بهینه سازی مصرف انرژی در واحدهای ذوب با کوره های القایی

پس از شوک نفتی سال ۱۹۷۳ کشورهای پیشرفته ی صنعتی مجبور شدند تا به مساله انرپی که نیروی محرکه صنعت و رفاه اجتماعی آنها بود به شکل جدی تری بنگرند.
شاید یکی از دلایل به وجود آمدن آژانس بین المللی انرژی د رسال ۱۹۷۴ به رهبری کشور آمریکا که به تنهایی یک چهارم کل انرژی مصرفی جهان را مصرف می کند نیز ناشی از این مساله باشد.
یکی از وظایف این آژانس تهیه و تدوین برنامه های ذخیره سازی انرژی برای کشورهای عضو بود که در چهار چوب موارد ذیل ارایه می شود.

۱٫ کاهش شدت انرژی
۲٫ جایگزینی سوخت مقرون به صرفه
کاهش انرژی بری محصولات مصرف کننده ی انرژی
در علم اقتصاد مشخص شده است که یک ارتباط مستقیم بین مصرف انرژی سرانه با تولید نا خالص سرانه و رشد اقتصادی و رفاه و استاندارد زندگی وجود دارد.
نسبت تغیرات مصرف انرژی GPD (تولید ناخالصی ملی )
۱۹۸۵- ۱۹۹۵

متوسط رشد GPD متوسط رشد انرژی
آمریکا ۲٫۳ ۱٫۰۸
آلمان ۳٫۵ ۰٫۷-
چین ۹٫۹ ۴٫۳
ترکیه ۲٫۹ ۲٫۸
مصر ۴٫۸ ۲٫۵
ایران ۱٫۲ ۴٫۷
در جدول فوق نسبت تغیرات مصرف انرژی به تغیرات تولید ناخالص ملی ارایه شده است.با کمی دقت به این جدول به خوبی می توان دریافت که نحوه ی استفادهدیما از انرژی با کشورهای پیشرفته ی صنعتی و حتی کشورهای د رحال توسعه بسیار متفاوت است.فلذا با توجه به محدودیت منابع انرژی از یک سو و اثرات مخرب زیست محیطی ناشی از مصرف بی رویه ی انرزی به صورت یک ضرورت انکار نا پذیر در آمده است.
بر اساس آمارهای موسسه ی آمارهای انرژی در بخش صنعت ۳۰% از انرژی مصرفی به علل بهینه نبودن نوع مصرف به هدر می رود.
و از سوی دیگر صنایع فلزی از نظر انرژی بری پس از صنایع شیمیایی در رتبه ی دوم قرار دارند فلذا لزوم توجه بیشتری به مقوله ی مصرف انرژی در این صنعت احساس می شود.
یکی از بخش هایی که در بخش ریخته گری بیشترین انرژی را مصرف می کند واحد کوره می باشد.که این مقاله پاره از راهکارهای علمی و عملی جهت بهینه سازی مصرف انرژی در واحد ذوب با کوره ی القایی را مورد بحث قرار می دهد.
لازم به ذکر است که این روش ها در شرکت صنعتی شوفاژ کار به کار گرفته می شود و کاهش قابل توجه مصرف انرژی و در نهایت قیمت تمام شده محصول را به دنبال دارد.
در راستای بهینه سازی مصرف انرژی در شرکت صنعتی شوفاز کار کمیته ای تحت عنوان کمیته بهره وری انرژی تشکیل شد که اعضای آن به شرح ذیل بودند:

• مدیر کارخانه
• مدیر واحد تولید
• مدیرواحد تعمیرات و نگهداری
• مدیرواحد برق

• مدیر واحد برنامه ریزی
ریوس فعالیت های این کمیته عبارت بودند از:
• حساس سازی
• تعیین مراکز اصلی مصرف انرژی
• اندازه گیری مصرف انرژی در واحد های مختلف
• ایجاد انگیزه برای صرفه جویی
• هدف گذاری و اولویت بندی اهداف
• آموزش پرسنل درخصوص راهکارهای بهینه سازی

• اطلاع رسانی و گزارش دهی موفقیت ها
• جلب نظر مدیریت ارشد برای سرمایه گذاری

Monitoring & Taregting
اولین گام از حرکت کمیته بهره وری انرژی به سوی بهینه سازی مصرف ،اجرای یک متولوژی سیستماتیکی تحت عنوان نطارت و هدف گذاری می باشد.که به کمک این فاز می توان به اهداف زیر رست یافت:
• بررسی میزان مصرف انرژی نسبت به گذشته
• اثرات فصول سال بر آن
• پیش بینی مصرف انرژی د رآینده با توجه به تغیرات حاصله
• شناسایی دقیق تلفات انرژی
• مقایسه با سایر صنایع مشابه

• برسی روند تغیرات در گذشته
• برنامه ریزی و هدف گذاری
یکی از مهمترین وظایف کمیته بهره ورداری انرژی،مقایسه توزیع مصرف انرؤی کارخانه با یک معیار استاندارد می باشد.
پس از رسیدن نسبی به این حد استاندارد مشخص شده است که بیشترین مصرف انرژی در واحدهای ریخته گری مربوط به عملیلت ذوب می باشد.در این مقاله سعی شده راهکارهایی برای بهینه سازی مصرف انرژی در واحد ذوب با کوره های القایی ارایه شود.
توزیع مقدار انرژی مصرفی در کارخانه خای تولید قطعات ریختگری چدن به صورت زیر است :

