Հոնկոնգի առաջին հիդրավլիկ տուրբինային համակարգը՝ կոյուղու միջոցով էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար

Հոնկոնգի հատուկ վարչական շրջանի կառավարության ջրահեռացման ծառայությունների վարչությունը հանձնառու է օգնելու մեղմել գլոբալ կլիմայի փոփոխությունը: Տարիների ընթացքում էներգախնայող և վերականգնվող էներգիայի կայաններ են տեղադրվել նրա որոշ կայաններում: Հոնկոնգի «Նավահանգստի մաքրման ծրագրի II Ա փուլի» պաշտոնական մեկնարկով ջրահեռացման ծառայությունների վարչությունը Սթոունքաթերս կղզու կոյուղու մաքրման կայանում (կոյուղու մաքրման կայան, որն ունի Հոնկոնգում ամենամեծ կոյուղու մաքրման հզորությունը) տեղադրել է հիդրավլիկ տուրբինային էներգիայի արտադրության համակարգ, որն օգտագործում է հոսող կոյուղու հիդրավլիկ էներգիան տուրբին-գեներատորը գործարկելու համար, ապա արտադրում է էլեկտրաէներգիա կայանի օբյեկտների օգտագործման համար: Այս հոդվածը ներկայացնում է համակարգը, ներառյալ համապատասխան նախագծերի իրականացման ընթացքում առաջացած մարտահրավերները, համակարգի նախագծման և կառուցման նկատառումներն ու բնութագրերը, ինչպես նաև համակարգի շահագործման արդյունավետությունը: Համակարգը ոչ միայն օգնում է խնայել էլեկտրաէներգիայի ծախսերը, այլև օգտագործում է ջուր՝ ածխածնի արտանետումները նվազեցնելու համար:

1. Նախագծի ներածություն
«Նավահանգստի մաքրման ծրագրի» երկրորդ փուլ A-ն Հոնկոնգի հատուկ վարչական շրջանի կառավարության կողմից իրականացվող լայնածավալ ծրագիր է՝ Վիկտորիա նավահանգստի ջրի որակը բարելավելու համար: Այն պաշտոնապես լիարժեք շահագործման է հանձնվել 2015 թվականի դեկտեմբերին: Դրա աշխատանքների շրջանակը ներառում է մոտ 21 կմ ընդհանուր երկարությամբ և գետնի տակ 163 մ խորությամբ խորը կոյուղու թունելի կառուցում, որը կղզու հյուսիսում և հարավ-արևմուտքում առաջացած կոյուղաջրերը տեղափոխելու է Սթոունքաթերս կղզու կոյուղու մաքրման կայան, և կոյուղու կայանի մաքրման հզորությունը հասցնելու 245 × 105 մ3/օր, ապահովելով կոյուղու մաքրման ծառայություններ մոտ 5.7 միլիոն քաղաքացիների համար: Հողային սահմանափակումների պատճառով Սթոունքաթերս կղզու կոյուղու մաքրման կայանը օգտագործում է 46 զույգ երկհարկանի նստվածքային բաք՝ կոյուղու քիմիականորեն բարելավված առաջնային մաքրման համար, և նստվածքային բաքերի յուրաքանչյուր երկու զույգը կունենա ուղղահայաց հորան (այսինքն՝ ընդհանուր առմամբ 23 հորան)՝ մաքրված կոյուղին ուղարկելու ստորգետնյա ջրահեռացման խողովակ՝ վերջնական ախտահանման, ապա՝ խորը ծով:

2. Համապատասխան վաղ հետազոտություններ և մշակումներ
Հաշվի առնելով Սթոունքաթերս Այլենդի կեղտաջրերի մաքրման կայանի կողմից ամեն օր մշակվող մեծ քանակությամբ կեղտաջրեր և նստվածքային բաքի եզակի երկշերտ դիզայնը, այն կարող է ապահովել որոշակի քանակությամբ հիդրավլիկ էներգիա՝ մաքրված կեղտաջրերը դուրս մղելով տուրբին-գեներատորը գործարկելու և էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Այնուհետև, 2008 թվականին, ջրահեռացման ծառայությունների բաժնի թիմը իրականացրեց համապատասխան իրագործելիության ուսումնասիրություն և մի շարք դաշտային փորձարկումներ: Այս նախնական ուսումնասիրությունների արդյունքները հաստատում են տուրբին-գեներատորներ տեղադրելու իրագործելիությունը:

Տեղադրման վայրը՝ նստվածքային բաքի հորանում։ Ջրի արդյունավետ ճնշումը՝ 4.5~6 մ (կոնկրետ նախագիծը կախված է ապագայում իրական շահագործման պայմաններից և տուրբինի ճշգրիտ դիրքից)։ Հոսքի միջակայքը՝ 1.1 ~ 1.25 մ3/վրկ։ Առավելագույն ելքային հզորություն՝ 45~50 կՎտ։ Սարքավորումներ և նյութեր՝ Քանի որ մաքրված կեղտաջրերը դեռևս որոշակի կոռոզիոն հատկություններ ունեն, ընտրված նյութերը և դրանց հետ կապված սարքավորումները պետք է ունենան բավարար պաշտպանություն և կոռոզիոն դիմադրություն։

Այս առումով, Ջրահեռացման ծառայությունների վարչությունը տարածք է նախատեսել կոյուղու մաքրման կայանում նստվածքի երկու հավաքածուի համար՝ «Նավահանգստի մաքրման նախագծի II Ա փուլ» ծրագրի ընդլայնման նախագծում տուրբինային էներգիայի արտադրության համակարգ տեղադրելու համար։

3 Համակարգի նախագծման նկատառումներ և առանձնահատկություններ
3.1 Ստացված հզորություն և արդյունավետ ջրի ճնշում
Հիդրոդինամիկ էներգիայի միջոցով արտադրված էլեկտրաէներգիայի և արդյունավետ ջրի ճնշման միջև կապը հետևյալն է. արտադրված էլեկտրաէներգիա (կՎտ)=[մաքրված կեղտաջրերի խտությունը ρ (կգ/մ3) × Ջրի հոսքի արագությունը Q (մ3/վ) × Արդյունավետ ջրի ճնշումը H (մ) × Ձգողականության հաստատունը g (9.807 մ/վ2)] ÷ 1000
× Համակարգի ընդհանուր արդյունավետությունը (%)։ Արդյունավետ ջրի ճնշումը հորանի առավելագույն թույլատրելի ջրի մակարդակի և հարակից հորանի ջրի մակարդակի միջև եղած տարբերությունն է հոսող ջրում։
Այլ կերպ ասած, որքան բարձր է հոսքի արագությունը և արդյունավետ ջրի ճնշումը, այնքան մեծ է արտադրվող հզորությունը: Հետևաբար, ավելի շատ հզորություն արտադրելու համար նախագծման նպատակներից մեկն այն է, որ տուրբինային համակարգը կարողանա ստանալ ջրի հոսքի ամենաբարձր արագությունը և արդյունավետ ջրի ճնշումը:

