מערכת הטורבינה ההידראולית הראשונה בהונג קונג לייצור חשמל באמצעות זרימת ביוב

מחלקת שירותי הניקוז של ממשלת האזור המנהלי המיוחד של הונג קונג מחויבת לסייע במתן שינויי האקלים העולמיים. במהלך השנים הותקנו בכמה ממפעליה מתקני חיסכון באנרגיה ואנרגיה מתחדשת. עם ההשקה הרשמית של "תוכנית טיהור הנמל שלב II A" של הונג קונג, מחלקת שירותי הניקוז התקינה מערכת לייצור חשמל באמצעות טורבינה הידראולית במתקן טיהור השפכים באי סטונקאטרס (מתקן טיהור השפכים בעל קיבולת טיהור השפכים הגדולה ביותר בהונג קונג), המשתמשת באנרגיה הידראולית של שפכים זורמים כדי להניע את גנרטור הטורבינה, ולאחר מכן מייצרת חשמל לשימוש המתקנים במפעל. מאמר זה מציג את המערכת, כולל האתגרים בהם נתקלים ביישום פרויקטים רלוונטיים, השיקולים והמאפיינים של תכנון ובניית המערכת, וביצועי התפעול של המערכת. המערכת לא רק מסייעת לחסוך בעלויות החשמל, אלא גם משתמשת במים כדי להפחית את פליטות הפחמן.

1 מבוא לפרויקט
השלב השני א' של "תוכנית טיהור הנמל" הוא תוכנית רחבת היקף שיושמה על ידי ממשלת האזור המנהלי המיוחד של הונג קונג לשיפור איכות המים בנמל ויקטוריה. היא נכנסה לשימוש רשמית במלואה בדצמבר 2015. היקף עבודתה כולל בניית מנהרת ביוב עמוקה באורך כולל של כ-21 ק"מ ובעומק של 163 מטר מתחת לפני הקרקע, להובלת שפכים הנוצרים בצפון ובדרום מערב האי למתקן טיהור השפכים של האי סטונקטרס, ולהגדלת קיבולת הטיפול של מתקן השפכים ל-245 × 105 מ"ק/יום, המספק שירותי טיהור שפכים לכ-5.7 מיליון אזרחים. עקב מגבלות קרקע, מתקן טיהור השפכים של האי סטונקטרס משתמש ב-46 סטים של מיכלי שקיעה דו-קומתיים לטיפול ראשוני משופר כימית בשפכים, וכל שתי סטים של מיכלי שקיעה יחלקו פיר אנכי (כלומר, סך של 23 פירים) כדי לשלוח את השפכים המטוהרים לצינור הניקוז התת-קרקעי לחיטוי סופי, ולאחר מכן לים העמוק.

2 מחקר ופיתוח רלוונטיים בשלב מוקדם
לאור כמות השפכים הגדולה המטופלת על ידי מתקן טיהור השפכים של האי סטונקטרס מדי יום והעיצוב הייחודי הדו-שכבתי של מיכל השיקוע שלו, הוא יכול לספק כמות מסוימת של אנרגיה הידראולית תוך כדי פריקת השפכים המטוהרים כדי להניע את גנרטור הטורבינה לייצור חשמל. צוות מחלקת שירותי הניקוז ביצע לאחר מכן מחקר היתכנות רלוונטי בשנת 2008 וערך סדרה של ניסויי שטח. תוצאות המחקרים המקדימים הללו מאשרות את היתכנות התקנת גנרטורים של טורבינות.

מיקום התקנה: בפיר של מיכל שיקוע; לחץ מים אפקטיבי: 4.5~6 מטר (התכנון הספציפי תלוי בתנאי ההפעלה בפועל בעתיד ובמיקום המדויק של הטורבינה); טווח זרימה: 1.1 ～ 1.25 מ"ק/שנייה; הספק תפוקה מרבי: 45~50 קילוואט; ציוד וחומרים: מכיוון שלשפכים מטוהרים עדיין יש קורוזיביות מסוימת, החומרים שנבחרו והציוד הנלווה חייבים להיות בעלי הגנה ועמידות בפני קורוזיה נאותים.

