معرفی مولدهای مقیاس کوچک
نياز به انرژي الکتريکي در جامعه کنوني با توجه به انواع مصارف (خانگي، تجاري، صنعتي و کشاورزي) نيازي روزافزون مي باشد که اين نياز داراي رشدي ساليانه حدود 7% بطور متوسط در کشور مي باشد. در چرخه انرژي الکتريکي سه بخش اساسي فعاليت مي نمايند که عبارتند از:
۱- بخش توليد که وظيفه توليد انرژي را بر عهده دارد که نيروگاههاي برق را شامل مي گردد.
۲- بخش انتقال و فوق توزيع که وظيفه انتقال انرژي از مراکز توليد (نيروگاهها) به مراکز مصرف ( شبکه توزيع) را بر عهده دارد.
۳- بخش توزيع که وظيفه پخش انرژي به انواع مصارف بخصوص خانگي، تجاري و کشاورزي را بر عهده دارد. جهت تامين انرژي نقاط مصرف مي بايست انرژي الکتريکي در نيروگاهها توليد و توسط خطوط انتقال و فوق توزيع و در نهايت توزيع به نقاط مصرف رسانده شود. اما اگر جهت تامين بخشي از بار شبکه بتوانيم انرژي الکتريکي را در محل مصرف توليد کنيم، مي توانيم صرفه جويي قابل توجهي را در بخش توليد، انتقال و فوق توزيع شاهد باشيم.
توليد پراكنده
توليد پراكنده طبق تعريف عبارت است از توليد برق در محل مصرف يا در نزديكي آن با استفاده از سيستمهاي توليد برق نسبتاً كوچك كه ظرفيت آنها معمولاً كمتر از 25 مگاوات مي‌باشد و به شبكه توزيع متصل ميشوند. سابقه استفاده از توليد پراكنده به بعد از دهه 70 برميگردد .عوامل مختلفي دست به دست هم دادند و باعث بوجود آمدن مبحثي بنام «توليد پراكنده» شدند. مهمترين عواملي كه سبب شد در اين چند دهه توجه ويژه‌اي به توليد پراكنده شود را مي‌توان به صورت زير خلاصه نمود.
- نياز به تجديد ساختار در صنعت برق
- كيفيت برق و مسائل قابليت اطمينان
- رشد اقتصاد جهاني وجمعيت
- رشد سريع تكنولوژي و ظهور فناوريهاي با راندمان بالا
- آلودگي هوا و محيط زيست ناشي از سوزاندن سوختهاي فسيلي در تكنولوژيهايي كه هم راندمان پايين داشتند و هم آلودگي زيادي توليد مي‌كردند.
- لزوم صرفه‌جويي در مصرف انرژي با توجه به رو به زوال بودن منابع سوخت فسيلي
از سوي ديگر توليد پراكنده مزاياي بالقوه‌اي دارد كه از آن جمله مي‌توان به موارد زير اشاره نمود:
- كاهش نياز به افزايش ظرفيت برق شبكه
- احداث و بهره‌برداري بسيار آسان و سريع
- توليد برق با كيفيت بالا و امكان استفاده از گرماي حاصله به صورت همزمان (CHP)
- صرفه‌جويي زياد در مصرف انرژي
- کاهش تلفات و آزادسازي ظرفيت خطوط انتقال انرژي
- بهبود پروفيل ولتاژ
- پيک سايي
- امكان استفاده از منابع انرژي اوليه متنوع مانند بيوگاز، گاز طبيعي و ...
- صرفه‌جويي اقتصادي براي مصرف كننده نهايي
- افزايش امنيت تأمين انرژي براي مصرف كننده نهايي خصوصا درصنايع
- انتشار آلاينده‌هاي زيست محيطي پايين
همچنين امروزه تعداد شهرك هاي صنعتي در حومة شهرها قابل توجه شده است . بيشتر اين شهرك ها بين 50 تا 200 هكتار وسعت دارند و صنايع سبك و نيمه سنگين در آنها احداث شده و يا در حال احداث است . برق درخواستي اين شهرک ها بسته به وسعت و حجم صنايع احداث شده و يا در حال احداث در آنها 7 يا 8 مگاوات تا چند ده مگاوات و در موارد معدود تا چند صد مگاوات برآورد مي گردد .
