پایان نامه بررسي اثر قا بليت اطمينان بر امكان سنجي اقتصادي واحدهاي توليد همزمان برق و حرارت به كمك شبيه سازي مونت كارلو و نظريه بازي ها
پيش گفتار
تداوم رشد مصرف انرژي در كشور به همراه بهره وري پايين توليد، انتقال و توزيع انرژي سبب گرديده است تا آينده نامطلوبي براي اين بخش در حال وقوع باشد، به گونه اي كه حتي در صورت تحقق كليه برنامه هاي توسعه بالادستي ظرف مدت ده سال آينده، مصرف انرژي از توليد انواع انرژي اوليه از جمله نفت و گاز فراتر رفته و كشور به واردكننده انرژي تبديل خواهد گرديد.
اين امر قطعاً اثرات اقتصادي و اجتماعي بسيار نامطلوبي را به همراه خواهد داشت . اين در حالي است كه با اجراي برنامه و سياستهاي اجرايي مديريت و افزايش بازده و همچنين ارتقاء بهر ه وري در عرضه و ايضا تقاضاي انرژي با هدف جلوگيري از اتلاف انرژي در بخشهاي مختلف عرضه و تقاضاو بازيافت آن به منظور ارتقاء كارآيي انرژي در بخش هاي ياد شده و مديريت بهينه منابع سوخت و انرژي كشور و صيانت از محيط زيست مي توان انتظار داشت اقدامي عملي و اجرا يي براي مقا بله با بحران پيش رو در كشور محقق گردد.
مديريت كارآيي انرژي به تنهايي وتحت تأثير تعادل ميان عرضه وتقاضاي انرژي به وجود نخواهد آمد ولازم است دولتها و مراجع سياست گذار وتصميم گير از راهكارهاي مناسب براي نيل به آن استفاده كنند .از جمله راهكارهاي در حال استفاده در كشورهايي كه پيشرفتهاي بسياري را در اين زمينه براي آن جوامع بهمراه آورده است ، توليد همزمان برق و حرارت در محل مصرف است .
ازسال 1973 ميلادي، مصادف با وقوع اولين شوك نفتي درجهان مسئله كارآيي انرژي در كشور مطرح ، اما هيچگاه در برنامه ريزي ها به صورت جدي مورد توجه قرار نگرفته است متأسفانه ايران در حال حاضر در استفاده از روش توليد همزمان برق و حرارت براي توليد انرژي هيچ سهمي ندارد.
كشورهايي نظير فنلاند ، استراليا وسوئد تمام ظرفيت توليد نيروگاههاي حرارتي خود را با روش توليد همزمان برق و حرارت استفاده مي نمايند.
همچنين كشورهاي دانمارك ، هلند ، آلمان ، روسيه ، اتريش ، ژاپن ، انگلستان و آمريكا حداكثر ظرفيت توليد برق حرارتي خودرا به استفاده از روش مذكور اختصاص داده اند وكشورهاي كانادا ، هندوستان ، آفريقاي جنوبي ، ايرلند ، كره جنوبي ، مكزيك و يونان نيز به ميزان قابل توجهي به اين روش روي آورده اند. مزاياي توليد همزمان برق و حرارت در محل مصرف :
- افزايش بازده سوخت دريافتي به برق تحويلي از كمتر از 30 درصد به 80 تا 95 درصد
- امكان حضور طيف وسيع بخش خصوصي بدليل سهولت تامين مالي از 1 تا 40 ميليارد ريال براي هر واحد
- حذف تلفات توان پيك 30 درصدي و تلفات انرژي 18 درصدي
- توسعه پدافند غيرعامل و افزايش 5 برابري امنيت صنعت برق در مقابل حملات نظامي و تروريستي
- كاهش پرباري شبكه و كاهش نياز به احداث ظرفيت هاي جديد انتقال و توزيع
- تملك كمتر زمين براي توسعه شبكه و كاهش تبعات مالي، اجتماعي و زيست محيطي
- افزايش پايداري و امنيت فني سيستم قدرت
- در روش متمركز، افزايش 30 درصدي بار پيك نسبت به متوسط بار شبكه، تلفات انتقال و توزيع را 69.1 برابر ميسازد در حالي كه در روش توليد همزمان در محل مصرف اين تلفات نزديك به صفر است.
