Odjel za odvodne usluge Vlade Specijalne administrativne regije Hong Kong posvećen je ublažavanju globalnih klimatskih promjena. Tokom godina, u nekim od njihovih postrojenja instalirana su postrojenja za uštedu energije i obnovljive izvore energije. Zvaničnim pokretanjem hongkonškog "Plana za prečišćavanje luke - faza II A", Odjel za odvodne usluge instalirao je sistem za proizvodnju energije hidraulične turbine u postrojenju za prečišćavanje otpadnih voda Stonecutters Island (postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda s najvećim kapacitetom za prečišćavanje otpadnih voda u Hong Kongu), koji koristi hidrauličnu energiju tekuće kanalizacije za pogon generatora turbine, a zatim generira električnu energiju za korištenje postrojenja u postrojenju. Ovaj rad predstavlja sistem, uključujući izazove s kojima se susreće u implementaciji relevantnih projekata, razmatranja i karakteristike dizajna i izgradnje sistema, te radne performanse sistema. Sistem ne samo da pomaže u uštedi troškova električne energije, već i koristi vodu za smanjenje emisija ugljika.
1 Uvod u projekat
Druga faza A "Plana za prečišćavanje luke" je plan velikih razmjera koji provodi Vlada Specijalne administrativne regije Hong Kong s ciljem poboljšanja kvalitete vode u luci Victoria. Zvanično je pušten u punu upotrebu u decembru 2015. godine. Njegov opseg radova uključuje izgradnju dubokog kanalizacionog tunela ukupne dužine oko 21 km i 163 m ispod zemlje, za transport otpadnih voda nastalih na sjeveru i jugozapadu ostrva do postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda Stonecutters Island, te za povećanje kapaciteta prečišćavanja postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda na 245 × 105 m3/d, pružajući usluge prečišćavanja otpadnih voda za oko 5,7 miliona građana. Zbog ograničenja zemljišta, postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda Stonecutters Island koristi 46 kompleta dvospratnih taložnika za hemijski poboljšani primarni tretman otpadnih voda, a svaka dva kompleta taložnika će dijeliti vertikalno okno (to jest, ukupno 23 okna) za slanje prečišćenih otpadnih voda u podzemnu drenažnu cijev za konačnu dezinfekciju, a zatim u duboko more.
2 Relevantna rana istraživanja i razvoj
S obzirom na veliku količinu otpadnih voda koje postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda Stonecutters Island svakodnevno prečišćava i jedinstveni dvoslojni dizajn svog taložnika, ono može obezbijediti određenu količinu hidraulične energije prilikom ispuštanja prečišćenih otpadnih voda za pokretanje turbine generatora za proizvodnju električne energije. Tim Odjeljenja za odvodne usluge je potom 2008. godine proveo relevantnu studiju izvodljivosti i niz terenskih ispitivanja. Rezultati ovih preliminarnih studija potvrđuju izvodljivost instaliranja turbina generatora.
Mjesto instalacije: u oknu taložnika; Efektivni pritisak vode: 4,5~6 m (specifični dizajn zavisi od stvarnih uslova rada u budućnosti i tačnog položaja turbine); Raspon protoka: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maksimalna izlazna snaga: 45~50 kW; Oprema i materijali: Budući da prečišćena otpadna voda i dalje ima određenu korozivnost, odabrani materijali i pripadajuća oprema moraju imati odgovarajuću zaštitu i otpornost na koroziju.
U tom smislu, Odjel za odvodne usluge rezervirao je prostor za dva seta taložnika u postrojenju za prečišćavanje otpadnih voda kako bi se instalirao sistem za proizvodnju energije turbine u projektu proširenja „Projekta prečišćavanja luke Faza II A“.
3 Razmatranja i karakteristike dizajna sistema
3.1 Generisana snaga i efektivni pritisak vode
Odnos između električne energije generirane hidrodinamičkom energijom i efektivnog pritiska vode je sljedeći: generirana električna snaga (kW) = [gustina prečišćene otpadne vode ρ (kg/m3) × Brzina protoka vode Q (m3/s) × Efektivni pritisak vode H (m) × Gravitacijska konstanta g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Ukupna efikasnost sistema (%). Efektivni pritisak vode je razlika između maksimalno dozvoljenog nivoa vode u oknu i nivoa vode susjednog okna u tekućoj vodi.
Drugim riječima, što je veća brzina protoka i efektivni pritisak vode, to je veća generirana snaga. Stoga, kako bi se generiralo više snage, jedan od ciljeva dizajna je omogućiti turbinskom sistemu da primi najveću brzinu protoka vode i efektivni pritisak vode.
