بهینه‌سازی سیستم یکپارچه تولید همزمان برق، حرارت و سرمایش (CCHP)

مقدمه

با رشد سریع جمعیت و نیاز روزافزون به انرژی، استفاده از منابع تجدیدپذیر اهمیت بیشتری پیدا کرده است. ما به دلیل پیامدهای زیست‌محیطی سوخت‌های فسیلی، به دنبال راهکارهای پاک و پایدار هستیم. انرژی باد به عنوان یکی از منابع پاک و بی‌پایان، جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده است. استفاده از انرژی باد باعث کاهش گازهای گلخانه‌ای می‌شود و بهره‌وری سیستم‌های انرژی را بهبود می‌بخشد. سیستم یکپارچه تولید همزمان برق، حرارت و سرمایش (CCHP) یکی از راه‌های کارآمد در کاهش اتلاف انرژی در انتقال و مصرف نهایی محسوب می‌شود. این سیستم‌ها چند چرخه ترمودینامیکی را با هم ترکیب می‌کنند و به صورت همزمان برق، حرارت و سرمایش تولید می‌کنند. این امر باعث کاهش هزینه‌ها و بهبود بهره‌وری می‌شود.

در این پروژه، ما یک سیستم یکپارچه طراحی کردیم که نیازهای الکتریکی، حرارتی و سرمایشی را به صورت همزمان و با حداقل اتلاف انرژی تأمین می‌کند. سیستم ما از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

1. سیکل اولیه (کمپرسور – ذخیره‌سازی – توربین گاز):

   • ابتدا هوای محیط توسط دو کمپرسور فشرده می‌شود. انرژی لازم برای کمپرسورها از توربین بادی تأمین می‌شود.
   • هوای فشرده از طریق مبدل‌های حرارتی عبور می‌کند. این مبدل‌ها هم انرژی لازم برای کمپرسورها را کاهش می‌دهند و هم آب گرم تولید می‌کنند.
   • هوای فشرده به مخزن ذخیره‌سازی (CAES) منتقل می‌شود. در مواقع نیاز، هوای ذخیره‌شده برای تولید برق یا حرارت استفاده می‌شود.

2. سیکل‌های فرعی:

   • چرخه رانکین آلی (ORC):
     انرژی باقی‌مانده در جریان گازهای خروجی از توربین گاز به بخار تبدیل می‌شود. سپس توربین رانکین آلی این بخار را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
   • چرخه سردسازی آب آمونیاکی:
     انرژی اضافی در جریان گازهای خروجی بازیابی می‌شود. این انرژی به تولید سرمایش برای فضاهای مسکونی و تجاری اختصاص می‌یابد.

این سیستم یکپارچه تولید همزمان برق، حرارت و سرمایش (CCHP) با استفاده از فناوری‌های نوین در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر و ترکیب چند چرخه ترمودینامیکی، نمونه‌ای عملی از تأمین انرژی پایدار و بهینه است. طراحی دقیق اجزا، مدل‌سازی جامع و تحلیل‌های انجام‌شده، امکان بهره‌برداری بهینه از منابع انرژی را فراهم می‌کند و در مقیاس‌های کوچک و متوسط می‌تواند نقش بسزایی در توسعه پایدار انرژی داشته باشد.

توصیف سیستم

در سیستم یکپارچه تولید همزمان برق، حرارت و سرمایش (CCHP)، نمودارهای ارائه‌شده در زیر تأثیر بیشترین فشار مخزن ذخیره هوای فشرده را بررسی کردند. در ادامه به صورت تفصیلی تأثیرات این پارامتر و نمودارهای مرتبط توضیح داده می‌شود:

تأثیر افزایش فشار پرکردن مخزن (Maximum Pressure of Air Cavern)

• افزایش کار کمپرسورها:
  با افزایش فشار مورد نیاز در مخزن، کمپرسورها باید هوای محیط را به فشار بالاتری برسانند. این فرآیند انرژی بیشتری مصرف می‌کند.

• افزایش دمای خروجی کمپرسورها:
  فشار بالاتر منجر به افزایش دمای خروجی هوا از کمپرسورها می‌شود. دمای بالاتر باعث می‌شود تا سیستم بتواند آب گرم با دمای بالاتر تولید کند؛ بنابراین اگر تولید آب گرم از اهداف اصلی سیستم باشد، این تغییر مثبت محسوب می‌شود.

• افزایش زمان شارژ و دشارژ مخزن:
  افزایش فشار باعث می‌شود چگالی هوای ورودی به مخزن بالا رود. در نتیجه، زمان لازم برای پر شدن مخزن (شارژ) طولانی‌تر شده و زمان خالی شدن مخزن (دشارژ) نیز افزایش می‌یابد.
• تأثیر متقابل بر مصرف و تولید انرژی:
  افزایش زمان دشارژ باعث افزایش انرژی خالص تولیدی در یک بازه زمانی مشخص می‌شود؛ اما افزایش زمان شارژ، مصرف انرژی را نیز افزایش می‌دهد. در نتیجه نسبت انرژی تولیدی به انرژی مصرفی چندان تغییر قابل توجهی نمی‌کند.

• تولید آب گرم:
  فشار بالاتر به افزایش دمای خروجی کمپرسورها کمک می‌کند؛ بنابراین، اگر هدف اصلی سیستم تولید آب گرم باشد، این تغییر مثبت محسوب می‌شود.

تغییرات مربوط به کمترین فشار مخزن (Minimum Pressure of Air Cavern)

• کاهش زمان شارژ و دشارژ:
  افزایش حداقل فشار مخزن باعث کاهش زمان‌های شارژ و دشارژ می‌شود. در این حالت، هوای ذخیره‌شده سریع‌تر از مخزن خارج یا وارد می‌شود.
• کاهش انرژی ورودی و خروجی:
  زمان کوتاه‌تر شارژ منجر به کاهش انرژی ورودی به سیستم می‌شود و کاهش زمان دشارژ نیز انرژی خروجی را کاهش می‌دهد. بنابراین تأثیر کلی این پارامتر بر عملکرد سیستم نسبتاً ملایم است.

تأثیر دبی جرمی خروجی هوای مخزن

• افزایش کار خروجی توربین گاز:
  افزایش دبی جرمی خروجی هوای مخزن به طور مستقیم باعث افزایش کار تولیدی توربین گاز می‌شود.

• تأثیر بر زمان دشارژ:
  با افزایش دبی، زمان دشارژ کاهش می‌یابد. در نتیجه، توان خروجی توربین افزایش می‌یابد، اما دوره فعالیت توربین کوتاه‌تر خواهد بود. تا زمان تعیین مقدار بهینه، نمی‌توان به طور دقیق اثر نهایی این پارامتر بر عملکرد کل سیستم را قضاوت کرد.

تغییرات دمای ورودی توربین گاز

• افزایش کار ورودی توربین:
  افزایش دمای ورودی توربین گاز موجب افزایش انرژی ورودی به توربین می‌شود. این افزایش انرژی باعث افزایش دمای خروجی توربین نیز می‌گردد.

• انتقال گرمای بیشتر:
  دمای بالاتر خروجی توربین به ژنراتور سیکل سردسازی (آمونیاکی) انتقال می‌یابد. این امر ظرفیت سرمایشی را افزایش داده و انرژی ورودی به محفظه احتراق را نیز بالا می‌برد.

تغییرات در چرخه رانکین آلی

• افزایش دمای ورودی توربین سیکل رانکین آلی:
  وقتی دمای ورودی این توربین افزایش می‌یابد، کار تولیدی توربین نیز افزایش پیدا می‌کند. اما به دلیل کاهش انرژی گرفته شده در این سیکل، مقدار انرژی منتقل شده به ژنراتور سیکل سردسازی کاهش می‌یابد و ظرفیت سرمایشی کمتر می‌شود.

• افزایش فشار ورودی:
  افزایش فشار ورودی توربین در چرخه رانکین آلی نیز به طور مشابه باعث تغییر در عملکرد این سیکل می‌شود؛ اگرچه اثر آن به همان اندازه تغییرات دما قوی نیست.