- اگر تلفات انرژي شبكه انتقال و توزيع 18% باشد تلفات توان زمان پيك 1 بر ابر آن يعني 30% خواهد بود . به عبارت ديگر از 40 هزارمگاوات توليدي در زمان پيك 28 هزار مگاوات توان به بار مي رسد.
- امنيت شبكه توليد متمركز با 25% ذخيره چرخان تامين مي شود، در حالي كه در توليد همزمان در محل مصرف نياز به ذخيره چرخان نيست . با احتساب ذخيره چرخان براي تامين 28 هزار مگاوات بار نياز به 50 هزار مگاوات ظرفيت سازي توليد است.
ارزش اقتصادي توسعه توليد همزمان برق و حرارت
نسبت سود به هزينه توليد همزمان بر ق وحرارت در محل مصرف نسبت به روش فعلي توليد برق در كشور به بيش از 9 برابر برآورد مي گردد و با احتساب نرخ صادراتي هر بشكه نفت خام برابر 50 دلار ، ارزش صادرات انرژي قابل صرفه جوئي در طول برنامه پنجم توسعه به ميزان 2100 هزار ميليارد ريال و سهم صنعت برق از آن مبلغ 680 هزار ميليارد ريال برآورد مي شود.
معرفي فن آوري هاي توليد همزمان برق و حرارت
در سه دهه اخير پس از افزايش عمده بهاي سوخت ، اهميت بحث سوخت جايگزين ، افزايش كارآيي انرژي و كاهش آلودگي زيست محيطي ، تمايل به استفاده از فن آوري هاي جديد از جمله توليد همزمان برق و حرارتCHP افزايش يافته است . در روشهاي معمول براي تامين نيازهاي الكتريكي و حرارتي، الكتريسته از شبكه توزيع سراسري و حرارت بوسيله سوزاندن سوخت در بويلرها و تجهيزات گرمازا به روش توليد جداگانه تامين ميگردد . در اين روش انرژي قا بل توجهي به گونه اي متفاوت از طريق گازهاي داغ خروجي دودكش ، برجهاي خنك كن، كندانسورها، خنك كننده ها در موتورهاي احتراق داخلي و همچنين تلفات توزيع و انتقال الكتريسيته در شبكه سراسري به هدر مي رود ، كه بيشتر اين حرارت قابل بازيافت است و مي تواند در تامين انر ژي حرارتي مورد استفاده قرار گيرد . از طرفي الكتريسيته توليدي به اين روش به صورت متمركز نيروگاهي بوده و تلفات انرژي زيادي را در بردارد .
در مقابل اين سيستم هاي متمركز ، روشهاي توليد غير متمركز و مستقل با استفاده از فن آوري CHP با تركيبي از توليد همزمان برق و حرارت قرار دارد . از لحاظ ترموديناميكي اين روش به معني توليد همزمان دو شكل معمول انرژي يعني الكتريكي و حرارتي ، با استفاده از يك منبع انرژي اوليه ميباشد . انرژي گرمائي از بازيافت تلفات حرارتي اين مولدهاي مستقل بدست مي آيد و اين حرارت در بخشهاي مختلف صنعتي ، تجاري و مسكوني بكار گرفته ميشود . از طرفي الكتريسيته توليدي توسط اين فن آوري به صورت محلي و مستقل و غير متمركز بوده كه اين دو ويژگي در كنار يكديگر ، كارآيي مولد هاي توليد برق را به ميزان قابل توجهي افزايش مي دهد . كارآيي سيستم هاي معمول به روش متمركز در حدود 27 تا 55 درصد ميباشد كه بيشترين كارآيي مربوط به نيروگاههاي سيكل تركيبي مي باشد در حاليكه با بهره گيري از فنآوري توليد همزمان برق و حرارت بصورت مستقل ، كارآيي انرژي اين مولد ها به خدود 90 درصد نيز خواهد رسيد ، تا آنجا كه دولتهاي اروپائي ، امريكا و حتي در كشورهاي آسيائي نظير ژاپن سياستها و قوانيني را براي ترغيب به استفاده از سيستم هاي توليد همزمان برق و حرارت وضع نموده اند . از مزاياي سيستم هاي توليد همزمان ميتوان به حركت به سوي خصوصي سازي و توليد غير متمركز و مستقل برق و حرارت ، جلوگيري از تلفات توزيع و انتقال در شبكه سراسري ، افزايش كارآيي تبديل انرژي و استفاده از آن ، كاهش مصرف سوخت و افزايش رقابت در توليد برق و توان نيروگاهي و كاهش آلاينده هاي زيست محيطي بخصوص دي اكسيد كربن و گازهاي گلخانه ائي اشاره نمود . از مهمترين اين سيستم ها ميتوان به تور بين هاي گاز ، موتور هاي پيستوني و ميكرو توربين ها كه همگي مجهز به سيستم بازيافت حرارت هستند اشاره نمود .
