم های CHP بسته به نوع محرک اولیه (Prime Mover) از فناوری های متفاوتی برخوردار هستند. محرک های اولیه مطرح در انواع زیر قابل دسته بندی می باشند:

  • میکروتوربین
  • موتور استرلینگ
  • پیل سوختی
  • توربین گاز

نیروگاه های خورشیدی، بادی و آبی کوچک نیز در زمره تولید پراکنده طبقه بندی می شوند.

CHP نمونه مپنا

P نمونه گروه مپنا با قابلیت تبدیل به سیستم CCHP از اجزای زیر تشکیل یافته است:

  • ژنراتور
  • آب شیرین کن
  • توربین گازی
  • بویلر بازیاب حرارت
  • چیلر (انتخابی)
  • سیستم کنترل و تجهیزات مربوطه
طرح افزایش

راندمان و تولید

در این طرح به صورت انتخابی (Option) امکان استفاده از بخشی از بخار تولیدی توسط بویلر بازیاب یا بخشی از برق تولیدی توربین در یک دستگاه چیلر جهت خنک کاری هوای ورودی به توربین وجود دارد. با استفاده از این طرح و خنک کاری هوای ورودی به ۱۵درجه سانتیگراد ، امکان افزایش ظرفیت توربین و افزایش راندمان در فصول گرم فراهم می گردد.

تشریح سیستم

CHP نمونه مپنا

CHP در ابتدای چرخه تولید، با استفاده از انرژی سوخت ، به وسیله توربین گازی مدل UGT25000 زوریالی اکراین و ژنراتور مدل Jisalt 245 F ژومونت فرانسه ، ۲۵ مگاوات برق در شرایط ISO تولید می شود.
با هدایت دود خروجی توربین با دبی ۸۷ کیلوگرم در ثانیه و با دمای ۴۸۰ درجه سانتیگراد به داخل یک دستگاه بویلر بازیاب حرارت (HRSG) ، اقدام به تولید حدود ۴۸ تن بر ساعت بخار با فشار نسبی ۱۲ اتمسفر و دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد می شود.
بخار حاصله را می توان به مصرف کننده مد نظر رساند. در CHP نمونه مپنا این بخار در یک دستگاه آب شیرین کن از نوع حرارتی استفاده شده و به میزان تقریبی ۱۰۴ لیتر بر ثانیه (۹۰۰۰ متر مکعب در روز) آب شیرین تولید می شود.
محاسبات انجام گرفته بر روی CHP نمونه مپنا نشان می دهد که در شرایط ISO راندمان کل سیستم حدود ۸۰ درصد می باشد.
مشخصات

توربین گازی

در مجموعه تولید همزمان برق و حرارت ، توربین نقشی بسیار مهم ایفا می کند. در این تجهیز ، هوای محیط پس از عبور از مجموعه فیلتراسیون به بخش کمپرسور وارد شده و در آنجا پس از عبور از طبقات مختلف به نسبت مشخصی فشرده می شود. در مرحله بعد احتراق مخلوق هوای فشرده و سوخت تزریق شده ، موجب آزاد شدن انرژی گردیده و انرژی حاصله با به گردش درآوردن محور توربین ، انرژی مکانیکی لازم برای دوران ژنراتور را فراهم می کند. علاوه بر تولید توان مکانیکی ، گازهای خروجی از توربین که دمای بالایی دارد ، جهت استفاده بعدی به بویلر بازیاب منتقل می گردد. توربین گازی مورد استفاده در پروژه CHP نمونه مپنا از نوع (UGT 2500 (DG80 است که در حال حاضر قرارداد انتقال دانش فنی و تکنولوژی طی تولید و مونتاژ ۴۲ واحد از این نوع توربین فیمابین شرکت ZORYA-MASHPROEKT اوکراین و شرکت مهندسی و ساخت توربین مپنا در جریان است.
مشخصات مهم فنی و ترمودینامیکی توربین گازی UGT 25000 در شرایط ISO عبارتست از:
مشخصات توربین گازی UGT-25000  
(Rated Power (MW ۲۵
Electrical Efficiency (%) ۳۵٫۰
(Exhaust Gas Mass Flow (Kg/s ۸۷
(Exhaust Gas Temperature (C ۴۸۰
 Presseure Ratio ۲۲٫۶:۱
(Dimensions (m*m*m ۶٫۵*۲٫۵*۲٫۶
(weight (Ton ۱۶
(Gas Turbine Output Shaft Speed (rpm ۳۰۰۰
مشخصات

