اداره خدمات زهکشی دولت منطقه اداری ویژه هنگ کنگ متعهد به کمک به کاهش تغییرات اقلیمی جهانی است. در طول سالها، تأسیسات صرفهجویی در مصرف انرژی و انرژیهای تجدیدپذیر در برخی از کارخانههای آن نصب شده است. با راهاندازی رسمی «طرح تصفیه بندرگاه فاز II A» هنگ کنگ، اداره خدمات زهکشی یک سیستم تولید برق توربین هیدرولیکی را در تصفیهخانه فاضلاب جزیره استونکاترز (تصفیهخانه فاضلاب با بیشترین ظرفیت تصفیه فاضلاب در هنگ کنگ) نصب کرده است که از انرژی هیدرولیکی فاضلاب جاری برای به حرکت درآوردن ژنراتور توربین استفاده میکند و سپس برق مورد نیاز تأسیسات موجود در تصفیهخانه را تولید میکند. این مقاله به معرفی این سیستم، از جمله چالشهای پیش رو در اجرای پروژههای مربوطه، ملاحظات و ویژگیهای طراحی و ساخت سیستم و عملکرد عملیاتی سیستم میپردازد. این سیستم نه تنها به صرفهجویی در هزینههای برق کمک میکند، بلکه از آب برای کاهش انتشار کربن نیز استفاده میکند.
۱ معرفی پروژه
فاز دوم «طرح تصفیه بندر» یک طرح بزرگ است که توسط دولت منطقه اداری ویژه هنگ کنگ برای بهبود کیفیت آب بندر ویکتوریا اجرا شده است. این طرح رسماً در دسامبر ۲۰۱۵ به بهرهبرداری کامل رسید. محدوده کار آن شامل ساخت یک تونل فاضلاب عمیق با طول کلی حدود ۲۱ کیلومتر و ۱۶۳ متر زیر زمین، برای انتقال فاضلاب تولید شده در شمال و جنوب غربی جزیره به تصفیهخانه فاضلاب جزیره استونکاترز و افزایش ظرفیت تصفیه فاضلاب به ۲۴۵ × ۱۰۵ متر مکعب در روز و ارائه خدمات تصفیه فاضلاب برای حدود ۵.۷ میلیون شهروند است. با توجه به محدودیت زمین، تصفیهخانه فاضلاب جزیره استونکاترز از ۴۶ مجموعه مخزن رسوبگذاری دو طبقه برای تصفیه اولیه فاضلاب با مواد شیمیایی پیشرفته استفاده میکند و هر دو مجموعه مخزن رسوبگذاری یک شفت عمودی (یعنی در مجموع ۲۳ شفت) را به اشتراک میگذارند تا فاضلاب تصفیه شده را برای ضدعفونی نهایی به لوله زهکشی زیرزمینی و سپس به دریای عمیق بفرستند.
۲ تحقیق و توسعه اولیه مرتبط
با توجه به حجم زیاد فاضلاب تصفیهشده توسط تصفیهخانه فاضلاب جزیره استونکاترز در هر روز و طراحی منحصر به فرد دولایه مخزن تهنشینی آن، این تصفیهخانه میتواند ضمن تخلیه فاضلاب تصفیهشده، مقدار مشخصی انرژی هیدرولیکی برای به حرکت درآوردن ژنراتور توربین جهت تولید برق فراهم کند. تیم اداره خدمات زهکشی سپس در سال ۲۰۰۸ یک مطالعه امکانسنجی مرتبط انجام داد و یک سری آزمایشهای میدانی انجام داد. نتایج این مطالعات اولیه، امکانسنجی نصب ژنراتورهای توربینی را تأیید میکند.
محل نصب: در محور مخزن رسوبگذاری؛ فشار مؤثر آب: ۴.۵ تا ۶ متر (طراحی خاص به شرایط عملیاتی واقعی در آینده و موقعیت دقیق توربین بستگی دارد)؛ محدوده جریان: ۱.۱ تا ۱.۲۵ متر مکعب بر ثانیه؛ حداکثر توان خروجی: ۴۵ تا ۵۰ کیلووات؛ تجهیزات و مواد: از آنجایی که فاضلاب تصفیهشده هنوز خاصیت خورندگی خاصی دارد، مواد انتخابشده و تجهیزات مرتبط باید از محافظت و مقاومت کافی در برابر خوردگی برخوردار باشند.