دراكثر موارد نياز اين شهرك ها به توان الكتريكي در حدود 10 تا 25 مگاوات است و از آنجا كه صنايع بنا به ضرورت ، خواهان داشتن دسترسي پيوسته به برق مطمئن و داراي شاخص‌هاي قابل قبول مي‌باشند وزارت نيرو براي برقرساني به اين صنايع و براي ارائه برق با قابليت اطمينان بالا به آنها براي هر كدام از شهرك هاي صنعتي با مصرف برق بيش از 7 مگاوات احداث يك پست تبديل ولتاژ 20/63 كيلوولت و يا 20/132 كيلوولت داراي دو ترانسفورماتور 15 مگاوات آمپر (كه در صورت خارج شدن هر كدام از ترانسفورمرها ، ديگري بتواند به تنهايي برق مورد نياز را در كوتاه مدت تأمين نمايد) را ضروري مي‌داند . هزينة احداث اين چنين پستي كه بايد از دو بي خط (يك بي خط ورودي و يك بي خط خروجي) ، باس كوپلر و دو ترانسفورمر قدرت و تعدادي فيدر خروجي 20 كيلوولت (حداقل 6 فيدر) تشكيل شده باشد ، بعهده شهرك صنعتي مربوطه است . امروزه يك پست 20/63 كيلوولت با تجهيزات اشاره شده بالغ بر حدود سي ميليارد ريال و يك پست 20/132 كيلوولت حدود چهل ميليارد ريال هزينه مي‌برد . از طرف ديگر در راستاي سياستهاي كلي اصل 44 قانون اساسي و مباني قانون برنامه چهارم توسعه اقتصادي، اجتماعي و فرهنگي كشور و با توجه به عدم تعادل عرضه و تقاضاي برق به ويژه در اوقات اوج بار و نيز محدوديتهاي موجود در زمينه سرمايه گذاري بخش دولتي در احداث نيروگاهها جهت پوشش شكاف بين عرضه و تقاضا ، از ابتداي مهر ماه سال 1384 مقرر گرديد كه در خواستهاي تامين برق با قدرت بيش از 25 مگاوات به سمت نيروگاههاي خصوصي سوق داده شود. با توجه به شرايط بحراني سال جاري احتمال اينكه اين آزاد سازي به در خواست هاي پايين تر تسري يابد، وجود دارد.
بعلاوه گاز طبيعي كه يكي از پاك‌ترين سوختهاي موجود در جهان است، و در کشور ما به وفور موجود مي باشد. گاز طبيعي با همت وزارت نفت به اقصي نقاط مملكت بخصوص به شهرك هاي صنعتي لوله‌كشي شده و بنابراين مي‌توان در اكثريت قريب به اتفاق موارد از اين سرمايه‌گذاري انجام شده ، استفاده بهينه و دو منظوره نمود و علاوه بر تأمين سوخت اين شهرك ها براي توليد برق نيز از آن بهره جست. راندمان بالاي موتورهاي گازسوزي كه با تكنولوژي امروزه ساخته مي شود و عدم ايجاد آلودگي زيست محيطي، از جمله دلايل محكمي هستند كه توليد محلي برق را با استفاده از گاز طبيعي تشويق ميكنند .
اين شهرك ها مي‌توانند بيشتر از ميزان مصرف خود نيز برق توليد نموده و در ساعات اوج مصرف كه قيمت برق گرانتر است توليد مازاد بر مصرف خود را در سطح 20 كيلوولت و از طريق خطوط 20 كيلوولت بدون نياز به احداث پست تبديل ولتاژ به شبكه تزريق نمايند و در واقع اين توليد مازاد را به وزارت نيرو بفروشند .