اثر تغییرات فشار در سردساز 

• تغییرات فشار کم (Minimum Pressure):
  افزایش این پارامتر منجر به افزایش ظرفیت سرمایشی سیستم می‌شود.

• افزایش بیشینه فشار سردساز:
  وقتی بیشینه فشار در سردساز افزایش می‌یابد، ظرفیت سرمایشی کاهش پیدا کرده و اندکی اگزرژی هدر رفته در سیستم افزایش می‌یابد.

تأثیر مبدل جرارتی سردساز

• بهبود تبادل حرارتی:
  عملکرد بهینه مبدل جرارتی در سردساز موجب بهبود تبادل حرارتی می‌شود. این بهبود تبادل حرارتی در نهایت باعث افزایش کارایی چرخه جذبی و بهبود بهره‌وری کلی سیستم می‌گردد.

این تحلیل دقیق از نمودارها به ما کمک می‌کند تا نقاط قوت و ضعف سیستم را شناسایی کنیم و در طراحی بهینه‌تر، تغییرات لازم را اعمال نماییم. هر پارامتر در سیستم تأثیر مستقیمی بر کارایی نهایی دارد و درک دقیق اثرات آن برای بهبود عملکرد سیستم حیاتی است.

تحلیل پارامترهای کلیدی

1. فشار پرکردن مخزن (Maximum Pressure of Air Cavern)

• افزایش فشار:

با افزایش فشار مورد نیاز در مخزن، کمپرسورها باید هوای محیط را به سطح فشار بالاتری برسانند. این تغییر باعث می‌شود کار کمپرسورها به طور مستقیم افزایش یابد. همچنین، فشار بالاتر به دلیل فشرده‌سازی شدیدتر، دمای خروجی هوای فشرده شده را نیز افزایش می‌دهد.

• تولید آب گرم:

افزایش دمای خروجی کمپرسورها به سیستم اجازه می‌دهد تا آب گرم با دمای بالاتر تولید کند. این امر در سیستم‌هایی که تولید آب گرم از اهداف اصلی آن‌هاست، بسیار مفید است، زیرا می‌توان با دمای بالاتر از آب گرم، نیاز به سوخت برای افزایش دما در مراحل بعدی (مثلاً در محفظه احتراق توربین گاز) کاهش یابد.

• زمان‌های شارژ و دشارژ:

فشار بالاتر به معنی چگالی بیشتر هوای ورودی به مخزن است. به همین دلیل، زمان لازم برای پر شدن مخزن (زمان شارژ) افزایش می‌یابد. همچنین، زمان خالی شدن مخزن (زمان دشارژ) نیز طولانی‌تر می‌شود. در یک سو، افزایش زمان دشارژ به معنای تولید انرژی خالص بیشتر در یک بازه زمانی مشخص است، اما در سوی دیگر، افزایش زمان شارژ نیز انرژی مصرفی سیستم را افزایش می‌دهد. بنابراین، نسبت انرژی تولیدی به انرژی مصرفی تغییر چندانی نمی‌کند.
اگر هدف اصلی سیستم تأمین یا تولید آب گرم باشد، افزایش فشار پرکردن مخزن می‌تواند به عنوان یک عامل مثبت در نظر گرفته شود، زیرا دمای بالاتر خروجی و تولید آب گرم مطلوب را به همراه دارد؛ اما باید توجه داشت که این امر همچنین منجر به افزایش مصرف انرژی کمپرسورها می‌شود.

2. فشار خالی کردن مخزن (Minimum Pressure of Air Cavern)

• تغییر زمان‌های شارژ و دشارژ:

افزایش حداقل فشار مخزن منجر به کاهش زمان‌های شارژ و دشارژ می‌شود. در زمان شارژ، ورودی مخزن بسته است و در زمان دشارژ، خروجی مخزن بسته می‌باشد. بنابراین، با افزایش این پارامتر، فرآیندهای شارژ و دشارژ سریع‌تر انجام می‌شوند.

• تأثیر بر عملکرد کلی سیستم:

کاهش زمان شارژ به معنای کاهش انرژی ورودی به سیستم است؛ همچنین، کاهش زمان دشارژ نیز منجر به کاهش انرژی خروجی می‌شود. از آنجا که هر دو انرژی ورودی و خروجی به طور همزمان کاهش می‌یابند، تأثیر کلی این پارامتر بر عملکرد سیستم ملایم بوده و تغییر قابل توجهی در نسبت انرژی تولیدی به انرژی مصرفی ایجاد نمی‌کند.

3. دمای مخزن

• تأثیر بر زمان‌های شارژ و دشارژ:

تغییر دمای مخزن تأثیر چندانی بر زمان‌های شارژ و دشارژ ندارد. زیرا افزایش یا کاهش دما به طور همزمان بر چگالی هوای ورودی به مخزن و همچنین بر خروجی تأثیر مشابهی دارد؛ بنابراین زمان‌های شارژ و دشارژ تقریباً ثابت باقی می‌مانند.

• تولید انرژی مفید:

دمای بالاتر مخزن می‌تواند به کاهش نیاز به سوخت کمک کند. برای مثال، اگر دمای ورودی به توربین گاز به 800 درجه سانتی‌گراد نیاز باشد، افزایش دمای اولیه هوا از مخزن به معنای نیاز کمتر به سوخت برای رسیدن به دمای هدف است. بدین ترتیب، با استفاده از هوای گرم‌تر، سیستم می‌تواند با مصرف سوخت کمتر یا با همان میزان سوخت، دمای بالاتری برای ورودی توربین تأمین کند.

• تبادل حرارتی با محیط:

افزایش دمای مخزن ممکن است موجب افزایش تبادل حرارتی با محیط شود. این تبادل حرارتی اضافی می‌تواند به افزایش اتلاف اگزرژی منجر شود؛ بنابراین باید تعادل مناسبی بین بهره‌وری تولید انرژی و اتلاف حرارتی برقرار شود.

4. دبی جرمی ورودی هوای مخزن

• افزایش دبی ورودی:

وقتی دبی جرمی هوای ورودی به مخزن افزایش می‌یابد، کمپرسورها مجبور می‌شوند انرژی بیشتری برای فشرده‌سازی هوا تأمین کنند. اما این افزایش باعث می‌شود زمان روشن بودن کمپرسورها برای پر کردن مخزن کاهش یابد. به عبارت دیگر، اگرچه انرژی مصرفی بالاتر می‌رود، مدت زمان کار کمپرسورها کوتاه‌تر خواهد بود.

• تولید آب گرم:

افزایش دبی ورودی به معنای ورود حجم بیشتری از هوای فشرده به مخزن است. این امر به تولید آب گرم کمک می‌کند و مقدار تولید آب گرم را افزایش می‌دهد؛ چرا که هوای ورودی با دبی بالاتر، در صورت برخورداری از دمای مناسب، قادر به انتقال حرارت بیشتر به مبدل‌های حرارتی خواهد بود.

5. دبی جرمی خروجی هوای مخزن

• کار خروجی توربین گاز:

افزایش دبی جرمی خروجی هوای مخزن به‌طور مستقیم منجر به افزایش کار توربین گاز می‌شود. هوای خروجی با دبی بالاتر باعث می‌شود توربین بتواند توان بیشتری تولید کند.

• زمان خالی شدن مخزن:

با افزایش دبی خروجی، زمان لازم برای خالی شدن مخزن کاهش می‌یابد. در نتیجه، توان خروجی توربین گاز افزایش می‌یابد؛ اما دوره فعالیت توربین نیز کوتاه‌تر خواهد بود. به عبارت دیگر، سیستم در بازه‌های کوتاه‌تر توان بیشتری تولید می‌کند اما مدت زمان کلی فعالیت کاهش می‌یابد.

• اثر کلی بر عملکرد سیستم:

تا زمان تعیین مقدار بهینه دبی جرمی خروجی، نمی‌توان به‌طور دقیق اثر نهایی این پارامتر بر کل عملکرد سیستم را قضاوت کرد. زیرا علاوه بر افزایش توان تولیدی، کاهش دوره فعالیت می‌تواند باعث تغییرات در بازدهی کلی سیستم شود.

نکات مهم در مدل‌سازی و فرضیات

مسائل مربوط به جریان گاز خروجی (flue gas):

در قسمت مربوط به جریان گاز خروجی به علت عدم توانایی شبیه‌سازی دقیق ترکیب مورد نظر در نرم‌افزار REFPROP، به جای آن از خصوصیات کربن‌دی‌اکسید استفاده شده و مقادیر انتالپی و اگزرژی به ترتیب 450 و -0.2 در نظر گرفته شد.

مدل‌سازی توربین سیکل رانکین آلی:

برای تحلیل توربین سیکل رانکین آلی، فرض ایزنتروپیک در نظر گرفته شده و سپس با استفاده از بازده ایزنتروپیک تعیین شده در مقاله، مقدار واقعی آنتالپی توربین به دست آمده است.

انتخاب و ثابت نگه داشتن پارامترها در تحلیل‌های حساسیت:

در مقاله مرجع برای رسم نمودارها گفته شده است که هنگام تغییر یک پارامتر، سایر پارامترها ثابت نگه داشته می‌شوند. در بخش 5.1.2 اشاره شده که کاهش فشار خروجی CAES منجر به کاهش توان خروجی توربین ORC می‌شود؛ در حالی که با توجه به ثبات دما و فشار (که از پارامترهای اصلی محسوب می‌شود) توان خروجی ORC باید ثابت باقی بماند. بنابراین در تحلیل‌های ارائه‌شده، در صورت ثابت نگه داشتن دما و فشار، توان خروجی توربین ORC ثابت و تنها ظرفیت سرمایش کاهش می‌یابد.

افت فشار در مسیرهای انتقال:

در مدل‌سازی حاضر، افت فشار در لوله‌ها در نظر گرفته نشده است. نویسنده مقاله اشاره داشته که افت فشار در هر مسیر مقداری وجود دارد که تأثیر کمی بر خروجی سیستم دارد.

پروژه های مرتبط انجام شده

شبیه سازی واحد سیکل ترکیبی (CHP,CCHP for Power Generation) با اسپن پلاس

طراحی مبدل حرارتی واحد سیکل ترکیبی (CHP)

جمع‌بندی

در این گزارش، یک سیستم یکپارچه تولید همزمان برق، حرارت و سرمایش (CCHP) مبتنی بر انرژی باد و ذخیره‌سازی هوای فشرده (CAES) مورد تحلیل و ارزیابی قرار گرفت. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که این سیستم با بهینه‌سازی پارامترهایی مانند فشار مخزن، دبی جرمی ورودی و خروجی هوا، و دمای عملکردی، می‌تواند به بهره‌وری انرژی بالا، کاهش اتلاف اگزرژی و تولید همزمان برق، حرارت و سرمایش دست یابد. افزایش فشار مخزن موجب تولید بیشتر آب گرم، بهبود راندمان انرژی، و کاهش نیاز به سوخت‌های فسیلی می‌شود. همچنین، تحلیل حساسیت پارامترهای کلیدی نشان می‌دهد که تنظیم دقیق این عوامل می‌تواند عملکرد سیستم را در شرایط عملیاتی مختلف بهینه کند.

شرکت SANILCO به‌عنوان پیشرو در ارائه راهکارهای نوآورانه در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر، با تمرکز بر طراحی و توسعه سیستم‌های پیشرفته CCHP و استفاده از فناوری‌های مدرن مانند انرژی باد و ذخیره‌سازی هوای فشرده، نقش مهمی در بهبود بهره‌وری انرژی و کاهش اثرات زیست‌محیطی ایفا می‌کند. این پروژه نمونه‌ای از تعهد SANILCO به توسعه راهکارهای پایدار و کارآمد در صنعت انرژی است که می‌تواند در راستای اهداف جهانی کاهش کربن و افزایش کارایی سیستم‌های انرژی تأثیرگذار باشد.

مرجع

Mohammadi, A., Ahmadi, M. H., Bidi, M., Joda, F., Valero, A., & Uson, S. (2017). Exergy analysis of a Combined Cooling, Heating and Power system integrated with wind turbine and compressed air energy storage system. Energy Conversion and Management, 131, 69-78.