सीवेज प्रवाह के माध्यम से बिजली उत्पादन के लिए हांगकांग की पहली हाइड्रोलिक टरबाइन प्रणाली

हांगकांग विशेष प्रशासनिक क्षेत्र सरकार का ड्रेनेज सेवा विभाग वैश्विक जलवायु परिवर्तन को कम करने में मदद करने के लिए प्रतिबद्ध है। पिछले कुछ वर्षों में, इसके कुछ संयंत्रों में ऊर्जा-बचत और नवीकरणीय ऊर्जा सुविधाएं स्थापित की गई हैं। हांगकांग के "हार्बर शुद्धिकरण योजना चरण II ए" के आधिकारिक शुभारंभ के साथ, ड्रेनेज सेवा विभाग ने स्टोनकटर आईलैंड सीवेज ट्रीटमेंट प्लांट (हांगकांग में सबसे बड़ी सीवेज उपचार क्षमता वाला सीवेज ट्रीटमेंट प्लांट) में एक हाइड्रोलिक टरबाइन बिजली उत्पादन प्रणाली स्थापित की है, जो टरबाइन जनरेटर को चलाने के लिए बहते सीवेज की हाइड्रोलिक ऊर्जा का उपयोग करती है, और फिर संयंत्र में सुविधाओं के उपयोग के लिए बिजली उत्पन्न करती है। यह पत्र संबंधित परियोजनाओं के कार्यान्वयन में आने वाली चुनौतियों, सिस्टम के डिजाइन और निर्माण के विचारों और विशेषताओं और सिस्टम के संचालन प्रदर्शन सहित सिस्टम का परिचय देता है

1 परियोजना परिचय
"हार्बर शुद्धिकरण योजना" का दूसरा चरण ए विक्टोरिया हार्बर की जल गुणवत्ता में सुधार करने के लिए हांगकांग विशेष प्रशासनिक क्षेत्र सरकार द्वारा कार्यान्वित एक बड़े पैमाने की योजना है। इसे आधिकारिक तौर पर दिसंबर 2015 में पूर्ण रूप से उपयोग में लाया गया था। इसके कार्य के दायरे में जमीन के नीचे लगभग 21 किमी और 163 मीटर की कुल लंबाई के साथ एक गहरी सीवेज सुरंग का निर्माण शामिल है, ताकि द्वीप के उत्तर और दक्षिण-पश्चिम में उत्पन्न सीवेज को स्टोनकटर द्वीप सीवेज ट्रीटमेंट प्लांट तक पहुंचाया जा सके और सीवेज प्लांट की उपचार क्षमता को 245 × 105m3/d तक बढ़ाया जा सके, जिससे लगभग 5.7 मिलियन नागरिकों को सीवेज उपचार सेवाएं प्रदान की जा सकें। भूमि की सीमाओं के कारण, स्टोनकटर द्वीप सीवेज ट्रीटमेंट प्लांट सीवेज के रासायनिक रूप से उन्नत प्राथमिक उपचार के लिए

2 प्रासंगिक प्रारंभिक अनुसंधान और विकास
स्टोनकटर्स आइलैंड सीवेज ट्रीटमेंट प्लांट द्वारा प्रतिदिन बड़ी मात्रा में सीवेज का उपचार किया जाता है और इसके अवसादन टैंक की अनूठी डबल-लेयर डिज़ाइन के कारण, यह शुद्ध सीवेज को डिस्चार्ज करते समय एक निश्चित मात्रा में हाइड्रोलिक ऊर्जा प्रदान कर सकता है, जिससे टर्बाइन जनरेटर को बिजली उत्पन्न करने के लिए चलाया जा सके। ड्रेनेज सर्विसेज डिपार्टमेंट की टीम ने 2008 में एक प्रासंगिक व्यवहार्यता अध्ययन किया और कई फील्ड परीक्षण किए। इन प्रारंभिक अध्ययनों के परिणाम टर्बाइन जनरेटर स्थापित करने की व्यवहार्यता की पुष्टि करते हैं।

स्थापना स्थान: अवसादन टैंक के शाफ्ट में; प्रभावी पानी का दबाव: 4.5 ~ 6 मीटर (विशिष्ट डिजाइन भविष्य में वास्तविक परिचालन स्थितियों और टरबाइन की सटीक स्थिति पर निर्भर करता है); प्रवाह सीमा: 1.1 ～ 1.25 m3 / s; अधिकतम उत्पादन शक्ति: 45 ~ 50 किलोवाट; उपकरण और सामग्री: चूंकि शुद्ध किए गए सीवेज में अभी भी कुछ संक्षारकता है, इसलिए चयनित सामग्री और संबंधित उपकरणों में पर्याप्त सुरक्षा और संक्षारण प्रतिरोध होना चाहिए।

