توليد تركيبي برق و حرارت (Cogeneration) توليد تركيبي برق با توان محوري و حرارت مفيد، توسط يك سيستم، با استفاده از دو شكل مختلف انرژي مفيد با به كارگيري يك منبع اوليه انرژي به شمار مي*آيد به عبارت ديگر توليد تركيبي برق و گرما يا به اختصار توليد تركيبي(CHP) عبارت است از توليد همزمان و توام ترموديناميكي دو يا چند شكل انرژي از يك منبع ساده اوليه.شكل زير فرآيند توليد تركيبي برق و گرما را نشان مي دهد.
اين فن آوري براي نخستين بار در نيروگاه هاي سيكل بخاري استفاده شد، به طوري كه از بخار استخراج شده از سيكل براي مصارف گرمايشي كارخانه و واحدهاي اطراف آن بهره گرفته مي*شد. اگر چه با اين عمل راندمان اينگونه نيروگاه ها اندكي كاهش مي*يافت ولي با تأمين حرارت مورد نياز در مصرف سوخت تا حد زيادي صرفه* جويي به عمل مي*آمد. در سالهاي اخير، كاربرد اين سيستم*ها كه بهره*وري بالايي را در مصرف انرژي درپي دارد، به نيروگاه هاي بخار محدود نگشته و به ساير مولدهاي توليد قدرت اعم از مكانيكي يا الكتريكي گسترش يافته است، به طوري كه امروزه مي*توان هر سيستم مولد قدرت را با هر اندازه و با هر كاربردي به صورت يك واحد مشترك طراحي كرد و بدين ترتيب علاوه بر توليد توان الكتريكي يا مكانيكي به وسيله دستگاه، بهره* گيري از حرارتي اتلافي مولد يا موتور را به صورت انرژي گرمايي مي*توان قابل استفاده و امكان*پذير ساخت.

نيروگاه هاي توليد تركيبي را مي*توان به پنج دسته كلي تقسيم نمود.
- بازيافت از توربين هاي زيركش دار (Extraction condensing)
- بازيافت از توربين هاي 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)


ساده*ترين نيروگاه توليد همزمان، نيروگاه هايي هستند كه از توربينهاي Back - pressure استفاده مي*كنند. در ايـن نـيـروگـاه هـا، برق و حرارت در يك توربين بخار توليد مي شود. يكي ديگر از اجزاي اصلي نيروگاههاي Back - pressure بويلر است كه مي*تواند براي سوزاندن سوخت هاي جامد، مايع يا گازي شكل طراحي شود.

1-4- نيروگاههاي Extraction Condensing (زير كشدار)
توليد حرارت به روش توليد پراكنده مي*تواند 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 مي*تواند با استفاده از بخار استخراج شده از توربين يا براي مصارف صنعتي مورد استفاده قرار داد.
شكل (3) چرخه يك نيروگاه بخار كه در آن يك ايستگاه كاهش فشار نيز تعبيه شده است را نشان مي دهد. از ايستگاه كاهش فشار بخار در مواقعي كه از توربين بخار استفاده نشود، استفاده مي شود. در اين حالت بخار مطمئن براي تأمين حرارت فرآيندها تأمين خواهد شد. بايد دقت داشت كه در صورتيكه از توربين بخار استفاده نشود به اين سيستم توليد پراكنده اطلاق نمي*شود. در يك نيروگاه معمولي فقط برق توليد مي*شود ولي دريك نيروگاه Extraction Condensing جزئي از بخار براي توليد حرارت از توربين خارج ميشود.

2-4- نيروگاه هاي 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 مي*كند 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 مي*تواند 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 ناحيه*اي مورد استفاد قرار گيرد.
1-2-4- 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 مي*تواند در فرآيندهاي صنعتي استفاده شود يا به مصرف داخلي نيروگاه برسد. در صورتيكه اين بخار به مصرف داخلي نيروگاه برسد به آن CHP اطلاق نمي*شود. هرچه بخار با فشار بالاتر از توربين استخراج شود ميزان برق توليدي كمتر خواهد بود.
2-2-4- *نيروگاههاي Back - pressure براي استفاده در گرمايش ناحيه*اي
در سيستمهاي متداول گرمايش ناحيه*اي آب گرم كه حامل انرژي است با عبور از مبدلهاي حرارتي عمل انتقال حرارت را انجام مي*دهد. دماي اين آب با توجه به تغييرات دماي محيط متغير خواهد بود. بسته به طراحي شبكه دماي آب خروجي از نيروگاه حداكثر بين 120 تا 150 درجه سانتي گراد در نظر گرفته ميشود. بعنوان مثال اگر ميانگين دماي آب خروجي از نيروگاه بين 80 تا 85 درجه باشد، دماي آب برگشتي حدود 50 تا 55 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 CHP منظور شود.
هر چه دماي آب خروجي از سيستم گرمايش ناحيه*اي بيشتر باشد. ميزان توليد برق كاهش خواهد يافت ارتباط بين ميزان برق حرارت توليدي را با فاكتوري بنام نسبت حرارت به برق (Heat to power Ratio) مي*سنجد.

3-4- توربين گاز و بويلر بازيافت حرارت
يك سيستم ساده و كم هزينه توليد پراكنده برق و حرارت ميتواند با تركيب يك توربين گاز و يك بويلر بازيافت حرارت ايجاد شود. گازهاي داغ خروجي از توربين گاز از يك بويلر بازيافت حرارت عبور مي*كنند و بخار مورد نياز فرآيند يا گرمايش مورد نياز را تأمين مي*كند. در اين نوع نيروگاهها، هواي داغ خروجي از توربين گاز از بويلر بازيافت حرارت عبور كرده و حرارت خود را به سيال حامل (آب) منتقل مي*كند. در بسياري از مواقع از گاز طبيعي بعنوان سوخت مصرفي استفاده ميشود. اما گازوئيل يا تركيبي از گاز و گازوئيل نيز به عنوان سوخت مورد استفاده قرار مي*گيرد.
ميزان حرارت بازيافت شده به نوع سوخت مصرفي و دماي حرارت بازيافت شده بستگي دارد. اگر از گاز طبيعي بعنوان سوخت توربين گاز استفاده شود، ميتوان دماي گازهاي خروجي از بويلر بازيافت را به حدود 60 تا 100 درجه سانتي گراد كاهش داد ولي در صورتيكه از سوختهاي مايع استفاده شود بمنظور كاهش ريسك خوردگي گوگرد بايد دما بين 120 تا 170 درجه كنترل شود. در بعضي مواقع نيروگاه به يك مشعل كمكي مجهز ميشود كه از گازهاي خروجي از توربين گاز بجاي هواي احتراق استفاده مي*كند. طبيعتاً حرارت توليدي از مشعلهاي كمكي را نبايد در محاسبة حرارت توليدي از CHP منظور نمود.
در بعضي از مواقع نيز اگزوز خروجي از توربينهاي گاز مجهز به يك كنار گذر (By- Pass) خواهد بود كه در اينصورت ميتوان فقط در مواقع لازم از بويلر بازيافت استفاده كرد و در مواقع غير ضروري آنرا از سيستم حذف نمود.

4-4- نيروگاه هاي سيكل تركيبي
اخيراً، استفاده از نيروگاههاي سيكل تركيبي كه شامل يكي يا چند توربين گاز به انضمام بويلرهاي بازيافت حرارت و توربين بخار هستند نيز متداول شده*اند. يك نيروگاه سيكل تركيبي شامل يك يا چند توربين گازي و توربين بخار است. بسته به نوع توربين بخار، نيروگاه مي*تواند معمولي يا توليد پراكنده باشد. شكل (6) يك نيروگاه سيكل تركيبي توليد پراكنده كه شامل 2 توربين گاز، 2 بويلر بازيافت و يك توربين بخار است را نشان مي*دهد.
اگر از خنك كن*هاي كمكي براي خنك كردن مايعات خروجي از توربين بخار استفاده نشود ميتوان اين واحدها را بعنوان واحدهايCHP مورد استفاده قرار دارد. مشخصة تمامي نيروگاههاي سيكل تركيبي، بازيافت حرارت از گاز خروجي توربينهاي گاز است. اين حرارت توسط بويلرهاي بازيافت و به منظور توليد بخار مورد نياز توربينهاي بخار استفاده ميشود. معمولاً براي افزايش كيفيت بخار از مشعلهاي كمكي كه از گاز خروجي توربين گاز بعنوان هواي ورودي استفاده مي*كنند براي حرارت دادن بويلر كمكي استفاده ميشود. سيستمهاي سيكل تركيبي كه در آنها از مايع خروجي از كندانسور براي تأمين حرارت استفاده ميشود اساس سيستمهاي توليد پراكنده با سيكل تركيبي را تشكيل مي*دهند.

5-4- نيروگاه هاي مجهز به موتورهاي رفت و برگشتي
اين روش نيز مشابه به روش توليد پراكنده در نيروگاههاي گازي است با اين تفاوت كه بجاي توربين گاز از موتورهاي درونسوز رفت و برگشتي استفاده ميشود. در نيروگاههايي كه از موتورهاي رفت و برگشتي استفاده مي*كنند، حرارت مي*تواند از روغن موتور يا آب خنك كن موتورها از حرارت گازهاي خروجي از اگزوز بازيافت شود.
بازده الكتريكي موتورهاي رفت و برگشتي بين 35 تا 42 درصد است و در صورتيكه در اثر قوانين زيست محيطي لازم باشد اكسيدهاي نيتروژن به ميزان زيادي كاهش پيدا كند اين راندمان 1% كاهش مي*يابد. با توجه به اينكه موتورهاي پيشرفته گازهاي اگزوز خنك*تري (حدود 400) دارند، بازيافت حرارت فقط مي*تواند بصورت بخار باشد. مثلاً يك موتور ديزل 2/4 مگاواتي مي*تواند 5/1 مگاوات بخار و 1/3 مگاوات آبگرم و داغ توليد كند. با توجه به اينكه كل مصرف سوخت براي اين موتور حدود 10 مگاوات خواهد بود، بازده كل مجموعه حدود 88% مي*رسد.

منبع: عمران انرژی