در همین راستا، اداره خدمات زهکشی، فضایی را برای دو مجموعه مخزن رسوبگذاری در تصفیهخانه فاضلاب رزرو کرده است تا یک سیستم تولید برق توربینی را در پروژه توسعه «پروژه تصفیه بندرگاه فاز II A» نصب کند.
۳ ملاحظات و ویژگیهای طراحی سیستم
۳.۱ توان تولیدی و فشار آب مؤثر
رابطه بین توان الکتریکی تولید شده توسط انرژی هیدرودینامیکی و فشار مؤثر آب به شرح زیر است: توان الکتریکی تولید شده (کیلووات) = [چگالی فاضلاب تصفیه شده ρ (کیلوگرم بر متر مکعب) × دبی آب Q (متر مکعب بر ثانیه) × فشار مؤثر آب H (متر) × ثابت گرانش g (9.807 متر بر ثانیه)] ÷ 1000
× راندمان کلی سیستم (%). فشار مؤثر آب، اختلاف بین حداکثر سطح مجاز آب شفت و سطح آب شفت مجاور در آب جاری است.
به عبارت دیگر، هرچه سرعت جریان و فشار مؤثر آب بیشتر باشد، توان تولید شده نیز بیشتر خواهد بود. بنابراین، برای تولید توان بیشتر، یکی از اهداف طراحی این است که سیستم توربین بتواند بالاترین سرعت جریان آب و فشار مؤثر آب را دریافت کند.
۳.۲ نکات کلیدی طراحی سیستم
اول از همه، از نظر طراحی، سیستم توربین تازه نصب شده نباید تا حد امکان بر عملکرد عادی تصفیه خانه فاضلاب تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، سیستم باید دارای وسایل حفاظتی مناسب باشد تا از سرریز شدن فاضلاب تصفیه شده در مخزن ته نشینی بالادست به دلیل کنترل نادرست سیستم جلوگیری کند. پارامترهای عملیاتی تعیین شده در طول طراحی: سرعت جریان ۱.۰۶ ~ ۱.۵۰ متر مکعب بر ثانیه، محدوده فشار آب موثر ۲۴ ~ ۵۲ کیلو پاسکال.
علاوه بر این، از آنجایی که فاضلاب تصفیه شده توسط مخزن رسوب هنوز حاوی برخی مواد خورنده مانند سولفید هیدروژن و نمک است، تمام مواد تشکیل دهنده سیستم توربین که در تماس با فاضلاب تصفیه شده هستند باید مقاوم در برابر خوردگی باشند (مانند مواد فولاد ضد زنگ دوبلکس که اغلب برای تجهیزات تصفیه فاضلاب استفاده می شوند)، تا دوام سیستم بهبود یافته و تعداد تعمیرات کاهش یابد.
از نظر طراحی سیستم برق، از آنجایی که تولید برق توربین فاضلاب به دلایل مختلف کاملاً پایدار نیست، کل سیستم تولید برق به صورت موازی با شبکه برق متصل میشود تا منبع تغذیه قابل اعتمادی حفظ شود. اتصال شبکه باید مطابق با دستورالعملهای فنی اتصال شبکه صادر شده توسط شرکت برق و اداره خدمات برق و مکانیک دولت منطقه اداری ویژه هنگ کنگ انجام شود.
از نظر چیدمان لوله، علاوه بر محدودیتهای موجود در محل، نیاز به نگهداری و تعمیر سیستم نیز در نظر گرفته شده است. در این راستا، طرح اولیه نصب توربین هیدرولیکی در شفت مخزن تهنشینی که در پروژه تحقیق و توسعه پیشنهاد شده بود، تغییر یافته است. در عوض، فاضلاب تصفیه شده توسط یک گلوگاه از شفت خارج شده و به توربین هیدرولیکی ارسال میشود که این امر دشواری و زمان نگهداری را تا حد زیادی کاهش میدهد و تأثیر آن بر عملکرد عادی تصفیهخانه فاضلاب را کاهش میدهد.