احداث واحدهاي توليد پراکنده، ضمن كاهش تلفات شبكه و بهبود پروفايل ولتاژ و پايداري سيستم، بنحو قابل توجهي هزينه تمام شده احداث نيروگاه محلي توسط شهرك را به لحاظ صرفه‌جويي در عدم احداث يك پست تبديل ولتاژ و درآمد حاصل از فروش برق به وزارت نيرو جبران خواهد نمود . اكثر سازندگان باتجربه و مشهور موتورهاي ديزل گازوئيل سوز در سالهاي اخير به ساخت موتورهاي گازسوز رو آورده‌اند . مي‌توان حداقل بيست سازنده معروف اروپايي ، امريكايي و ژاپني فعال در اين زمينه را نام برد . تعداد قابل توجه سازندگان اين موتورها و رقابت بوجود آمده بين آنها منجر به حصول شاخصه‌هاي فني جالب در طراحي و ساخت موتورهاي گازسوز شده است. از آن جمله مي توان به راندمان بالا ، عمر طولاني ، پايين بودن آلاينده‌هاي زيست محيطي ، پشتيباني و خدمات پس از فروش خوب و هزينه پايين تعمير و نگهداري و قطعات يدكي اشاره کرد به طوري که اين موتورها را حتي در مقايسه با توربينهاي گازي برتري بخشيده و تنوع سازندگان، قدرت انتخاب خوبي در ميان آنها ايجاد نموده است .
دراين پروژه از موتورهاي رفت و برگشتي گازسوز جهت تامين برق استفاده خواهد شد.
انواع مولدهاي گازسوز
مولدهاي گاز سوزي كه در سيستمهاي توليد پراكنده و CHP مورد استفاده قرار مي‌گيرند، عبارتند از:
• ميكرو توربينها
• توربينهاي گازي
• موتورهاي رفت و برگشتي گاز طبيعي سوز
ميكروتوربينها در ظرفيتهاي پايين توليد ميشوند و به تازگي شركتهاي معدودي از جمله Capston امريكا و Elliot اقدام به توليد آن نموده‌اند. اين سيستمها اگرچه راندمان بالاتري دارند اما نسبت به موتورهاي رفت و برگشتي هزينه بيشتري دارند.
توربينهاي گازي نيز معمولاً در ظرفيتهاي بالا توليد ميشوند و تكنولوژي آن در اختيار چند شركت معروف از جمله زيمنس، آلستوم، رولزرويز و ... است و دقيقاً مشابه سيستمهاي توربين گازي نيروگاهي است. اين سيستمها نيز هزينه سرمايه‌گذاري اوليه بالايي دارند ولي نسبت به موتورهاي رفت و برگشتي راندمان بالاتري دارند.
موتورهاي رفت و برگشتي گاز سوز از جمله قديمي ترين سيستمهاي توليد قدرت محسوب ميشوند كه در تمامي بخشهاي صنعتي كاربرد وسيعي يافته اند. اين سيستمها مقرون به صرفه‌ترين سيستمهاي توليد برق مي‌باشند كه در ظرفيتهاي مختلف از چند كيلووات تا چند مگاوات ساخته ميشوند.
موتورهاي رفت و برگشتي
بيش از يكصد سال از ابداع موتورهاي رفت و برگشتي مي‌گذرد و اين فناوري از اولين فناوريهاي توليد پراكنده به حساب مي‌آيد. نيروي محركه اين موتورها از سوختهاي فسيلي است. موتورهاي رفت و برگشتي جزء موتورهاي احتراق داخلي بوده و عموماً بر اساس سيكلهاي اتو (اشتعال جرقه‌اي) و ديزل (اشتعال تراكمي) كار ميكنند. اين موتورها توانسته‌اند تقريباً در تمام بخش هاي اقتصادي مقبوليت وسيعي پيدا كنند. گستره بكارگيري اين موتورها از واحدهاي كوچك (براي تأمين قدرت مورد نياز ابزارهاي دستي) تا نيروگاه هاي برق بار پايه 60 مگاواتي تغيير ميكند. امروزه به خاطر مسايل زيست محيطي از واحدهاي ديزلي در توليد برق پايه كمتر استفاده شده و بيشتر در توليد توان پيك بكار مي‌رود. موتورهاي كوچكتر عمدتاً براي كارهاي حمل و نقل استفاده ميشوند، ولي مي‌توانند با اندكي تغيير شكل و اصلاح به مولدهاي برق تبديل شوند. موتورهاي بزرگتر بطور كلي براي توليد برق، محركه‌هاي مكانيكي يا نيروي پيشران كشتيها بكار ميروند. موتورهاي رفت و برگشتي هزينه سرمايه‌گذاري كمي دارند ولي ملزومات و هزينه تعمير و نگهداري (O&M) آنها بالا است. از ديگر قابليتهاي اين سيستمها دوگانه سوز بودن آنها مي‌باشد، بطوري كه مي‌توانند هم با سوخت ديزل و هم با گاز طبيعي كار كنند و در عين حال راندمان مطلوبي نيز داشته باشند.
مكانيزم
تقريباً تمام موتورهايي كه به منظور توليد برق بكار ميروند، چهار زمانه بوده و در چهار مرحله (مكش، تراكم، احتراق و تخليه) كار ميكنند. در ابتدا سوخت و هوا با نسبت معين با هم مخلوط شده و سپس از طريق منيفولد ورودي به محفظه احتراق هدايت ميشود. در برخي از موتورها براي افزايش قدرت خروجي از توربوشارژر يا سوپرشارژر استفاده ميشود. در توربوشارژر (يا سوپرشارژر) هوا پيش از اختلاط با سوخت متراكم شده و آنگاه با سوخت مخلوط ميشود. مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق با بالا آمدن پيستون متراكم ميشود. در موتورهاي ديزلي سوخت و هوا به طور جداگانه وارد محفظه احتراق ميشوند. به اين صورت كه ابتدا هواي متراكم خروجي از توربو يا سوپرشارژر وارد محفظه احتراق ميشود. در محفظه احتراق پيستون با حركت به سمت نقطه مرگ بالا، هوا را متراكمتر ميكند. با تراكم هوا دماي آن بالا رفته و در اين لحظه سوخت به داخل محفظه احتراق به صورت اتميزه شده, تزريق ميگردد. دماي هواي متراكم به قدري است كه به محض تزريق سوخت عمل احتراق صورت ميگيرد. عمل احتراق در موتورهاي داراي اشتعال جرقه‌اي قدري متفاوت است. در اين موتورها پس از متراكم شدن مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق، احتراق با جرقه شمع انجام ميگيرد. به هر حال بعد از عمل احتراق، قدرت توليد شده در نتيجه آزاد شدن انرژي شيميايي سوخت، باعث عقب راندن پيستون به سمت نقطه مرگ پايين ميشود. حركت پيستون به سمت پايين باعث چرخش ميل لنگ و توليد قدرت دوراني ميشود. بدين ترتيب مي‌توان از قدرت توليد شده توسط موتور با استفاده از يك ژنراتور برق، الكتريسيته توليد نمود. گازهاي داغ حاصل از احتراق با بالا آمدن مجدد پيستون از طريق دريچه خروجي به بيرون هدايت ميشوند و بدين ترتيب سيكل كامل ميشود. در شكل 3-1 شماتيك يك مولد برق با موتور رفت و برگشتي اشتعال جرقه‌اي نشان داده شده‌است. موتورهاي رفت و برگشتي با كمي تغيير شكل و اصلاح مي توانند از چند نوع سوخت استفاده كنند. امروزه به خاطر مشكلات زيست محيطي كه اينگونه موتورها دارند، از پيكربنديهاي دوگانه سوز استفاده ميشود. در اينگونه موتورها سوخت اول گاز طبيعي است.
شماتيك يك مولد برق با موتور رفت و برگشتي اشتعال جرقه‌اي