בהקשר זה, מחלקת שירותי הניקוז הזמינה מקום לשני סטים של מיכלי שקיעה במתקן טיהור השפכים לצורך התקנת מערכת טורבינה לייצור חשמל בפרויקט ההרחבה של "פרויקט טיהור הנמל שלב II A".

3 שיקולים ותכונות של עיצוב המערכת
3.1 כוח ייצור ולחץ מים אפקטיבי
הקשר בין הספק חשמלי המופק מאנרגיה הידרודינמית לבין לחץ מים אפקטיבי הוא כדלקמן: הספק חשמלי המופק (קילוואט) = [צפיפות מי שפכים מטוהרים ρ (ק"ג/מ"ק) × קצב זרימת המים Q (מ"ק/שנייה) × לחץ מים אפקטיבי H (מ"ק) × קבוע כבידה g (9.807 מ"ק/שנייה)] ÷ 1000
× יעילות המערכת הכוללת (%). לחץ המים האפקטיבי הוא ההפרש בין מפלס המים המרבי המותר של הפיר לבין מפלס המים של הפיר הסמוך במים הזורמים.
במילים אחרות, ככל שמהירות הזרימה ולחץ המים האפקטיבי גבוהים יותר, כך גדל הכוח המיוצר. לכן, על מנת לייצר יותר כוח, אחת ממטרות התכנון היא לאפשר למערכת הטורבינה לקבל את מהירות זרימת המים הגבוהה ביותר ואת לחץ המים האפקטיבי.

3.2 נקודות מפתח בתכנון המערכת
ראשית, מבחינת תכנון, מערכת הטורבינה החדשה שהותקנה אסור שתשפיע ככל האפשר על הפעולה הרגילה של מתקן טיהור השפכים. לדוגמה, על המערכת להיות מצוידת באמצעי הגנה מתאימים כדי למנוע הצפת מיכל השיקוע במעלה הזרם של השפכים המטוהרים עקב בקרה שגויה של המערכת. פרמטרי הפעלה שנקבעו במהלך התכנון: קצב זרימה 1.06 ～ 1.50 מ"ק/שנייה, טווח לחץ מים אפקטיבי 24 ～ 52 קילו-פסקל.
בנוסף, מכיוון שהשפכים המטוהרים על ידי מיכל השיקוע עדיין מכילים חומרים קורוזיביים, כגון מימן גופרתי ומלח, כל חומרי רכיבי מערכת הטורבינה הבאים במגע עם השפכים המטוהרים חייבים להיות עמידים בפני קורוזיה (כגון חומרי נירוסטה דופלקס המשמשים לעתים קרובות בציוד לטיפול בשפכים), על מנת לשפר את עמידות המערכת ולהפחית את מספר פעולות התחזוקה.
מבחינת תכנון מערכת החשמל, מכיוון שייצור החשמל של טורבינת ביוב אינו יציב לחלוטין מסיבות שונות, כל מערכת ייצור החשמל מחוברת במקביל לרשת כדי לשמור על אספקת חשמל אמינה. חיבור הרשת יסודר בהתאם להנחיות הטכניות לחיבור לרשת שהונפקו על ידי חברת החשמל ומחלקת השירותים החשמליים והמכניים של ממשלת האזור המנהלי המיוחד של הונג קונג.
מבחינת פריסת הצינורות, בנוסף למגבלות האתר הקיימות, נלקח בחשבון גם הצורך בתחזוקה ותיקון של המערכת. בהקשר זה, שונתה התוכנית המקורית של התקנת הטורבינה ההידראולית בפיר מיכל השיקוע שהוצעה בפרויקט המחקר והפיתוח. במקום זאת, השפכים המטוהרים מובלים החוצה מהפיר באמצעות צוואר ונשלחים לטורבינה ההידראולית, מה שמפחית מאוד את הקושי ואת זמן התחזוקה ומפחית את ההשפעה על הפעילות הרגילה של מתקן טיהור השפכים.