3.2 Ključne tačke dizajna sistema
Prije svega, u smislu dizajna, novoinstalirani turbinski sistem ne smije što više uticati na normalan rad postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda. Na primjer, sistem mora imati odgovarajuće zaštitne uređaje kako bi se spriječilo prelijevanje uzvodnog taložnika prečišćenih otpadnih voda zbog nepravilne regulacije sistema. Radni parametri određeni tokom projektovanja: protok 1,06 ～ 1,50 m3/s, efektivni raspon pritiska vode 24 ～ 52 kPa.
Osim toga, budući da otpadne vode pročišćene u taložniku i dalje sadrže neke korozivne tvari, poput sumporovodika i soli, svi materijali komponenti turbinskog sistema koji su u kontaktu s pročišćenim otpadnim vodama moraju biti otporni na koroziju (kao što su dupleks materijali od nehrđajućeg čelika koji se često koriste za opremu za prečišćavanje otpadnih voda), kako bi se poboljšala trajnost sistema i smanjio broj održavanja.
Što se tiče dizajna elektroenergetskog sistema, budući da proizvodnja energije kanalizacijske turbine nije potpuno stabilna iz različitih razloga, cijeli sistem za proizvodnju energije je paralelno povezan s mrežom kako bi se održalo pouzdano napajanje. Priključak na mrežu mora biti uređen u skladu s tehničkim smjernicama za priključak na mrežu koje je izdala elektroenergetska kompanija i Odjel za električne i mehaničke usluge Vlade Specijalne administrativne regije Hong Kong.
Što se tiče rasporeda cijevi, pored postojećih ograničenja lokacije, razmatra se i potreba za održavanjem i popravkom sistema. U tom smislu, prvobitni plan ugradnje hidraulične turbine u okno taložnika, predložen u istraživačko-razvojnom projektu, je promijenjen. Umjesto toga, prečišćena otpadna voda se odvodi iz okna kroz grlo i šalje u hidrauličnu turbinu, što značajno smanjuje poteškoće i vrijeme održavanja i smanjuje uticaj na normalan rad postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda.
S obzirom na to da se taložnik povremeno mora isključiti radi održavanja, grlo turbinskog sistema je povezano sa dva vratila četiri seta dvoetažnih taložnika. Čak i ako dva seta taložnika prestanu s radom, druga dva seta taložnika također mogu obezbijediti prečišćenu kanalizaciju, pokretati turbinski sistem i nastaviti proizvoditi električnu energiju. Pored toga, u blizini vratila taložnika 47/49 # rezervisano je mjesto za buduću instalaciju drugog hidrauličnog sistema za proizvodnju energije turbine, tako da kada četiri seta taložnika rade normalno, dva sistema za proizvodnju energije turbine mogu istovremeno generisati energiju, dostižući maksimalni kapacitet snage.
3.3 Izbor hidraulične turbine i generatora
Hidraulične turbine su ključni dio cijelog sistema za proizvodnju električne energije. Turbine se generalno mogu podijeliti u dvije kategorije prema principu rada: pulsni i reakcijski tip. Impulsni tip je tip kod kojeg fluid velikom brzinom upuhuje kroz više mlaznica na lopatice turbine, a zatim pokreće generator za proizvodnju energije. Reakcijski tip prolazi kroz lopatice turbine kroz fluid i koristi pritisak nivoa vode za pokretanje generatora za proizvodnju energije. U ovom dizajnu, na osnovu činjenice da prečišćena otpadna voda može obezbijediti nizak pritisak vode prilikom protoka, odabrana je Kaplanova turbina, jedan od prikladnijih reakcijskih tipova, jer ova turbina ima visoku efikasnost pri niskom pritisku vode i relativno je tanka, što je pogodnije za ograničen prostor na lokaciji.
Što se tiče generatora, odabran je sinhroni generator s permanentnim magnetima pokretan hidrauličnom turbinom konstantne brzine. Ovaj generator može proizvoditi stabilniji napon i frekvenciju od asinhronog generatora, tako da može poboljšati kvalitet napajanja, pojednostaviti paralelnu mrežu i zahtijevati manje održavanja.
4 Konstrukcijske i operativne karakteristike
4.1 Paralelni raspored mreže
Priključak na mrežu mora se izvršiti u skladu s tehničkim smjernicama za priključak na mrežu koje su izdali elektroprivredna kompanija i Odjel za električne i mehaničke usluge Vlade Specijalne administrativne regije Hong Kong. Prema smjernicama, sistem za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora mora biti opremljen funkcijom zaštite od otočnog rada, koja može automatski odvojiti relevantni sistem za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora od distributivnog sistema kada elektroenergetska mreža iz bilo kojeg razloga prestane isporučivati energiju, tako da sistem za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora ne može nastaviti isporučivati energiju distributivnom sistemu, kako bi se osigurala sigurnost elektrotehničkog osoblja koje radi na mreži ili distributivnom sistemu.
U smislu sinhronog rada napajanja električnom energijom, sistem za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i distributivni sistem mogu biti sinhronizovani samo kada su intenzitet napona, fazni ugao ili razlika frekvencije kontrolisani unutar prihvatljivih granica.
4.2 Kontrola i zaštita
Sistem za proizvodnju energije hidraulične turbine može se kontrolisati u automatskom ili ručnom režimu. U automatskom režimu, osovine taložnika 47/49 # ili 51/53 # mogu se koristiti kao izvor hidraulične energije, a kontrolni sistem će pokrenuti različite kontrolne ventile prema zadanim podacima kako bi odabrao najprikladniji taložnik, te optimizirao proizvodnju energije hidraulične turbine. Pored toga, kontrolni ventil će automatski podesiti nivo otpadnih voda uzvodno tako da taložnik ne prelije prečišćenu otpadnu vodu, čime se proizvodnja energije povećava na najviši nivo. Sistem turbine generatora može se regulisati u glavnoj kontrolnoj sobi ili na licu mjesta.
Što se tiče zaštite i kontrole, ako dođe do kvara na kutiji za napajanje ili kontrolnom ventilu turbinskog sistema ili nivo vode pređe maksimalno dozvoljeni nivo vode, sistem za proizvodnju energije hidraulične turbine će također automatski zaustaviti rad i ispustiti prečišćenu otpadnu vodu kroz obilaznu cijev, kako bi se spriječilo da uzvodni taložnik prelije prečišćenu otpadnu vodu zbog kvara sistema.
5 Performanse rada sistema
Ovaj sistem za proizvodnju energije pomoću hidraulične turbine pušten je u rad krajem 2018. godine, sa prosječnom mjesečnom proizvodnjom većom od 10000 kW · h. Efektivni pritisak vode koji može pokretati sistem za proizvodnju energije pomoću hidraulične turbine također se mijenja s vremenom zbog visokog i niskog protoka otpadnih voda koje postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda prikuplja i tretira svaki dan. Kako bi se maksimizirala snaga koju generira sistem turbine, Odjel za odvodne usluge projektovao je kontrolni sistem koji automatski podešava obrtni moment turbine u skladu s dnevnim protokom otpadnih voda, čime se poboljšava efikasnost proizvodnje energije. Slika 7 prikazuje odnos između sistema za proizvodnju energije i protoka vode. Kada protok vode premaši postavljeni nivo, sistem će automatski raditi na proizvodnji električne energije.
6 izazova i rješenja
Odjel za odvodne usluge suočio se s mnogim izazovima u provođenju relevantnih projekata i formulirao je odgovarajuće planove kao odgovor na te izazove.
7 Zaključak
Uprkos raznim izazovima, ovaj sistem za proizvodnju energije pomoću hidrauličnih turbina uspješno je pušten u rad krajem 2018. godine. Prosječna mjesečna izlazna snaga sistema je veća od 10000 kW·h, što je ekvivalentno prosječnoj mjesečnoj potrošnji energije oko 25 domaćinstava u Hong Kongu (prosječna mjesečna potrošnja energije svakog domaćinstva u Hong Kongu u 2018. godini iznosila je oko 390 kW·h). Odjel za odvodne usluge posvećen je „pružanju vrhunskih usluga prečišćavanja i odvodnjavanja otpadnih voda i kišnice radi promocije održivog razvoja Hong Konga“, uz istovremeno promovisanje projekata zaštite okoliša i klimatskih promjena. U primjeni obnovljivih izvora energije, Odjel za odvodne usluge koristi biogas, solarnu energiju i energiju iz toka prečišćenih otpadnih voda za proizvodnju obnovljive energije. U posljednjih nekoliko godina, prosječna godišnja proizvodnja obnovljive energije od strane Odjela za odvodne usluge iznosi oko 27 miliona kW·h, što može zadovoljiti energetske potrebe oko 9% Odjela za odvodne usluge. Odjel za odvodne usluge će nastaviti svoje napore na jačanju i promociji primjene obnovljivih izvora energije.
Vrijeme objave: 22. novembar 2022.
