تولید ترکیبی برق و حرارت (Cogeneration) تولید ترکیبی برق با توان محوری و حرارت مفید، توسط یک سیستم، با استفاده از دو شکل مختلف انرژی مفید با به کارگیری یک منبع اولیه انرژی به شمار می آید به عبارت دیگر تولید ترکیبی برق و گرما یا به اختصار تولید ترکیبی(CHP) عبارت است از تولید همزمان و توام ترمودینامیکی دو یا چند شکل انرژی از یک منبع ساده اولیه.شکل زیر فرآیند تولید ترکیبی برق و گرما را نشان می دهد.
این فن آوری برای نخستین بار در نیروگاه های سیکل بخاری استفاده شد، به طوری که از بخار استخراج شده از سیکل برای مصارف گرمایشی کارخانه و واحدهای اطراف آن بهره گرفته می شد. اگر چه با این عمل راندمان اینگونه نیروگاه ها اندکی کاهش می یافت ولی با تأمین حرارت مورد نیاز در مصرف سوخت تا حد زیادی صرفه جویی به عمل می آمد. در سالهای اخیر، کاربرد این سیستم ها که بهره وری بالایی را در مصرف انرژی درپی دارد، به نیروگاه های بخار محدود نگشته و به سایر مولدهای تولید قدرت اعم از مکانیکی یا الکتریکی گسترش یافته است، به طوری که امروزه می توان هر سیستم مولد قدرت را با هر اندازه و با هر کاربردی به صورت یک واحد مشترک طراحی کرد و بدین ترتیب علاوه بر تولید توان الکتریکی یا مکانیکی به وسیله دستگاه، بهره گیری از حرارتی اتلافی مولد یا موتور را به صورت انرژی گرمایی می توان قابل استفاده و امکان پذیر ساخت.
نیروگاه های تولید ترکیبی را می توان به پنج دسته کلی تقسیم نمود.
- بازیافت از توربین های زیرکش دار (Extraction condensing)
- بازیافت از توربین های پس فشاری (Back – Pressure)
- بازیافت حرارت از توربین های گازی (Gas turbine heat recovery)
- بازیافت از سیکل ترکیبی (Combined Cycle)
- بازیافت از موتورهای رفت و برگشتی (Reciprocating Engines)
ساده ترین نیروگاه تولید همزمان، نیروگاه هایی هستند که از توربینهای Back - pressure استفاده می کنند. در ایـن نـیـروگـاه هـا، برق و حرارت در یک توربین بخار تولید می شود. یکی دیگر از اجزای اصلی نیروگاههای Back - pressure بویلر است که می تواند برای سوزاندن سوخت های جامد، مایع یا گازی شکل طراحی شود.
۱. نیروگاههای Extraction Condensing - زیر کشدار
تولید حرارت به روش تولید پراکنده می تواند در نیروگاههای مجهز به توربین بخار زیر کشدار (Extraction Condensing) انجام شود. به این طریق که مقداری از بخار قبل از رسیدن به آخرین مرحله توربین از آن خارج شود. گرمایش متمرکز می*تواند با استفاده از بخار استخراج شده از توربین یا برای مصارف صنعتی مورد استفاده قرار داد.
در چرخه یک نیروگاه بخار که در آن یک ایستگاه کاهش فشار نیز تعبیه شده است، از ایستگاه کاهش فشار بخار در مواقعی که از توربین بخار استفاده نشود، استفاده می شود. در این حالت بخار مطمئن برای تأمین حرارت فرآیندها تأمین خواهد شد. باید دقت داشت که در صورتیکه از توربین بخار استفاده نشود به این سیستم تولید پراکنده اطلاق نمی*شود. در یک نیروگاه معمولی فقط برق تولید می شود ولی دریک نیروگاه Extraction Condensing جزئی از بخار برای تولید حرارت از توربین خارج میشود.
