ჰონგ-კონგის პირველი ჰიდრავლიკური ტურბინის სისტემა ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის კანალიზაციის ნაკადის მეშვეობით

ჰონგ-კონგის სპეციალური ადმინისტრაციული რეგიონის მთავრობის სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტი ვალდებულია დაეხმაროს გლობალური კლიმატის ცვლილების შემცირებაში. წლების განმავლობაში, მის ზოგიერთ ქარხანაში დამონტაჟდა ენერგიის დამზოგავი და განახლებადი ენერგიის ობიექტები. ჰონგ-კონგის „ნავსადგურის გაწმენდის გეგმის II A ფაზის“ ოფიციალური გახსნით, სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტმა დაამონტაჟა ჰიდრავლიკური ტურბინის ენერგიის გენერაციის სისტემა სტოუნკატერს აილენდის კანალიზაციის გამწმენდ ქარხანაში (ჩარხვის გამწმენდი ქარხანა, რომელსაც ჰონგ-კონგში ყველაზე დიდი ჩამდინარე წყლების გამწმენდი სიმძლავრე აქვს), რომელიც იყენებს გამდინარე ჩამდინარე წყლების ჰიდრავლიკურ ენერგიას ტურბინის გენერატორის ასამუშავებლად და შემდეგ გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას ქარხანაში არსებული ობიექტების გამოსაყენებლად. ეს ნაშრომი წარმოგიდგენთ სისტემას, მათ შორის შესაბამისი პროექტების განხორციელებისას წარმოქმნილ გამოწვევებს, სისტემის დიზაინისა და მშენებლობის მახასიათებლებსა და მოსაზრებებს, ასევე სისტემის ექსპლუატაციის მუშაობას. სისტემა არა მხოლოდ ხელს უწყობს ელექტროენერგიის ხარჯების დაზოგვას, არამედ წყალს იყენებს ნახშირბადის გამონაბოლქვის შესამცირებლად.

1 პროექტის შესავალი
„ნავსადგურის გაწმენდის გეგმის“ მეორე ფაზა A წარმოადგენს მასშტაბურ გეგმას, რომელიც ჰონგ-კონგის სპეციალური ადმინისტრაციული რეგიონის მთავრობამ ვიქტორიას ნავსადგურის წყლის ხარისხის გასაუმჯობესებლად განახორციელა. ის ოფიციალურად სრულად ამოქმედდა 2015 წლის დეკემბერში. მისი სამუშაოები მოიცავს დაახლოებით 21 კმ-ის სიგრძისა და მიწიდან 163 მეტრის სიღრმეზე ღრმა კანალიზაციის გვირაბის მშენებლობას, კუნძულის ჩრდილოეთით და სამხრეთ-დასავლეთით წარმოქმნილი კანალიზაციის წყლების სტოუნკატერს-აილენდის კანალიზაციის გამწმენდ ნაგებობაში ტრანსპორტირებისთვის და კანალიზაციის ნაგებობის გამწმენდი წყლების გამწმენდი ნაგებობის გამტარუნარიანობის 245 × 105 მ3/დღ-მდე გაზრდას, რაც დაახლოებით 5.7 მილიონი მოქალაქისთვის კანალიზაციის გამწმენდი მომსახურების გაწევას უზრუნველყოფს. მიწის შეზღუდვების გამო, სტოუნკატერს-აილენდის კანალიზაციის გამწმენდი ნაგებობა იყენებს ორსართულიანი სალექარი ავზების 46 კომპლექტს ჩამდინარე წყლების ქიმიურად გაძლიერებული პირველადი დამუშავებისთვის და სალექარი ავზების ყოველ ორ კომპლექტს ექნება საერთო ვერტიკალური ლილვი (ანუ სულ 23 ლილვი), რათა გაწმენდილი ჩამდინარე წყლები საბოლოო დეზინფექციისთვის მიწისქვეშა სადრენაჟო მილში გადაიგზავნოს, შემდეგ კი ღრმა ზღვაში.

2 შესაბამისი ადრეული კვლევა და განვითარება
სტოუნკატერს აილენდის კანალიზაციის გამწმენდი ნაგებობის მიერ ყოველდღიურად დამუშავებული დიდი რაოდენობით ჩამდინარე წყლებისა და მისი სალექარი ავზის უნიკალური ორშრიანი დიზაინის გათვალისწინებით, მას შეუძლია გარკვეული რაოდენობის ჰიდრავლიკური ენერგიის მიწოდება გაწმენდილი ჩამდინარე წყლების გამოდევნისას, რათა ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის ტურბინის გენერატორი ამოქმედდეს. სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტის გუნდმა 2008 წელს ჩაატარა შესაბამისი ტექნიკურ-ეკონომიკური კვლევა და საველე ტესტების სერია. ამ წინასწარი კვლევების შედეგები ადასტურებს ტურბინის გენერატორების დაყენების მიზანშეწონილობას.

მონტაჟის ადგილი: სალექარი ავზის ლილვში; ეფექტური წყლის წნევა: 4.5~6 მ (კონკრეტული დიზაინი დამოკიდებულია მომავალში რეალურ სამუშაო პირობებზე და ტურბინის ზუსტ პოზიციაზე); ნაკადის დიაპაზონი: 1.1 ~ 1.25 მ3/წმ; მაქსიმალური გამომავალი სიმძლავრე: 45~50 კვტ; აღჭურვილობა და მასალები: რადგან გაწმენდილ კანალიზაციას კვლავ აქვს გარკვეული კოროზიისადმი მდგრადობა, შერჩეულ მასალებს და მათთან დაკავშირებულ აღჭურვილობას უნდა ჰქონდეს ადეკვატური დაცვა და კოროზიისადმი მდგრადობა.

ამასთან დაკავშირებით, სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტმა „ნავსადგურის გამწმენდი პროექტის II A ფაზის“ გაფართოების პროექტის ფარგლებში, კანალიზაციის გამწმენდ ნაგებობაში ორი კომპლექტი ნალექის ავზისთვის ადგილი დაჯავშნა, რათა ტურბინის ენერგიის გენერაციის სისტემა დამონტაჟდეს.

3 სისტემის დიზაინის გასათვალისწინებელი საკითხები და მახასიათებლები
3.1 გენერირებული სიმძლავრე და ეფექტური წყლის წნევა
ჰიდროდინამიკური ენერგიით გენერირებულ ელექტროენერგიასა და წყლის ეფექტურ წნევას შორის დამოკიდებულება შემდეგია: გენერირებული ელექტროენერგია (კვტ) = [გაწმენდილი ჩამდინარე წყლების სიმკვრივე ρ (კგ/მ3) × წყლის ნაკადის სიჩქარე Q (მ3/წმ) × წყლის ეფექტური წნევა H (მ) × გრავიტაციული მუდმივა g (9.807 მ/წმ2)] ÷ 1000
× სისტემის საერთო ეფექტურობა (%). ეფექტური წყლის წნევა არის სხვაობა ლილვის მაქსიმალურ დასაშვებ წყლის დონესა და მიმდებარე ლილვის წყლის დონეს შორის გამდინარე წყალში.
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, რაც უფრო მაღალია ნაკადის სიჩქარე და ეფექტური წყლის წნევა, მით უფრო მეტია გენერირებული სიმძლავრე. ამიტომ, მეტი სიმძლავრის გენერირებისთვის, დიზაინის ერთ-ერთი მიზანია, ტურბინის სისტემამ მიიღოს წყლის ნაკადის ყველაზე მაღალი სიჩქარე და ეფექტური წყლის წნევა.

3.2 სისტემის დიზაინის ძირითადი პუნქტები
პირველ რიგში, დიზაინის თვალსაზრისით, ახლად დამონტაჟებულმა ტურბინულმა სისტემამ მაქსიმალურად არ უნდა იმოქმედოს კანალიზაციის გამწმენდი ნაგებობის ნორმალურ ფუნქციონირებაზე. მაგალითად, სისტემას უნდა ჰქონდეს შესაბამისი დამცავი მოწყობილობები, რათა თავიდან აიცილოს ზედა დინების სალექარი ავზის გაწმენდილი ჩამდინარე წყლების გადმოდინება სისტემის არასწორი მართვის გამო. დიზაინის დროს განსაზღვრული ოპერაციული პარამეტრები: ნაკადის სიჩქარე 1.06 ~ 1.50 მ3/წმ, ეფექტური წყლის წნევის დიაპაზონი 24 ~ 52 კპა.
გარდა ამისა, რადგან დალექვის ავზით გაწმენდილი ჩამდინარე წყლები კვლავ შეიცავს კოროზიულ ნივთიერებებს, როგორიცაა წყალბადის სულფიდი და მარილი, ტურბინის სისტემის ყველა კომპონენტის მასალა, რომელიც კონტაქტში შედის გაწმენდილ ჩამდინარე წყლებთან, უნდა იყოს კოროზიისადმი მდგრადი (მაგალითად, დუპლექსური უჟანგავი ფოლადის მასალები, რომლებიც ხშირად გამოიყენება ჩამდინარე წყლების გამწმენდი მოწყობილობებისთვის), რათა გაუმჯობესდეს სისტემის გამძლეობა და შემცირდეს მოვლა-პატრონობის რაოდენობა.
ენერგოსისტემის დიზაინის თვალსაზრისით, რადგან კანალიზაციის ტურბინის ენერგიის გამომუშავება სხვადასხვა მიზეზის გამო სრულიად სტაბილური არ არის, ელექტროენერგიის მიწოდების საიმედოობის უზრუნველსაყოფად მთელი ელექტროენერგიის გამომუშავების სისტემა ქსელთან პარალელურად არის დაკავშირებული. ქსელთან მიერთება უნდა მოხდეს ელექტროკომპანიისა და ჰონგ-კონგის სპეციალური ადმინისტრაციული რეგიონის მთავრობის ელექტრო და მექანიკური მომსახურების დეპარტამენტის მიერ გაცემული ქსელთან მიერთების ტექნიკური ინსტრუქციების შესაბამისად.
მილსადენების განლაგების თვალსაზრისით, არსებული ადგილმდებარეობის შეზღუდვების გარდა, გათვალისწინებულია სისტემის მოვლა-პატრონობისა და შეკეთების საჭიროებაც. ამ მხრივ, შეიცვალა კვლევისა და განვითარების პროექტში შემოთავაზებული ჰიდრავლიკური ტურბინის დაყენების თავდაპირველი გეგმა სალექარი ავზის შახტაში. ამის ნაცვლად, გაწმენდილი ჩამდინარე წყლები შახტიდან ყელის საშუალებით გამოდის და იგზავნება ჰიდრავლიკურ ტურბინაში, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს მოვლა-პატრონობის სირთულესა და დროს და ამცირებს ზემოქმედებას გამწმენდი ნაგებობის ნორმალურ მუშაობაზე.

იმის გათვალისწინებით, რომ სალექარი ავზს ზოგჯერ ტექნიკური მომსახურებისთვის დაკიდება სჭირდება, ტურბინის სისტემის ყელი დაკავშირებულია ორსართულიანი სალექარი ავზების ოთხი კომპლექტის ორ ლილვთან. მაშინაც კი, თუ სალექარი ავზების ორი კომპლექტი შეწყვეტს მუშაობას, სალექარი ავზების დანარჩენი ორი კომპლექტი ასევე უზრუნველყოფს გაწმენდილ ჩამდინარე წყლებს, ამუშავებს ტურბინის სისტემას და განაგრძობს ელექტროენერგიის გამომუშავებას. გარდა ამისა, 47/49 # სალექარი ავზის ლილვთან ახლოს გამოყოფილია ადგილი მომავალში მეორე ჰიდრავლიკური ტურბინის ენერგიის გენერაციის სისტემის დასამონტაჟებლად, რათა როდესაც სალექარი ავზების ოთხი კომპლექტი ნორმალურად იმუშავებს, ორმა ტურბინის ენერგიის გენერაციის სისტემამ შეძლოს ენერგიის ერთდროულად გამომუშავება, მაქსიმალური სიმძლავრის მიღწევით.

3.3 ჰიდრავლიკური ტურბინისა და გენერატორის შერჩევა
ჰიდრავლიკური ტურბინა მთელი ენერგიის გენერაციის სისტემის ძირითადი მოწყობილობაა. ტურბინები ზოგადად შეიძლება დაიყოს ორ კატეგორიად მუშაობის პრინციპის მიხედვით: პულსური ტიპი და რეაქტიული ტიპი. იმპულსური ტიპი გულისხმობს, რომ სითხე მაღალი სიჩქარით მიეწოდება ტურბინის პირებს მრავალი საქშენის მეშვეობით და შემდეგ ამოძრავებს გენერატორს ენერგიის გენერირებისთვის. რეაქტიული ტიპი გადის ტურბინის პირში სითხის გავლით და იყენებს წყლის დონის წნევას გენერატორის ამოძრავებისთვის ენერგიის გენერირებისთვის. ამ დიზაინში, იმის გათვალისწინებით, რომ გაწმენდილ კანალიზაციას შეუძლია უზრუნველყოს დაბალი წყლის წნევა ნაკადის დროს, შერჩეულია კაპლანის ტურბინა, ერთ-ერთი ყველაზე შესაფერისი რეაქციის ტიპი, რადგან ამ ტურბინას აქვს მაღალი ეფექტურობა დაბალი წყლის წნევის დროს და შედარებით თხელია, რაც უფრო შესაფერისია ადგილზე შეზღუდული სივრცისთვის.
გენერატორის თვალსაზრისით, შერჩეულია მუდმივი მაგნიტის სინქრონული გენერატორი, რომელსაც მუდმივი სიჩქარის ჰიდრავლიკური ტურბინა ამოძრავებს. ამ გენერატორს შეუძლია უფრო სტაბილური ძაბვისა და სიხშირის გამომუშავება, ვიდრე ასინქრონულ გენერატორს, რაც აუმჯობესებს ენერგომომარაგების ხარისხს, ამარტივებს პარალელურ ქსელს და ნაკლებ მოვლას მოითხოვს.

4 მშენებლობისა და ექსპლუატაციის მახასიათებლები
4.1 ბადის პარალელური განლაგება
ქსელთან მიერთება უნდა განხორციელდეს ელექტროკომპანიისა და ჰონგ-კონგის სპეციალური ადმინისტრაციული რეგიონის მთავრობის ელექტრო-მექანიკური მომსახურების დეპარტამენტის მიერ გაცემული ქსელთან მიერთების ტექნიკური ინსტრუქციების შესაბამისად. ინსტრუქციების თანახმად, განახლებადი ენერგიის გენერაციის სისტემა აღჭურვილი უნდა იყოს კუნძულობის საწინააღმდეგო დაცვის ფუნქციით, რომელსაც შეუძლია ავტომატურად გამოყოს შესაბამისი განახლებადი ენერგიის გენერაციის სისტემა განაწილების სისტემიდან, როდესაც ელექტროქსელი რაიმე მიზეზით შეწყვეტს ელექტროენერგიის მიწოდებას, ისე, რომ განახლებადი ენერგიის გენერაციის სისტემამ ვერ გააგრძელოს განაწილების სისტემისთვის ელექტროენერგიის მიწოდება, რათა უზრუნველყოფილი იყოს ქსელზე ან განაწილების სისტემაზე მომუშავე ელექტროტექნიკოსების უსაფრთხოება.
ელექტრომომარაგების სინქრონული მუშაობის თვალსაზრისით, განახლებადი ენერგიის გენერაციის სისტემისა და განაწილების სისტემის სინქრონიზაცია შესაძლებელია მხოლოდ მაშინ, როდესაც ძაბვის ინტენსივობა, ფაზური კუთხე ან სიხშირის სხვაობა კონტროლდება მისაღებ ზღვრებში.

4.2 კონტროლი და დაცვა
ჰიდრავლიკური ტურბინის ენერგიის გენერაციის სისტემის მართვა შესაძლებელია ავტომატურ ან მექანიკურ რეჟიმში. ავტომატურ რეჟიმში, 47/49 # ან 51/53 # სალექარი ავზის ლილვები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჰიდრავლიკური ენერგიის წყაროდ და მართვის სისტემა ჩართავს სხვადასხვა საკონტროლო სარქველებს ნაგულისხმევი მონაცემების მიხედვით, რათა შეარჩიოს ყველაზე შესაფერისი სალექარი ავზი, რათა ოპტიმიზაცია გაუკეთოს ჰიდრავლიკური ტურბინის ენერგიის გენერაციას. გარდა ამისა, მართვის სარქველი ავტომატურად დაარეგულირებს ზედა დინების კანალიზაციის დონეს ისე, რომ სალექარი ავზიდან არ გადმოიღვაროს გაწმენდილი კანალიზაცია, რითაც გაზრდის ენერგიის გამომუშავებას უმაღლეს დონემდე. ტურბინის გენერატორის სისტემის რეგულირება შესაძლებელია მთავარ საკონტროლო ოთახში ან ადგილზე.

დაცვისა და კონტროლის თვალსაზრისით, თუ ტურბინის სისტემის კვების წყაროს ყუთი ან მართვის სარქველი გაფუჭდება ან წყლის დონე გადააჭარბებს წყლის მაქსიმალურ დასაშვებ დონეს, ჰიდრავლიკური ტურბინის ენერგიის გენერაციის სისტემა ასევე ავტომატურად შეწყვეტს მუშაობას და გაწმენდილ ჩამდინარე წყლებს შემოვლითი მილის მეშვეობით გამოდევნის, რათა თავიდან აიცილოს სისტემის გაუმართაობის გამო ზედა დინების სალექარი ავზის გაწმენდილი ჩამდინარე წყლების გადმოდინება.

5 სისტემის მუშაობის ეფექტურობა
ეს ჰიდრავლიკური ტურბინის ენერგიის გენერაციის სისტემა ექსპლუატაციაში შევიდა 2018 წლის ბოლოს, საშუალო თვიური გამომუშავებით 10000 კვტ.სთ-ზე მეტი. ჰიდრავლიკური ტურბინის ენერგიის გენერაციის სისტემის მართვისთვის ასევე შესაძლებელია წყლის ეფექტური წნევის ცვლილება დროთა განმავლობაში, გამწმენდი ნაგებობის მიერ ყოველდღიურად შეგროვებული და დამუშავებული ჩამდინარე წყლების მაღალი და დაბალი ნაკადის გამო. ტურბინის სისტემის მიერ გამომუშავებული ენერგიის მაქსიმიზაციის მიზნით, სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტმა შეიმუშავა მართვის სისტემა, რომელიც ავტომატურად არეგულირებს ტურბინის მუშაობის ბრუნვის მომენტს ყოველდღიური ჩამდინარე წყლების ნაკადის მიხედვით, რითაც აუმჯობესებს ენერგიის წარმოების ეფექტურობას. სურათი 7 გვიჩვენებს ელექტროენერგიის გენერაციის სისტემასა და წყლის ნაკადს შორის ურთიერთკავშირს. როდესაც წყლის ნაკადი აღემატება დადგენილ დონეს, სისტემა ავტომატურად იმუშავებს ელექტროენერგიის გენერირებისთვის.

6 გამოწვევა და გადაწყვეტა
სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტს შესაბამისი პროექტების განხორციელებისას მრავალი გამოწვევა შეექმნა და ამ გამოწვევებზე რეაგირებისთვის შესაბამისი გეგმები შეიმუშავა.

7 დასკვნა
სხვადასხვა გამოწვევის მიუხედავად, ჰიდრავლიკური ტურბინის ენერგიის გენერაციის ეს სისტემა წარმატებით ამოქმედდა 2018 წლის ბოლოს. სისტემის საშუალო თვიური სიმძლავრე 10000 კვტ.სთ-ზე მეტია, რაც დაახლოებით 25 ჰონგ-კონგის ოჯახის საშუალო თვიური ენერგიის მოხმარების ეკვივალენტურია (2018 წელს ჰონგ-კონგის თითოეული ოჯახის საშუალო თვიური ენერგიის მოხმარება დაახლოებით 390 კვტ.სთ იყო). სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტი ვალდებულია „უზრუნველყოს მსოფლიო დონის კანალიზაციისა და წვიმის წყლის გამწმენდი და სადრენაჟე მომსახურება ჰონგ-კონგის მდგრადი განვითარების ხელშესაწყობად“, ამავდროულად ხელს უწყობს გარემოს დაცვისა და კლიმატის ცვლილების პროექტებს. განახლებადი ენერგიის გამოყენებისას, სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტი იყენებს ბიოგაზს, მზის ენერგიას და გაწმენდილი კანალიზაციის ნაკადიდან მიღებულ ენერგიას განახლებადი ენერგიის გენერირებისთვის. ბოლო რამდენიმე წლის განმავლობაში, სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტის მიერ წარმოებული საშუალო წლიური განახლებადი ენერგია დაახლოებით 27 მილიონი კვტ.სთ-ია, რაც დააკმაყოფილებს სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტის დაახლოებით 9%-ის ენერგეტიკულ საჭიროებებს. სადრენაჟე მომსახურების დეპარტამენტი გააგრძელებს ძალისხმევას განახლებადი ენერგიის გამოყენების გასაძლიერებლად და ხელშესაწყობად.