• واحد تهیه ذوب …………………………………………….۶۱ درصد
• واحد قالبگیری و ماهیچه سازی……………………………۱۳ درصد
• واحد گرمایش هوا……………………………………………..۱۳ درصد
• واحد کنترل آلودگی ……………………………………………۶ درصد

• واحد سند بلاست ………………………………………………۶ درصد
• غیره ……………………………………………………………….۱درصد

به نظر می رسد که هزینه انرژی مصرفی در حدود ۱۵-۲۵ درصد از قیمت تمام شده قطعات را تشکیل می دهد.
البته هر واحد ریخته گری بسته به تولیدی که دارد،درصد متفاوتی از هزینه تمام شده تولیداتش به هزینه مصرف انرژی بر می گردد.به عنوان مثال،در یک کارخانه ریخته گری آلومنیم مصرف انرژی از هزینه بالایی برخوردار است،چرا که ذوب آلومنیم مستلزم صرف انرژی بالایی می باشد.مقدار انرژی که درجه حرارت یک پوند آلومنیم را تا ۷۰۰د رجه بالا می برد،می تواند درجه حرارت یک پوند آهن را ۱۴۸۰ درجه افزایش دهد.
نرخ تولید ذوب در کوره های القایی بسته به عوامل زیر است:
۱٫ درصد بکارگیری توان کوره

۲٫ نرخ توان کوره
۳٫ راندمان الکتریکی
۴٫ اتلافات حرارتی
الف:از طریق القا حرارت به نسوز
ب:اتلاف حرارت توسط سرباره
ج:از طریق تشعشع به هنگام باز بودن درب کوره
۵٫ اتلافات الکتریکی
الف:مبدل ها
ب:کنورتورهای فرکانس
ج:کندانسورها
د:سیم ها و کابل ها

ه:کویل
۶٫ گرمای مورد نیاز برای ذوب شارژ
۷٫ ظرفیت کوره
در شکل (۱) ارتباط بین ظرفیت کوره و نرخ انرژی مصرفی برای ذوب یک تن شارژ آورده شده است که نشان دهنده این مطلب است که با افزایش ظرفیت کوره،انرژی الکتریکی کمتری برای ذوب یک تن شارژ نیاز می باشد.به عنوان مثال برای ذوب یک تن شارژ در کوره های ۱۲ تا ۱۵ تن kwh/t610 و در کوره های ۱ تا ۳ تنی ،تقریباkwh/t700 انرژی مورد نیاز است.همچنین در شکل (۱) ، مقدار مصرف انرژی الکتریکی در حالت استاندارد و ایده آل به صورت خط چین نشان داده شده است.در این حالت،نیمی از ذوب در کوره باقی می ماند و مصرف انرژی شامل انرژی مورد نیاز برای نگهداری ذوب ،سرباره و سایر موارد اپراتوری نمی باشد. لذا مشاهده می گردد که زمینه های بهبود زیادی در کاهش مصرف انرژی دارد.
اتلاف حرارتی از کویل یکی از اساسی ترین فاکتورها می باشد که به ظرفیت کوره بستگی دارد.راندمان حرارتی کوره های فرکانس بالا حدود ۷۸-۶۰ درصد می باشد که بالاتر از کوره های فرکانس شبکه(۷۱-۵۸ درصد) می باشد،چرا که کوره های فرکانس شبکه دارای اتلاف حرارتی بیشتری می باشد در حالی که اتلاف الکتریکی در کوره های فرکانس با لا،بیشتر است.
کوره های فرکانس شهر برای ذوب شارژ ،قدرت کمتری داشته و لذا زمان طولانی تری صرف می کنند،از این رو ،اتلاف حرارتی بالایی دارند.در حالی که کوره های فرکانس بالا با توجه به قدرت بیشتر ،زمان کوتاه تری برای ذوب شارژ نیاز دارند و به این جهت از اتلاف حرارتی کمتری بر خوردار می باشند،ولی اتلاف الکتریکی به سبب تبدیل فرکانس در آنها بالا می باشد.در جدول (۱)مشخصه های عملکردی انواع کوره های القایی از نظر انرژی با یکدیگر مقایسه شدهاند.

راه کارهای بهینه سازی مصرف انرژی در عملیات ذوب
۱٫پایین نگه داشتن درجه حرارت ذوب تا حد ممکن
ظرفیت حرارتی فلز مذاب با بالا رفتن درجه حرارت افزایش می یابد و اتلاف حرارتی نیز کاملا به تناسب افزایش در جه حرارت افزایش می یابد.به عنوان مثال ،ظرفیت حرارتی چدن خاکستری با بالا رفتن ۱۰۰ درجه در حدود KWH/T20 افزایش می یابد.اتلاف حرارت به صورت هدایت (Qc) و اتلاف از طریق تشعشع توسط فرمول های ذیل محاسبه می شود.
Qc=[(T-t)/R]*10^-3
Qc=اتلاف حرارتی از طریق هدایت kw
T=درجه حرارت مذاب( کلوین )

t=درجه حرارت آب خنک کن (کلوین )
R= مقاومت حرارتی دیواره کوره (کیلو وات بر کلوین )

QR=5.67*10^-3 A*E*(T/100)^4
QR=اتلاف حرارتی از طریق تشعشع
E=سطح فلز مذاب (متر مربع )
اتلاف حرارتی از طریق تشعشع نسبت به درجه حرارت مذاب به صورت توانی(با توان چهار) افزایش می یابد .
برای پایین نگه داشتن درجه حرارت کوره به سرعت عمل در کار هایی نیاز می باشد که در مراحل بین بارگیری از کوره و بارریزی در قالب (از قبیل سرباره گیری در پاتیل،حمل ذوب و افزودن جوانه زا یا بعضی آلیاژسازها)صورت می پذیرد.همچنین پیش گرم کردن پاتیل ،کاهش فاصله حمل و نقل پاتیل و استفاده از یک درپوش برای آن می تواند کمک مناسبی باشد.

