El Departament de Serveis de Drenatge del Govern de la Regió Administrativa Especial de Hong Kong està compromès a ajudar a mitigar el canvi climàtic global. Al llarg dels anys, s'han instal·lat instal·lacions d'estalvi d'energia i energies renovables en algunes de les seves plantes. Amb el llançament oficial del "Pla de Purificació del Port Fase II A" de Hong Kong, el Departament de Serveis de Drenatge ha instal·lat un sistema de generació d'energia de turbina hidràulica a la Planta de Tractament d'Aigües Residuals de Stonecutters Island (la planta de tractament d'aigües residuals amb la major capacitat de tractament d'aigües residuals de Hong Kong), que utilitza l'energia hidràulica de les aigües residuals que flueixen per impulsar el generador de turbina i, a continuació, genera electricitat per a l'ús de les instal·lacions de la planta. Aquest document presenta el sistema, incloent-hi els reptes que es troben en la implementació dels projectes rellevants, les consideracions i característiques del disseny i la construcció del sistema, i el rendiment operatiu del sistema. El sistema no només ajuda a estalviar costos d'electricitat, sinó que també utilitza aigua per reduir les emissions de carboni.
1 Introducció al projecte
La segona fase A del "Pla de Purificació del Port" és un pla a gran escala implementat pel Govern de la Regió Administrativa Especial de Hong Kong per millorar la qualitat de l'aigua del port de Victòria. Es va posar oficialment en funcionament el desembre de 2015. El seu abast de treball inclou la construcció d'un túnel de clavegueram profund amb una longitud total d'uns 21 km i 163 m sota terra, per transportar les aigües residuals generades al nord i sud-oest de l'illa fins a la planta de tractament d'aigües residuals de Stonecutters Island, i augmentar la capacitat de tractament de la planta de clavegueram a 245 × 105 m3/d, proporcionant serveis de tractament d'aigües residuals a uns 5,7 milions de ciutadans. A causa de les limitacions de terreny, la planta de tractament d'aigües residuals de Stonecutters Island utilitza 46 conjunts de tancs de sedimentació de doble pis per al tractament primari de les aigües residuals millorat químicament, i cada dos conjunts de tancs de sedimentació compartiran un pou vertical (és a dir, un total de 23 pous) per enviar les aigües residuals purificades a la canonada de drenatge subterrània per a la desinfecció final, i després al mar profund.
2 Recerca i desenvolupament inicial rellevants
Atesa la gran quantitat d'aigües residuals que tracta la planta de tractament d'aigües residuals de Stonecutters Island cada dia i el disseny únic de doble capa del seu tanc de sedimentació, pot proporcionar una certa quantitat d'energia hidràulica mentre descarrega les aigües residuals purificades per impulsar el turbina-generador per generar electricitat. L'equip del Departament de Serveis de Drenatge va dur a terme un estudi de viabilitat pertinent el 2008 i va dur a terme una sèrie de proves de camp. Els resultats d'aquests estudis preliminars confirmen la viabilitat d'instal·lar turbines-generadors.
Ubicació d'instal·lació: al pou del tanc de sedimentació; Pressió efectiva de l'aigua: 4,5~6 m (el disseny específic depèn de les condicions reals de funcionament en el futur i de la posició exacta de la turbina); Rang de cabal: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Potència màxima de sortida: 45~50 kW; Equipament i materials: Com que les aigües residuals purificades encara tenen certa corrosivitat, els materials seleccionats i l'equipament relacionat han de tenir una protecció i resistència a la corrosió adequades.
En aquest sentit, el Departament de Serveis de Drenatge ha reservat espai per a dos conjunts de dipòsits de sedimentació a la planta de tractament d'aigües residuals per instal·lar un sistema de generació d'energia amb turbina en el projecte d'ampliació del "Projecte de Depuració del Port Fase II A".
3 Consideracions i característiques del disseny del sistema
3.1 Potència generada i pressió efectiva de l'aigua
La relació entre l'energia elèctrica generada per l'energia hidrodinàmica i la pressió efectiva de l'aigua és la següent: energia elèctrica generada (kW) = [densitat de les aigües residuals purificades ρ (kg/m3) × Cabal d'aigua Q (m3/s) × Pressió efectiva de l'aigua H (m) × Constant de gravetat g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Eficiència global del sistema (%). La pressió efectiva de l'aigua és la diferència entre el nivell màxim d'aigua permès del pou i el nivell d'aigua del pou adjacent a l'aigua que flueix.
