موتورگازسوز چیست و تولید همزمان برق و حرارت چگونه انجام می شود؟

به گزارش برق نیوز، موتور گازی یا موتور گازسوز یا موتور گاز طبیعی، موتوری است که گاز طبیعی را می‌سوزاند و به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند و سپس انرژی مکانیکی ایجاد شده را به وسیله ژنراتور به برق تبدیل می‌کند. نیروگاه‌های گاز طبیعی تقریباً یک چهارم برق جهان و  می‌توانند برای تولید برق در محل مصرف با صرف هزینه‌های کمتر برای صاحبان صنایع  مورد استفاده قرار گیرند و همچنین برای متعادل کردن تولید برق از طریق انرژی‌های تجدیدپذیر که بعضا به صورت فصلی متغیر می‌باشند، مورد استفاده قرارگیرند.

نیروگاه گازی نوعی نیروگاه سوخت فسیلی بحساب می‌آیند که در آن انرژی شیمیایی ذخیره شده در گاز طبیعی که عمدتاً متان است، به طور متوالی به انرژی حرارتی، انرژی مکانیکی و در نهایت انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. اگرچه آن‌ها نمی‌توانند از محدودیت چرخه کارنو برای تبدیل انرژی گرمایی به کار مفید تجاوز کنند، گرمای اضافی ممکن است در نیروگاه‌های تولید همزمان برق و حرارت  (CHP-CCHP) برای گرم کردن ساختمان ها، تولید آب گرم یا برای گرم کردن مواد در مقیاس صنعتی استفاده شود.

ژنراتورها

به طور معمول ژنراتور‌ها از نظر نوع سوختی که دریافت می‌کنند تا به برق تبدیل کنند، با یکدیگر تفاوت دارند. مولد گازسوز متشکل از یک موتور گازسوز که از گاز طبیعی برای تولید انرژی مکانیکی استفاده می‌کند و یک ژنراتور (آلترناتور) می‌باشد که قادر به تبدیل سوخت گازی به برق است. در ادامه به شرح وظایف این دو قطعه می‌پردازیم:

۱-موتور گازسوز

موتور گازسوز بخشی از مولد گازسوز می‌باشد که وظیفه تبدیل گاز، به انرژی مکانیکی را بر عهده دارد. با ورود گاز به سیلندر‌های موتور و انجام عمل احتراق، انرژی مکانیکی تولید می‌گردد. چرخش شفت موتور با استفاده از این انرژی مکانیکی صورت می‌گیرد و با اتصال آن به ژنراتور، برق تولید می‌شود.

۲-ژنراتور (آلترناتور)

ژنراتور (آلترناتور) وظیفه تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی را بر عهده دارد. انجام این کار با چرخاندن سیم پیچ چرخشی توسط شفت موتور درون سیم پیچ ثابت صورت می‌گیرد. نتیجه این چرخش‌ها تولید انرژی الکترومغناطیسی می‌باشد که در نهایت منجر به تولید برق در خروجی ژنراتور می‌گردد.

موتور احتراق داخلی

موتور‌های احتراق داخلی معمولاً کمتر از۱۲مگاوات هستند که بسیار کوچکتر از انواع دیگر تولید کننده برق با سوخت گاز طبیعی می‌باشند و معمولاً برای تولید برق در محل مصرف برای کم کردن اتلاف انرژی و همیشه در دسترس بودن برق بدون متضرر شدن از نوسانات شبکه سراسری برق و یا برای  متعادل کردن انرژی تجدیدپذیر متغیر مانند باد و خورشید استفاده می‌شوند.

اجزای تشکیل دهنده موتور ژنراتور گازسوز

تصویر زیر اصول اولیه یک موتور گازی ثابت و ژنراتور مورد استفاده برای تولید نیرو را نشان می‌دهد. این موتور از چهار جزء اصلی تشکیل شده است - موتوری که توسط گاز‌های  مختلف می‌تواند برق تولید کند. هنگامی که گاز در سیلندر‌های موتور محبوس و شمع‌ها باعث انفجار آن می‌شوند، انرژی ایجاد شده میل لنگ را در داخل موتور می‌چرخاند. میل لنگ یک دینام را می‌چرخاند که منجر به تولید برق می‌شود. گرمای حاصل از فرآیند احتراق از سیلندر‌ها خارج می‌شود که در پیکربندی تولید همزمان برق و حرارت که chp نامیده می‌شود قابل بازیابی است و یا از طریق رادیاتور‌های تخلیه که در نزدیکی موتور قرار دارند دفع می‌شود. در نهایت، و مهمتر از همه، سیستم‌های کنترل پیشرفته‌ای برای تسهیل عملکرد قوی ژنراتور وجود دارد.