توربين هاي گاز قابليت اطمينان بالا، حرارت قابل استفاده با انرژي بالا، هزينه سرمايه گذاري نسبتاً كم براي توليد واحد توان خروجي مي باشند. توربين هاي گاز مي توانند در بارهاي كم به طور دائم كار كنند . در اين سيستم ها امكان استفاده از سوختهاي مختلف وجود دارد و حتي ممكن است يك واحد با چند سوخت كار كند اما در صورتي كه واحد گاز سوز باشد لازم است فشار گاز مورد استفاده بالا باشد . از ديگر معايب اين سيستمها محدود بود ن ظرفيت توليدي آنها و امكان نياز به دوره هاي تعميرات اساسي طولاني مي باشد.
موتورهاي پيستوني در اين موتورها مقداري از حرارت توليد شده در احتراق سوخت را به حركت مكانيكي تبديل و با استفاده از يك ژنراتور توان الكتريكي توليد مي گردد. همچنين اين موتورها داراي مزيتهايي از قبيل امكان كار با گازهاي فشار پايين، عمل كردن يك واحد با چند نوع سوخت مي باشند.
ميكروتوربين ها ، سيستم هاي توليد توان با سرعت بالايي هستند كه داراي توربين، كمپرسور و ژنراتور مي باشند. ميكروتوربين ها از موتورهاي پيستوني معمولي كوچكتر م يباشند و هزينه نگهداري آنها نيز پايين تر مي باشد. قابليت اطمينان در آنها زياد است. از ديگر مزاياي اين سيست مها سادگي نصب ،نياز به نگهداري كمتر ، اندازه كوچك، كم بودن صداي آنها و آلاينده هاي كم ولي قيمت نسبتاٌ بالا مي باشند.
مهمترين سيستم هاي توليد همزمان
در ابتدا مهمترين سيستم هاي مولد توليد پراكنده برق مورد بررسي قرار مي دهيم كه مشتمل بر سه سيستم عبارتند از :
- توربين هاي گازي
- موتورهاي پيستوني
- ميكرو توربين ها
1-1 : توربين هاي گازي
1-1-1 : مقدمه
توربين هاي گاز در اوايل سال هاي 1900 ميلادي با توجه به پيشرفتهاي مهندسي پايه گذاري شد و در اواخر سالهاي 1930 ميلادي نيز استفاده از اين توربين ها به منظور توليد توان آغاز گرديد . به دليل استفاده از توربين هاي گازي در صنايع دفاعي و هوايي، پيشرفت هاي زيادي در اين زمينه حاصل شده، به طوريكه بازده توربين هاي گاز به بيش از توربين هاي بخار رسيده و استفاده از آنها افزايش يافته است . توربين هاي گازي در اندازه هاي مختلف از چند صد كيلووات تا چند صد مگاوات موجود مي باشند. اين توربين ها حرارتي با كيفيت بالا دماي بالا توليد مينمايد كه مي تواند براي گرمايش ناحيه اي يا صنعتي مورد استفاده قرار گير د. همچنين ممكن است اين حرارت بازيافت شود تا باعث بهبود بازدهي گردد و يا از آن براي توليد بخار استفاده شود و بخار حاصل در يك سيكل تركيبي توربين بخار را به حركت درآورد . كم بودن هزينه نگهداري و بالا بودن كيفيت حرارت ، اغلب باعث مي شود توربين گازي انتخاب مناسبي براي بسياري ازCHP هاي صنعتي و تجاري بزرگتر از 1 مگاوات باشد . طرحواره اي از يك مجموعهCHP بر پايه توربين گاز در شكل يك نشان داده شده است.
شکل 1-1 مجموعه توربين گاز
توربين هاي گازي ممكن است به صورتهاي مختلفي مورد استفاده قرار گيرند:
- عملكرد در چرخه ساده اي كه از يك توربين گاز تشكيل مي شود و تنها برق توليد ميكند. وضعيت فعلي در صنعت برق كشور نيز از همين نوع است كه از توربين گاز فقط براي توليد برق استفاده ميشود.
- عملكرد در يكCHP كه از يك چرخه ساده توربين گاز به همراه يك مبدل بازيافت حرارتي كه علا وه بر توليد برق انرژي حرارتي گازهاي خروجي را به آبگرم يا بخار تبديل مي نمايد و اين وضعيتي است كه ما آنرا در اين تحقيق براي استفاده در آينده مورد بررسي قرار ميدهيم.
- عملكرد در چرخه تركيبي كه در آن با استفاده از حرارت گازهاي خروجي توربين، بخار پر فشار تو ليد ميگردد و از آن در يك توربين بخار، به منظور توليد توان بيشتر استفاده مي شود. در برخي از چرخه هاي تركيبي از مراحل مياني بخار برداشت مي گردد كه از آن در فرآيندهاي صنعتي و مجموعه هاي CHP استفاده ميشود.
چرخه هاي ساده توربين گازي كه تنها براي توليد برق مو رد استفاده قرار م ي گيرند داراي بازدهي نزديك به 35 درصد بر اساس ارزش حرارتي خالص هستند. توربين هاي گازي به طور گسترده در نيروگاهها براي تأمين توان در زمانهاي اوج مصرف مورد استفاده قرار گرفته اند.
در اوايل سالهاي 1980 ، بازدهي و قابليت اطمينان توربين هاي گازي كوچك 1 تا 40 مگاواتي به مقاديري رسيدند كه براي كاربرد در سيستم هايCHP صنعتي بزرگ مناسب شناخته شدند . توربين هاي گازي حرارت خروجي با كيفيت بالا توليد مي نمايند كه با استفاده در سيستمهايCHP بازدهي كل برق و انرژي مفيد به 60 تا 80 درصد مي رسد .
توربين هاي گازي از كم آلاينده ترين تجهيزات توليد توان مي باشد كه مقدارNOx در گاز خروجي آنها بسيار كم است . بدليل بازدهي بالا و استفاده از گاز طبيعي به عنوان سوخت اوليه، مقدار دي اكسيد كربن بر واحد كيلووات ساعت كه در توربين هاي گازي توليد مي شود كمتر از ديگر فن آوريهاي فسيلي مورد استفاده ميباشد.
2-1-1 : موارد كاربرد
توربين هاي گازي در صنايع نفت و گاز به طور متداول براي به كار انداختن پمپها و كمپرسورها، در فرايندهاي صنعتي براي بكار انداختن كمپرسورها و تجهيزات مكانيكي بزرگ ديگر، و براي توليد برق مورد استفاده قرار مي گيرند. در مواقعي كه توربين گاز براي توليد برق به كار مي رود، معمولاً حرارت نيز از آن گرفته ميشود. به اين ترتيب كه گازهاي خروجي از توربين براي توليد حرارت مورد استفاده قرار ميگيرند.
توربين هاي گازي براي استفاده در سيستمCHP بسيار مناسب مي باشند زيرا د ماي بالاي دود خروجي از آنها كه حدود 60 تا70 درصد انرژي سوخت ورودي را تشكيل مي دهد، قابليت توليد بخار فرايند با فشار و دماي بالايي در حد 1200Psig و 900 درجه فارنهايت را دارد و همچنين مي توان از آن در فرايندهاي صنعتي براي گرمايش يا خشك كردن استفاده كرد . از CHPهاي با سيكل ساده توربين گاز بيشتر در تاسيسات كوچك، كمتر از 40 مگاوات، استفاده مي گردد.
نمونه متداولي از كاربرد توربين گاز در مجموعهCHP هاي تجاري و غيرصنعتي ، دانشگاهي با چرخه ساده توربين گاز 5 مگاواتي مي باشد كه در آن حدود 8 مگاوات حرارتي، بخار يا آب گرم با فشار 150 تا 400 پی اس آی در يك مولد بخار بازيافت حرارت توليد مي شود و به يك سيستم حرارتي مركزي براي تامين گرما در زمستان و يا به چيلر جذبي براي سرد كردن محيط در تابستان منتقل مي شود.
3-1-1 : شرح فناوري توربين هاي گاز
سيستم توربين بخار بر پايه چرخه ترمودينا ميكي برايتون عمل مي نمايد . در اين چرخه هواي اتمسفريك متراكم و گرم مي شود و سپس در يك توربين منبسط م ي گردد و تواني توليد مينمايد كه مقداري از آن صرف به كار انداختن كمپرسور مي شود و باقيمانده آن توان خروجي سيستم ميباشد.