3.2 Համակարգի նախագծման հիմնական կետերը
Նախևառաջ, նախագծման առումով, նոր տեղադրված տուրբինային համակարգը չպետք է հնարավորինս ազդի կոյուղու մաքրման կայանի բնականոն աշխատանքի վրա: Օրինակ, համակարգը պետք է ունենա համապատասխան պաշտպանիչ սարքեր՝ կանխելու համար վերին հոսանքի նստվածքային բաքի մաքրված կոյուղու ջրերի լցվելը համակարգի սխալ կառավարման պատճառով: Նախագծման ընթացքում որոշված ​​աշխատանքային պարամետրեր՝ հոսքի արագություն 1.06 ~ 1.50 մ3/վրկ, արդյունավետ ջրի ճնշման միջակայք 24 ~ 52 կՊա:
Բացի այդ, քանի որ նստվածքային բաքով մաքրվող կեղտաջրերը դեռևս պարունակում են որոշ կոռոզիոն նյութեր, ինչպիսիք են ջրածնի սուլֆիդը և աղը, մաքրված կեղտաջրերի հետ շփվող տուրբինային համակարգի բոլոր բաղադրիչները պետք է լինեն կոռոզիակայուն (օրինակ՝ դուպլեքս չժանգոտվող պողպատե նյութերը, որոնք հաճախ օգտագործվում են կեղտաջրերի մաքրման սարքավորումների համար), որպեսզի բարելավվի համակարգի դիմացկունությունը և նվազեցվի սպասարկման քանակը։
Էներգահամակարգի նախագծման առումով, քանի որ կոյուղու տուրբինի էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը տարբեր պատճառներով լիովին կայուն չէ, ամբողջ էլեկտրաէներգիայի արտադրության համակարգը միացված է ցանցին զուգահեռ՝ հուսալի էներգամատակարարում ապահովելու համար: Ցանցին միացումը պետք է կազմակերպվի էլեկտրաէներգետիկ ընկերության և Հոնկոնգի հատուկ վարչական շրջանի կառավարության էլեկտրամեխանիկական ծառայությունների վարչության կողմից տրված ցանցին միացման տեխնիկական ուղեցույցների համաձայն:
Խողովակների դասավորության առումով, տեղանքի առկա սահմանափակումներից բացի, հաշվի է առնվում նաև համակարգի սպասարկման և վերանորոգման անհրաժեշտությունը: Այս առումով, փոխվել է հետազոտությունների և զարգացման նախագծում առաջարկված նստվածքային բաքի հորանում հիդրավլիկ տուրբինի տեղադրման սկզբնական պլանը: Դրա փոխարեն մաքրված կեղտաջրերը հորանից դուրս են բերվում կոկորդի միջոցով և ուղարկվում հիդրավլիկ տուրբին, ինչը զգալիորեն նվազեցնում է սպասարկման դժվարությունն ու ժամանակը, ինչպես նաև նվազեցնում է կեղտաջրերի մաքրման կայանի բնականոն աշխատանքի վրա ազդեցությունը:

Հաշվի առնելով այն փաստը, որ նստվածքի բաքը պարբերաբար կարիք ունի կախել սպասարկման համար, տուրբինային համակարգի կոկորդը միացված է չորս զույգ երկհարկանի նստվածքի բաքերի երկու լիսեռներին: Նույնիսկ եթե նստվածքի բաքերի երկու զույգերը դադարեն աշխատել, նստվածքի բաքերի մյուս երկու զույգերը նույնպես կարող են ապահովել մաքրված կեղտաջրեր, շարժել տուրբինային համակարգը և շարունակել էլեկտրաէներգիա արտադրել: Բացի այդ, 47/49 # նստվածքի բաքի լիսեռի մոտ տեղ է հատկացվել ապագայում երկրորդ հիդրավլիկ տուրբինային էներգիայի արտադրության համակարգի տեղադրման համար, որպեսզի նստվածքի բաքերի չորս զույգերի բնականոն աշխատանքի դեպքում երկու տուրբինային էներգիայի արտադրության համակարգերը կարողանան միաժամանակ էներգիա արտադրել՝ հասնելով առավելագույն հզորության:

3.3 Հիդրավլիկ տուրբինի և գեներատորի ընտրություն
Հիդրավլիկ տուրբինը ամբողջ էլեկտրաէներգիայի արտադրության համակարգի հիմնական սարքավորումն է: Տուրբինները կարելի է ընդհանուր առմամբ բաժանել երկու կատեգորիայի՝ ըստ աշխատանքի սկզբունքի՝ իմպուլսային տիպի և ռեակցիոն տիպի: Իմպուլսային տիպի դեպքում հեղուկը մեծ արագությամբ բազմաթիվ ծորակների միջոցով նետվում է տուրբինի թևին, ապա շարժում է գեներատորը՝ էներգիա ստանալու համար: Ռեակցիոն տեսակը անցնում է տուրբինի թևով հեղուկի միջով և օգտագործում է ջրի մակարդակի ճնշումը՝ գեներատորը շարժելու համար՝ էներգիա ստանալու համար: Այս նախագծում, հիմնվելով այն փաստի վրա, որ մաքրված կեղտաջրերը կարող են ապահովել ցածր ջրի ճնշում հոսելիս, ընտրվում է Կապլան տուրբինը, որն առավել հարմար ռեակցիայի տեսակներից մեկն է, քանի որ այս տուրբինն ունի բարձր արդյունավետություն ցածր ջրի ճնշման դեպքում և համեմատաբար բարակ է, ինչը ավելի հարմար է տարածքում սահմանափակ տարածքի համար:
Գեներատորի առումով ընտրվել է հաստատուն արագությամբ հիդրավլիկ տուրբինով աշխատող մշտական ​​մագնիսով սինխրոն գեներատոր։ Այս գեներատորը կարող է արտադրել ավելի կայուն լարում և հաճախականություն, քան ասինխրոն գեներատորը, ուստի այն կարող է բարելավել էլեկտրամատակարարման որակը, պարզեցնել զուգահեռ ցանցը և պահանջել ավելի քիչ սպասարկում։

