معرفی مولدهای مقیاس کوچک

نیاز به انرژی الکتریکی در جامعه کنونی با توجه به انواع مصارف (خانگی، تجاری، صنعتی و کشاورزی) نیازی روزافزون می باشد که این نیاز دارای رشدی سالیانه حدود 7% بطور متوسط در کشور می باشد. در چرخه انرژی الکتریکی سه بخش اساسی فعالیت می نمایند که عبارتند از:
1 بخش تولید که وظیفه تولید انرژی را بر عهده دارد که نیروگاههای برق را شامل می گردد.
2 بخش انتقال و فوق توزیع که وظیفه انتقال انرژی از مراکز تولید (نیروگاهها) به مراکز مصرف ( شبکه توزیع) را بر عهده دارد.
3 بخش توزیع که وظیفه پخش انرژی به انواع مصارف بخصوص خانگی، تجاری و کشاورزی را بر عهده دارد. جهت تامین انرژی نقاط مصرف می بایست انرژی الکتریکی در نیروگاهها تولید و توسط خطوط انتقال و فوق توزیع و در نهایت توزیع به نقاط مصرف رسانده شود. اما اگر جهت تامین بخشی از بار شبکه بتوانیم انرژی الکتریکی را در محل مصرف تولید کنیم، می توانیم صرفه جویی قابل توجهی را در بخش تولید، انتقال و فوق توزیع شاهد باشیم.

تولید پراکنده

تولید پراکنده طبق تعریف عبارت است از تولید برق در محل مصرف یا در نزدیکی آن با استفاده از سیستمهای تولید برق نسبتاً کوچک که ظرفیت آنها معمولاً کمتر از 25 مگاوات می‌باشد و به شبکه توزیع متصل میشوند. سابقه استفاده از تولید پراکنده به بعد از دهه 70‏ برمیگردد .عوامل مختلفی دست به دست هم دادند و باعث بوجود آمدن مبحثی بنام «تولید پراکنده» شدند. مهمترین عواملی که سبب شد در این چند دهه توجه ویژه‌ای به تولید پراکنده شود را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود.
- نیاز به تجدید ساختار در صنعت برق
- کیفیت برق و مسائل قابلیت اطمینان
- رشد اقتصاد جهانی وجمعیت
- رشد سریع تکنولوژی و ظهور فناوریهای با راندمان بالا
- آلودگی هوا و محیط زیست ناشی از سوزاندن سوختهای فسیلی در تکنولوژیهایی که هم راندمان پایین‌ داشتند و هم آلودگی زیادی تولید می‌کردند.
- لزوم صرفه‌جویی در مصرف انرژی با توجه به رو به زوال بودن منابع سوخت فسیلی
از سوی دیگر تولید پراکنده مزایای بالقوه‌ای دارد که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- کاهش نیاز به افزایش ظرفیت برق شبکه
- احداث و بهره‌برداری بسیار آسان و سریع
- تولید برق با کیفیت بالا و امکان استفاده از گرمای حاصله به صورت همزمان (CHP)
- صرفه‌جویی زیاد در مصرف انرژی
- کاهش تلفات و آزادسازی ظرفیت خطوط انتقال انرژی
- بهبود پروفیل ولتاژ
- پیک سایی
- امکان استفاده از منابع انرژی اولیه متنوع مانند بیوگاز، گاز طبیعی و ...
- صرفه‌جویی اقتصادی برای مصرف کننده نهایی
- افزایش امنیت تامین انرژی برای مصرف کننده نهایی خصوصا درصنایع
- انتشار آلاینده‌های زیست محیطی پایین
همچنین امروزه تعداد شهرک های صنعتی در حومه شهرها قابل توجه شده است . بیشتر این شهرک ها بین 50 تا 200 هکتار وسعت دارند و صنایع سبک و نیمه سنگین در آنها احداث شده و یا در حال احداث است . برق درخواستی این شهرک ها بسته به وسعت و حجم صنایع احداث شده و یا در حال احداث در آنها 7 یا 8 مگاوات تا چند ده مگاوات و در موارد معدود تا چند صد مگاوات برآورد می گردد .
دراکثر موارد نیاز این شهرک ها به توان الکتریکی در حدود 10 تا 25 مگاوات است و از آنجا که صنایع بنا به ضرورت ، خواهان داشتن دسترسی پیوسته به برق مطمئن و دارای شاخص‌های قابل قبول می‌باشند وزارت نیرو برای برقرسانی به این صنایع و برای ارائه برق با قابلیت اطمینان بالا به آنها برای هر کدام از شهرک های صنعتی با مصرف برق بیش از 7 مگاوات احداث یک پست تبدیل ولتاژ 20/63 کیلوولت و یا 20/132 کیلوولت دارای دو ترانسفورماتور 15 مگاوات آمپر (که در صورت خارج شدن هر کدام از ترانسفورمرها ، دیگری بتواند به تنهایی برق مورد نیاز را در کوتاه مدت تامین نماید) را ضروری می‌داند . هزینه احداث این چنین پستی که باید از دو بی خط (یک بی خط ورودی و یک بی خط خروجی) ، باس کوپلر و دو ترانسفورمر قدرت و تعدادی فیدر خروجی 20 کیلوولت (حداقل 6 فیدر) تشکیل شده باشد ، بعهده شهرک صنعتی مربوطه است . امروزه یک پست 20/63 کیلوولت با تجهیزات اشاره شده بالغ بر حدود سی میلیارد ریال و یک پست 20/132 کیلوولت حدود چهل میلیارد ریال هزینه می‌برد . از طرف دیگر در راستای سیاستهای کلی اصل 44 قانون اساسی و مبانی قانون برنامه چهارم توسعه اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی کشور و با توجه به عدم تعادل عرضه و تقاضای برق به ویژه در اوقات اوج بار و نیز محدودیتهای موجود در زمینه سرمایه گذاری بخش دولتی در احداث نیروگاهها جهت پوشش شکاف بین عرضه و تقاضا ، از ابتدای مهر ماه سال 1384 مقرر گردید که در خواستهای تامین برق با قدرت بیش از 25 مگاوات به سمت نیروگاههای خصوصی سوق داده شود. با توجه به شرایط بحرانی سال جاری احتمال اینکه این آزاد سازی به در خواست های پایین تر تسری یابد، وجود دارد.
بعلاوه گاز طبیعی که یکی از پاک‌ترین سوخت‌های موجود در جهان است، و در کشور ما به وفور موجود می باشد. گاز طبیعی با همت وزارت نفت به اقصی نقاط مملکت بخصوص به شهرک های صنعتی لوله‌کشی شده و بنابراین می‌توان در اکثریت قریب به اتفاق موارد از این سرمایه‌گذاری انجام شده ، استفاده بهینه و دو منظوره نمود و علاوه بر تامین سوخت این شهرک ها برای تولید برق نیز از آن بهره جست. راندمان بالای موتورهای گازسوزی که با تکنولوژی امروزه ساخته می شود و عدم ایجاد آلودگی زیست محیطی، از جمله دلایل محکمی هستند که تولید محلی برق را با استفاده از گاز طبیعی تشویق می‌کنند .
این شهرک ها می‌توانند بیشتر از میزان مصرف خود نیز برق تولید نموده و در ساعات اوج مصرف که قیمت برق گرانتر است تولید مازاد بر مصرف خود را در سطح 20 کیلوولت و از طریق خطوط 20 کیلوولت بدون نیاز به احداث پست تبدیل ولتاژ به شبکه تزریق نمایند و در واقع این تولید مازاد را به وزارت نیرو بفروشند .
احداث واحدهای تولید پراکنده، ضمن کاهش تلفات شبکه و بهبود پروفایل ولتاژ و پایداری سیستم، بنحو قابل توجهی هزینه تمام شده احداث نیروگاه محلی توسط شهرک را به لحاظ صرفه‌جویی در عدم احداث یک پست تبدیل ولتاژ و درآمد حاصل از فروش برق به وزارت نیرو جبران خواهد نمود . اکثر سازندگان باتجربه و مشهور موتورهای دیزل گازوئیل سوز در سالهای اخیر به ساخت موتورهای گازسوز رو آورده‌اند . می‌توان حداقل بیست سازنده معروف اروپایی ، امریکایی و ژاپنی فعال در این زمینه را نام برد . تعداد قابل توجه سازندگان این موتورها و رقابت بوجود آمده بین آنها منجر به حصول شاخصه‌های فنی جالب در طراحی و ساخت موتورهای گازسوز شده است. از آن جمله می توان به راندمان بالا ، عمر طولانی ، پایین بودن آلاینده‌های زیست محیطی ، پشتیبانی و خدمات پس از فروش خوب و هزینه پایین تعمیر و نگهداری و قطعات یدکی اشاره کرد به طوری که این موتورها را حتی در مقایسه با توربین‌های گازی برتری بخشیده و تنوع سازندگان، قدرت انتخاب خوبی در میان آنها ایجاد نموده است .
دراین پروژه از موتورهای رفت و برگشتی گازسوز جهت تامین برق استفاده خواهد شد.

انواع مولدهای گازسوز

مولدهای گاز سوزی که در سیستمهای تولید پراکنده و CHP مورد استفاده قرار می‌گیرند، عبارتند از:
• میکرو توربینها
• توربینهای گازی
• موتورهای رفت و برگشتی گاز طبیعی سوز
میکروتوربینها در ظرفیتهای پایین تولید می‌شوند و به تازگی شرکتهای معدودی از جمله Capston امریکا و Elliot اقدام به تولید آن نموده‌اند. این سیستمها اگرچه راندمان بالاتری دارند اما نسبت به موتورهای رفت و برگشتی هزینه بیشتری دارند.
توربینهای گازی نیز معمولاً در ظرفیتهای بالا تولید می‌شوند و تکنولوژی آن در اختیار چند شرکت معروف از جمله زیمنس، آلستوم، رولزرویز و ... است و دقیقاً مشابه سیستمهای توربین گازی نیروگاهی است. این سیستمها نیز هزینه‌ سرمایه‌گذاری اولیه بالایی دارند ولی نسبت به موتورهای رفت و برگشتی راندمان بالاتری دارند.
موتورهای رفت و برگشتی گاز سوز از جمله قدیمی ترین سیستمهای تولید قدرت محسوب می‌شوند که در تمامی بخشهای صنعتی کاربرد وسیعی یافته اند. این سیستمها مقرون به صرفه‌ترین سیستمهای تولید برق می‌باشند که در ظرفیتهای مختلف از چند کیلووات تا چند مگاوات ساخته می‌شوند.

موتورهای رفت و برگشتی

بیش از یکصد سال از ابداع موتورهای رفت و برگشتی می‌گذرد و این فناوری از اولین فناوریهای تولید پراکنده به حساب می‌آید. نیروی محرکه این موتورها از سوختهای فسیلی است. موتورهای رفت و برگشتی جزء موتورهای احتراق داخلی بوده و عموماً بر اساس سیکلهای اتو (اشتعال جرقه‌ای) و دیزل (اشتعال تراکمی) کار می‌کنند. این موتورها توانسته‌اند تقریباً در تمام بخش های اقتصادی مقبولیت وسیعی پیدا کنند. گستره بکارگیری این موتورها از واحدهای کوچک (برای تامین قدرت مورد نیاز ابزارهای دستی) تا نیروگاه های برق بار پایه 60 مگاواتی تغییر می‌کند. امروزه به خاطر مسایل زیست محیطی از واحدهای دیزلی در تولید برق پایه کمتر استفاده شده و بیشتر در تولید توان پیک بکار می‌رود. موتورهای کوچکتر عمدتاً برای کارهای حمل و نقل استفاده می‌شوند، ولی می‌توانند با اندکی تغییر شکل و اصلاح به مولدهای برق تبدیل شوند. موتورهای بزرگتر بطور کلی برای تولید برق، محرکه‌های مکانیکی یا نیروی پیشران کشتیها بکار می‌روند. موتورهای رفت و برگشتی هزینه سرمایه‌گذاری کمی دارند ولی ملزومات و هزینه تعمیر و نگهداری (O&M) آنها بالا است. از دیگر قابلیتهای این سیستمها دوگانه سوز بودن آنها می‌باشد، بطوری که می‌توانند هم با سوخت دیزل و هم با گاز طبیعی کار کنند و در عین حال راندمان مطلوبی نیز داشته باشند.

مکانیزم

تقریباً تمام موتورهایی که به منظور تولید برق بکار میروند، چهار زمانه بوده و در چهار مرحله (مکش، تراکم، احتراق و تخلیه) کار میکنند. در ابتدا سوخت و هوا با نسبت معین با هم مخلوط شده و سپس از طریق منیفولد ورودی به محفظه احتراق هدایت میشود. در برخی از موتورها برای افزایش قدرت خروجی از توربوشارژر یا سوپرشارژر استفاده میشود. در توربوشارژر (یا سوپرشارژر) هوا پیش از اختلاط با سوخت متراکم شده و آنگاه با سوخت مخلوط میشود. مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق با بالا آمدن پیستون متراکم می‌شود. در موتورهای دیزلی سوخت و هوا به طور جداگانه وارد محفظه احتراق میشوند. به این صورت که ابتدا هوای متراکم خروجی از توربو یا سوپرشارژر وارد محفظه احتراق میشود. در محفظه احتراق پیستون با حرکت به سمت نقطه مرگ بالا، هوا را متراکمتر میکند. با تراکم هوا دمای آن بالا رفته و در این لحظه سوخت به داخل محفظه احتراق به صورت اتمیزه شده, تزریق میگردد. دمای هوای متراکم به قدری است که به محض تزریق سوخت عمل احتراق صورت میگیرد. عمل احتراق در موتورهای دارای اشتعال جرقه‌ای قدری متفاوت است. در این موتورها پس از متراکم شدن مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق، احتراق با جرقه شمع انجام میگیرد. به هر حال بعد از عمل احتراق، قدرت تولید شده در نتیجه آزاد شدن انرژی شیمیایی سوخت، باعث عقب راندن پیستون به سمت نقطه مرگ پایین میشود. حرکت پیستون به سمت پایین باعث چرخش میل لنگ و تولید قدرت دورانی میشود. بدین ترتیب می‌توان از قدرت تولید شده توسط موتور با استفاده از یک ژنراتور برق، الکتریسیته تولید نمود. گازهای داغ حاصل از احتراق با بالا آمدن مجدد پیستون از طریق دریچه خروجی به بیرون هدایت میشوند و بدین ترتیب سیکل کامل میشود. در شکل 3-1 شماتیک یک مولد برق با موتور رفت و برگشتی اشتعال جرقه‌ای نشان داده شده‌است. موتورهای رفت و برگشتی با کمی تغییر شکل و اصلاح می توانند از چند نوع سوخت استفاده کنند. امروزه به خاطر مشکلات زیست محیطی که اینگونه موتورها دارند، از پیکربندیهای دوگانه سوز استفاده می‌شود. در اینگونه موتورها سوخت اول گاز طبیعی است.

شماتیک یک مولد برق با موتور رفت و برگشتی اشتعال جرقه‌ای