۲٫بکارگیری حداکثر توان کوره جهت ذوب سازی

جهت کاهش هزینه ذوب سازی بایستی نرخ ذوب سازی واقعی با تئوری نزدیک شود.در کوره های القایی بدون هسته،نرخ ۸۵ درصد بسیار عالی است،در حالی که در کوره های کانال دار نرخ ۹۰ درصد نیز ممکن می باشد.
یکی از مشکلاتی که همواره در واحدهای کوره وجود دارد بالا بودن ریسک کار کردن در ولتاژهای بالا (اشتف های بالا)می باشد.
یکی از مسایلی که این ریسک را باعث می شود مشکل بالا بودن سختی آب و خطر گرفتگی لوله های مدا خنک کن کویل که به این جهت اپراتوران کوره ترجیح می دهند در اشتف های پایین کار کرده و ذوب را طی مدت طولانی تری تهیه کنند.
مشکل کیفیت نا مطلوب آب از سه جهت تاثیرات نا مطلوبی دارد
کاهش قابلیت انتقال حرارت آب
خوردگی الکتروشیمیایی لوله ها
کاهش راندمان الکتریکی کوره به جهت بالا بودن هدایت الکتریکی آب
هر سه عوامل ارتباط مستقیم به میزان ناخالصی های موجود در آب دارد.
به عنوان مثال کل جامدات موجود در آب چاه کارخانه صنعتی شوفاژ کار mg/I2191 بود که قابلیت هدایت الکتریکی mohs/m3685 (میکرو) را بهوجود می آورد ولیکن از وقتی که برای مدار کوره دستگاه سختی گیر آب نصب شده است کل جامدات محلول در آب بهmg/I279 رسیده است و قابلیت هدایت الکتریکی ۴۲۴ می باشد.
در نتیجه بایستی با حل کردن مشکلاتی از قبیل ،از حداکثر توان کوره جهت ذوب سازی استفاده نمود.

۳٫استفاده از حداکثر ذ.ب موجود در کوره تا حد امکان (برای کوره های فرکانس شبکه)
استفاده از مقدار کمی ذوب کوره و شارژ مجدد آن از لحاظ مصرف انرژی مقرون به صرفه نیست.

۴٫سرعت بکار گیری کوره
سرعت در شارژکردن،سر باره گیری،بارگیری و شارژ مجدد در باز دهی تولید و مصرف انرژی بسیار موثر است .

۵٫دسته بندی قراضه ها و تعیین بهتریین محل برای قراضه های آهنی

۶٫تمیز کردن شارژ از مواد غیر فلزی مثل ماسه ،سنگ، خاک و غیره

گرما نهان ماسه تقریبا دو برابر آهن است، لذا از نظر مصرف انرژی در عملیات ذوب ، هر کیلو از ماسه که به همراه راهگاه یا قطعات بر گشتی یا حتی برخی از اوقات در آهن قراضه نیز یافت می شود ،معادل با دو کیلو گرم آهن ذوب نشده است. به عبارتی هر کیلو گرم ماسه ای که وارد کوره می شود،دو برابر انرژی بیشتر ینسبت به فلز نیاز دارد تال به همان درجه حرارت فلز برسد.
اگر در درجه حرارت ۱۵۰۰ ،سرباره ای به میزان یک درصد در ۳ تن مذاب آهن تشکیل شود،اتلاف توانی معادل kwh/t v 10 را د ر پی خواهد داشت.

۷٫اندازه گیری موثر در جه حرارت

اندازه گیری درجه حرارت مذاب اقدامی وقت گیر و هزینه بر است به خصوص که اپراتو ر باستی درب کوره را باز کرده و درجه حرارت را اندازه گیری کند.در این زمینه سیستم کامپیوتری کنترل درجه حرارت می تواند موثر تر عمل کند.
توجه به این نکته ضروری است که پایین رفتن یا بالا رفتن درجه حرارت علاوه بر ضایعاتی که می تواند ایجاد کند باعث به هدر رفتن انرژی در صورت افزایش درجه حرارت احتمالی مذاب یا صرف انرژی جهت گرم کردن مجدد مذاب در صورت سرد شدن آن نیز می گردد.

۸٫عدم شارژ در ساعات پیک مصرف

۹٫کاهش الکتریکی کوره
۹-۱-نگهداری ضخامت مشخص شده جداره دیر گداز
افزایش ضخامت نسوز یعنی دور کردن فلز شارژ از کویل که این خود باعث کاهش ضریب کویل شده و در نتیجه اتلاف انرژی الکتریکی بیشتر می شود.

همیشه باید ضخامت جداره نسوز را از زاویه میزان مصرف انرژی نیز مورد برسی قرار داد.شاید این تصور که اگر جداره نسوز ضخیم تر شده می تواند ریسک کمتر آسیب دیدن کویل را در بر داشته باشد گاهی باعث پرت انرؤی بسیار زیادی در طولانی مدت می شود فلذا همیشه باید ضخامت جداره نسوز را مورد بررسی قرار داده و کاهش و افزایش ضخامت آن را بر روی میزان مصرف انرژی ارزیابی نمود.