۲. نیروگاه های Back - pressure
در نیروگاههای بخار معمولی، بخار فشار بالا در بویلر تولید میشود که اصطلاحاً به آن بخار زنده اطلاق میشود. این بخار از میان توربین عبور می کند و پس از انبساط کامل، با فشار پایین وارد یک کندانسور میشود. در این بخش حرارت باقیمانده در این بخار با هوا یا آب منتقل میشود.
در یک توربین Back - pressure بخار از قسمتهای میانی توربین و با فشار بالاتر خارج میشود و از این بخار به منظور استفاده در مصارف گرمایشی استفاده میشود. این بخار می تواند مستقیماً به عنوان بخار فرآیند (مثلاً در ماشینهای کاغذسازی) یا بعنوان سیال گرم در یک مبدل حرارتی برای گرم کردن آب مورد استفاده در سیستمهای گرمایشی ناحیه ای مورد استفاد قرار گیرد.
۱-۲- نیروگاههای Back - pressure صنعتی
در نیروگاههای صنعتی Back - pressure معمولاً فشار پشت توربین در بارهای کامل و جزئی و با در نظر گرفتن شرایط فرآیند ثابت نگه داشته میشود. همچنین میتوان از قسمتهای میانی توربین نیز مقداری از بخار را با کیفیت بالاتر را استخراج نمود. این بخار می تواند در فرآیندهای صنعتی استفاده شود یا به مصرف داخلی نیروگاه برسد. در صورتیکه این بخار به مصرف داخلی نیروگاه برسد به آن CHP اطلاق نمی شود. هرچه بخار با فشار بالاتر از توربین استخراج شود میزان برق تولیدی کمتر خواهد بود.
۲-۲- نیروگاههای Back - pressure برای استفاده در گرمایش ناحیه ای
در سیستمهای متداول گرمایش ناحیه ای آب گرم که حامل انرژی است با عبور از مبدلهای حرارتی عمل انتقال حرارت را انجام می دهد. دمای این آب با توجه به تغییرات دمای محیط متغیر خواهد بود. بسته به طراحی شبکه دمای آب خروجی از نیروگاه حداکثر بین ۱۲۰ تا ۱۵۰ درجه سانتی گراد در نظر گرفته میشود. بعنوان مثال اگر میانگین دمای آب خروجی از نیروگاه بین ۸۰ تا ۸۵ درجه باشد، دمای آب برگشتی حدود ۵۰ تا ۵۵ درجه سانتی گراد خواهد بود.
در بعضی از مواقع برای افزایش دمای آب خروجی ازنیروگاه بویلرهایی بصورت سری با مبدلهای حرارتی در نظر گرفته میشود. لازم بذکر است افزایش حرارت در اثر عبور از این بویلرها نباید در محاسبات راندمان کل سیستم CHP منظور شود.
هر چه دمای آب خروجی از سیستم گرمایش ناحیه*ای بیشتر باشد. میزان تولید برق کاهش خواهد یافت ارتباط بین میزان برق حرارت تولیدی را با فاکتوری بنام نسبت حرارت به برق (Heat to power Ratio) می سنجد.
۳. توربین گاز و بویلر بازیافت حرارت
یک سیستم ساده و کم هزینه تولید پراکنده برق و حرارت میتواند با ترکیب یک توربین گاز و یک بویلر بازیافت حرارت ایجاد شود. گازهای داغ خروجی از توربین گاز از یک بویلر بازیافت حرارت عبور می کنند و بخار مورد نیاز فرآیند یا گرمایش مورد نیاز را تأمین می کند. در این نوع نیروگاهها، هوای داغ خروجی از توربین گاز از بویلر بازیافت حرارت عبور کرده و حرارت خود را به سیال حامل (آب) منتقل می کند. در بسیاری از مواقع از گاز طبیعی بعنوان سوخت مصرفی استفاده میشود. اما گازوئیل یا ترکیبی از گاز و گازوئیل نیز به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می گیرد.
