Oddělení odvodňovacích služeb vlády zvláštní administrativní oblasti Hongkong se zavázalo pomáhat zmírňovat globální změnu klimatu. V průběhu let byla v některých jeho zařízeních instalována zařízení na úsporu energie a využívání obnovitelných zdrojů energie. S oficiálním spuštěním hongkongského „Plánu čištění přístavu fáze II A“ instalovalo oddělení odvodňovacích služeb v čistírně odpadních vod Stonecutters Island (čistírně odpadních vod s největší kapacitou čištění odpadních vod v Hongkongu) systém výroby energie z hydraulické turbíny, který využívá hydraulickou energii proudící odpadní vody k pohonu turbogenerátoru a poté vyrábí elektřinu pro použití v zařízeních v čistírně. Tento dokument představuje systém, včetně problémů, s nimiž se setkáváme při realizaci příslušných projektů, aspektů a charakteristik návrhu a konstrukce systému a provozního výkonu systému. Systém nejen pomáhá šetřit náklady na elektřinu, ale také využívá vodu ke snižování emisí uhlíku.
1 Úvod k projektu
Druhá fáze A „Plánu čištění přístavu“ je rozsáhlý plán realizovaný vládou zvláštní administrativní oblasti Hongkong s cílem zlepšit kvalitu vody v přístavu Victoria. Oficiálně byl plně uveden do provozu v prosinci 2015. Jeho rozsah prací zahrnuje výstavbu hlubokého kanalizačního tunelu o celkové délce přibližně 21 km a hloubce 163 m pod zemí, který bude přepravovat odpadní vody produkované na severu a jihozápadě ostrova do čistírny odpadních vod Stonecutters Island a zvýší kapacitu čistírny na 245 × 105 m3/den, čímž bude poskytovat služby čištění odpadních vod pro přibližně 5,7 milionu občanů. Vzhledem k omezeným pozemkům používá čistírna odpadních vod Stonecutters Island 46 sad dvoupodlažních sedimentačních nádrží pro chemicky vylepšené primární čištění odpadních vod a každé dvě sady sedimentačních nádrží budou sdílet vertikální šachtu (tj. celkem 23 šachet), která posílá vyčištěné odpadní vody do podzemního odvodňovacího potrubí k finální dezinfekci a poté do hlubinného moře.
2 Relevantní raný výzkum a vývoj
Vzhledem k velkému množství odpadních vod, které čistírna odpadních vod Stonecutters Island denně čistí, a unikátní dvouvrstvé konstrukci sedimentační nádrže umožňuje čističce odpadních vod dodat určité množství hydraulické energie při vypouštění vyčištěných odpadních vod k pohonu turbogenerátoru, který vyrábí elektřinu. Tým oddělení odvodňovacích služeb poté v roce 2008 provedl příslušnou studii proveditelnosti a řadu terénních testů. Výsledky těchto předběžných studií potvrzují proveditelnost instalace turbogenerátorů.
Místo instalace: v šachtě sedimentační nádrže; Efektivní tlak vody: 4,5~6 m (konkrétní provedení závisí na skutečných provozních podmínkách v budoucnu a přesné poloze turbíny); Rozsah průtoku: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maximální výstupní výkon: 45~50 kW; Zařízení a materiály: Vzhledem k tomu, že vyčištěná odpadní voda má stále určitou korozivní aktivitu, musí mít vybrané materiály a související zařízení odpovídající ochranu a odolnost proti korozi.
V tomto ohledu si oddělení odvodňovacích služeb rezervovalo prostor pro dvě sady sedimentačních nádrží v čistírně odpadních vod pro instalaci systému výroby energie z turbíny v rámci projektu rozšíření „Projekt čištění přístavu fáze II A“.
3 Aspekty a vlastnosti návrhu systému
3.1 Generovaná energie a efektivní tlak vody
Vztah mezi elektrickým výkonem generovaným hydrodynamickou energií a efektivním tlakem vody je následující: vyrobený elektrický výkon (kW) = [hustota vyčištěné odpadní vody ρ (kg/m3) × Průtok vody Q (m3/s) × Efektivní tlak vody H (m) × Gravitační konstanta g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Celková účinnost systému (%). Efektivní tlak vody je rozdíl mezi maximální povolenou hladinou vody v šachtě a hladinou vody v přilehlé šachtě v protékající vodě.