4 Կառուցման և շահագործման առանձնահատկություններ
4.1 Ցանցային զուգահեռ դասավորություն
Ցանցին միացումը պետք է իրականացվի էլեկտրաէներգետիկ ընկերության և Հոնկոնգի հատուկ վարչական շրջանի կառավարության էլեկտրամեխանիկական ծառայությունների վարչության կողմից տրված ցանցին միացման տեխնիկական ուղեցույցների համաձայն: Ուղեցույցների համաձայն՝ վերականգնվող էներգիայից էլեկտրաէներգիայի արտադրության համակարգը պետք է հագեցած լինի կղզիացման դեմ պաշտպանության գործառույթով, որը կարող է ավտոմատ կերպով առանձնացնել համապատասխան վերականգնվող էներգիայից էլեկտրաէներգիայի արտադրության համակարգը բաշխման համակարգից, երբ էլեկտրական ցանցը որևէ պատճառով դադարեցնում է էլեկտրաէներգիայի մատակարարումը, որպեսզի վերականգնվող էներգիայից էլեկտրաէներգիայի արտադրության համակարգը չկարողանա շարունակել էլեկտրաէներգիա մատակարարել բաշխման համակարգին, որպեսզի ապահովվի ցանցում կամ բաշխման համակարգում աշխատող էլեկտրատեխնիկական անձնակազմի անվտանգությունը:
Էլեկտրամատակարարման համաժամանակյա աշխատանքի առումով, վերականգնվող էներգիայի արտադրության համակարգը և բաշխման համակարգը կարող են համաժամանակեցվել միայն այն դեպքում, երբ լարման ինտենսիվությունը, փուլային անկյունը կամ հաճախականության տարբերությունը կարգավորվում են ընդունելի սահմաններում։

4.2 Վերահսկողություն և պաշտպանություն
Հիդրավլիկ տուրբինային էներգիայի արտադրության համակարգը կարող է կառավարվել ավտոմատ կամ ձեռքով ռեժիմով: Ավտոմատ ռեժիմում 47/49 # կամ 51/53 # նստվածքային բաքի լիսեռները կարող են օգտագործվել որպես հիդրավլիկ էներգիայի աղբյուր, և կառավարման համակարգը միացնելու է տարբեր կառավարման փականներ՝ ըստ լռելյայն տվյալների՝ ընտրելու ամենահարմար նստվածքային բաքը՝ հիդրավլիկ տուրբինային էներգիայի արտադրությունը օպտիմալացնելու համար: Բացի այդ, կառավարման փականը ավտոմատ կերպով կկարգավորի վերին հոսանքի կոյուղու մակարդակը, որպեսզի նստվածքային բաքը չհեղեղի մաքրված կոյուղին, այդպիսով բարձրացնելով էներգիայի արտադրությունը մինչև ամենաբարձր մակարդակը: Տուրբին-գեներատորային համակարգը կարող է կարգավորվել գլխավոր կառավարման սենյակում կամ տեղում:

Պաշտպանության և կառավարման առումով, եթե տուրբինային համակարգի էլեկտրամատակարարման տուփը կամ կառավարման փականը խափանվի կամ ջրի մակարդակը գերազանցի ջրի թույլատրելի առավելագույն մակարդակը, հիդրավլիկ տուրբինային էներգիայի արտադրության համակարգը նույնպես ավտոմատ կերպով կդադարեցնի աշխատանքը և մաքրված կեղտաջրերը կթափի շրջանցիկ խողովակով, որպեսզի կանխվի վերին հոսանքի նստվածքային բաքի կողմից մաքրված կեղտաջրերի լցվելը համակարգի խափանման պատճառով։

5 Համակարգի աշխատանքի արդյունավետություն
Այս հիդրոտուրբինային էներգիայի արտադրության համակարգը շահագործման է հանձնվել 2018 թվականի վերջին, միջին ամսական արտադրանքը կազմում է ավելի քան 10000 կՎտ·ժ: Հիդրոտուրբինային էներգիայի արտադրության համակարգը շարժող արդյունավետ ջրի ճնշումը նույնպես ժամանակի ընթացքում փոխվում է՝ պայմանավորված կեղտաջրերի մաքրման կայանի կողմից ամեն օր հավաքվող և մաքրվող կեղտաջրերի բարձր և ցածր հոսքով: Տուրբինային համակարգի կողմից արտադրվող էներգիան առավելագույնի հասցնելու համար Ջրահեռացման ծառայությունների բաժինը նախագծել է կառավարման համակարգ՝ տուրբինի աշխատանքային պտտող մոմենտը ավտոմատ կերպով կարգավորելու համար՝ ըստ օրական կեղտաջրերի հոսքի, այդպիսով բարելավելով էներգիայի արտադրության արդյունավետությունը: Նկար 7-ը ցույց է տալիս էլեկտրաէներգիայի արտադրության համակարգի և ջրի հոսքի միջև եղած կապը: Երբ ջրի հոսքը գերազանցում է սահմանված մակարդակը, համակարգը ավտոմատ կերպով կաշխատի էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար:

6 մարտահրավերներ և լուծումներ
Ջրահեռացման ծառայությունների վարչությունը բազմաթիվ մարտահրավերների է բախվել համապատասխան նախագծեր իրականացնելիս և մշակել է համապատասխան ծրագրեր այդ մարտահրավերներին ի պատասխան։

7 Եզրակացություն
Չնայած տարբեր մարտահրավերներին, այս հիդրավլիկ տուրբինային էներգիայի արտադրության համակարգը հաջողությամբ շահագործման հանձնվեց 2018 թվականի վերջին: Համակարգի միջին ամսական հզորությունը կազմում է ավելի քան 10000 կՎտ·ժ, որը համարժեք է մոտ 25 Հոնկոնգի տնային տնտեսությունների միջին ամսական էլեկտրաէներգիայի սպառմանը (2018 թվականին Հոնկոնգի յուրաքանչյուր տնային տնտեսության միջին ամսական էլեկտրաէներգիայի սպառումը կազմել է մոտ 390 կՎտ·ժ): Ջրահեռացման ծառայությունների վարչությունը հանձնառու է «մատուցել համաշխարհային մակարդակի կոյուղու և անձրևաջրերի մաքրման և ջրահեռացման ծառայություններ՝ Հոնկոնգի կայուն զարգացումը խթանելու համար», միաժամանակ խթանելով շրջակա միջավայրի պաշտպանության և կլիմայի փոփոխության նախագծերը: Վերականգնվող էներգիայի կիրառման գործում Ջրահեռացման ծառայությունների վարչությունը օգտագործում է բիոգազ, արևային էներգիա և մաքրված կոյուղու հոսքից ստացված էներգիա՝ վերականգնվող էներգիա ստանալու համար: Վերջին մի քանի տարիների ընթացքում Ջրահեռացման ծառայությունների վարչության կողմից արտադրված միջին տարեկան վերականգնվող էներգիան կազմել է մոտ 27 միլիոն կՎտ·ժ, որը կարող է բավարարել Ջրահեռացման ծառայությունների վարչության մոտ 9%-ի էներգետիկ կարիքները: Ջրահեռացման ծառայությունների վարչությունը կշարունակի իր ջանքերը՝ վերականգնվող էներգիայի կիրառումը ամրապնդելու և խթանելու համար: