أول نظام توربينات هيدروليكية في هونغ كونغ لتوليد الطاقة من خلال تدفق مياه الصرف الصحي

تلتزم إدارة خدمات الصرف الصحي التابعة لحكومة منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة بالمساهمة في التخفيف من آثار تغير المناخ العالمي. وعلى مر السنين، تم تركيب مرافق موفرة للطاقة ومتجددة في بعض محطاتها. ومع الإطلاق الرسمي للمرحلة الثانية (أ) من "خطة تنقية ميناء هونغ كونغ"، قامت إدارة خدمات الصرف الصحي بتركيب نظام لتوليد الطاقة باستخدام التوربينات الهيدروليكية في محطة معالجة مياه الصرف الصحي بجزيرة ستونكترز (وهي المحطة الأكبر سعةً في هونغ كونغ)، حيث يستخدم هذا النظام الطاقة الهيدروليكية لمياه الصرف الصحي المتدفقة لتشغيل مولد التوربينات، ومن ثم توليد الكهرباء لاستخدامها في مرافق المحطة. تتناول هذه الورقة النظام، بما في ذلك التحديات التي واجهت تنفيذ المشاريع ذات الصلة، واعتبارات وخصائص تصميم النظام وبنائه، وأداء تشغيله. ولا يقتصر دور هذا النظام على توفير تكاليف الكهرباء فحسب، بل يساهم أيضًا في خفض انبعاثات الكربون من خلال استخدام المياه.

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 دخلت حيز التشغيل الكامل رسميًا في ديسمبر 2015. يشمل نطاق عملها إنشاء نفق صرف صحي عميق بطول إجمالي يبلغ حوالي 21 كيلومترًا وعمق 163 مترًا تحت سطح الأرض، لنقل مياه الصرف الصحي المتولدة في شمال وجنوب غرب الجزيرة إلى محطة معالجة مياه الصرف الصحي في جزيرة ستونكترز، وزيادة الطاقة الاستيعابية للمحطة إلى 245 × 10⁵ متر مكعب يوميًا، لتوفير خدمات معالجة مياه الصرف الصحي لحوالي 5.7 مليون مواطن. ونظرًا لمحدودية المساحة، تستخدم محطة معالجة مياه الصرف الصحي في جزيرة ستونكترز 46 مجموعة من خزانات الترسيب ذات الطابقين للمعالجة الأولية المعززة كيميائيًا لمياه الصرف الصحي، حيث تشترك كل مجموعتين من خزانات الترسيب في بئر عمودي واحد (أي ما مجموعه 23 بئرًا) لنقل مياه الصرف الصحي المعالجة إلى أنبوب الصرف تحت الأرض للتطهير النهائي، ثم إلى أعماق البحر.

2- البحوث والتطوير المبكر ذو الصلة
نظراً للكمية الكبيرة من مياه الصرف الصحي التي تعالجها محطة معالجة مياه الصرف الصحي في جزيرة ستونكترز يومياً، والتصميم الفريد ذي الطبقتين لخزان الترسيب، فإنها توفر قدراً من الطاقة الهيدروليكية أثناء تصريف مياه الصرف الصحي المعالجة لتشغيل مولد التوربينات لتوليد الكهرباء. وقد أجرى فريق إدارة خدمات الصرف الصحي دراسة جدوى في عام ٢٠٠٨، ونفذ سلسلة من الاختبارات الميدانية. وأكدت نتائج هذه الدراسات الأولية جدوى تركيب مولدات التوربينات.

موقع التركيب: في عمود خزان الترسيب؛ ضغط الماء الفعال: 4.5~6 متر (يعتمد التصميم المحدد على ظروف التشغيل الفعلية في المستقبل والموقع الدقيق للتوربين)؛ نطاق التدفق: 1.1 ~ 1.25 متر مكعب/ثانية؛ أقصى قدرة خرج: 45~50 كيلوواط؛ المعدات والمواد: نظرًا لأن مياه الصرف الصحي المعالجة لا تزال تحتوي على قدر معين من التآكل، يجب أن تتمتع المواد المختارة والمعدات ذات الصلة بحماية كافية ومقاومة للتآكل.