میزان حرارت بازیافت شده به نوع سوخت مصرفی و دمای حرارت بازیافت شده بستگی دارد. اگر از گاز طبیعی بعنوان سوخت توربین گاز استفاده شود، میتوان دمای گازهای خروجی از بویلر بازیافت را به حدود ۶۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی گراد کاهش داد ولی در صورتیکه از سوختهای مایع استفاده شود بمنظور کاهش ریسک خوردگی گوگرد باید دما بین ۱۲۰ تا ۱۷۰ درجه کنترل شود. در بعضی مواقع نیروگاه به یک مشعل کمکی مجهز میشود که از گازهای خروجی از توربین گاز بجای هوای احتراق استفاده می کند. طبیعتاً حرارت تولیدی از مشعلهای کمکی را نباید در محاسبة حرارت تولیدی از CHP منظور نمود.
در بعضی از مواقع نیز اگزوز خروجی از توربینهای گاز مجهز به یک کنار گذر (By- Pass) خواهد بود که در اینصورت میتوان فقط در مواقع لازم از بویلر بازیافت استفاده کرد و در مواقع غیر ضروری آنرا از سیستم حذف نمود.
۴. نیروگاه های سیکل ترکیبی
اخیراً، استفاده از نیروگاههای سیکل ترکیبی که شامل یکی یا چند توربین گاز به انضمام بویلرهای بازیافت حرارت و توربین بخار هستند نیز متداول شده اند. یک نیروگاه سیکل ترکیبی شامل یک یا چند توربین گازی و توربین بخار است. بسته به نوع توربین بخار، نیروگاه می تواند معمولی یا تولید پراکنده باشد.
اگر از خنک کن های کمکی برای خنک کردن مایعات خروجی از توربین بخار استفاده نشود میتوان این واحدها را بعنوان واحدهای CHP مورد استفاده قرار دارد. مشخصة تمامی نیروگاههای سیکل ترکیبی، بازیافت حرارت از گاز خروجی توربینهای گاز است. این حرارت توسط بویلرهای بازیافت و به منظور تولید بخار مورد نیاز توربینهای بخار استفاده میشود. معمولاً برای افزایش کیفیت بخار از مشعلهای کمکی که از گاز خروجی توربین گاز بعنوان هوای ورودی استفاده می کنند برای حرارت دادن بویلر کمکی استفاده میشود. سیستمهای سیکل ترکیبی که در آنها از مایع خروجی از کندانسور برای تأمین حرارت استفاده میشود اساس سیستمهای تولید پراکنده با سیکل ترکیبی را تشکیل می دهند.
۵. نیروگاه های مجهز به موتورهای رفت و برگشتی
این روش نیز مشابه به روش تولید پراکنده در نیروگاه های گازی است با این تفاوت که بجای توربین گاز از موتورهای درونسوز رفت و برگشتی استفاده میشود. در نیروگاههایی که از موتورهای رفت و برگشتی استفاده می کنند، حرارت می تواند از روغن موتور یا آب خنک کن موتورها از حرارت گازهای خروجی از اگزوز بازیافت شود.
بازده الکتریکی موتورهای رفت و برگشتی بین ۳۵ تا ۴۲ درصد است و در صورتیکه در اثر قوانین زیست محیطی لازم باشد اکسیدهای نیتروژن به میزان زیادی کاهش پیدا کند این راندمان ۱% کاهش می یابد. با توجه به اینکه موتورهای پیشرفته گازهای اگزوز خنک تری (حدود ۴۰۰) دارند، بازیافت حرارت فقط می تواند بصورت بخار باشد. مثلاً یک موتور دیزل ۲/۴ مگاواتی می تواند ۵/۱ مگاوات بخار و ۱/۳ مگاوات آبگرم و داغ تولید کند. با توجه به اینکه کل مصرف سوخت برای این موتور حدود ۱۰ مگاوات خواهد بود، بازده کل مجموعه حدود ۸۸% می رسد.