Jinými slovy, čím vyšší je rychlost proudění a efektivní tlak vody, tím větší je generovaný výkon. Proto je pro generování většího výkonu jedním z konstrukčních cílů umožnit turbínovému systému dosáhnout nejvyšší rychlosti proudění vody a efektivního tlaku vody.
3.2 Klíčové body návrhu systému
V první řadě, z hlediska konstrukce, nesmí nově instalovaný turbínový systém co nejvíce ovlivnit normální provoz čistírny odpadních vod. Systém musí mít například vhodná ochranná zařízení, která zabrání přeplnění předřazené sedimentační nádrže vyčištěnou odpadní vodou v důsledku nesprávné regulace systému. Provozní parametry stanovené během návrhu: průtok 1,06 ～ 1,50 m3/s, efektivní rozsah tlaku vody 24 ～ 52 kPa.
Kromě toho, protože odpadní voda čištěná sedimentační nádrží stále obsahuje některé korozivní látky, jako je sirovodík a sůl, musí být všechny materiály součástí turbínového systému, které přicházejí do styku s vyčištěnou odpadní vodou, odolné proti korozi (například duplexní nerezové materiály často používané pro zařízení na čištění odpadních vod), aby se zlepšila trvanlivost systému a snížil počet údržb.
Pokud jde o návrh energetického systému, jelikož výroba energie z kanalizační turbíny není z různých důvodů zcela stabilní, je celý systém výroby energie zapojen paralelně k rozvodné síti, aby bylo zajištěno spolehlivé napájení. Připojení k rozvodné síti musí být provedeno v souladu s technickými pokyny pro připojení k rozvodné síti vydanými energetickou společností a oddělením pro elektrické a mechanické služby vlády zvláštního administrativního regionu Hongkong.
Pokud jde o uspořádání potrubí, kromě stávajících omezení lokality se zohledňuje i potřeba údržby a oprav systému. V tomto ohledu byl změněn původní plán instalace hydraulické turbíny v šachtě usazovací nádrže, navržený v projektu výzkumu a vývoje. Místo toho je vyčištěná odpadní voda odváděna ze šachty hrdlem a přiváděna do hydraulické turbíny, což výrazně snižuje obtížnost a dobu údržby a snižuje dopad na běžný provoz čistírny odpadních vod.
Vzhledem k tomu, že sedimentační nádrž je občas nutné za účelem údržby odstavit, je hrdlo turbínového systému připojeno ke dvěma šachtám čtyř sad dvoupatrových sedimentačních nádrží. I když se dvě sady sedimentačních nádrží zastaví, další dvě sady sedimentačních nádrží mohou také poskytovat vyčištěnou odpadní vodu, pohánět turbínový systém a nadále vyrábět elektřinu. Kromě toho bylo v blízkosti šachty sedimentační nádrže č. 47/49 vyhrazeno místo pro budoucí instalaci druhého systému výroby energie z hydraulické turbíny, takže při normálním provozu čtyř sad sedimentačních nádrží mohou oba systémy výroby energie z turbín vyrábět energii současně a dosáhnout maximálního výkonu.
3.3 Výběr hydraulické turbíny a generátoru
Hydraulická turbína je klíčovým zařízením celého systému výroby energie. Turbíny lze obecně rozdělit do dvou kategorií podle principu činnosti: pulzní a reakční. Impulsní typ spočívá v tom, že kapalina vstřikuje vysokou rychlostí do lopatek turbíny přes několik trysek a poté pohání generátor k výrobě energie. Reakční typ prochází lopatkou turbíny kapalinou a využívá tlak hladiny vody k pohonu generátoru k výrobě energie. V této konstrukci byla na základě skutečnosti, že vyčištěná odpadní voda může při proudění poskytovat nízký tlak vody, zvolena Kaplanova turbína, jeden z nejvhodnějších reakčních typů, protože tato turbína má vysokou účinnost při nízkém tlaku vody a je relativně tenká, což je vhodnější pro omezený prostor na staveništi.
Pokud jde o generátor, byl zvolen synchronní generátor s permanentními magnety poháněný hydraulickou turbínou s konstantními otáčkami. Tento generátor dokáže dodávat stabilnější napětí a frekvenci než asynchronní generátor, takže může zlepšit kvalitu napájení, zjednodušit paralelní síť a vyžadovat méně údržby.