وفي هذا الصدد، خصصت إدارة خدمات الصرف الصحي مساحة لمجموعتين من خزانات الترسيب في محطة معالجة مياه الصرف الصحي لتركيب نظام توليد الطاقة التوربينية في مشروع التوسعة "مشروع تنقية الميناء المرحلة الثانية أ".

3. اعتبارات وميزات تصميم النظام
3.1 الطاقة المولدة وضغط الماء الفعال
العلاقة بين الطاقة الكهربائية المولدة بواسطة الطاقة الهيدروديناميكية وضغط الماء الفعال هي كما يلي: الطاقة الكهربائية المولدة (كيلوواط) = [كثافة مياه الصرف الصحي المعالجة ρ (كجم/م3) × معدل تدفق الماء Q (م3/ث) × ضغط الماء الفعال H (م) × ثابت الجاذبية g (9.807 م/ث2)] ÷ 1000
× كفاءة النظام الإجمالية (%). ضغط الماء الفعال هو الفرق بين أقصى مستوى مسموح به للماء في العمود ومستوى الماء في العمود المجاور في الماء المتدفق.
بمعنى آخر، كلما زادت سرعة التدفق وضغط الماء الفعال، زادت الطاقة المولدة. لذا، ولتوليد المزيد من الطاقة، يتمثل أحد أهداف التصميم في تمكين نظام التوربين من استقبال أعلى سرعة تدفق وضغط ماء فعالين.

3.2 النقاط الرئيسية لتصميم النظام
أولاً، من حيث التصميم، يجب ألا يؤثر نظام التوربينات المُركّب حديثاً 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 الصحي المُعالجة نتيجةً لخلل في التحكم بالنظام. معايير التشغيل المُحددة أثناء التصميم: معدل التدفق من 1.06 إلى 1.50 متر مكعب/ثانية، ونطاق ضغط الماء الفعال من 24 إلى 52 كيلو باسكال.
بالإضافة إلى ذلك، ولأن مياه الصرف الصحي التي يتم تنقيتها بواسطة خزان الترسيب لا تزال تحتوي على بعض المواد المسببة للتآكل، مثل كبريتيد الهيدروجين والملح، يجب أن تكون جميع مواد مكونات نظام التوربينات التي تتلامس مع مياه الصرف الصحي المنقاة مقاومة للتآكل (مثل مواد الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج التي تستخدم غالبًا في معدات معالجة مياه الصرف الصحي)، وذلك لتحسين متانة النظام وتقليل عدد عمليات الصيانة.
فيما يتعلق بتصميم نظام الطاقة، ولأن توليد الطاقة من توربينات الصرف الصحي غير مستقر تمامًا لأسباب مختلفة، يتم ربط نظام توليد الطاقة بالكامل بالتوازي مع الشبكة الكهربائية لضمان إمداد موثوق للطاقة. ويتم ترتيب الربط بالشبكة وفقًا للإرشادات الفنية الخاصة بالربط بالشبكة الصادرة عن شركة الكهرباء وإدارة الخدمات الكهربائية والميكانيكية التابعة لحكومة منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة.
فيما يتعلق بتصميم الأنابيب، بالإضافة إلى القيود القائمة على الموقع، تُؤخذ في الاعتبار أيضًا الحاجة إلى صيانة النظام وإصلاحه. ولهذا السبب، تم تغيير الخطة الأصلية لتركيب التوربين الهيدروليكي في عمود خزان الترسيب، والتي كانت مقترحة في مشروع البحث والتطوير. وبدلاً من ذلك، يتم توجيه مياه الصرف الصحي المعالجة خارج العمود عبر أنبوب إلى التوربين الهيدروليكي، مما يقلل بشكل كبير من صعوبة الصيانة ووقتها، ويخفف من تأثيرها على التشغيل الاعتيادي لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي.

نظراً لاحتمالية توقف خزان الترسيب مؤقتاً للصيانة، تم توصيل مدخل نظام التوربينات بعمودين من أربعة خزانات ترسيب مزدوجة الطبقات. حتى في حال توقف مجموعتين من خزانات الترسيب عن العمل، يمكن للمجموعتين الأخريين تزويد نظام التوربينات بمياه الصرف الصحي المعالجة، وتشغيله، ومواصلة توليد الكهرباء. إضافةً إلى ذلك، تم تخصيص مكان بالقرب من عمود خزان الترسيب رقم 47/49 لتركيب نظام توليد طاقة توربيني هيدروليكي ثانٍ مستقبلاً، بحيث يتمكن نظاما توليد الطاقة التوربينية من توليد الطاقة في آنٍ واحد عند تشغيل خزانات الترسيب الأربعة بشكل طبيعي، ما يحقق أقصى قدرة إنتاجية.

3.3 اختيار التوربين الهيدروليكي والمولد
تُعدّ التوربينات الهيدروليكية المعدات الرئيسية في نظام توليد الطاقة بأكمله. تُصنّف التوربينات عمومًا إلى فئتين وفقًا لمبدأ التشغيل: التوربينات النبضية والتوربينات التفاعلية. في التوربينات النبضية، يُضخّ السائل بسرعة عالية إلى شفرات التوربين عبر فوهات متعددة، ثم يُشغّل المولد لتوليد الطاقة. أما في التوربينات التفاعلية، فيمرّ السائل عبر شفرات التوربين، ويُستخدم ضغط مستوى الماء لتشغيل المولد وتوليد الطاقة. في هذا التصميم، ونظرًا لأن مياه الصرف الصحي المُعالجة تُوفّر ضغطًا منخفضًا للماء أثناء التدفق، فقد تم اختيار توربين كابلان، وهو أحد أنواع التوربينات التفاعلية الأكثر ملاءمة، نظرًا لكفاءته العالية عند ضغط الماء المنخفض، بالإضافة إلى نحافته النسبية، مما يجعله أكثر ملاءمة للمساحة المحدودة في الموقع.
فيما يتعلق بالمولد، تم اختيار مولد متزامن ذو مغناطيس دائم يعمل بتوربين هيدروليكي ذي سرعة ثابتة. يتميز هذا المولد بقدرته على إنتاج جهد وتردد أكثر استقرارًا من المولد غير المتزامن، مما يُحسّن جودة إمداد الطاقة، ويُبسّط عملية الربط الشبكي، ويُقلل من الحاجة إلى الصيانة.

4. ميزات البناء والتشغيل
4.1 ترتيب الشبكة المتوازية
يتم ربط الشبكة الكهربائية وفقًا للإرشادات الفنية الخاصة بالربط الصادرة عن شركة الكهرباء وإدارة الخدمات الكهربائية والميكانيكية التابعة لحكومة منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة. وتنص هذه الإرشادات على ضرورة تزويد نظام توليد الطاقة المتجددة بوظيفة حماية ضد العزل، والتي تعمل على فصل النظام تلقائيًا عن شبكة التوزيع عند انقطاع التيار الكهربائي عن الشبكة لأي سبب كان، وذلك لضمان سلامة العاملين في مجال الهندسة الكهربائية على الشبكة أو شبكة التوزيع.
فيما يتعلق بالتشغيل 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 بنظام توليد الطاقة بالتوربينات الهيدروليكية آليًا أو يدويًا. في الوضع الآلي، تُستخدم محاور خزان الترسيب 47/49 أو 51/53 كمصدر للطاقة الهيدروليكية، ويقوم نظام التحكم بتشغيل صمامات تحكم مختلفة وفقًا للبيانات الافتراضية لاختيار خزان الترسيب الأنسب، وذلك لتحسين توليد الطاقة بالتوربينات الهيدروليكية. إضافةً إلى ذلك، يقوم صمام التحكم تلقائيًا بضبط مستوى مياه الصرف الصحي في المنبع لمنع فيضان خزان الترسيب بمياه الصرف الصحي المعالجة، مما يزيد من توليد الطاقة إلى أقصى حد. يمكن تنظيم نظام مولد التوربينات من غرفة التحكم الرئيسية أو في الموقع.

