Hong Kong Özel İdari Bölgesi Hükümeti'nin Su Tahliye Hizmetleri Dairesi, küresel iklim değişikliğinin etkilerini azaltmaya yardımcı olmaya kararlıdır. Yıllar içinde, bazı tesislerinde enerji tasarruflu ve yenilenebilir enerji tesisleri kurulmuştur. Hong Kong'un "Liman Arıtma Planı Faz II A"sının resmi olarak başlatılmasıyla birlikte, Su Tahliye Hizmetleri Dairesi, Stonecutters Adası Atıksu Arıtma Tesisi'nde (Hong Kong'daki en büyük atıksu arıtma kapasitesine sahip atıksu arıtma tesisi) hidrolik türbinli bir enerji üretim sistemi kurmuştur. Bu sistem, akan atıksuların hidrolik enerjisini türbin jeneratörünü çalıştırmak için kullanır ve daha sonra tesisteki tesislerin kullanımı için elektrik üretir. Bu makale, ilgili projelerin uygulanmasında karşılaşılan zorluklar, sistem tasarım ve yapımının dikkate alınması gereken noktaları ve özellikleri ile sistemin işletme performansı da dahil olmak üzere sistemi tanıtmaktadır. Sistem sadece elektrik maliyetlerinden tasarruf sağlamaya yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda su kullanarak karbon emisyonlarını da azaltır.
1. Proje tanıtımı
“Liman Arıtma Planı”nın ikinci aşaması olan A aşaması, Hong Kong Özel İdari Bölgesi Hükümeti tarafından Victoria Limanı'nın su kalitesini iyileştirmek amacıyla uygulanan büyük ölçekli bir plandır. Aralık 2015'te resmen tam olarak kullanıma sunulmuştur. Çalışma kapsamı, adanın kuzey ve güneybatısında oluşan atık suları Stonecutters Adası Atık Su Arıtma Tesisi'ne taşımak ve tesisin arıtma kapasitesini 245 × 10⁵ m³/gün'e çıkararak yaklaşık 5,7 milyon vatandaşa atık su arıtma hizmeti sağlamak için toplam uzunluğu yaklaşık 21 km ve yerin 163 m altında olan derin bir atık su tünelinin inşasını içermektedir. Arazi sınırlamaları nedeniyle, Stonecutters Adası Atık Su Arıtma Tesisi, atık suların kimyasal olarak güçlendirilmiş birincil arıtımı için 46 adet çift katlı çöktürme tankı kullanmaktadır ve her iki çöktürme tankı, arıtılmış atık suları son dezenfeksiyon için yeraltı drenaj borusuna ve ardından derin denize göndermek üzere dikey bir şaftı (yani toplam 23 şaft) paylaşmaktadır.
2 İlgili erken dönem araştırma ve geliştirme
Stonecutters Adası Atıksu Arıtma Tesisi'nin her gün işlediği büyük miktardaki atık su ve çökelme tankının benzersiz çift katmanlı tasarımı göz önüne alındığında, arıtılmış atık suyun boşaltılması sırasında türbin jeneratörünü çalıştırarak elektrik üretmek için belirli miktarda hidrolik enerji sağlayabilir. Bunun üzerine, Drenaj Hizmetleri Departmanı ekibi 2008 yılında ilgili bir fizibilite çalışması yürüttü ve bir dizi saha testi gerçekleştirdi. Bu ön çalışmaların sonuçları, türbin jeneratörlerinin kurulumunun fizibilitesini doğruladı.
Kurulum yeri: çökeltme tankının şaftında; Etkin su basıncı: 4,5~6 m (özel tasarım, gelecekteki gerçek çalışma koşullarına ve türbinin tam konumuna bağlıdır); Akış aralığı: 1,1 ～ 1,25 m³/s; Maksimum çıkış gücü: 45~50 kW; Ekipman ve malzemeler: Arıtılmış atık suyun hala belirli bir aşındırıcılığa sahip olması nedeniyle, seçilen malzemeler ve ilgili ekipman yeterli koruma ve korozyon direncine sahip olmalıdır.
Bu bağlamda, Su ve Kanalizasyon Hizmetleri Dairesi, “Liman Arıtma Projesi Faz II A” genişletme projesi kapsamında bir türbin enerji üretim sistemi kurmak için atıksu arıtma tesisinde iki adet çöktürme tankı seti için yer ayırmıştır.
3 Sistem Tasarımında Dikkate Alınması Gereken Hususlar ve Özellikler
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, akış halindeki suda, şaftın izin verilen maksimum su seviyesi ile bitişik şaftın su seviyesi arasındaki farktır.
Başka bir deyişle, akış hızı ve etkili su basıncı ne kadar yüksek olursa, üretilen güç de o kadar büyük olur. Bu nedenle, daha fazla güç üretmek için tasarım hedeflerinden biri, türbin sisteminin en yüksek su akış hızına ve etkili su basıncına ulaşmasını sağlamaktır.
3.2 Sistem tasarımının temel noktaları
Öncelikle, tasarım açısından, yeni kurulan türbin sisteminin atık su arıtma tesisinin normal çalışmasını mümkün olduğunca etkilememesi gerekmektedir. Örneğin, sistemde, yanlış sistem kontrolü nedeniyle yukarı akış çökeltme tankının arıtılmış atık suyla taşmasını önleyecek uygun koruyucu cihazlar bulunmalıdır. Tasarım sırasında belirlenen işletme parametreleri: debi 1,06 ～ 1,50 m³/s, etkili su basıncı aralığı 24 ～ 52 kPa.
Ayrıca, çöktürme tankında arıtılan atık su hala hidrojen sülfür ve tuz gibi bazı aşındırıcı maddeler içerdiğinden, sistemin dayanıklılığını artırmak ve bakım sayısını azaltmak için, arıtılmış atık suyla temas eden tüm türbin sistemi bileşen malzemeleri korozyona dayanıklı olmalıdır (örneğin, atık su arıtma ekipmanlarında sıklıkla kullanılan çift yönlü paslanmaz çelik malzemeler).
Güç sistemi tasarımı açısından, çeşitli nedenlerden dolayı atıksu türbininin güç üretimi tamamen istikrarlı olmadığından, güvenilir güç kaynağı sağlamak için tüm güç üretim sistemi şebekeye paralel olarak bağlanır. Şebeke bağlantısı, elektrik şirketi ve Hong Kong Özel İdari Bölgesi Hükümeti Elektrik ve Mekanik Hizmetler Dairesi tarafından yayınlanan şebeke bağlantısı teknik kılavuzlarına uygun olarak düzenlenmelidir.
Boru hattı yerleşimi açısından, mevcut saha kısıtlamalarına ek olarak, sistem bakım ve onarım ihtiyacı da dikkate alınmıştır. Bu bağlamda, Ar-Ge projesinde önerilen, hidrolik türbinin çöktürme tankı şaftına yerleştirilmesine ilişkin orijinal plan değiştirilmiştir. Bunun yerine, arıtılmış atık su bir boğaz vasıtasıyla şafttan dışarı çıkarılarak hidrolik türbine gönderilmekte, bu da bakım zorluğunu ve süresini büyük ölçüde azaltmakta ve atık su arıtma tesisinin normal çalışması üzerindeki etkiyi en aza indirmektedir.
Çökeltme tankının zaman zaman bakım için askıya alınması gerektiği göz önüne alındığında, türbin sisteminin boğazı, dört adet çift katlı çökeltme tankının iki şaftına bağlanmıştır. İki çökeltme tankı çalışmayı durdursa bile, diğer iki çökeltme tankı arıtılmış atık su sağlayabilir, türbin sistemini çalıştırabilir ve elektrik üretmeye devam edebilir. Ayrıca, gelecekte ikinci bir hidrolik türbinli enerji üretim sisteminin kurulumu için 47/49 numaralı çökeltme tankının şaftının yakınında bir yer ayrılmıştır; böylece dört çökeltme tankı normal şekilde çalıştığında, iki türbinli enerji üretim sistemi aynı anda enerji üretebilir ve maksimum güç kapasitesine ulaşabilir.
3.3 Hidrolik türbin ve jeneratör seçimi
Hidrolik türbin, tüm enerji üretim sisteminin kilit ekipmanıdır. Türbinler, çalışma prensibine göre genel olarak iki kategoriye ayrılabilir: darbeli tip ve reaksiyonlu tip. Darbeli tipte, akışkan çoklu nozullardan yüksek hızda türbin kanatlarına doğru fırlatılır ve ardından jeneratörü çalıştırarak enerji üretir. Reaksiyonlu tipte ise akışkan türbin kanatlarından geçer ve su seviyesi basıncını kullanarak jeneratörü çalıştırarak enerji üretir. Bu tasarımda, arıtılmış atık suyun akış sırasında düşük su basıncı sağlayabileceği gerçeğinden yola çıkarak, daha uygun reaksiyonlu tiplerden biri olan Kaplan türbini seçilmiştir; çünkü bu türbin düşük su basıncında yüksek verimliliğe sahiptir ve nispeten incedir, bu da sahada sınırlı alan için daha uygundur.
Jeneratör açısından, sabit hızlı hidrolik türbinle tahrik edilen kalıcı mıknatıslı senkron jeneratör seçilmiştir. Bu jeneratör, asenkron jeneratöre göre daha kararlı voltaj ve frekans üretebildiği için güç kaynağı kalitesini artırabilir, paralel şebekeyi basitleştirebilir ve daha az bakım gerektirir.
4 Yapı ve Çalışma Özellikleri
4.1 Izgara paralel düzenlemesi
Şebeke bağlantısı, elektrik şirketi ve Hong Kong Özel İdari Bölgesi Hükümeti Elektrik ve Mekanik Hizmetler Dairesi tarafından yayınlanan şebeke bağlantısı teknik kılavuzlarına uygun olarak gerçekleştirilecektir. Kılavuzlara göre, yenilenebilir enerji üretim sistemi, şebekenin herhangi bir nedenle elektrik vermeyi durdurması durumunda ilgili yenilenebilir enerji üretim sistemini dağıtım sisteminden otomatik olarak ayırabilen ve böylece yenilenebilir enerji üretim sisteminin dağıtım sistemine elektrik vermeye devam etmesini engelleyerek şebeke veya dağıtım sisteminde çalışan elektrik mühendisliği personelinin güvenliğini sağlayan bir ada oluşumu önleme koruma fonksiyonu ile donatılmalıdır.
Güç kaynağının senkronize çalışması açısından, yenilenebilir enerji üretim sistemi ve dağıtım sistemi ancak gerilim şiddeti, faz açısı veya frekans farkı kabul edilebilir sınırlar içinde kontrol edildiğinde senkronize edilebilir.
4.2 Kontrol ve koruma
Hidrolik türbinli enerji üretim sistemi otomatik veya manuel modda kontrol edilebilir. Otomatik modda, 47/49 # veya 51/53 # numaralı çöktürme tankının şaftları hidrolik enerji kaynağı olarak kullanılabilir ve kontrol sistemi, varsayılan verilere göre farklı kontrol vanalarını çalıştırarak en uygun çöktürme tankını seçer ve böylece hidrolik türbinli enerji üretimini optimize eder. Ayrıca, kontrol vanası, çöktürme tankının arıtılmış atık suyla taşmasını önlemek için yukarı akış atık su seviyesini otomatik olarak ayarlayarak enerji üretimini en üst düzeye çıkarır. Türbin jeneratör sistemi, ana kontrol odasında veya sahada düzenlenebilir.
Koruma ve kontrol açısından, türbin sisteminin güç kaynağı kutusu veya kontrol vanası arızalanırsa veya su seviyesi izin verilen maksimum su seviyesini aşarsa, hidrolik türbin enerji üretim sistemi otomatik olarak çalışmayı durduracak ve arıtılmış atık suyu baypas borusu aracılığıyla tahliye edecektir; böylece sistem arızası nedeniyle yukarı akışta bulunan çökelme tankının arıtılmış atık suyla taşması önlenmiş olacaktır.
5. Sistem çalışmasının performansı
Bu hidrolik türbinli enerji üretim sistemi, 2018 yılının sonunda devreye alınmış olup, aylık ortalama 10.000 kW·h'nin üzerinde bir üretim kapasitesine sahiptir. Hidrolik türbinli enerji üretim sistemini çalıştırabilecek etkin su basıncı, atık su arıtma tesisinde her gün toplanan ve arıtılan atık suyun yüksek ve düşük debisine bağlı olarak zamanla değişmektedir. Türbin sisteminin ürettiği gücü en üst düzeye çıkarmak için, Drenaj Hizmetleri Departmanı, türbin çalışma torkunu günlük atık su debisine göre otomatik olarak ayarlayan bir kontrol sistemi tasarlayarak enerji üretim verimliliğini artırmıştır. Şekil 7, enerji üretim sistemi ile su debisi arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Su debisi belirlenen seviyeyi aştığında, sistem otomatik olarak elektrik üretmek üzere çalışmaya başlar.
6 Zorluk ve Çözümler
Drenaj Hizmetleri Departmanı, ilgili projeleri yürütürken birçok zorlukla karşılaşmış ve bu zorluklara yanıt olarak相应的 planlar geliştirmiştir.
7 Sonuç
Çeşitli zorluklara rağmen, bu hidrolik türbinli enerji üretim sistemi 2018 yılının sonunda başarıyla devreye alındı. Sistemin ortalama aylık enerji üretimi 10.000 kW·h'nin üzerinde olup, bu da yaklaşık 25 Hong Kong hanesinin ortalama aylık enerji tüketimine eşdeğerdir (2018 yılında her bir Hong Kong hanesinin ortalama aylık enerji tüketimi yaklaşık 390 kW·h idi). Su ve Kanalizasyon Hizmetleri Dairesi, çevre koruma ve iklim değişikliği projelerini desteklerken, "Hong Kong'un sürdürülebilir kalkınmasını teşvik etmek için dünya standartlarında atık su ve yağmur suyu arıtma ve drenaj hizmetleri sunmaya" kararlıdır. Yenilenebilir enerji uygulamalarında, Su ve Kanalizasyon Hizmetleri Dairesi biyogaz, güneş enerjisi ve arıtılmış atık su akışından elde edilen enerjiyi kullanarak yenilenebilir enerji üretmektedir. Son birkaç yılda, Su ve Kanalizasyon Hizmetleri Dairesi tarafından üretilen ortalama yıllık yenilenebilir enerji yaklaşık 27 milyon kW·h olup, bu da Dairenin enerji ihtiyacının yaklaşık %9'unu karşılayabilmektedir. Su ve Kanalizasyon Hizmetleri Dairesi, yenilenebilir enerjinin uygulanmasını güçlendirmek ve teşvik etmek için çalışmalarına devam edecektir.
Yayın tarihi: 22 Kasım 2022