इस संबंध में, ड्रेनेज सेवा विभाग ने "हार्बर शुद्धिकरण परियोजना चरण II ए" के विस्तार परियोजना में टरबाइन बिजली उत्पादन प्रणाली स्थापित करने के लिए सीवेज उपचार संयंत्र में अवसादन टैंक के दो सेटों के लिए स्थान आरक्षित किया है।

3 सिस्टम डिज़ाइन संबंधी विचार और विशेषताएँ
3.1 उत्पन्न शक्ति और प्रभावी जल दबाव
हाइड्रोडायनामिक ऊर्जा द्वारा उत्पन्न विद्युत शक्ति और प्रभावी जल दबाव के बीच संबंध इस प्रकार है: उत्पन्न विद्युत शक्ति (kW) = [शुद्ध किए गए सीवेज का घनत्व ρ (kg/m3) × जल प्रवाह दर Q (m3/s) × प्रभावी जल दबाव H (m) × गुरुत्वाकर्षण स्थिरांक g (9.807 m/s2)] ÷ 1000
× समग्र प्रणाली दक्षता (%)। प्रभावी जल दबाव शाफ्ट के अधिकतम स्वीकार्य जल स्तर और बहते पानी में आसन्न शाफ्ट के जल स्तर के बीच का अंतर है।
दूसरे शब्दों में, प्रवाह वेग और प्रभावी जल दबाव जितना अधिक होगा, उतनी ही अधिक बिजली उत्पन्न होगी। इसलिए, अधिक बिजली उत्पन्न करने के लिए, डिज़ाइन लक्ष्यों में से एक यह है कि टरबाइन सिस्टम को उच्चतम जल प्रवाह गति और प्रभावी जल दबाव प्राप्त करने में सक्षम बनाया जाए।

3.2 सिस्टम डिज़ाइन के मुख्य बिंदु
सबसे पहले, डिजाइन के संदर्भ में, नव स्थापित टरबाइन प्रणाली को सीवेज उपचार संयंत्र के सामान्य संचालन को यथासंभव प्रभावित नहीं करना चाहिए। उदाहरण के लिए, सिस्टम में उचित सुरक्षात्मक उपकरण होने चाहिए ताकि गलत सिस्टम नियंत्रण के कारण अपस्ट्रीम अवसादन टैंक को शुद्ध सीवेज से बहने से रोका जा सके। डिजाइन के दौरान निर्धारित ऑपरेटिंग पैरामीटर: प्रवाह दर 1.06 ～ 1.50m3 / s, प्रभावी जल दबाव सीमा 24 ～ 52kPa।
इसके अलावा, चूंकि अवसादन टैंक द्वारा शुद्ध किए गए सीवेज में अभी भी कुछ संक्षारक पदार्थ होते हैं, जैसे हाइड्रोजन सल्फाइड और नमक, शुद्ध किए गए सीवेज के संपर्क में आने वाली सभी टरबाइन प्रणाली घटक सामग्री संक्षारण प्रतिरोधी होनी चाहिए (जैसे डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील सामग्री जो अक्सर सीवेज उपचार उपकरणों के लिए उपयोग की जाती है), ताकि सिस्टम के स्थायित्व में सुधार हो और रखरखाव की संख्या कम हो।
बिजली प्रणाली डिजाइन के संदर्भ में, चूंकि सीवेज टर्बाइन की बिजली उत्पादन विभिन्न कारणों से पूरी तरह से स्थिर नहीं है, इसलिए विश्वसनीय बिजली आपूर्ति बनाए रखने के लिए पूरी बिजली उत्पादन प्रणाली को ग्रिड के समानांतर जोड़ा जाता है। ग्रिड कनेक्शन की व्यवस्था बिजली कंपनी और हांगकांग विशेष प्रशासनिक क्षेत्र सरकार के इलेक्ट्रिकल और मैकेनिकल सेवा विभाग द्वारा जारी ग्रिड कनेक्शन के लिए तकनीकी दिशा-निर्देशों के अनुसार की जाएगी।
पाइप लेआउट के संदर्भ में, मौजूदा साइट प्रतिबंधों के अलावा, सिस्टम रखरखाव और मरम्मत की आवश्यकता पर भी विचार किया जाता है। इस संबंध में, आरएंडडी परियोजना में प्रस्तावित निपटान टैंक शाफ्ट में हाइड्रोलिक टरबाइन स्थापित करने की मूल योजना को बदल दिया गया है। इसके बजाय, शुद्ध सीवेज को शाफ्ट से गले द्वारा बाहर निकाला जाता है और हाइड्रोलिक टरबाइन में भेजा जाता है, जो रखरखाव की कठिनाई और समय को बहुत कम करता है और सीवेज उपचार संयंत्र के सामान्य संचालन पर प्रभाव को कम करता है।

इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए कि कभी-कभी रखरखाव के लिए अवसादन टैंक को निलंबित करने की आवश्यकता होती है, टरबाइन प्रणाली का गला डबल डेक अवसादन टैंकों के चार सेटों के दो शाफ्टों से जुड़ा हुआ है। भले ही अवसादन टैंकों के दो सेट संचालन बंद कर दें, अवसादन टैंकों के अन्य दो सेट भी शुद्ध मल प्रदान कर सकते हैं, टरबाइन प्रणाली को चला सकते हैं, और बिजली पैदा करना जारी रख सकते हैं। इसके अलावा, भविष्य में दूसरे हाइड्रोलिक टरबाइन बिजली उत्पादन प्रणाली की स्थापना के लिए 47/49 # अवसादन टैंक के शाफ्ट के पास एक जगह आरक्षित की गई है, ताकि जब अवसादन टैंकों के चार सेट सामान्य रूप से संचालित हों, तो दो टरबाइन बिजली उत्पादन प्रणालियां एक ही समय में बिजली पैदा कर सकें, अधिकतम बिजली क्षमता तक पहुंच सकें।

3.3 हाइड्रोलिक टरबाइन और जनरेटर का चयन
हाइड्रोलिक टर्बाइन पूरे बिजली उत्पादन प्रणाली का मुख्य उपकरण है। टर्बाइनों को आम तौर पर ऑपरेटिंग सिद्धांत के अनुसार दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: पल्स प्रकार और प्रतिक्रिया प्रकार। आवेग प्रकार वह है जिसमें द्रव कई नोजल के माध्यम से उच्च गति पर टर्बाइन ब्लेड तक पहुंचता है, और फिर ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए जनरेटर को चलाता है। प्रतिक्रिया प्रकार टर्बाइन ब्लेड से द्रव के माध्यम से गुजरता है, और ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए जनरेटर को चलाने के लिए जल स्तर के दबाव का उपयोग करता है। इस डिजाइन में, इस तथ्य के आधार पर कि शुद्ध सीवेज बहते समय कम पानी का दबाव प्रदान कर सकता है, अधिक उपयुक्त प्रतिक्रिया प्रकारों में से एक, कापलान टर्बाइन का चयन किया जाता है, क्योंकि इस टर्बाइन में कम पानी के दबाव पर उच्च दक्षता होती है और यह अपेक्षाकृत पतला होता है, जो साइट पर सीमित स्थान के लिए अधिक उपयुक्त होता है।
जनरेटर के संदर्भ में, निरंतर गति हाइड्रोलिक टरबाइन द्वारा संचालित स्थायी चुंबक तुल्यकालिक जनरेटर का चयन किया जाता है। यह जनरेटर एसिंक्रोनस जनरेटर की तुलना में अधिक स्थिर वोल्टेज और आवृत्ति का उत्पादन कर सकता है, इसलिए यह बिजली की आपूर्ति की गुणवत्ता में सुधार कर सकता है, समानांतर ग्रिड को सरल बना सकता है, और कम रखरखाव की आवश्यकता होती है।

4 निर्माण और संचालन सुविधाएँ
4.1 ग्रिड समानांतर व्यवस्था
ग्रिड कनेक्शन को बिजली कंपनी और हांगकांग विशेष प्रशासनिक क्षेत्र सरकार के विद्युत और यांत्रिक सेवा विभाग द्वारा जारी ग्रिड कनेक्शन के लिए तकनीकी दिशा-निर्देशों के अनुसार किया जाएगा। दिशा-निर्देशों के अनुसार, अक्षय ऊर्जा बिजली उत्पादन प्रणाली को एंटी आइलैंडिंग प्रोटेक्शन फंक्शन से लैस किया जाना चाहिए, जो किसी भी कारण से बिजली ग्रिड द्वारा बिजली की आपूर्ति बंद करने पर संबंधित अक्षय ऊर्जा बिजली उत्पादन प्रणाली को वितरण प्रणाली से स्वचालित रूप से अलग कर सकता है, ताकि अक्षय ऊर्जा बिजली उत्पादन प्रणाली वितरण प्रणाली को बिजली की आपूर्ति जारी न रख सके, ताकि ग्रिड या वितरण प्रणाली पर काम करने वाले इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग कर्मियों की सुरक्षा सुनिश्चित हो सके।
विद्युत आपूर्ति के समकालिक संचालन के संदर्भ में, नवीकरणीय ऊर्जा विद्युत उत्पादन प्रणाली और वितरण प्रणाली को तभी समकालिक किया जा सकता है जब वोल्टेज तीव्रता, कला कोण या आवृत्ति अंतर को स्वीकार्य सीमाओं के भीतर नियंत्रित किया जाता है।