من حيث الحماية والتحكم، إذا تعطل صندوق إمداد الطاقة أو صمام التحكم في نظام التوربينات أو تجاوز مستوى الماء الحد الأقصى المسموح به، فسيتوقف نظام توليد الطاقة بالتوربينات الهيدروليكية عن العمل تلقائيًا ويقوم بتصريف مياه الصرف الصحي المعالجة من خلال أنبوب التجاوز، وذلك لمنع خزان الترسيب العلوي من فيضان مياه الصرف الصحي المعالجة بسبب عطل النظام.

5. أداء تشغيل النظام
بدأ تشغيل نظام توليد الطاقة بالتوربينات الهيدروليكية هذا في نهاية عام ٢٠١٨، بمتوسط ​​إنتاج شهري يزيد عن ١٠٠٠٠ كيلوواط ساعة. ويتغير ضغط الماء الفعال اللازم لتشغيل النظام مع مرور الوقت نتيجةً لتقلبات تدفق مياه الصرف الصحي التي يتم جمعها ومعالجتها يوميًا في محطة المعالجة. ولتحقيق أقصى استفادة من الطاقة المولدة، صممت إدارة خدمات الصرف الصحي نظام تحكم لضبط عزم دوران التوربينات تلقائيًا وفقًا لتدفق مياه الصرف الصحي اليومي، مما يُحسّن كفاءة إنتاج الطاقة. يوضح الشكل ٧ العلاقة بين نظام توليد الطاقة وتدفق المياه. فعندما يتجاوز تدفق المياه المستوى المحدد، يعمل النظام تلقائيًا لتوليد الكهرباء.

6 تحديات وحلول
واجهت إدارة خدمات الصرف الصحي العديد من التحديات في تنفيذ المشاريع ذات الصلة، وقامت بوضع خطط مناسبة استجابةً لهذه التحديات.

7. الخاتمة
على الرغم من التحديات المتعددة، تم تشغيل نظام توليد الطاقة بالتوربينات الهيدروليكية بنجاح في نهاية عام ٢٠١٨. ويبلغ متوسط ​​إنتاج الطاقة الشهري للنظام أكثر من ١٠٠٠٠ كيلوواط/ساعة، وهو ما يعادل متوسط ​​استهلاك الطاقة الشهري لحوالي ٢٥ أسرة في هونغ كونغ (يبلغ متوسط ​​استهلاك الطاقة الشهري لكل أسرة في هونغ كونغ عام ٢٠١٨ حوالي ٣٩٠ كيلوواط/ساعة). وتلتزم إدارة خدمات الصرف الصحي بتقديم خدمات معالجة مياه الصرف الصحي ومياه الأمطار وخدمات الصرف الصحي على مستوى عالمي لتعزيز التنمية المستدامة في هونغ كونغ، مع دعم مشاريع حماية البيئة ومكافحة تغير المناخ. وفي مجال استخدام الطاقة المتجددة، تستخدم إدارة خدمات الصرف الصحي الغاز الحيوي والطاقة الشمسية والطاقة المستمدة من تدفق مياه الصرف الصحي المعالجة لتوليد الطاقة المتجددة. وخلال السنوات القليلة الماضية، بلغ متوسط ​​إنتاج الطاقة المتجددة السنوي من قبل إدارة خدمات الصرف الصحي حوالي ٢٧ مليون كيلوواط/ساعة، وهو ما يكفي لتلبية احتياجات الطاقة لحوالي ٩٪ من احتياجات الإدارة. ستواصل إدارة خدمات الصرف الصحي جهودها لتعزيز وتشجيع استخدام الطاقة المتجددة.