۹-۲-کنترل قطر کویل
با گذشت زمان به دلیل فشارهایی که از مواد دیر گداز به کویل وارد می شود ، قطر کویل افزایش یافته و راندمان پایین می آید که بایستی این مسئله را با سفت کردن منظم و دورهای پیچ های یوک کنترل کرد.

اگر در مرحله انتخواب کوره قرار دارید شاید یکی از مهمترین پارامترها ، شکل سطح مقطع کوره می باشد .
امروزه اکثر کویل های جدید با شکلrectangular طراحی می شوند که به علت کاهش مقاومت ، افزایش راندمان الکتریکی را در پی خواهد داشت.

۹-۳-یافتن نقاط داغ و حذف آن
یکی از مهمترین عواملی که بر روی مصرف انرژی تاثیر می گذارد،تغییر در مقاومت الکتریکی ناشی از شل بودن اتصالات می باشد. این تغییر به وسیله رابطه ۳ نسان داده می شود. اگر مقاومت یک مدار در اثر شل بودن اتصالات یا به هر علت دیگری افزایش یابد،توان مصرفی نیز افزایش می یابد.این تغییر در مقاومت می تواند به وسیله تغییر در جه حرارت کنداکتورها که از رابطه زیر پیروی می کند ، تعیین شود:
R2=R1[l+a(T)] T=T2-T1
که T1=20 و دمای۲۰ ،acu=0.0038 ، و aAl=0.0039 اگر در فرمول فوق T برابر ۴۰ باشد ، افزایش مصرفی معادل ۱٫۳ درصد را نشان می دهد .
در یک موتور سه فاز ۴۸۰ ولت که ۳۰ آمپر جریان می کشد ، ۱۴٫۴ کیلو وات ساعت انرژی مصرف می کند. با وجود یک نقطه داغ در این وسیله ، انرژی مصرفی به ۱۶٫۳ کیلو وات ساعت افزایش می یابد. اگر این موتور به صورت میانگین ۱۶۰ ساعت در ماه کار کند، همین یک نقطه داغ ،۳۰۴ کیلو وات ساعت انرژی را به هدر می دهد.بنابراین از تجهیزات خود به صورت پریودی اسکن مادون قرمز به عمل آورید.

۱۰-کاهش اتلاف حرارتی کوره
۱۰-۱-بسته بودن درب کوره تا حد ممکن

حدود ۷۵ درصد از اتلاف انرژی حرارتی کوره از باز بودن در کوره ناشی می شود.هنگامی که در کوره در درجه حرارت ۱۵۴۰ باز باشد، انرژی حرارتی معادل Btu/ft^2 3250 در دقیقه در آن باز باشد، انرژی حرارتی که در این مدت تلف می شود ، معادل kWh 78 خواهد بود.
طبق رابطه ۲ که که برای اتلاف حرارت از طریق تشعشع آورده شد،اتلاف حرارتی از طریق سطح مذاب تابع نمایی نسبت به درجه حرارت می باشد که از توان چهارم بر خوردار است.

به طور کلی پیش گرم کردن قراضه ها در واحد ریخته گری ممکن است با توجه به یکی از عوامل زیر صورت گیرد:
۱٫ پیش گرم کردن به منظور حذف رطوبت . روغن و دیگر آلودگی های شارژ
۲٫ پیش گرم کردن به منظور کاهش انرژی مورد نیاز کوره برای ذ.ب سازی
۳٫ پیش گرم کردن به منظور کاهش زمان ذوب که افزایش ضریب بکارگیری کوره را در پی خواهد داشت
۴٫ کاهش مصرف الکترود ها در کوره ها ی قوس الکتریک
۵٫ کاهش دود و آلودگی ها ی داخل محیط کارگاه
۶٫ کاهش سرباره تولید شده از مذاب که این امر افزایش طول عمر جداره نسوز را در پی خواهد داشت ، بسته به نوع قراضه هایی که استفاده می شود طراحی تجهیزات پیش گرم متفاوت است.برای روشن شدن تاثیر کوره پیش گرم در بهره وری واحد ذوب مثالی در زیر آورده می شود.
بسته به نوع قراضه هایی که استفاده می شود طراحی تجهیزات پیش گرم متفاوت می باشد . برای روشن شدن تاثیر کوره پیش گرم در بهره وری واحد ذوب مثالی در زیر آورده می شود .
کوره ذوب …………………………………………نوع فرکانس بالا با ظرفیت بالا با ظرفیت KW/t 600
نوع شارژ………………………………..۲۰ درصد شمش چدن ،۴۰درصد برگشتی و ۴۰ درصدآهن قراضه
درجه حرارت پیش گرم ………………………..۴۵۰-۵۰۰ درجه سلنتی گراد

