Hong Kong Özel İdari Bölge Hükümeti'nin Drenaj Hizmetleri Departmanı, küresel iklim değişikliğini hafifletmeye yardımcı olmaya kendini adamıştır. Yıllar içinde, bazı tesislerine enerji tasarrufu sağlayan ve yenilenebilir enerji tesisleri kurulmuştur. Hong Kong'un "Liman Arıtma Planı II. Aşama A"sının resmi lansmanıyla birlikte, Drenaj Hizmetleri Departmanı, Stonecutters Adası Kanalizasyon Arıtma Tesisi'ne (Hong Kong'daki en büyük kanalizasyon arıtma kapasitesine sahip kanalizasyon arıtma tesisi) bir hidrolik türbin güç üretim sistemi kurmuştur. Bu sistem, akan kanalizasyonun hidrolik enerjisini türbin jeneratörünü çalıştırmak için kullanır ve ardından tesisteki tesislerin kullanımı için elektrik üretir. Bu makale, ilgili projelerin uygulanmasında karşılaşılan zorluklar, sistem tasarımı ve inşasının hususları ve özellikleri ve sistemin işletme performansı dahil olmak üzere sistemi tanıtmaktadır. Sistem yalnızca elektrik maliyetlerinden tasarruf etmeye yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda karbon emisyonlarını azaltmak için su kullanır.
1 Proje tanıtımı
“Liman Arıtma Planı”nın ikinci faz A’sı, Hong Kong Özel İdari Bölge Hükümeti tarafından Victoria Limanı’nın su kalitesini iyileştirmek için uygulanan geniş çaplı bir plandır. Aralık 2015’te resmen tam olarak kullanıma açılmıştır. Çalışma kapsamı, adanın kuzeyi ve güneybatısında üretilen kanalizasyonu Stonecutters Adası Kanalizasyon Arıtma Tesisi’ne taşımak için toplam uzunluğu yaklaşık 21 km ve yerin 163 m altında olan derin bir kanalizasyon tüneli inşa etmeyi ve kanalizasyon tesisinin arıtma kapasitesini 245 × 105 m3/gün’e çıkararak yaklaşık 5,7 milyon vatandaşa kanalizasyon arıtma hizmeti sağlamayı içermektedir. Arazi kısıtlamaları nedeniyle, Stonecutters Adası Kanalizasyon Arıtma Tesisi, kanalizasyonun kimyasal olarak geliştirilmiş birincil arıtımı için 46 set çift katlı sedimantasyon tankı kullanmaktadır ve her iki set sedimantasyon tankı, arıtılmış kanalizasyonu son dezenfeksiyon için yer altı drenaj borusuna ve ardından derin denize göndermek için dikey bir şaftı (yani toplam 23 şaft) paylaşacaktır.
2 İlgili erken araştırma ve geliştirme
Stonecutters Adası Kanalizasyon Arıtma Tesisi tarafından her gün arıtılan büyük miktardaki kanalizasyon ve sedimantasyon tankının benzersiz çift katmanlı tasarımı göz önüne alındığında, arıtılmış kanalizasyonu boşaltırken türbin jeneratörünü çalıştırarak elektrik üretirken belirli miktarda hidrolik enerji sağlayabilir. Drenaj Hizmetleri Departmanı ekibi daha sonra 2008'de ilgili bir fizibilite çalışması yürüttü ve bir dizi saha testi gerçekleştirdi. Bu ön çalışmaların sonuçları türbin jeneratörleri kurmanın fizibilitesini doğrulamaktadır.
Kurulum yeri: Sedimantasyon tankının şaftında; Etkili su basıncı: 4,5 ~ 6 m (özel tasarım, gelecekteki gerçek çalışma koşullarına ve türbinin tam konumuna bağlıdır); Debi aralığı: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maksimum çıkış gücü: 45 ~ 50 kW; Ekipman ve malzemeler: Arıtılmış kanalizasyon hala belirli bir aşındırıcılığa sahip olduğundan, seçilen malzemeler ve ilgili ekipman yeterli korumaya ve korozyon direncine sahip olmalıdır.
Bu kapsamda, Kanalizasyon Hizmetleri Dairesi Başkanlığı, “Liman Arıtma Projesi II. Aşama A” genişleme projesi kapsamında türbin güç üretim sistemi kurmak amacıyla atıksu arıtma tesisinde iki set çökeltme tankı için yer ayırdı.
3 Sistem Tasarım Hususları ve Özellikleri
3.1 Üretilen güç ve etkili su basıncı
Hidrodinamik enerji ile üretilen elektrik gücü ile etkin su basıncı arasındaki ilişki şu şekildedir: üretilen elektrik gücü (kW)=[arıtılmış atık suyun yoğunluğu ρ (kg/m3) × Su akış hızı Q (m3/s) × Etkin su basıncı H (m) × Yerçekimi sabiti g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Genel sistem verimliliği (%) Etkin su basıncı, şaftın izin verilen maksimum su seviyesi ile akan suda bitişik şaftın su seviyesi arasındaki farktır.
Başka bir deyişle, akış hızı ve etkili su basıncı ne kadar yüksekse, üretilen güç de o kadar fazla olur. Bu nedenle, daha fazla güç üretmek için tasarım hedeflerinden biri, türbin sisteminin en yüksek su akış hızını ve etkili su basıncını almasını sağlamaktır.
3.2 Sistem tasarımının temel noktaları
Öncelikle tasarım açısından yeni kurulan türbin sistemi, atık su arıtma tesisinin normal çalışmasını mümkün olduğunca etkilememelidir. Örneğin, yanlış sistem kontrolü nedeniyle arıtılmış atık suyun yukarı akış sedimantasyon tankına taşmasını önlemek için sistemde uygun koruyucu cihazlar bulunmalıdır. Tasarım sırasında belirlenen çalışma parametreleri: debi 1,06 ～ 1,50m3/s, etkili su basınç aralığı 24 ～ 52kPa.
Ayrıca, çökeltme tankı ile arıtılan kanalizasyonda hala hidrojen sülfür ve tuz gibi bazı aşındırıcı maddeler bulunduğundan, arıtılmış kanalizasyonla temas eden tüm türbin sistemi bileşen malzemelerinin korozyona dayanıklı olması gerekir (örneğin kanalizasyon arıtma ekipmanlarında sıklıkla kullanılan dubleks paslanmaz çelik malzemeler), böylece sistemin dayanıklılığı artırılır ve bakım ihtiyacı azalır.
Güç sistemi tasarımı açısından, kanalizasyon türbininin güç üretimi çeşitli nedenlerle tamamen kararlı olmadığından, güvenilir güç kaynağı sağlamak için tüm güç üretim sistemi şebekeye paralel olarak bağlanır. Şebeke bağlantısı, elektrik şirketi ve Hong Kong Özel İdari Bölge Hükümeti Elektrik ve Mekanik Hizmetler Departmanı tarafından verilen şebeke bağlantısına ilişkin teknik yönergelere uygun olarak düzenlenecektir.
Boru yerleşimi açısından, mevcut saha kısıtlamalarına ek olarak, sistem bakım ve onarım ihtiyacı da dikkate alınır. Bu bağlamda, Ar-Ge projesinde önerilen çökeltme tankı şaftına hidrolik türbinin takılmasına ilişkin orijinal plan değiştirildi. Bunun yerine, arıtılmış kanalizasyon bir boğaz aracılığıyla şafttan dışarı çıkarılır ve hidrolik türbine gönderilir, bu da bakım zorluğunu ve süresini büyük ölçüde azaltır ve kanalizasyon arıtma tesisinin normal çalışması üzerindeki etkiyi azaltır.
Sedimentasyon tankının zaman zaman bakım için askıya alınması gerektiği gerçeği göz önünde bulundurularak, türbin sisteminin boğazı dört set çift katlı sedimantasyon tankının iki şaftına bağlanır. İki set sedimantasyon tankı çalışmayı durdursa bile, diğer iki set sedimantasyon tankı da arıtılmış kanalizasyon sağlayabilir, türbin sistemini çalıştırabilir ve elektrik üretmeye devam edebilir. Ayrıca, gelecekte ikinci hidrolik türbin güç üretim sisteminin kurulumu için 47/49 # sedimantasyon tankının şaftının yakınında bir yer ayrılmıştır, böylece dört set sedimantasyon tankı normal şekilde çalıştığında, iki türbin güç üretim sistemi aynı anda güç üretebilir ve maksimum güç kapasitesine ulaşabilir.
3.3 Hidrolik türbin ve jeneratör seçimi
Hidrolik türbin, tüm güç üretim sisteminin temel ekipmanıdır. Türbinler, çalışma prensibine göre genellikle iki kategoriye ayrılabilir: darbe tipi ve reaksiyon tipi. Darbe tipi, sıvının çok sayıda nozuldan yüksek hızda türbin kanatlarına fırlaması ve ardından enerji üretmek için jeneratörü çalıştırmasıdır. Reaksiyon tipi, sıvının içinden türbin kanatlarına geçer ve jeneratörü çalıştırmak için su seviyesi basıncını kullanarak enerji üretir. Bu tasarımda, arıtılmış kanalizasyonun akarken düşük su basıncı sağlayabilmesi gerçeğine dayanarak, daha uygun reaksiyon tiplerinden biri olan Kaplan türbini seçilmiştir, çünkü bu türbin düşük su basıncında yüksek verimliliğe sahiptir ve nispeten incedir, bu da sahadaki sınırlı alan için daha uygundur.
Jeneratör açısından, sabit hızlı hidrolik türbinle tahrik edilen kalıcı mıknatıslı senkron jeneratör seçilmiştir. Bu jeneratör, asenkron jeneratörden daha kararlı voltaj ve frekans çıkışı sağlayabilir, böylece güç kaynağı kalitesini iyileştirebilir, paralel şebekeyi daha basit hale getirebilir ve daha az bakım gerektirebilir.
4 Yapı ve İşletme Özellikleri
4.1 Izgara paralel düzenlemesi
Şebeke bağlantısı, elektrik şirketi ve Hong Kong Özel İdari Bölge Hükümeti Elektrik ve Mekanik Hizmetler Departmanı tarafından verilen şebeke bağlantısına ilişkin teknik yönergelere uygun olarak gerçekleştirilmelidir. Yönergelere göre, yenilenebilir enerji güç üretim sistemi, elektrik şebekesi herhangi bir nedenle güç sağlamayı bıraktığında ilgili yenilenebilir enerji güç üretim sistemini dağıtım sisteminden otomatik olarak ayırabilen anti ada koruma fonksiyonu ile donatılmalıdır, böylece yenilenebilir enerji güç üretim sistemi dağıtım sistemine güç sağlamaya devam edemez ve böylece şebekede veya dağıtım sisteminde çalışan elektrik mühendisliği personelinin güvenliği sağlanır.
Güç kaynağının senkron çalışması açısından, yenilenebilir enerji güç üretim sistemi ile dağıtım sisteminin senkronize çalışması ancak gerilim şiddeti, faz açısı veya frekans farkının kabul edilebilir sınırlar içerisinde kontrol edilmesi durumunda mümkün olabilmektedir.
4.2 Kontrol ve koruma
Hidrolik türbin güç üretim sistemi otomatik veya manuel modda kontrol edilebilir. Otomatik modda, 47/49 # veya 51/53 # sedimantasyon tankının şaftları hidrolik enerji kaynağı olarak kullanılabilir ve kontrol sistemi, en uygun sedimantasyon tankını seçmek için varsayılan verilere göre farklı kontrol vanalarını çalıştırır, böylece hidrolik türbin güç üretimini optimize eder. Ek olarak, kontrol vanası, sedimantasyon tankının arıtılmış kanalizasyonu taşmaması için akış yukarısı kanalizasyon seviyesini otomatik olarak ayarlayarak güç üretimini en yüksek seviyeye çıkarır. Türbin jeneratör sistemi, ana kontrol odasında veya sahada düzenlenebilir.
Koruma ve kontrol açısından, türbin sisteminin güç besleme kutusu veya kontrol vanası arızalanırsa veya su seviyesi izin verilen maksimum su seviyesini aşarsa, hidrolik türbin güç üretim sistemi de otomatik olarak çalışmayı durduracak ve arıtılmış pis suyu baypas borusundan boşaltacaktır, böylece sistem arızası nedeniyle arıtılmış pis suyun yukarı akış sedimantasyon tankına taşması önlenecektir.
5 Sistemin çalışmasının performansı
Bu hidrolik türbin güç üretim sistemi 2018 yılı sonunda, aylık ortalama 10000 kW · h'den fazla çıktı ile hizmete girdi. Hidrolik türbin güç üretim sistemini çalıştırabilen etkili su basıncı, her gün atık su arıtma tesisi tarafından toplanan ve işlenen yüksek ve düşük atık su akışı nedeniyle zamanla değişir. Türbin sistemi tarafından üretilen gücü en üst düzeye çıkarmak için, Drenaj Hizmetleri Departmanı, günlük atık su akışına göre türbin çalışma torkunu otomatik olarak ayarlayan bir kontrol sistemi tasarladı ve böylece güç üretim verimliliğini artırdı. Şekil 7, güç üretim sistemi ile su akışı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Su akışı ayarlanan seviyeyi aştığında, sistem otomatik olarak çalışarak elektrik üretecektir.
6 Zorluk ve Çözümler
Drenaj Hizmetleri Departmanı, ilgili projeleri yürütürken birçok zorlukla karşılaşmış ve bu zorluklara yanıt olarak ilgili planları formüle etmiştir.
7 Sonuç
Çeşitli zorluklara rağmen, bu hidrolik türbin güç üretim sistemi seti 2018'in sonunda başarıyla devreye alındı. Sistemin ortalama aylık güç çıkışı 10000 kW · h'den fazladır ve bu da yaklaşık 25 Hong Kong hanesinin ortalama aylık güç tüketimine eşdeğerdir (2018'de her Hong Kong hanesinin ortalama aylık güç tüketimi yaklaşık 390 kW · h'dir). Drenaj Hizmetleri Departmanı, çevre koruma ve iklim değişikliği projelerini teşvik ederken, "Hong Kong'un sürdürülebilir kalkınmasını teşvik etmek için dünya standartlarında kanalizasyon ve yağmur suyu arıtma ve drenaj hizmetleri sağlamaya" kendini adamıştır. Yenilenebilir enerjinin uygulanmasında, Drenaj Hizmetleri Departmanı yenilenebilir enerji üretmek için biyogaz, güneş enerjisi ve arıtılmış kanalizasyon akışından gelen enerjiyi kullanır. Son birkaç yılda, Drenaj Hizmetleri Departmanı tarafından üretilen ortalama yıllık yenilenebilir enerji yaklaşık 27 milyon kW · h'dir ve bu, Drenaj Hizmetleri Departmanının yaklaşık %9'unun enerji ihtiyacını karşılayabilir. Drenaj Hizmetleri Departmanı, yenilenebilir enerjinin uygulanmasını güçlendirme ve teşvik etme çabalarını sürdürecektir.
Yayınlanma zamanı: 22-Kas-2022