ژنراتور سنکرون

وظیفه تولید توان الکتریکی در یک فرکانس و ولتاژ خاص بر عهده ژنراتور می باشد. بدین صورت که توان مکانیکی شفت توربین به صورت دورانی و از طریق یک کوپلینگ به شفت ژنراتور منتقل شده و همراه با جریان DC اعمال شده و به سیم پیچ روتور باعث القای یک ولتاژ سه فاز در سیم پیچ استاتور می گردد. در ژنراتور های سنکرون فرکانس الکتریکی ماشین متناسب با سرعت دورانی شفت انتقال قدرت می باشد. ژنراتور مورد استفاده در پروژه CHP نمونه مپنا از نوع Jisalt 245 F است که بنا بر توافقات بعمل آمده، پروژه انتقال دانش فنی و تولید آن در دستور کار شرکت مهندسی و ساخت ژنراتور مپنا قرار گرفته است.
مشخصات مهم فنی این ژنراتور در جدول زیر نمایش داده شده است.
مشخصات فنی ژنراتور Jisalt 245  
Rated Continuous Output ۲۵
(Rated Nominal Voltage (KV ۱۱
(Rated Frequency (HZ ۵۰
(Rated Speed (rpm ۳۰۰۰
(Dimensions (m*m*m ۶٫۵*۴٫۶*۳٫۹
(weight (Ton ۶۴٫۲
مشخصات

سیستم کنترل اتوماتیک

تجهیزات و سیستم اهی اصلی مورد کنترل در پلنت های CHP ، شامل مجموعه توربین و ژنراتور ، بویلر بازیاب و آب شیرین کن به همراه تجهیزات جانبی آنها می باشد و در صورت استفاده از چند واحد در یک پلنت ، بخش های مشترک هم به این موارد اضافه می گردد.
جهت جلوگیری از وارد شدن سیستم های مذکور به نواحی عملکردی غیرمجاز (Hazardous) ، به طور عمده سیستم کنترل اتوماتیک (ACS) مورد استفاده ، در برگیرنده سیستم های حفاظت مبتنی بر استاندارد های معمول می باشند.
در این فرآیند کنترل هر واحد را یک سیستم کنترل اتوماتیک ( Automatic Control System) بر عهده می گیرد که مشخصات نرم افزاری و سخت افزاری این سیستم به صورت زیر می باشد:

  • HMI Software: WIN CC
  • Protectopn System of ACS is based on SIL-3_Certfied
  • Software for Logic Develop: SIMATIC MANAGER STEP 7
  • Hardware : – CPU , – IO Module

لازم به ذکر است که می توان سیستم های حفاظت ، تحریک (شامل Exciter و AVR) و سنکرون سازی ژنراتور را هم بعنوان بخشی از ACS به شمار آورد.

توابع اصلی

سیستم کنترل اتوماتیک

عملکرد سیستم ACS هر واحد در راستای اجرا و تحقق موارد زیر برای سیستم های اصلی و جانبی مجموعه های توربین ، بخشی از ژنراتور ، بویلر بازیاب و آب شیرین کن صورت می گیرد:

  • کنترل اتوماتیک
  • حفاظت سیستمها در مقابل وقوع شرایط بحرانی و خطرناک
  • Governing
  • سوپروایزری و مانیتورینگ

این سیستم جهت اجرا و تحقق اهداف فوق از توابع عملیاتی خود یعنی توابع کنترل ، Governing ، حفاظت مبتنی بر SIL-3 و توابع ویژه Monitoring and Archiving, Data Gathering استفاده می نماید. هر یک از توابع اصلی یاد شده نیز جهت پوشش دادن کلیه اهداف تعریف شده از مجموعه عملکردهای داخلی خود استفاده می نماید.
در این سیستم Local Operator Panel هم جهت استفاده اپراتور در بهره برداری پیش بینی شده است. در شکل زیر نمونه ای از توپولوژی شبکه و چیدمان سیستم ACS قابل مشاهده است.

بویلر بازیاب حرارت

یک دستگاه بویلر حرارت (Heat Recovery Steam Generator) به منظور بازیافت انرژی موجود در گازهای داغ خروجی توربین گازی، در مسیر این گازها نصب می گردد. بخار تولیدی برای تامین انرژی حرارتی لازم در آب شیرین کن استفاده می شود. لازم به ذکر است که استفاده از حرارت تلف شده نیروگاه ها در قالب CHP، منجر به افزایش راندمان حرارتی آنها از حدود ۳۰ درصد به بیش از ۸۰ درصد می گردد. بویلر بازیاب حرارت مذکور توسط شرکت مپنابویلر و تحت لیسانس شرکت دوسان کره جنوبی ، طراحی و ساخته می شوند. این بویلرها از نوع افقی بوده و همچنین امکان طراحی این بویلرها از نوع با مشعل کمکی نیز وجود دارد. مشخصات فرآیندی بویلر بازیاب در شرایط ایزو مطابق جدول زیر می باشد:
مشخصات فرآیندی بویلر بازیاب  
(Flue Gas Flow Rate (Kg/s ۸۷
(Steam Pressure (barg ۱۲
(Stream Flow Rate (Ton/hr ۴۷٫۸
(Steam Temperature (C ۲۰۰

چیلر

به منظور افزایش توان و راندمان توربین گازی و در نهایت افزایش راندمان کل ، قابلیت خنک کاری هوای ورودی به کمپرسور تا شرایط ایزو (۱۵ درجه سانتیگراد) در فصول گرم سال ، توسط یک سیستم چیلر به عنوان راهکار بهینه در CHP مپنا وجود دارد. با این روش توان توربین گاز ۷ مگاوات و راندمان آن ۳٫۳ درصد افزایش می یابد. در سیستم چیلر بخشی از بخار تولیدی بویلر بازیاب و یا بخشی از برق تولیدی توربین گاز به عنوان نیروی محرکه مورد استفاده قرار می گیرد. میزان دبی هوای مورد نیاز کمپرسور که باید خنک گردد ، حدود ۸۷ کیلوگرم بر ثانیه است.

آب شیرین کن

از آنجایی که در طرح CHP ، بخار تولیدی بویلر که حاصل بازیافت انرژی گازهای خروجی توربین است در اختیار می باشد، استفاده از آب شیرین کن حرارتی (تبخیری) بر نوع غشایی برتری دارد و باعث کاهش هزینه تولید آب شیرین می گردد. فن آوری منتخب مورد استفاده ، MED-TVC می باشد زیرا این فن آوری علاوه بر اینکه دارای دما و فشار عملیاتی پایینی بوده و از مصرف برق پایینی برخوردار است ، محدوده ظرفیت مورد نیاز طرح CHP مورد نظر را نیز پوشش می دهد.
در سیستم MED-TVC آب دریا ابتدا به لوله های کندانسور هدایت می شود. این آب بعد از گرمایش مقدماتی در کندانسور به دو بخش تقسیم می شود. قسمت اعظم آن که وظیفه خنک کننده را بر عهده دارد به دریا بازگردانده شده و قسمت دوم که آب تغذیه است به اوپراتور هدایت می شود. در این سیستم ، فرآیند تبخیر روی سطح خارجی لوله های گرمایشی اتفاق می افتد و فرآیند چگالش در داخل لوله ها انجام می پذیرد. هر چقدر تعداد مراحل افزایش یابد ، بخار کمتری به عنوان ورودی سیستم مورد نیاز است. در این سیستم برای بالا بردن راندمان و همچنین ایجاد خلأ، از یک کمپرسور استفاده شده است.
ظرفیت مد نظر طرح ، تولید ۹۰۰۰ متر مکعب در روز (۳۷۵ مترمکعب در ساعت) آب شیرین می باشد. در آب شیرین کن مذکور از بخار فشار متوسط تولید شده توسط بویلر بازیاب حرارت ( HRSG) استفاده شده و خوراک واحد از آب دریا می باشد. محصول واحد به عنوان آب شیرین (Potable Water) ، به منظور تامین آب آشامیدنی به کار می رود. همچنین از دمای آب تغلیظ شده (شور) می توان به عنوان پیش گرم کن آب ورودی به واحد استفاده کرد. بخشی از آب تولیدی مرحله اول جهت تامین بخار مصرفی فرآیند شیرین سازی به بویلر بازیاب برگردانده می شود. سایر مشخصات فنی واحد به صورت زیر است:
 
مشخصات فرآیندی آب شیرین کن  
Desalination Type MED-TVC
(Product Net Flow Rate/Unit (m3/Day ۹۰۰۰
[(GOR [product/inlet steam (mass ratio ۸٫۵
(Operating Steam Pressure (barg ۱۲
(Operating Steam Temperature (C ۲۰۰
Effects Tube Arrangement Horizontal
(Guaranteed Product Water TDS (ppm Less than 10
(Steam Flow Rate/Unit (Ton/hr ۴۷٫۸