En altres paraules, com més alta sigui la velocitat del flux i la pressió efectiva de l'aigua, més gran serà la potència generada. Per tant, per generar més potència, un dels objectius de disseny és permetre que el sistema de turbines rebi la velocitat de flux d'aigua i la pressió efectiva de l'aigua més altes.
3.2 Punts clau del disseny del sistema
En primer lloc, pel que fa al disseny, el sistema de turbines recentment instal·lat no ha d'afectar en la mesura del possible el funcionament normal de la planta de tractament d'aigües residuals. Per exemple, el sistema ha de tenir dispositius de protecció adequats per evitar que el tanc de sedimentació aigües amunt desbordi les aigües residuals purificades a causa d'un control incorrecte del sistema. Paràmetres de funcionament determinats durant el disseny: cabal d'1,06 ～ 1,50 m3/s, rang de pressió efectiva de l'aigua de 24 ～ 52 kPa.
A més, com que les aigües residuals purificades pel tanc de sedimentació encara contenen algunes substàncies corrosives, com ara sulfur d'hidrogen i sal, tots els materials dels components del sistema de turbina que estiguin en contacte amb les aigües residuals purificades han de ser resistents a la corrosió (com ara els materials d'acer inoxidable dúplex que s'utilitzen sovint per als equips de tractament d'aigües residuals), per tal de millorar la durabilitat del sistema i reduir el nombre de manteniment.
Pel que fa al disseny del sistema elèctric, atès que la generació d'energia de la turbina d'aigües residuals no és completament estable per diverses raons, tot el sistema de generació d'energia està connectat en paral·lel a la xarxa per mantenir un subministrament d'energia fiable. La connexió a la xarxa s'ha d'organitzar d'acord amb les directrius tècniques per a la connexió a la xarxa emeses per la companyia elèctrica i el Departament de Serveis Elèctrics i Mecànics del Govern de la Regió Administrativa Especial de Hong Kong.
Pel que fa a la disposició de les canonades, a més de les restriccions existents al lloc, també es té en compte la necessitat de manteniment i reparació del sistema. En aquest sentit, s'ha modificat el pla original d'instal·lar la turbina hidràulica al pou del tanc de decantació proposat en el projecte d'R+D. En canvi, les aigües residuals purificades són conduïdes fora del pou per una gola i s'envien a la turbina hidràulica, cosa que redueix considerablement la dificultat i el temps de manteniment i redueix l'impacte en el funcionament normal de la planta de tractament d'aigües residuals.
Atès que el tanc de sedimentació ocasionalment necessita ser suspès per manteniment, la gola del sistema de turbina està connectada a dos eixos de quatre conjunts de tancs de sedimentació de doble coberta. Fins i tot si dos conjunts de tancs de sedimentació deixen de funcionar, els altres dos conjunts de tancs de sedimentació també poden proporcionar aigües residuals purificades, impulsar el sistema de turbina i continuar generant electricitat. A més, s'ha reservat un lloc prop de l'eix del tanc de sedimentació 47/49 per a la instal·lació del segon sistema de generació d'energia de turbina hidràulica en el futur, de manera que quan els quatre conjunts de tancs de sedimentació funcionin normalment, els dos sistemes de generació d'energia de turbina puguin generar energia alhora, assolint la capacitat màxima de potència.
3.3 Selecció de turbina i generador hidràulics
La turbina hidràulica és l'equip clau de tot el sistema de generació d'energia. Les turbines generalment es poden dividir en dues categories segons el principi de funcionament: tipus d'impuls i tipus de reacció. El tipus d'impuls és aquell en què el fluid es dispara a la pala de la turbina a alta velocitat a través de múltiples broquets i després impulsa el generador per generar energia. El tipus de reacció passa a través de la pala de la turbina a través del fluid i utilitza la pressió del nivell de l'aigua per impulsar el generador per generar energia. En aquest disseny, basant-se en el fet que les aigües residuals purificades poden proporcionar baixa pressió d'aigua quan flueixen, es selecciona la turbina Kaplan, un dels tipus de reacció més adequats, perquè aquesta turbina té una alta eficiència a baixa pressió d'aigua i és relativament prima, cosa que és més adequada per a l'espai limitat del lloc.
Pel que fa al generador, s'ha seleccionat un generador síncron d'imant permanent accionat per una turbina hidràulica de velocitat constant. Aquest generador pot generar una tensió i una freqüència més estables que el generador asíncron, de manera que pot millorar la qualitat del subministrament d'energia, simplificar la xarxa paral·lela i requerir menys manteniment.
4 Característiques de construcció i funcionament
4.1 Disposició paral·lela de la quadrícula
La connexió a la xarxa s'ha de dur a terme d'acord amb les directrius tècniques per a la connexió a la xarxa emeses per la companyia elèctrica i el Departament de Serveis Elèctrics i Mecànics del Govern de la Regió Administrativa Especial de Hong Kong. Segons les directrius, el sistema de generació d'energia renovable ha d'estar equipat amb una funció de protecció anti-illa, que pugui separar automàticament el sistema de generació d'energia renovable pertinent del sistema de distribució quan la xarxa elèctrica deixa de subministrar energia per qualsevol motiu, de manera que el sistema de generació d'energia renovable no pugui continuar subministrant energia al sistema de distribució, per tal de garantir la seguretat del personal d'enginyeria elèctrica que treballa a la xarxa o al sistema de distribució.
Pel que fa al funcionament síncron del subministrament d'energia, el sistema de generació d'energia renovable i el sistema de distribució només es poden sincronitzar quan la intensitat de voltatge, l'angle de fase o la diferència de freqüència es controlen dins de límits acceptables.
4.2 Control i protecció
El sistema de generació d'energia de la turbina hidràulica es pot controlar en mode automàtic o manual. En mode automàtic, els eixos del tanc de sedimentació 47/49 # o 51/53 # es poden utilitzar com a font d'energia hidràulica, i el sistema de control iniciarà diferents vàlvules de control segons les dades predeterminades per seleccionar el tanc de sedimentació més adequat, per tal d'optimitzar la generació d'energia de la turbina hidràulica. A més, la vàlvula de control ajustarà automàticament el nivell de les aigües residuals aigües amunt perquè el tanc de sedimentació no desbordi les aigües residuals purificades, augmentant així la generació d'energia al nivell més alt. El sistema de turbina generadora es pot regular a la sala de control principal o in situ.
Pel que fa a la protecció i el control, si la caixa d'alimentació o la vàlvula de control del sistema de turbina falla o el nivell d'aigua supera el nivell màxim permès, el sistema de generació d'energia de la turbina hidràulica també aturarà automàticament el funcionament i descarregarà les aigües residuals purificades a través del tub de derivació, per tal d'evitar que el dipòsit de sedimentació aigües amunt desbordi les aigües residuals purificades a causa d'una fallada del sistema.
5 Rendiment del funcionament del sistema
Aquest sistema de generació d'energia amb turbina hidràulica es va posar en funcionament a finals del 2018, amb una producció mensual mitjana de més de 10.000 kW·h. La pressió efectiva de l'aigua que pot impulsar el sistema de generació d'energia amb turbina hidràulica també canvia amb el temps a causa del cabal alt i baix d'aigües residuals recollides i tractades per la planta de tractament d'aigües residuals cada dia. Per tal de maximitzar l'energia generada pel sistema de turbines, el Departament de Serveis de Drenatge ha dissenyat un sistema de control per ajustar automàticament el parell de funcionament de la turbina segons el cabal diari d'aigües residuals, millorant així l'eficiència de la producció d'energia. La figura 7 mostra la relació entre el sistema de generació d'energia i el cabal d'aigua. Quan el cabal d'aigua supera el nivell establert, el sistema funcionarà automàticament per generar electricitat.
6 Reptes i Solucions
El Departament de Serveis de Drenatge s'ha trobat amb molts reptes en la realització de projectes rellevants i ha formulat plans corresponents en resposta a aquests reptes.
7 Conclusió
Malgrat diversos reptes, aquest conjunt de sistemes de generació d'energia amb turbines hidràuliques es va posar en funcionament amb èxit a finals del 2018. La potència mitjana mensual del sistema és de més de 10.000 kW·h, cosa que equival al consum mitjà mensual d'energia d'unes 25 llars de Hong Kong (el consum mitjà mensual d'energia de cada llar de Hong Kong el 2018 és d'uns 390 kW·h). El Departament de Serveis de Drenatge es compromet a "proporcionar serveis de tractament i drenatge d'aigües residuals i pluvials de classe mundial per promoure el desenvolupament sostenible de Hong Kong", alhora que promou projectes de protecció del medi ambient i canvi climàtic. En l'aplicació d'energies renovables, el Departament de Serveis de Drenatge utilitza biogàs, energia solar i l'energia del flux d'aigües residuals purificades per generar energia renovable. En els darrers anys, l'energia renovable anual mitjana produïda pel Departament de Serveis de Drenatge és d'uns 27 milions de kW·h, cosa que pot satisfer les necessitats energètiques d'aproximadament el 9% del Departament de Serveis de Drenatge. El Departament de Serveis de Drenatge continuarà els seus esforços per enfortir i promoure l'aplicació d'energies renovables.
Data de publicació: 22 de novembre de 2022