زمان پیش گرم …………………………………………۳۰-۴۰ دقیقه
سیستم پیش گرم …………………………………………….جریان هوای داغ
درجه حرارت هوای داغ………………………………….۶۰۰ درجه سانتی گراد
منبع تامین کننده حرارت ………………………………مشعل گازی با توان kcal/h 40*104
بالانس حرارتی این کوره پیش گرم در جدول ( ۲ ) ارائه شده است .
تاثیر پیش گرم شارژ:
مثال ۱: در کوره هاییکه ۲۰ تن ظرفیت دارد و ودارای تئان معادل kw 5000 می با شد برای ذوب ۲ تن شارژ انرژی معادل مقدار زیر مصرف می شود .
کل انرژی مورد نیاز:
۵۳۰*۲=۱۰۶۰ kwh
زمان رسیدن دمای شارژ از دمای محیط به ۱۵۴۰: ۱۲٫۷۲=۶۰*(ساعت)۰٫۲۱۲=۱۰۶۰٫۵۰۰۰
نرخ تهیه ذوب :
۶۰٫۱۲٫۷۲=۴٫۷ شارژ بر ساعت
ظرفیت کوره ذوب بدون پیش گرم : (تن بر ساعت ) ۹٫۴=(تن بر هر شارژ ) ۲*(شارژ بر ساعت ) ۴٫۷
شارژی که تا دمای ۵۰۰ در جه سانتی گراد پیش گرم شده باشد ،نرخ ذوب سازی

زا تا حدود ۳۰% افزایش خواهد داد .
ظرفیت کوره ذوب با پیش گرم (تن بر ساعت )۱۲٫۲=۱٫۳۰*۹٫۴
در ضمن برای ذوب شدن شارژی که تا دمای ۵۰۰ پیش گرم شده، حدود kwh 100 انرژی کمتری نیاز است. در کوره های جدید،امکان استفاده از گاز و حرارت ایجاد شده در کوره جهت پیش گرم قراضه ها در نظر گرفته شده است.

مثال ۲: تاثیر پیشگرم شارژ در کوره های پیشگرم در کوره های پیشگرم نقاله ای در جدول ۳ آورده شده است.
برای روشن شدن تاثیر پیشگرم مثال دیگری آورده ممی شود.

مثال ۳: در جدول ۴ مشخصات تولید چدن در کوره های القایی با پیش گرم و بدون پیش گرم شارژ ، مقایسه شده است.
تاثیرات پیشگرم شارژ در جدول فوق به شرح ذیل آورده می شود:
الف:نرخ توان مصرفی از ۶۲۶ به kwh/t 467 کاهش یافته است
ب: مجموع انرژی مصرفی ۶٫۳% کاهش را نشان می دهد.
ج: ظرفیت ذوب سازی افزایشی معادل ۲۷ % را نشان می دهد.

۱۰-۳-کنترل مکش غبار گیرهای کوره

در گذشته سیستم کنترل آلودگی کوره به شکلی طراحی می شد که کانال هایی که از سیکلون های غبارگیر به دهنه کوره متصل بود یک مکش دایمی را اعمال می کرد که در پاره ای از اوقات که کوره درز حال شارژ نبود کار کردن غبار گیرها باعث به هدر رفتن انرژی حرارتی غبار گیر ها می شود.اما امروزه بایستی اپراتور کوره به راحتی امکان خاموش کردن غبار گیر را در زمان مقتضی را داشته باشد.حتی مکش همزمان و مساوی این کانال ها از چندین کوره توجیه منطقی ن

ارد،به علت اینکه در شرایط کاری اوقاتی است که یک کوره در حال شارژ و در حال دود و آلودگی بسیار زیادی است ولیکن کوره دیگر در حال نگهداری و ذوب می باشد که توسط سیستم مکانیزه ای که در شرکت صنعتی شوفاژ کار طراحی شد مکش کوره ای که در حال گرم نگهدار می باشد به کوره در حال شارژ شیفت پیدا می کند و در موقع مقتضی قطع خواهد شد.در ضمن بایستی کنترل شود که قدرت مکش غبار گیرهای کوره بیش از حد لزوم نباشد.
نتیجه گیری:
در این مقاله روش های کاربردی به منظور بهینه سازی مصرف انرژی در فرآیند تهیه ذوب ارایه شد. این روش ها اگر چه در بسیاری از موارد با صرف کمترین هزینه تا حد زیادی ما را به هدف هایمان نزدیک می کند ولیکن اجرای پاره ای از این روسش ها مستلزم صرف هزینه هایی است که در نگاه اول، سرمایه گذاری بالایی را می طلبد ولیکن اگر با دقت بیشتری مسئله مورد برسی قرار گیرد صرفه جویی اقتصادی که در بر خواهد داشت ظرف مدت کوتاهی بر گردان هزینه اولیه را در پی خواهد داشت .

به عنوان مثال ، جایگزین کردن کوره های فرکانس متوسط به جای کوره های فرکانس شبکه که در شرکت صنعتی شوفاژ کار قرار دارد در راستای همین سیاست می باشد.

تولید ترکیبی گرمایشی ، سرمایشی و توان

چگیده:
یکی از نیاز های اساسی هر صنعتی توان مورد نیاز جهت چرخاندن ماشین آلات و نیز تولید انرژی الکتریکی می باشد، که با استفاده از محرکه های مختلف که سوخت فسیلی استفاده می نمایند،تولید مگردد.جهت بهینه سازی مصرف سوخت این مولد ها استفاده از سیستم های برودتی وجود دارد،امکان استفاده مجدد از انرژی حاصل در محرکه ها جهت تولید سرمایش در چیلر های جذبی وجود دارد . به همین منظور در این مقاله تولید ترکیبی توان ، گرمایش و سرمایش بررسی و توضیح داده می شود.

مقدمه

در کشورهای پیشرفته انرژی الکتریکی فقط ۲۰ در صد تقاضای انرژی برای بخش صنعتی را تشکیل می دهد و باقیمانده تقاضا به صورت انرژی گرمایی می باشد. نیروگاههای حرارتی منبع اصلی تولید انرژی الکتریکی در اکثر کشور ها می باشند،اما حداکثر بازده حرارتی این نیروگاه های بخار و نیرو گاه های گازی در حدود ۴۰ درصد می باشد و باقیمانده انرژی حاصل از احتراق سوخت های فسیلی تلف می شود.منبع اصلی تلفات عدم استفاده مفید از انرژی گرمایی همراه گازهای حاصل از احتراق می باشد.
تولید دو منظوره توان و گرما CHP به عنوان یک راه حل مطلوب برای تولید توان و گرما به دلیل بازده بالاتر نسبت به نیروگاههای سنتی ، کاهش مصرف و سوخت و آلودگی کمتر محیط زیست در دنیا شناخته شده است.
سیستم گرما و توان Combined Heat and Power Generation (CHP))) یا سیستم تولید دو منظوره Cogeneration )) به سیستمی گفته می شود که در آن توان الکتریکی و انرژی گرمایی به طور ترتیبی تولید می شوند. با توجه به اینکه بازده این سیستم ها بیشتر از سیستم های تولید توان الکتریکی سنتی می باشد، وآلودگی محیط زیست کمتری دارد، استفاده از این سیستم ها در دنیا رایج شده است.بازده کلی یک سیستم تولید همزمان حدود ۹۰-۸۰ درصد می باشد.
یکی از مهمترین بخش های انرژی بر در اکثر ساختمان های مسکونی،تجاری و صنعتی کاربرد

دارند،سیستم های سرمکایش می باشند.امروزه از دو سیستم سرمایش به طور عمده استفاده می شود: سیستم های تراکمی و سیستم های جذبی.ساده ترین سیستم های سرمایشی ، چیلرهای تراکمی هستند که از کمپرسور جهت افزایش تراکم سیال مبرد استفاده می نمایند و لذا تقاضای انرژی زیادی دارند.سیستم های جذبی نیازی به کمپرسور ندارند و از پمپ جهت افزایش فشار مایع جذب کننده استفاده می نمایند و بنابر این تقاضای انرژی نسبتا کمتری دارند .اما

سیستم های جذبی ،نیاز به بخار جهت احیا مایع جذب کننده دارد،که به همین دلیل استفاده از بخار تولیدی در نیروگاه های تولید دو منظوره پس از استفاده اولیه بخار ،در سیستم های سرمایش جذبی به عنوان یک راهکار مطلوب پذیرفته شده است. به دلیل تولید ترتیبی قدرت،گرما و

سرمایش،به این مجموعه یک سیستم سه منظوره Combined Heat and Power Generation اطلاق می گردد،که در این مقاله به بررسی این سیستم ها می پردازیم.
در این مقاله ، ابتدا مروری خلاصه بر سیستم های تولید دو منظوره و همچنین سیستم های سرمایش جذبی ارائه می گردد. در ادامه ، سیستم های سه گانه و روش های محاسبه ضریب عملکرد این سیستم ها توضیح داده می شوند، و در پایان این سیستم ها در شرایط متفاوت بیان می گردد.

۲-سیستم ترکیبی گرما و توان Combined Heat and Power Generation (CHP)))
در شکل -۱ مشخصات نیروگاه های CHP و نیروگاه های سنتی ارائه و با یکدیگر مقایسه شده اند. نیرو گاه تولید همزمان دارای انواع متعددی بوده و بسته به نیاز محل مورد نظر ،از توربین گاز ،توربین بخار و یا موتور رفت و برگشتی بعنوان محرک اصلی استفاده می شود.انتخواب نوع موتور محرک

بستگی به میزان حرارت مورد نیاز و نسبت گرما به توان و عوامل اقتصادی دارد.این سیستم به دلیل نیاز به سرمایه گذاری اولیه بالا ، باید به شکلی طراحی شود که مطابق با نیازهای انرژی الکتریکی منطقه و محیط مورد نظر باشد، در غیر این صورت سرمایه گذاری صورت گرفته سود آور نخواهد بود.همان طور که ذکر شد ،نیروگاههای تولید همزمان دارای انواع متعددی هستند، ولی در این مقاله نیروگاههای تولید همزمان و تولید سه منظوره با سوخت گاز بررسی می شوند.با توجه به حجم وسیع منابع گازی در کشور و وسعت استفاده از این نیروگاهها در صنایع برق و نفت و بازده پایین تر این نیروگاهها نسبت به نیروگاه های حرارتی و سیکل ترکیبی، بازیافت حرارت خروجی از

این نیروگاه ها در اولویت قرار دارد.در نیروگاه های تولید دو منظوره با محرک توربین گازی ، انرژی گرمایی گازهای خروجی از توربین در یک دیگ بخار بازیافت و جهت تولید بخار استفاده می شود.
یک نیرو گاه تولید دو منظوره بر اساس توربین گاز، شامل یک سیکل توربین گاز ، کمپرسور و اتاق احتراق و توربین و یک دیگ بخار باز یافت گرما برای تولید بخار می باشد.برای افزایش نسبت گرم

ا به توان در این سیستم می توان از یک اتاق احتراق تکمیلی با تزریق سوخت از اکسیژن مصرف نشده در گازهای خروجی (بدلیل هوای اضافه مصرف شده در اتاق احتراق سیستم توربین گاز) برای انجام احتراق مجدد استفاده می شود. نمودار شماتیک این سیکل در شکل-۲ نشان داده شده است. از بخار تولید شده می توان برای تولید گرما یا برای تولید توان در یک توربین بخار و یا هر دو به طور همزمان استفاده کرد.