לאור העובדה שמכל השיקוע צריך להיות מושעה מדי פעם לצורך תחזוקה, גרון מערכת הטורבינה מחובר לשני צירים של ארבעה סטים של מיכלי שיקוע דו-קומתיים. גם אם שני סטים של מיכלי שיקוע מפסיקים לפעול, שני הסטים האחרים של מיכלי שיקוע יכולים גם הם לספק שפכים מטוהרים, להניע את מערכת הטורבינה ולהמשיך לייצר חשמל. בנוסף, הוזמן מקום ליד פיר מיכל השיקוע 47/49 # להתקנת מערכת ייצור חשמל טורבינה הידראולית שנייה בעתיד, כך שכאשר ארבעת סטים של מיכלי שיקוע יפעלו כרגיל, שתי מערכות ייצור החשמל של הטורבינה יוכלו לייצר חשמל בו זמנית, ולהגיע לקיבולת החשמל המרבית.

3.3 בחירת טורבינה הידראולית וגנרטור
טורבינה הידראולית היא הציוד המרכזי של כל מערכת ייצור החשמל. ניתן לחלק טורבינות באופן כללי לשתי קטגוריות לפי עקרון הפעולה שלהן: סוג פולס וסוג תגובה. סוג אימפולס הוא שבו הנוזל זורם ללהב הטורבינה במהירות גבוהה דרך מספר פיות, ולאחר מכן מניע את הגנרטור לייצר אנרגיה. סוג התגובה עובר דרך להב הטורבינה דרך הנוזל, ומשתמש בלחץ מפלס המים כדי להניע את הגנרטור לייצר אנרגיה. בתכנון זה, בהתבסס על העובדה שהשפכים המטוהרים יכולים לספק לחץ מים נמוך בעת הזרימה, נבחרה טורבינת קפלן, אחת מסוגי התגובה המתאימים יותר, מכיוון שלטורבינה זו יעילות גבוהה בלחץ מים נמוך והיא דקה יחסית, דבר המתאים יותר לשטח מוגבל באתר.
מבחינת גנרטור, נבחר גנרטור סינכרוני בעל מגנט קבוע המונע על ידי טורבינה הידראולית במהירות קבועה. גנרטור זה יכול להפיק מתח ותדר יציבים יותר מאשר גנרטור אסינכרוני, כך שהוא יכול לשפר את איכות אספקת החשמל, להפוך את הרשת המקבילה לפשוטה יותר ודורש פחות תחזוקה.

4 מאפייני בנייה ותפעול
4.1 סידור מקבילי של רשת
חיבור הרשת יבוצע בהתאם להנחיות הטכניות לחיבור לרשת שהונפקו על ידי חברת החשמל ומחלקת השירותים החשמליים והמכניים של ממשלת האזור המנהלי המיוחד של הונג קונג. על פי ההנחיות, מערכת ייצור החשמל מאנרגיה מתחדשת חייבת להיות מצוידת בפונקציית הגנה מפני אי-ספיקה, שיכולה להפריד באופן אוטומטי את מערכת ייצור החשמל מאנרגיה מתחדשת הרלוונטית ממערכת החלוקה כאשר רשת החשמל מפסיקה לספק חשמל מכל סיבה שהיא, כך שמערכת ייצור החשמל מאנרגיה מתחדשת לא תוכל להמשיך לספק חשמל למערכת החלוקה, על מנת להבטיח את בטיחותם של אנשי הנדסת החשמל העובדים ברשת או במערכת החלוקה.
מבחינת פעולה סינכרונית של אספקת חשמל, מערכת ייצור החשמל ומערכת החלוקה של אנרגיה מתחדשת ניתנות לסנכרון רק כאשר עוצמת המתח, זווית הפאזה או הפרש התדר נשלטים בגבולות מקובלים.