موتورهای گازی را می توان برای تولید موارد زیر تقسیم بندی کرد:

• فقط تولید برق (تولید بار پایه)
• برق و گرما - تولید همزمان / حرارت و برق ترکیب CHP
• برق و سرما و گرما ترکیبیCCHP

موتور‌های گازی معمولاً به‌عنوان واحد‌های تولید پیوسته و بدون نوسان استفاده می‌شوند و می‌توانند به‌عنوان نیروگاه‌های با عرضه برق محلی کار کنند. آن‌ها می‌توانند به موازات شبکه برق شهری،  یا در حالت جزیره ای، برای تولید برق در مناطق دور افتاده، بکار گرفته می­شود.

• قطعات تشکیل دهنده موتور در مولد گازسوز

شناخت قطعات تشکیل دهنده مولد گازی و وظایف آن‌ها به اطلاع از نحوه عملکرد آن کمک می‌کند. در ادامه به معرفی و شرح وظایف هرکدام از قطعات موتور می‌پردازیم:

۱-فیلتر روغن

فیلتر روغن در حفظ کیفیت روغن موتور و تمیز ماندن آن با پیشگیری از ورود آلاینده‌ها به درون روغن، نقش دارد. تمیز ماندن روغن مصرفی موتور به افزایش طول عمر آن و حفظ کیفیت عملکرد موتور و همچنین پیشگیری از آسیب به آن کمک می‌کند.

۲-مخزن روغن

مخزن روغن همانطور که از نامش پیدا است، محلی می‌باشد که در آن روغن موتور قرار می‌گیرد.

۳-فیلتر هوا

فیلتر هوا یکی دیگر از اجزایی می‌باشد که در حفظ کیفیت و عملکرد موتور و همچنین بالا بردن طول عمر آن نقش دارد. این قطعه که از مواد فیبری ساخته شده است، وظیفه پاک کردن و از بین بردن ذراتی مانند گرد وغبار، آلودگی ها، گاز‌های مضر و همچنین باکتری‌ها از هوای ورودی به درون موتور را بر عهده دارد و به این ترتیب نقش خود را در مراقبت از موتور ایفا می‌کند.

۴-شیر برقی گاز

شیر برقی گاز که وظیفه خود را با استفاده از برق و فرمان کنترل پنل انجام می‌دهد، عملکردی مشابه شیر آب دارد. به این ترتیب که عبور گاز و یا پشت لوله ماندن آن، با باز و بسته شدن شیر برقی گاز صورت می‌گیرد.

۵-رگولاتور گاز

این قطعه عملکردی مشابه شیر کنترل فشار دارد و در واقع وظیفه تنظیم فشار گاز را برعهده دارد. اهمیت تنظیم فشار گاز ورودی به موتور به این دلیل است که در صورتی که فشار گاز ورودی کم یا مناسب نباشد، عمل احتراق سوخت به درستی انجام نمی‌شود و فرایند تولید انرژی مکانیکی با مشکل مواجه می‌گردد؛ بنابراین رگولاتور گاز میزان فشار گاز خروجی را با توجه به میزان فشار گاز ورودی تنظیم کرده و آن را کاهش داده و یا افزایش می‌دهد.

۶-گاورنر

اندازه گیری و تنظیم سرعت و تعداد دور موتور نیاز به کنترل توسط سیستمی دارد که این سیستم در موتور گاورنر نامیده می‌شود.

۷-استارت و اتوماتیک استارت

به طور کلی استارت‌ها می‌توانند برقی، پنوماتیکی و یا هیدرولیکی باشند که در موتور برق‌های گازی و ژنراتور‌های گاز سوز نوع برقی آن‌ها بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این استارت‌ها موظف هستند که میل لنگ را تا زمانی که احتراق سوخت درون موتور صورت گیرد و موتور روشن شود، به چرخش درآورند.

۸-شمع

روشن شدن ژنراتور گازی نیاز به جرقه برای احتراق سوخت دارد. این جرقه توسط شمع‌ها به هنگام استارت زدن ایجاد می‌شود. شمع قطعه‌ای است که برای انجام این کار انرژی مورد نیاز خود را از باتری دریافت می‌کند.

۹-اگزوز

دود‌های تولید شده در نتیجه احتراق سوخت درون موتور، از طریق اگزوز خارج می‌شوند. اگزوز‌های موتور‌های گاز سوز به گونه‌ای طراحی شده اند که موجب کاهش فشار‌های ناشی از دود‌های خروجی از موتور در مراحل مختلف می‌شوند و به این ترتیب بر کاهش قابل توجه صدای کارکرد ژنراتور تاثیر می‌گذارد. در صورتی که اگزوز به خروجی دستگاه متصل نباشد، فعالیت دستگاه با تولید صدای بسیار بلند و وحشتناکی همراه خواهد بود.

• قطعات تشکیل دهنده ژنراتور

در بخش قبلی با قطعات سازنده موتور و وظایف آن‌ها آشنا شدیم. در این بخش قصد داریم تا شما را با قطعات تشکیل دهنده ژنراتور پایه گازسوز آشنا کنیم و وظایف آن‌ها را به طور کامل شرح دهیم:

۱-روتور

تولید میدان مغناطیسی در ژتراتور و ایجاد تعامل بین سیم پیچ‌های آن نیازمند حرکت و چرخش قطعه‌ای به نام روتور در سیستم الکترومغناطیس ژنراتور می‌باشد. در نتیجه حرکت دورانی این قطعه انرژی الکتریکی به قطعه‌ای به نام استاتور منتقل می‌گردد.

۲-استاتور

به سیم پیچ ثابت ژنراتور، استاتور گفته می‌شود. همانطور که پیش‌تر نیز به آن اشاره کردیم، این قطعه انرژی خود را از میدان مغناطیسی حاصل شده از چرخش روتور دریافت می‌کند و در نهایت انرژی الکتریکی را به عنوان خروجی تحویل می‌دهد.

۳-کارت AVR

ولتاژ برق در پایانه خروجی ژنراتور، با توجه به میزان جریان کشی از دستگاه و همچنین میزان دمای کار، تنظیم می‌شود که عمل تنظیم آن توسط کارت AVR صورت می‌گیرد.

• تابلو برق و کنترل

تابلو برق بخشی است که وظیفه قطع و وصل و حفاظت از ادوات برقی را بر عهده دارد. این تابلو کنترل وظیفه کنترل عملکرد مولد را بر عهده دارد.

۱-کنترل پنل

مرکز فرمان مولد گازی کنترل پنل می‌باشد و وظیفه این بخش این است که اطلاعاتی را درباره وضعیت موتور و ژنراتور از اعلام مشکلات، خرابی، میزان کارکرد و سایر موارد را دریافت و تحلیل و تصمیم گیری می‌نماید. از طریق تابلو کنترل امکان کنترل و مانیتورینگ مولد وجود دارد. با استفاده از صفحه نمایشگر و کلید‌هایی که بر روی آن تعبیه شده اند، می‌توان دستگاه را روشن کرد و یا محدوده توان خروجی آن و سایر پارامتر‌ها را تنظیم نمود.

۲-شارژر باتری

این قطعه همانطور که از نامش پیدا است، وظیفه شارژ کردن باتری را بر عهده دارد. این مدار الکترونیکی با استفاده از ولتاژ و جریان الکتریکی، باتری را شارژ می‌کند و این کار را زمانی که دستگاه روشن است، انجام می‌دهد. هدف از این کار پیشگیری از به اصطلاح خوابیدن باتری در هنگام استفاده مجدد از ژنراتور می‌باشد.

نحوه عملکرد موتور ژنراتور گاز سوز برای تولید فقط برق

• در ابتدای فرایند، گاز طبیعی از طریق لوله‌ی اصلی گاز به ایستگاه تقلیل فشار گازانتقال می‌یابد. پس از تقلیل فشار گاز در ایستگاه، با توجه به راندمان موتورژنراتور، (حدود ٢٥٠ مترمکعب بر ساعت گاز به ازای ١مگاوات برق) میزان حجم مورد نیاز گاز به ورودی رگولاتور انتقال می‌یابد. تمهیدات کنترلی وحفاظت ایمنی، سنجش فشار و حجم و... در این رگولاتور انجام می‌گیرد.

• از طرفی دیگر، از طریق فن‌های تعبیه شده در ساختمان نیروگاه، هوای مورد نیاز احتراق موتور تامین می‌گردد و از طریق فیلتر‌های هوا به درون موتور انتقال پیدا می‌کند.

• استفاده از توربوشارژر در موتورها، باعث افزایش راندمان موتور می‌گردد. این دستگاه از دو بخش اصلی متصل به هم تشکیل شده که با هماهنگی همدیگر، حجم و فشار هوای ورودی به محفظه سیلندر را افزایش داده و در نهایت موجب افزایش قدرت کلی موتور میگردند.

• پس از فشرده سازی و تنظیم دمای هوای ورودی درون موتور، عملیات ترکیب با گاز طبیعی با نسبت مشخص انجام شده و مخلوط سوخت و هوا به درون محفظه احتراق سیلندر‌ها از طریق منیفولد هدایت می‌شود.

• در زمان مناسب عملیات جرقه زنی توسط شمع‌ها انجام گرفته و انرژی درونی مخلوط گاز و هوا به انرژی حرکتی پیستون منجر می‌شود.

• در موتور‌های ٤ زمانه، ٤ عملیات ١- مکش (تنفس) ٢- تراکم (فشرده سازی) ٣- انفجار (قدرت) ٤ -تخلیه (خروج دود) به صورت مداوم انجام می‌گیرد.

• انرژی مکانیکی خطی پیستون از طریق شاتون و میل لنگ در نهایت به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل شده و در محل فلایویل و کوپلینگ موتور به ژنراتور انتقال می‌یابد.

• انرژی مکانیکی دورانی ژنراتور با توجه به قوانین القای الکترو مغناطیسی از روتور به استاتور، باعث ایجاد حرکت الکترون‌های آزاد درون سیم پیچ‌ها گردیده و بدین ترتیب انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

• انرژی الکتریکی با توجه به سطح ولتاژ مورد نیاز با استفاده از ترانسفورماتور افزاینده به سطح ولتاژ مطلوب (معمولا ٢٠ کیلوولت) رسیده و پس از عبور ازکابل ها، پایش و حفاظت توسط تجهیزات کنترلی، میترینگ و حفاظتی به شبکه برق سراسری تحویل داده می‌شود.
• در قسمت خروجی دود موتور (اگزاست)، با توجه به ایجاد صدای زیاد معمولا از سایلنسر اگزاست استفاده می‌گردد.

در صورتی که نیاز به تولید همزمان برق و حرارت(CHP) وجود داشته باشد

• جهت خنک سازی موتورژنراتور از دو مسیر ورودی آب خنک به نام LT و HT کمک می‌گیریم. مسیر HT شامل اجزایی با دمای بالاتر مثل پیستون با دمای حدود ٨٠ درجه می‌باشد و مسیر LT شامل برخی اجزای موتور با دمای کارکردی پایین‌تر می‌باشد. سیکل‌های مذکور بسته می‌باشد و پس از خنک سازی درون رادیاتور، به چرخه باز خواهند گشت. جهت استفاده از حرارت موتور قبل از خنک سازی درون رادیاتور، تجهیزاتی موسوم به Heat Exchanger jacket Water مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• در این تجهیز، دمای آب ثانویه با گرفتن حرارت از مدار بالا رفته و جهت مصارف مختلف LT و HT استفاده میگردد (اصطلاحا CHP جکت)
• استفاده از روغن و گردش آن در موتور نیز از روش‌های اساسی خنک سازی موتور می‌باشد، ولی استحصال گرما از روغن موتور، مقرون به صرفه نمی‌باشد.
• خروجی اگزاست موتور برای استفاده از حرارت، به درون بویلر بازیاب حرارت رفته و با توجه به نیازمندی طرح سیالاتی مثل آب گرم، بخار داغ و … از مدار ثانویه ورودی به بویلر قابل استحصال می‌باشد. (اصطلاحا CHP اگزاست)

در صورت نیاز به برق حرارت و برودت (CCHP)از تجهیزات زیر استفاده می کنند :

• در صورت نیازمندی به برودت، گرمای اگزاست موتور یا در ابتدای امر به بویلر هدایت می­شود و بویلر گرمای مورد نیاز برای چیلر را تامین می­کند و یا اینکه مسیر اگزاست موتور مستقیما به سمت چیلر‌های جذبی هدایت می‌شود، مکانیزم کارکردی چیلر‌های جذبی بدین گونه است که با استفاده از گرمای ورودی، انرژی موردنیاز برای برودت سیال ثانویه را تامین می‌نماید.

مزایای احداث نیروگاه مقیاس کوچک با موتورگازسوز

۱- عدم نیاز به در اختیار داشتن منابع مالی سنگین

۲- عدم نیاز به در اختیار داشتن فضای زیاد و زیرساخت های ویژه

۳- عدم نیاز به هزینه تبلیغات، بازاریابی و همچنین انبارمحصول نهایی

۴- بازگشت سرمایه گذاری کمتر از ۳ سال

۵- سرمایه در گردش اندک با توجه به مواد اولیه مورد نیاز

۶- زمان احداث کوتاه

شما می توانید برای اطلاعات بیشتر در خصوص موتورهای گازسوز و طرح توجیهی در خصوص احداث نیروگاه های مقیاس کوچک با شماره  ۴۳۹۴۷-۰۲۱  شرکت خدمات انرژی توسعه ایستگاهی نیرو خاصه تماس حاصل فرمایید.