استفاده از این نیروگاهها در دنیا گسترش روز افزون یافته و به طور مثال در یک دهه گذشته ظرفیت نیرو گاههای CHP در انگلستان بیشتر لز دو برابر شده است. در سال ۲۰۰۱ در انگلستان، ۱۵۷۳ نیروگاه CHP وجود داشت که کل ظرفیت تولید انرژی الکتریکی آنها برابر ۴۸۰۱ مگا وات بود. از این تعداد ۴۲۹ نیروگاه در بخش صنعتی و ۱۴۴۴ نیروگاه در بخش عمومی ، تجاری و مسکونی قرار داشتند. به عنوان نمونه ، یک نیروگاه CHPکه در شمال غربی انگلستان ، انرژی گرمایی مورد نی

از یک کارخانه کاغذ سازی را تامین می کند، دارای ظرفیت تولید بخار و برق ۵۸ مگا وات می باشد ، که بر اساس محاسبات اقتصادی صورت گرفته حدود ۲ میلیون پوند در سال در هزینه انرژی صرفه جویی می شود . همچنین این کشور قصد دارد با اتخاذ راهبرد مناسب ظرفیت نیروگاه های CHP خود را تا سال ۲۰۱۰ به ۱۰ گیگا وات لرساند . بر اساس مطالعه ای که در اروپا انجام گرفته است ، ۲۲ در صد انرژی الکتریکی اروپا توسط نیروگاههای CHPتامین می گردد.

۳- سیستم سرمایش جذبی (Absorption refrigeration Systems )

سیکل جذبی سرمایش متشکل از اوپراتور و میعان کننده و نیز واحد های جذب کننده Absorberو احیا کننده Generator که نقش مشابه کمپرسور در سیکل های تراکمی را ایفا می کنند ، می باشد.در سیکل های جذبی معمو لا از آب به عنوان مبرد و از محلول لیتیم بر ماید و آب به عنوان جذب کننده استفاده می شود. دراین سیکل سیال مبرد (آب) پس از جذب گرما از مایع خنک شونده(آب) تبدیل به بخار می شود و توسط مایع جذب کننده ( محلول لیتیم برماید ) در واحد جذب کنندهAbsorber و تحت مکش و تحت مکش تبدیل به مایع می شود و فشار آن توسط پمپ به حد مطلوب افزایش می یابد و با فشار بالا وارد احیا کننده می شود. در این واحد با جذب گرما تبخیر شده ، که در این عمل لیتیم برماید آن جدا می شود و سیال مبرد در این مرحله تبدیل به مایع می شود و سیکل مربوطه با ورود سیال به تبخیر کننده تکرار می شود.در این سیکل بهترین عبارت برا

ی توصیف عملکرد احیا کننده و جذب کننده کمپرسور ترموشیمیایی می باشد که جایگزین کمپرسور سیکل تراکمی شده است ، که نیاز به انرژی مکانیکی فراوانی برای افزایش فشار بخار سیال تبرید در سیکل های تراکمی دارد. در این سیکل فقط از پمپ استفاده شده است که مصرف انرژی نسبتا کمی دارد و جهت افزایش فشار جریان با غلظت کم لیتیم برماید استفاده می گردد، شکل -۳

نمودار شماتیک سیکل چیلر جذبی را نشان می دهد. راندمان یا ضریب عملکرد به دست آمده از سیکل جذبی تقریبا ۰٫۷ می باشد. البته برای بهبود بیشتر ضریب عملکرد را می توان از مدل سیکل جذبی ( دو مرحله ای ) بهره گرفت و ضریب عملکرد را تا ۱٫۲ بهبود بخشید. در این سیکل به جای استفاده از یک احیا کننده از دو احیا کننده استفاده می شود.

استفاده از چیلر های جذبی هزینه راهبردی و نگهداری را به طور قابل ملاحظه ای در مقایسه با چیلر های تراکمی کاهش می دهد، چون قسمت های متحرک کمتری در این چیلر ها نسبت به چیلر های تراکمی وجود دارد.
توجیه اقتصادی استفاده از این چیلر ها با استفاده از گرمای اتلافی گاز های خروجی نیروگاهی جهت احیا مایع جذب کننده بسیار قوی می باشد. به عنوان مثال اگر به جای یک چیلر تراکمی که با ضریب کارکرد COP=4 ( 4 ) برای تولید متوسط ۳۰۰ تن تبرید در ۴۰۰۰ ساعت در یک سال می شود ( هزینه برق متوسط ۰٫۰۵ دلار بر کیلو وات ساعت می باشد )، از یک واحد چیلر جذبی که از حرارت اتلافی نیروگاه استفاده می نماید و میزان بخار مصرفی آن Ibs/h 5400 در فشار psig 15 می باشد ، میزان صرفه جویی در هزینه برق سالیانه تقریبا ۵۲۷۴۰ دلار خواهد بود.

۴- تولید سه منظوره Trigenereration
تولید سه منظوره به مفهوم گرفتن سه شکل مختلف انرژی از یک منبع اولیه می باشد. این سه شکل انرژی شامل گرمایش، سرمایش و انرزی الکتریکی می باشند.
از آنجایی که در این روش تولید این سه شکل انرژی به طور همزمان از منبع اولیه انرژی امکان پذیر است ، این روش را تولید ترکیبی گرمایش، سرمایش و توان (combined heating ,cooling &power generation ) و یا به اختصار CHCP می نامند.
در این روش از توربین گاز و یا موتور گاز به عنوان محرک برای به دست آوردن انرژی الکتریکی

استفاده می شود .انرژی حرارتی کازهای داغ خروجی از توربین گاز و یا موتور گاز سوز در یک دیگ بخار بازیافت حرارت جهت تولید بخار برای چرخاندن توربین بخار که به یک ژنراتور تولید انرژی الکتریکی متصل است،جهت گرمایش و یا تزریق در برجهه استفاده می شود. پس از عبور از توربین بخار ،

بخشی از بخار خروجی از توربین که هنوز دارای ظرفیت بالای انرژی حرارتی می باشد با عبور از یک مبدل حرارتی ، انرژی گرمایی را جهت تولید آب گرم به سیال دیگر منتقل ، و بخشی دیگر از بخار به عنوان منبع انرژی گرمایی جهت احیا سیال جذب کننده استفاده می شود. نمودار شماتیک یک سیستم سه منظوره در شکل ۴- نشان داده شده است.
تولید سه منظوره نسبت به روش تولید دو منظوره cogeneration کارایی و بازدهی بیشتری دارد ، که به دلیل استفاده از بخار خروجی از توربین از توربین بخار در فناوری مربوط به چیلر های جذبی استفاده می باشد.

در شکل ۵ و ۶ کارکرد دو سیستم جهت تولید ۱۰۰۰ کیلو وات انرژی الکتریکی و ۵۰۰ تن تبرید سرمایش مقایسه شده اند.

ه از انرژی الکتریکی جهت چرخاندن کمپرسور خود استفاده می نمایند، جهت تولید سرمایش استفاده شده است.با فرض ۰٫۶۵ کیلو وات توان الکتریکی مورد نیاز برای هر تن تبرید ، چیلر تراکمی ۳۲۵ کیلو وات از سیستم برق استفاده می نماید.
بدین ترتیب کل انرژی الکتریکی مورد نیاز کارخانه که باید از طریق توربین گازی تامین شود،بالغ بر ۱۳۲۵ کیلو وات خواهد شد. با فرض بازده حدود ۳۰% برای توربین گاز جهت تولید برق ، توان اولیه مورد نیاز که باید از طریق احتراق سوخت گاز در منفظه احتراق سیستم توربین گاز تولید گردد حدود ۴۴۱۷ کیلو وات می باشد.
در شکل -۶ از یک چیلر جذبی

برای تامین سرمایش استفاده می گردد.
در این روش از انرژی حرارتی گازهای خروجی از توربین گاز جهت احیا مایع جذب کننده استفاده می شود و بدین ترتیب انرژی اولیه مورد نیاز برای توربین گاز چیزی حدود ۳۳۳۳ کیلو وات خواهد بود.
همانطوریکه ملاحظه می شود استفاده از چیلر های جذبی در کنار سیستم تولید همزمان برق و حرارت به میزان ۲۵% از مصرف سوخت گاز این کارخانه کاسته است.

۵-کارایی تولید سه منظوره
کارایی و بازدهی یک نیروگاه که بر اساس تولید سه منظوره کار می کنند به صورت زیر تعریف می شود (۷ و ۹ )
P=(E+H+R)/F
P(performance)=بازدهی نیروگاه
E=توان الکتریکی تولید شده KW
H=توان حرارتی بازیافت شده KW
R=توان سرمایی تولید شده در واحد تبرید جذبی KW
F=توان حرارتی تولیدی ناشی از احتراق سوخت گاز KW
نسبت توان الکتریکی تولید شده به کل حرارت بازیافت شده در این سیستم به شکل ذیل محاسبه می گردد:
توان الکتریکی تولید شده از معادله زیرابل محاسبه است :
E=(PHR*S0*HR*CF)/10^6 [MWh/year]
PHR=نسبت توان الکتریکی تولید شده به کل حرارت بازیافت شده
S0=مقدار بخار مورد نیاز فرایند
CF =تعداد ساعات کاری در سال ضریب عملکرد پیوسته (۰٫۹۵-۰٫۹)
HR=تعداد ساعات کاری در سال

مجموع حرارت بازیافت شده و سرمای تولید شده به شکل ذیل محاسبه می شود :
S=(P0*H0*HR*CF)/PHR*10^6 [TJ/hr]
P0=مقدار توان الکتریکی مورد نیاز فرایند که می بایستی تامین شود .
H0=آنتالپی بخار مورد نیاز فرایند

 

۶-انتخواب ترکیب بهینه اجزا برای یک نیروگاه تولید سه منظوره با توجه به عوامل متعدد تاقیر گذار نیاز به بررسی فراوان در مدت زمان قابل ملا حظه و تحلیل فنی-اقتصادی جامع بر روی موارد متعددی از جمله در دسترس بودن سوخت ، تعرفه های برق و گاز ، بررسی میزان تقاضا برای برق ، آب سرد ، بخار و آب گرم ، بررسی میزان تقتضای بیشینه و مدت تداوم آن دارد.
با این وجود برای تولید سه منظوره در حالت کلی می توان ۴ شکل عمده را معرفی نمود که عبارتند از:
۱٫ تولید سه منظوره به منظور بکارگیری موتور های گاز