گاز خروجي از اين نوع توربين دا راي دماي بالايي است كه در صنايع كوچك تا حدود 800 تا 900 درجه فارنهايت و در نيروگاههاي جديد بزرگ تا 1100 درجه فارنهايت مي باشد. از اين دماي دود ممكن است در مولد بخار بازيافت حرارت به منظور توليد حرارت و همچنين به منظور توليد برق در توربين بخار بصورت سيكل تركيبي استفاده شود.
4-1-1 : انواع توربين گاز
يكي از انواع توربين گاز توربين هاي ايرودريوتيو مي باشند كه بازدهي حرارتي بالايي دارند، اما قيمت آنها نيز نسبتاً زياد مي باشد. معمولاٌ حداكثر ظرفيت اين توربين ها 40 تا 50 مگاوات است . با توسعه سيستم هاي پيشرفته، توربين هاي ايرودريوتيو بزرگ بزرگتر از 40 مگاوات بازدهي حدود 40 درصد ايجاد مي كنند.
توربين هاي گازي صنعتي يا فريم نوع ديگر توربين هاي گاز هستند كه تنها براي توليد توان مورد استفاده قرار مي گيرند و در ظرفيتهاي يك تا 250 مگاوات موجود مي باشند. معمولاً اين نوع توربين ها ارزانتر از توربينهاي ائرودريوتيو هستند، فاصله بين تعمير كلي آنها بيشتر است و از آنها بيشتر در توليد برق استفاده مي شود، اما وزن آنها بيشتر و بازدهي آنها كمتر از نوع ديگر توربين گاز است. توربين هاي صنعتي بزرگ بزرگتر از 100 مگاوات در چرخه اي ساده بازدهي حدود35 درصد ايجاد مي نمايند.
در صنايعي همچون صنايع شيميايي، پالايشي ، كاغذ ، فولاد و مراكز تجاري بزرگ توربين ها براي توليد همزمان برق و حرارت به منظور استفاده در محل مصرف مورد استفاده قرار مي گيرند. بازيافت حرارت اقتصادي بودن توربين هاي گاز ي در كاربردهاي فرايندي وابسته به استفاده مفيد از انرژي حرارتي موجود در گازهاي خروجي است كه معمولاً 60 تا 70 درصد انرژي سوخت ورودي را تشكيل مي دهند. شكل معمول تركيب توربين گاز و مولد بخار بازيافت حرارت در شكل 2-1 نشان داده شده است . استفاده از مولد بخار بازيافت حرارت بدون احتراق با توربين گاز ساده ترين شكلCHP با توليد بخار است و بخاري با فشار 150Psig تا حدود 1200Psig توليد مينمايد.
شکل 2-1 دو سيستم بازيافت حرارت از توربين گاز
5-1-1 : مشخصات عملكردي
1- بازدهي الكتريكي
توربين هايي كه به منظور تامين برق اضطراري به كار مي ر وند داراي بازدهي كم و در عوض قيمت پايين مي باشند، در صورتيكه توربين هايي كه براي كاربردهايي با فاكتور توان ساليانه بالا مورد استفاده قرار مي گيرند داراي بازدهي و قيمت بالا مي باشند.
در جدول ذيل مشخصات عملكردي سيستمهايCHP با توربين گاز كه در بازار امريكا قابل تهيه مي باشند با ظرفيتهاي 1 تا40 مگاوات آورده شده است.
2- بازدهي سيستمCHP
بازدهي كل سيستمCHP تابعي از مقدار انرژي بازيافت شده از خروجي سيستم مي باشد. مهمترين فاكتورهاي مؤثر بر روي مقدار انرژي قابل دسترس براي توليد بخار، دماي گاز خروجي از توربين و دماي دود خروجي از دودكش مولد بخار بازيافت حرارت مي باشد. دماي ورودي به توربين و نسبت فشار، تعيين كننده دماي خروجي از توربين گاز هستند . معمولاً توربين هاي گاز ائرودريوتيو دماي ورودي بالاتري نسبت به توربين هاي گاز صنعتي دارند، اما با توجه به بالاتر بودن نسبت فشار در اين نوع توربين ها، دماي گاز خروجي از هر دو نوع توربين تقريباً مشابه مي باشد و محدوده آن 850 تا 950 درجه فارنهايت است.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.