4.2 नियंत्रण और संरक्षण
हाइड्रोलिक टरबाइन बिजली उत्पादन प्रणाली को स्वचालित या मैनुअल मोड में नियंत्रित किया जा सकता है। स्वचालित मोड में, अवसादन टैंक 47/49 # या 51/53 # के शाफ्ट को हाइड्रोलिक ऊर्जा के स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, और नियंत्रण प्रणाली सबसे उपयुक्त अवसादन टैंक का चयन करने के लिए डिफ़ॉल्ट डेटा के अनुसार विभिन्न नियंत्रण वाल्व शुरू करेगी, ताकि हाइड्रोलिक टरबाइन बिजली उत्पादन को अनुकूलित किया जा सके। इसके अलावा, नियंत्रण वाल्व स्वचालित रूप से अपस्ट्रीम सीवेज के स्तर को समायोजित करेगा ताकि अवसादन टैंक शुद्ध सीवेज को ओवरफ्लो न करे, जिससे बिजली उत्पादन उच्चतम स्तर तक बढ़ जाएगा। टरबाइन जनरेटर प्रणाली को मुख्य नियंत्रण कक्ष या साइट पर विनियमित किया जा सकता है।

संरक्षण और नियंत्रण के संदर्भ में, यदि टरबाइन प्रणाली का बिजली आपूर्ति बॉक्स या नियंत्रण वाल्व विफल हो जाता है या पानी का स्तर अधिकतम स्वीकार्य जल स्तर से अधिक हो जाता है, तो हाइड्रोलिक टरबाइन बिजली उत्पादन प्रणाली भी स्वचालित रूप से संचालन बंद कर देगी और बाईपास पाइप के माध्यम से शुद्ध सीवेज का निर्वहन करेगी, ताकि सिस्टम की विफलता के कारण अपस्ट्रीम अवसादन टैंक को शुद्ध सीवेज से बहने से रोका जा सके।

5 सिस्टम संचालन का प्रदर्शन
इस हाइड्रोलिक टरबाइन बिजली उत्पादन प्रणाली को 2018 के अंत में चालू किया गया था, जिसका औसत मासिक उत्पादन 10000 kW · h से अधिक है। प्रभावी जल दबाव जो हाइड्रोलिक टरबाइन बिजली उत्पादन प्रणाली को चला सकता है, वह भी हर दिन सीवेज उपचार संयंत्र द्वारा एकत्र और उपचारित सीवेज के उच्च और निम्न प्रवाह के कारण समय के साथ बदलता रहता है। टरबाइन प्रणाली द्वारा उत्पन्न बिजली को अधिकतम करने के लिए, ड्रेनेज सेवा विभाग ने दैनिक सीवेज प्रवाह के अनुसार टरबाइन ऑपरेशन टॉर्क को स्वचालित रूप से समायोजित करने के लिए एक नियंत्रण प्रणाली तैयार की है, जिससे बिजली उत्पादन क्षमता में सुधार होता है। चित्र 7 बिजली उत्पादन प्रणाली और जल प्रवाह के बीच संबंध को दर्शाता है। जब पानी का प्रवाह निर्धारित स्तर से अधिक हो जाता है, तो सिस्टम स्वचालित रूप से बिजली उत्पन्न करने के लिए काम करेगा।

6 चुनौतियाँ और समाधान
जल निकासी सेवा विभाग को संबंधित परियोजनाओं को पूरा करने में कई चुनौतियों का सामना करना पड़ा है, और इन चुनौतियों के जवाब में उसने संगत योजनाएँ तैयार की हैं।

7 निष्कर्ष
विभिन्न चुनौतियों के बावजूद, हाइड्रोलिक टरबाइन बिजली उत्पादन प्रणाली के इस सेट को 2018 के अंत में सफलतापूर्वक चालू कर दिया गया। सिस्टम का औसत मासिक बिजली उत्पादन 10000 kW · h से अधिक है, जो लगभग 25 हांगकांग घरों की औसत मासिक बिजली खपत के बराबर है (2018 में प्रत्येक हांगकांग घर की औसत मासिक बिजली खपत लगभग 390kW · h है)। ड्रेनेज सेवा विभाग पर्यावरण संरक्षण और जलवायु परिवर्तन परियोजनाओं को बढ़ावा देते हुए "हांगकांग के सतत विकास को बढ़ावा देने के लिए विश्व स्तरीय सीवेज और वर्षा जल उपचार और जल निकासी सेवाएं प्रदान करने" के लिए प्रतिबद्ध है। नवीकरणीय ऊर्जा के अनुप्रयोग में, ड्रेनेज सेवा विभाग अक्षय ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए बायोगैस, सौर ऊर्जा और शुद्ध सीवेज के प्रवाह से ऊर्जा का उपयोग करता है जल निकासी सेवा विभाग नवीकरणीय ऊर्जा के अनुप्रयोग को मजबूत करने और बढ़ावा देने के लिए अपने प्रयास जारी रखेगा।