4.2 בקרה והגנה
ניתן לשלוט במערכת ייצור החשמל של הטורבינה ההידראולית במצב אוטומטי או ידני. במצב אוטומטי, ניתן להשתמש בצירים של מיכל השיקוע 47/49 # או 51/53 # כמקור אנרגיה הידראולית, ומערכת הבקרה תפעיל שסתומי בקרה שונים בהתאם לנתוני ברירת המחדל כדי לבחור את מיכל השיקוע המתאים ביותר, על מנת לייעל את ייצור החשמל של הטורבינה ההידראולית. בנוסף, שסתום הבקרה יתאים אוטומטית את מפלס הביוב במעלה הזרם כך שמיכל השיקוע לא יעלה על גדותיו של הביוב המטוהר, ובכך יגדיל את ייצור החשמל לרמה הגבוהה ביותר. ניתן לווסת את מערכת גנרטור הטורבינה בחדר הבקרה הראשי או באתר.

מבחינת הגנה ובקרה, אם תיבת אספקת החשמל או שסתום הבקרה של מערכת הטורבינה נכשלים או שמפלס המים עולה על מפלס המים המרבי המותר, מערכת ייצור החשמל של הטורבינה ההידראולית תפסיק אוטומטית את פעולתה ותרוקן את השפכים המטוהרים דרך צינור העוקף, על מנת למנוע ממיכל השיקוע במעלה הזרם לעלות על גדותיו של השפכים המטוהרים עקב כשל במערכת.

5 ביצועי פעולת המערכת
מערכת ייצור חשמל זו באמצעות טורבינה הידראולית הופעלה בסוף שנת 2018, עם תפוקה חודשית ממוצעת של יותר מ-10000 קילוואט-שעה. לחץ המים האפקטיבי שיכול להניע את מערכת ייצור החשמל של הטורבינה ההידראולית משתנה גם עם הזמן עקב הזרימה הגבוהה והנמוכה של שפכים הנאספים ומטופלים על ידי מתקן טיהור השפכים מדי יום. על מנת למקסם את ההספק המיוצר על ידי מערכת הטורבינה, מחלקת שירותי הניקוז תכננה מערכת בקרה שתתאים אוטומטית את מומנט הפעולה של הטורבינה בהתאם לזרימת השפכים היומית, ובכך תשפר את יעילות ייצור החשמל. איור 7 מציג את הקשר בין מערכת ייצור החשמל לזרימת המים. כאשר זרימת המים עולה על הרמה שנקבעה, המערכת תפעל אוטומטית לייצור חשמל.

6 אתגרים ופתרונות
מחלקת שירותי הניקוז נתקלה באתגרים רבים בביצוע פרויקטים רלוונטיים, וגיבשה תוכניות תואמות בתגובה לאתגרים אלה.

7 סיכום
למרות אתגרים שונים, מערכת זו של טורבינות הידראוליות לייצור חשמל הופעלה בהצלחה בסוף שנת 2018. תפוקת החשמל החודשית הממוצעת של המערכת היא יותר מ-10,000 קילוואט-שעה, השווה ערך לצריכת החשמל החודשית הממוצעת של כ-25 משקי בית בהונג קונג (צריכת החשמל החודשית הממוצעת של כל משק בית בהונג קונג בשנת 2018 היא כ-390 קילוואט-שעה). מחלקת שירותי הניקוז מחויבת "לספק שירותי טיפול וניקוז בשפכים ומי גשמים ברמה עולמית כדי לקדם פיתוח בר-קיימא של הונג קונג", תוך קידום פרויקטים של הגנת הסביבה ושינויי אקלים. ביישום אנרגיה מתחדשת, מחלקת שירותי הניקוז משתמשת בביוגז, אנרגיה סולארית ואנרגיה מזרימת שפכים מטוהרים כדי לייצר אנרגיה מתחדשת. בשנים האחרונות, צריכת האנרגיה המתחדשת השנתית הממוצעת המיוצרת על ידי מחלקת שירותי הניקוז היא כ-27 מיליון קילוואט-שעה, שיכולה לענות על צרכי האנרגיה של כ-9% ממחלקת שירותי הניקוז. מחלקת שירותי הניקוז תמשיך במאמציה לחזק ולקדם את יישום האנרגיה המתחדשת.