تلتزم إدارة خدمات الصرف الصحي التابعة لحكومة منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة بالمساعدة في التخفيف من تغير المناخ العالمي. وعلى مر السنين، تم تركيب مرافق موفرة للطاقة ومتجددة في بعض محطاتها. ومع الإطلاق الرسمي لـ"خطة تنقية ميناء هونغ كونغ - المرحلة الثانية أ"، قامت إدارة خدمات الصرف الصحي بتركيب نظام توليد طاقة توربيني هيدروليكي في محطة معالجة مياه الصرف الصحي في جزيرة ستونكاترز (محطة معالجة مياه الصرف الصحي ذات أكبر سعة لمعالجة مياه الصرف الصحي في هونغ كونغ)، والذي يستخدم الطاقة الهيدروليكية لمياه الصرف الصحي المتدفقة لتشغيل مولد التوربينات، ثم يولد الكهرباء لاستخدام المرافق في المحطة. تقدم هذه الورقة مقدمة عن النظام، بما في ذلك التحديات التي واجهت تنفيذ المشاريع ذات الصلة، واعتبارات وخصائص تصميم النظام وبنائه، وأداء تشغيله. لا يساعد النظام على توفير تكاليف الكهرباء فحسب، بل يستخدم أيضًا المياه لتقليل انبعاثات الكربون.
1 مقدمة المشروع
المرحلة الثانية (أ) من "خطة تنقية الميناء" هي خطة واسعة النطاق نفذتها حكومة منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة لتحسين جودة مياه ميناء فيكتوريا. وقد بدأ تشغيلها رسميًا بكامل طاقتها في ديسمبر 2015. ويشمل نطاق عملها إنشاء نفق صرف صحي عميق بطول إجمالي يبلغ حوالي 21 كيلومترًا، بعمق 163 مترًا تحت الأرض، لنقل مياه الصرف الصحي المتولدة في شمال وجنوب غرب الجزيرة إلى محطة معالجة مياه الصرف الصحي في جزيرة ستونكاترز، وزيادة سعة محطة المعالجة إلى 245 × 105 متر مكعب يوميًا، مما يوفر خدمات معالجة مياه الصرف الصحي لحوالي 5.7 مليون مواطن. بسبب القيود المفروضة على الأراضي، يستخدم مصنع معالجة مياه الصرف الصحي في جزيرة ستونكاترز 46 مجموعة من خزانات الترسيب ذات الطابقين للمعالجة الأولية المحسنة كيميائيًا لمياه الصرف الصحي، وستشارك كل مجموعتين من خزانات الترسيب في عمود رأسي (أي ما مجموعه 23 عمودًا) لإرسال مياه الصرف الصحي النقية إلى أنبوب الصرف الصحي تحت الأرض للتطهير النهائي، ثم إلى أعماق البحر.
2- البحث والتطوير المبكر ذو الصلة
نظراً لكمية مياه الصرف الصحي الكبيرة التي تُعالجها محطة معالجة مياه الصرف الصحي في جزيرة ستونكاترز يومياً، والتصميم الفريد لخزان الترسيب ذي الطبقتين، يُمكن للمحطة توفير كمية مُعينة من الطاقة الهيدروليكية أثناء تفريغ مياه الصرف المُنقاة لتشغيل مُولد التوربينات لتوليد الكهرباء. أجرى فريق إدارة خدمات الصرف الصحي دراسة جدوى مُناسبة في عام ٢٠٠٨، وأجرى سلسلة من الاختبارات الميدانية. وأكدت نتائج هذه الدراسات الأولية جدوى تركيب مُولدات توربينية.
· موقع التركيب: في عمود خزان الترسيب؛ ضغط الماء الفعال: 4.5 ~ 6 م (يعتمد التصميم المحدد على ظروف التشغيل الفعلية في المستقبل والموقع الدقيق للتوربين)؛ نطاق التدفق: 1.1 ～ 1.25 م 3 / ثانية؛ أقصى طاقة خرج: 45 ~ 50 كيلو واط؛ المعدات والمواد: نظرًا لأن مياه الصرف الصحي النقية لا تزال تتمتع بقدرة تآكل معينة، يجب أن تتمتع المواد المختارة والمعدات ذات الصلة بحماية كافية ومقاومة للتآكل.
وفي هذا الصدد، قامت إدارة خدمات الصرف الصحي بتخصيص مساحة لمجموعتين من خزانات الترسيب في محطة معالجة مياه الصرف الصحي لتثبيت نظام توليد الطاقة التوربينية في مشروع توسعة "مشروع تنقية الميناء المرحلة الثانية أ".
3 اعتبارات وميزات تصميم النظام
3.1 الطاقة المولدة وضغط المياه الفعال
العلاقة بين الطاقة الكهربائية المولدة بواسطة الطاقة الهيدروديناميكية والضغط الفعال للمياه هي كما يلي: الطاقة الكهربائية المولدة (كيلوواط) = [كثافة مياه الصرف الصحي النقية ρ (كجم/م3) × معدل تدفق المياه Q (م3/ثانية) × الضغط الفعال للمياه H (م) × ثابت الجاذبية g (9.807 م/ث2)] ÷ 1000
× كفاءة النظام الكلية (%). ضغط الماء الفعال هو الفرق بين أقصى مستوى ماء مسموح به في العمود ومستوى الماء في العمود المجاور في الماء الجاري.
بمعنى آخر، كلما زادت سرعة التدفق وضغط الماء الفعال، زادت الطاقة المولدة. لذلك، ولتوليد المزيد من الطاقة، يتمثل أحد أهداف التصميم في تمكين نظام التوربين من استقبال أعلى سرعة تدفق وضغط مائي فعال.
3.2 النقاط الرئيسية لتصميم النظام
أولاً، من حيث التصميم، يجب ألا يؤثر نظام التوربينات المُركّب حديثًا على التشغيل الطبيعي لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي قدر الإمكان. على سبيل المثال، يجب أن يحتوي النظام على أجهزة حماية مناسبة لمنع خزان الترسيب العلوي من فيضان مياه الصرف المُنقّاة بسبب سوء التحكم في النظام. معايير التشغيل المُحدّدة أثناء التصميم: معدل التدفق 1.06 ～ 1.50 متر مكعب/ثانية، نطاق ضغط الماء الفعال 24 ～ 52 كيلو باسكال.
بالإضافة إلى ذلك، بما أن مياه الصرف الصحي التي يتم تنقيتها بواسطة خزان الترسيب لا تزال تحتوي على بعض المواد المسببة للتآكل، مثل كبريتيد الهيدروجين والملح، فيجب أن تكون جميع مواد مكونات نظام التوربينات التي تلامس مياه الصرف الصحي النقية مقاومة للتآكل (مثل مواد الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة المستخدمة غالبًا في معدات معالجة مياه الصرف الصحي)، وذلك لتحسين متانة النظام وتقليل عدد الصيانة.
فيما يتعلق بتصميم نظام الطاقة، ونظرًا لعدم استقرار توليد الطاقة من توربينات الصرف الصحي تمامًا لأسباب متعددة، يتم توصيل نظام توليد الطاقة بالكامل بالتوازي مع الشبكة لضمان إمداد طاقة موثوق. ويجب أن يتم ربط الشبكة وفقًا للإرشادات الفنية لتوصيلات الشبكة الصادرة عن شركة الطاقة وإدارة الخدمات الكهربائية والميكانيكية التابعة لحكومة منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة.
فيما يتعلق بتصميم الأنابيب، بالإضافة إلى قيود الموقع الحالية، أُخذت في الاعتبار أيضًا الحاجة إلى صيانة وإصلاح النظام. في هذا الصدد، تم تغيير الخطة الأصلية لتركيب التوربين الهيدروليكي في عمود خزان الترسيب المقترح في مشروع البحث والتطوير. بدلاً من ذلك، تُسحب مياه الصرف الصحي المُنقّاة من العمود عبر حلق وتُرسل إلى التوربين الهيدروليكي، مما يُقلل بشكل كبير من صعوبة الصيانة ووقتها، ويُقلل من تأثيرها على التشغيل العادي لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي.
نظرًا لحاجة خزان الترسيب للتوقف أحيانًا للصيانة، فإن عنق نظام التوربين متصل بعمودين لأربع مجموعات من خزانات الترسيب ذات الطابقين. حتى في حال توقف مجموعتين من خزانات الترسيب عن العمل، يمكن لمجموعتي خزانات الترسيب الأخريين أيضًا توفير مياه الصرف الصحي النقية، وتشغيل نظام التوربين، ومواصلة توليد الكهرباء. بالإضافة إلى ذلك، تم تخصيص مكان بالقرب من عمود خزان الترسيب 47/49 # لتركيب نظام توليد الطاقة التوربيني الهيدروليكي الثاني في المستقبل، بحيث يمكن لنظامي توليد الطاقة التوربينيين توليد الطاقة في نفس الوقت، والوصول إلى أقصى سعة طاقة عند تشغيل مجموعات خزانات الترسيب الأربعة بشكل طبيعي.
3.3 اختيار التوربين الهيدروليكي والمولد
التوربين الهيدروليكي هو المُعدة الرئيسية لنظام توليد الطاقة بأكمله. يمكن تقسيم التوربينات عمومًا إلى فئتين وفقًا لمبدأ التشغيل: نوع النبض ونوع التفاعل. النوع النبضي هو أن السائل ينطلق إلى شفرة التوربين بسرعة عالية عبر فوهات متعددة، ثم يُشغّل المولد لتوليد الطاقة. يمر نوع التفاعل عبر شفرة التوربين عبر السائل، ويستخدم ضغط مستوى الماء لتشغيل المولد لتوليد الطاقة. في هذا التصميم، واستنادًا إلى حقيقة أن مياه الصرف الصحي المُنقّاة يمكن أن توفر ضغط ماء منخفضًا عند التدفق، تم اختيار توربين كابلان، أحد أنواع التفاعل الأكثر ملاءمة، نظرًا لكفاءته العالية عند ضغط الماء المنخفض وسمكه الرفيع نسبيًا، وهو أكثر ملاءمة للمساحة المحدودة في الموقع.
بالنسبة للمولدات، تم اختيار مولد متزامن ذي مغناطيس دائم يعمل بتوربين هيدروليكي ثابت السرعة. يتميز هذا المولد بجهد وتردد أكثر استقرارًا من المولدات غير المتزامنة، مما يُحسّن جودة إمدادات الطاقة، ويُبسط الشبكة المتوازية، ويُقلل من متطلبات الصيانة.
4 ميزات البناء والتشغيل
4.1 ترتيب الشبكة المتوازية
يجب أن يتم توصيل الشبكة وفقًا للإرشادات الفنية لتوصيل الشبكة الصادرة عن شركة الكهرباء وإدارة الخدمات الكهربائية والميكانيكية التابعة لحكومة منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة. ووفقًا لهذه الإرشادات، يجب أن يُجهّز نظام توليد الطاقة المتجددة بخاصية حماية ضد الانقطاع، والتي تُمكّن من فصل نظام توليد الطاقة المتجددة المعني تلقائيًا عن نظام التوزيع عند انقطاع التيار الكهربائي لأي سبب، بحيث لا يتمكن نظام توليد الطاقة المتجددة من مواصلة إمداد نظام التوزيع بالطاقة، وذلك لضمان سلامة مهندسي الكهرباء العاملين على الشبكة أو نظام التوزيع.
من حيث التشغيل المتزامن لإمدادات الطاقة، لا يمكن مزامنة نظام توليد الطاقة المتجددة ونظام التوزيع إلا عندما يتم التحكم في شدة الجهد أو زاوية الطور أو فرق التردد ضمن الحدود المقبولة.
4.2 التحكم والحماية
يمكن التحكم في نظام توليد الطاقة التوربينية الهيدروليكية تلقائيًا أو يدويًا. في الوضع التلقائي، تُستخدم أعمدة خزان الترسيب 47/49 أو 51/53 كمصدر للطاقة الهيدروليكية، ويُشغّل نظام التحكم صمامات تحكم مختلفة وفقًا للبيانات الافتراضية لاختيار خزان الترسيب الأنسب، مما يُحسّن توليد الطاقة التوربينية الهيدروليكية. بالإضافة إلى ذلك، يُضبط صمام التحكم مستوى مياه الصرف الصحي في المنبع تلقائيًا لمنع فيضان مياه الصرف المُنقّاة في خزان الترسيب، مما يزيد من توليد الطاقة إلى أعلى مستوى. يمكن تنظيم نظام مولد التوربينات في غرفة التحكم الرئيسية أو في الموقع.
من حيث الحماية والتحكم، إذا فشل صندوق إمداد الطاقة أو صمام التحكم في نظام التوربين أو تجاوز مستوى المياه الحد الأقصى المسموح به لمستوى المياه، فإن نظام توليد الطاقة التوربينية الهيدروليكية سيتوقف أيضًا عن التشغيل تلقائيًا ويصرف مياه الصرف الصحي النقية من خلال أنبوب الالتفافية، وذلك لمنع خزان الترسيب العلوي من فيضان مياه الصرف الصحي النقية بسبب فشل النظام.
5 أداء تشغيل النظام
تم تشغيل نظام توليد الطاقة التوربيني الهيدروليكي هذا في نهاية عام 2018، بمتوسط إنتاج شهري يزيد عن 10000 كيلوواط/ساعة. يتغير ضغط الماء الفعال الذي يمكنه تشغيل نظام توليد الطاقة التوربيني الهيدروليكي أيضًا بمرور الوقت بسبب التدفق العالي والمنخفض لمياه الصرف الصحي التي يتم جمعها ومعالجتها بواسطة محطة معالجة مياه الصرف الصحي يوميًا. من أجل تعظيم الطاقة المولدة من نظام التوربينات، صممت إدارة خدمات الصرف الصحي نظام تحكم لضبط عزم تشغيل التوربين تلقائيًا وفقًا لتدفق مياه الصرف الصحي اليومي، وبالتالي تحسين كفاءة إنتاج الطاقة. يوضح الشكل 7 العلاقة بين نظام توليد الطاقة وتدفق المياه. عندما يتجاوز تدفق المياه المستوى المحدد، سيعمل النظام تلقائيًا لتوليد الكهرباء.
6 تحديات وحلول
لقد واجهت إدارة خدمات الصرف الصحي العديد من التحديات في تنفيذ المشاريع ذات الصلة، وقامت بإعداد خطط مناسبة لمواجهة هذه التحديات،
7 الخاتمة
على الرغم من التحديات المختلفة، تم تشغيل مجموعة نظام توليد الطاقة التوربينية الهيدروليكية هذه بنجاح في نهاية عام 2018. يبلغ متوسط إنتاج الطاقة الشهري للنظام أكثر من 10000 كيلو واط · ساعة، وهو ما يعادل متوسط الاستهلاك الشهري للطاقة لحوالي 25 أسرة في هونغ كونغ (يبلغ متوسط الاستهلاك الشهري للطاقة لكل أسرة في هونغ كونغ في عام 2018 حوالي 390 كيلو واط · ساعة). تلتزم إدارة خدمات الصرف الصحي "بتوفير خدمات عالمية المستوى لمعالجة مياه الصرف الصحي ومياه الأمطار والصرف الصحي لتعزيز التنمية المستدامة في هونغ كونغ"، مع تعزيز مشاريع حماية البيئة وتغير المناخ. في تطبيق الطاقة المتجددة، تستخدم إدارة خدمات الصرف الصحي الغاز الحيوي والطاقة الشمسية والطاقة من تدفق مياه الصرف الصحي النقية لتوليد الطاقة المتجددة. في السنوات القليلة الماضية، بلغ متوسط الطاقة المتجددة السنوية التي تنتجها إدارة خدمات الصرف الصحي حوالي 27 مليون كيلو واط · ساعة، وهو ما يمكن أن يلبي احتياجات الطاقة لحوالي 9٪ من إدارة خدمات الصرف الصحي. ستواصل إدارة خدمات الصرف الصحي جهودها لتعزيز وتشجيع استخدام الطاقة المتجددة.
وقت النشر: ٢٢ نوفمبر ٢٠٢٢