4 Konstrukční a provozní vlastnosti
4.1 Uspořádání paralelní mřížky
Připojení k síti musí být provedeno v souladu s technickými pokyny pro připojení k síti vydanými energetickou společností a oddělením elektrických a mechanických služeb vlády zvláštní administrativní oblasti Hongkong. Podle těchto pokynů musí být systém výroby energie z obnovitelných zdrojů vybaven ochranou proti ostrovnímu provozu, která dokáže automaticky oddělit příslušný systém výroby energie z obnovitelných zdrojů od distribuční soustavy, když elektrická síť z jakéhokoli důvodu přestane dodávat energii, aby systém výroby energie z obnovitelných zdrojů nemohl dále dodávat energii do distribuční soustavy, a tím byla zajištěna bezpečnost elektrotechnických pracovníků pracujících v síti nebo distribuční soustavě.
Z hlediska synchronního provozu napájení lze systém výroby energie z obnovitelných zdrojů a distribuční systém synchronizovat pouze tehdy, když jsou intenzita napětí, fázový úhel nebo frekvenční rozdíl řízeny v přijatelných mezích.
4.2 Řízení a ochrana
Systém výroby energie z hydraulické turbíny lze ovládat v automatickém nebo manuálním režimu. V automatickém režimu lze jako zdroj hydraulické energie použít šachty sedimentační nádrže 47/49 # nebo 51/53 # a řídicí systém spustí různé regulační ventily podle výchozích dat, aby vybral nejvhodnější sedimentační nádrž a optimalizoval tak výrobu energie z hydraulické turbíny. Regulační ventil navíc automaticky upraví hladinu odpadních vod před sedimentační nádrží tak, aby se vyčištěná odpadní voda nepřeplnila, a tím se zvýšila výroba energie na nejvyšší úroveň. Systém turbogenerátoru lze regulovat v hlavní velínu nebo na místě.
Pokud jde o ochranu a řízení, pokud dojde k selhání napájecí skříně nebo regulačního ventilu turbínového systému nebo hladina vody překročí maximální povolenou hladinu vody, systém výroby energie hydraulické turbíny také automaticky zastaví provoz a vypustí vyčištěnou odpadní vodu obtokovým potrubím, aby se zabránilo přetečení předřazené sedimentační nádrže vyčištěnou odpadní vodou v důsledku poruchy systému.
5 Výkon systému
Tento systém výroby energie z hydraulické turbíny byl uveden do provozu na konci roku 2018 s průměrným měsíčním výkonem více než 10 000 kW · h. Efektivní tlak vody, který je schopen pohánět systém výroby energie z hydraulické turbíny, se také mění s časem v důsledku vysokého a nízkého průtoku odpadních vod, které čistírna odpadních vod denně shromažďuje a čistí. Aby se maximalizoval výkon generovaný systémem turbíny, navrhlo oddělení odvodňovacích služeb řídicí systém, který automaticky upravuje točivý moment turbíny podle denního průtoku odpadních vod, čímž se zlepšuje účinnost výroby energie. Obrázek 7 znázorňuje vztah mezi systémem výroby energie a průtokem vody. Když průtok vody překročí nastavenou úroveň, systém se automaticky spustí a začne vyrábět elektřinu.
6 výzev a řešení
Oddělení odvodňovacích služeb se při realizaci příslušných projektů setkalo s mnoha problémy a v reakci na tyto problémy vypracovalo odpovídající plány.
7 Závěr
Navzdory různým výzvám byl tento systém výroby energie z hydraulických turbín úspěšně uveden do provozu na konci roku 2018. Průměrný měsíční výkon systému je více než 10 000 kW·h, což odpovídá průměrné měsíční spotřebě energie přibližně 25 hongkongských domácností (průměrná měsíční spotřeba energie každé hongkongské domácnosti v roce 2018 byla přibližně 390 kW·h). Oddělení odvodňovacích služeb se zavázalo k „poskytování prvotřídních služeb čištění odpadních a dešťových vod a odvodňování na podporu udržitelného rozvoje Hongkongu“ a zároveň k podpoře projektů na ochranu životního prostředí a změnu klimatu. V oblasti obnovitelných zdrojů energie využívá oddělení odvodňovacích služeb bioplyn, solární energii a energii z toku vyčištěné odpadní vody k výrobě obnovitelné energie. V posledních několika letech činila průměrná roční produkce obnovitelné energie oddělením odvodňovacích služeb přibližně 27 milionů kW·h, což může uspokojit energetické potřeby přibližně 9 % oddělení odvodňovacích služeb. Oddělení odvodňovacích služeb bude i nadále usilovat o posílení a podporu využívání obnovitelných zdrojů energie.
Čas zveřejnění: 22. listopadu 2022