با توجه به اینکه مخزن رسوبگذاری گاهی اوقات برای تعمیر و نگهداری نیاز به تعلیق دارد، گلوگاه سیستم توربین به دو شفت از چهار مجموعه مخازن رسوبگذاری دو طبقه متصل است. حتی اگر دو مجموعه مخازن رسوبگذاری از کار بیفتند، دو مجموعه دیگر مخازن رسوبگذاری میتوانند فاضلاب تصفیهشده را نیز تأمین کنند، سیستم توربین را به حرکت درآورند و به تولید برق ادامه دهند. علاوه بر این، مکانی در نزدیکی شفت مخزن رسوبگذاری شماره ۴۷/۴۹ برای نصب سیستم تولید برق توربین هیدرولیکی دوم در آینده رزرو شده است، به طوری که وقتی چهار مجموعه مخازن رسوبگذاری به طور عادی کار میکنند، دو سیستم تولید برق توربین میتوانند همزمان برق تولید کنند و به حداکثر ظرفیت برق برسند.
۳.۳ انتخاب توربین و ژنراتور هیدرولیکی
توربین هیدرولیکی، تجهیز کلیدی کل سیستم تولید برق است. توربینها را میتوان به طور کلی بر اساس اصل عملکرد به دو دسته تقسیم کرد: نوع ضربهای و نوع واکنشی. نوع ضربهای به این صورت است که سیال با سرعت بالا از طریق نازلهای متعدد به پره توربین شلیک میشود و سپس ژنراتور را برای تولید انرژی به حرکت در میآورد. نوع واکنشی، سیال را از میان پره توربین عبور میدهد و از فشار سطح آب برای به حرکت درآوردن ژنراتور و تولید انرژی استفاده میکند. در این طرح، بر اساس این واقعیت که فاضلاب تصفیه شده میتواند فشار آب کمی را در هنگام جریان ایجاد کند، توربین کاپلان، یکی از مناسبترین انواع واکنشی، انتخاب شده است، زیرا این توربین در فشار آب کم راندمان بالایی دارد و نسبتاً نازک است که برای فضای محدود در محل مناسبتر است.
از نظر ژنراتور، ژنراتور سنکرون آهنربای دائم که توسط توربین هیدرولیکی با سرعت ثابت هدایت میشود، انتخاب شده است. این ژنراتور میتواند ولتاژ و فرکانس پایدارتری نسبت به ژنراتور آسنکرون تولید کند، بنابراین میتواند کیفیت منبع تغذیه را بهبود بخشد، شبکه موازی را سادهتر کند و به نگهداری کمتری نیاز داشته باشد.
۴ ویژگیهای ساخت و ساز و بهرهبرداری
۴.۱ آرایش موازی شبکهای
اتصال شبکه باید مطابق با دستورالعملهای فنی اتصال شبکه که توسط شرکت برق و اداره خدمات برق و مکانیک دولت منطقه اداری ویژه هنگ کنگ صادر شده است، انجام شود. طبق این دستورالعملها، سیستم تولید برق انرژی تجدیدپذیر باید به عملکرد حفاظت ضد جزیرهای مجهز باشد که بتواند به طور خودکار سیستم تولید برق انرژی تجدیدپذیر مربوطه را از سیستم توزیع جدا کند، زمانی که شبکه برق به هر دلیلی تأمین برق را متوقف میکند، به طوری که سیستم تولید برق انرژی تجدیدپذیر نتواند به تأمین برق سیستم توزیع ادامه دهد و ایمنی پرسنل مهندسی برق شاغل در شبکه یا سیستم توزیع را تضمین کند.
از نظر عملکرد همزمان منبع تغذیه، سیستم تولید انرژی تجدیدپذیر و سیستم توزیع تنها زمانی میتوانند همزمان شوند که شدت ولتاژ، زاویه فاز یا اختلاف فرکانس در محدوده قابل قبول کنترل شوند.
۴.۲ کنترل و حفاظت
سیستم تولید برق توربین هیدرولیک را میتوان در حالت اتوماتیک یا دستی کنترل کرد. در حالت اتوماتیک، میتوان از شفتهای مخزن رسوبگذاری شماره ۴۷/۴۹ یا ۵۱/۵۳ به عنوان منبع انرژی هیدرولیک استفاده کرد و سیستم کنترل، شیرهای کنترلی مختلفی را طبق دادههای پیشفرض برای انتخاب مناسبترین مخزن رسوبگذاری فعال میکند تا تولید برق توربین هیدرولیک بهینه شود. علاوه بر این، شیر کنترل به طور خودکار سطح فاضلاب بالادست را تنظیم میکند تا مخزن رسوبگذاری از فاضلاب تصفیهشده سرریز نکند و در نتیجه تولید برق به بالاترین سطح افزایش یابد. سیستم ژنراتور توربین را میتوان در اتاق کنترل اصلی یا در محل تنظیم کرد.
از نظر حفاظت و کنترل، اگر جعبه منبع تغذیه یا شیر کنترل سیستم توربین از کار بیفتد یا سطح آب از حداکثر سطح مجاز آب فراتر رود، سیستم تولید برق توربین هیدرولیکی نیز به طور خودکار عملیات را متوقف کرده و فاضلاب تصفیه شده را از طریق لوله بای پس تخلیه میکند تا از سرریز شدن فاضلاب تصفیه شده در مخزن رسوب بالادست به دلیل خرابی سیستم جلوگیری شود.
۵ عملکرد سیستم
این سیستم تولید برق توربین هیدرولیکی در پایان سال ۲۰۱۸ با میانگین خروجی ماهانه بیش از ۱۰۰۰۰ کیلووات ساعت به بهرهبرداری رسید. فشار آب مؤثری که میتواند سیستم تولید برق توربین هیدرولیکی را به حرکت درآورد، به دلیل جریان زیاد و کم فاضلاب جمعآوریشده و تصفیهشده توسط تصفیهخانه فاضلاب در هر روز، با گذشت زمان تغییر میکند. به منظور به حداکثر رساندن توان تولید شده توسط سیستم توربین، اداره خدمات زهکشی یک سیستم کنترل طراحی کرده است تا گشتاور عملکرد توربین را به طور خودکار با توجه به جریان روزانه فاضلاب تنظیم کند و در نتیجه راندمان تولید برق را بهبود بخشد. شکل ۷ رابطه بین سیستم تولید برق و جریان آب را نشان میدهد. هنگامی که جریان آب از سطح تعیینشده فراتر رود، سیستم به طور خودکار برای تولید برق عمل میکند.
۶ چالشها و راهکارها
اداره خدمات زهکشی در اجرای پروژههای مربوطه با چالشهای بسیاری روبرو بوده و برنامههای مربوطه را در پاسخ به این چالشها تدوین کرده است.
۷ نتیجهگیری
با وجود چالشهای مختلف، این مجموعه از سیستم تولید برق توربین هیدرولیکی در پایان سال ۲۰۱۸ با موفقیت به بهرهبرداری رسید. میانگین توان خروجی ماهانه این سیستم بیش از ۱۰۰۰۰ کیلووات ساعت است که معادل میانگین مصرف برق ماهانه حدود ۲۵ خانوار هنگ کنگی است (میانگین مصرف برق ماهانه هر خانوار هنگ کنگی در سال ۲۰۱۸ حدود ۳۹۰ کیلووات ساعت است). اداره خدمات زهکشی متعهد به "ارائه خدمات تصفیه و زهکشی فاضلاب و آب باران در سطح جهانی برای ارتقای توسعه پایدار هنگ کنگ" است، ضمن اینکه پروژههای حفاظت از محیط زیست و تغییرات اقلیمی را ترویج میدهد. در زمینه استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر، اداره خدمات زهکشی از بیوگاز، انرژی خورشیدی و انرژی حاصل از جریان فاضلاب تصفیه شده برای تولید انرژی تجدیدپذیر استفاده میکند. در چند سال گذشته، میانگین انرژی تجدیدپذیر سالانه تولید شده توسط اداره خدمات زهکشی حدود ۲۷ میلیون کیلووات ساعت بوده است که میتواند نیازهای انرژی حدود ۹٪ از اداره خدمات زهکشی را تأمین کند. اداره خدمات زهکشی به تلاشهای خود برای تقویت و ارتقای کاربرد انرژیهای تجدیدپذیر ادامه خواهد داد.
زمان ارسال: ۲۲ نوامبر ۲۰۲۲
