Afvandingsafdelingen i Hongkongs særlige administrative regionsregering er forpligtet til at bidrage til at afbøde de globale klimaændringer. Gennem årene er der blevet installeret energibesparende og vedvarende energianlæg på nogle af dens anlæg. Med den officielle lancering af Hongkongs "Havnerensningsplan fase II A" har afvandingsafdelingen installeret et hydraulisk turbinekraftværk på Stonecutters Island spildevandsrensningsanlæg (spildevandsrensningsanlægget med den største spildevandsrensningskapacitet i Hongkong), som bruger den hydrauliske energi fra strømmende spildevand til at drive turbinegeneratoren og derefter genererer elektricitet til brug for faciliteterne i anlægget. Denne artikel introducerer systemet, herunder de udfordringer, der er opstået i forbindelse med implementeringen af relevante projekter, overvejelser og karakteristika ved systemdesign og konstruktion samt systemets driftsydelse. Systemet hjælper ikke kun med at spare på elomkostningerne, men bruger også vand til at reducere kulstofemissioner.
1 Projektintroduktion
Anden fase A af "Havneoprensningsplanen" er en storstilet plan, der blev implementeret af Hong Kongs særlige administrative regionsregering for at forbedre vandkvaliteten i Victoria Harbour. Den blev officielt taget i brug i december 2015. Arbejdsomfanget omfatter konstruktionen af en dyb spildevandstunnel med en samlet længde på ca. 21 km og 163 m under jorden for at transportere spildevand genereret i den nordlige og sydvestlige del af øen til Stonecutters Island-spildevandsrensningsanlægget og øge rensningskapaciteten på spildevandsanlægget til 245 × 105 m3/d, hvilket vil levere spildevandsbehandlingstjenester til omkring 5,7 millioner borgere. På grund af arealbegrænsninger bruger Stonecutters Island-spildevandsrensningsanlægget 46 sæt dobbeltdækkende sedimentationstanke til kemisk forbedret primær behandling af spildevand, og hvert andet sæt sedimentationstanke vil dele en lodret skakt (dvs. i alt 23 skakter) for at sende det rensede spildevand til det underjordiske drænrør til endelig desinfektion og derefter til dybhavet.
2 Relevant tidlig forskning og udvikling
I betragtning af den store mængde spildevand, der behandles af Stonecutters Island spildevandsrensningsanlæg hver dag, og det unikke dobbeltlagsdesign af sedimentationstanken, kan anlægget levere en vis mængde hydraulisk energi, mens det rensede spildevand udledes for at drive turbinegeneratoren til at generere elektricitet. Teamet fra dræningsafdelingen udførte derefter en relevant forundersøgelse i 2008 og en række feltforsøg. Resultaterne af disse forundersøgelser bekræfter muligheden for at installere turbinegeneratorer.
Installationssted: i sedimentationstankens skakt; Effektivt vandtryk: 4,5~6 m (det specifikke design afhænger af de faktiske driftsforhold i fremtiden og turbinens nøjagtige position); Flowområde: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maksimal udgangseffekt: 45~50 kW; Udstyr og materialer: Da det rensede spildevand stadig har en vis korrosivitet, skal de valgte materialer og relateret udstyr have tilstrækkelig beskyttelse og korrosionsbestandighed.
I den forbindelse har dræningsafdelingen reserveret plads til to sæt sedimentationstanke i spildevandsanlægget til installation af et turbinekraftværk i udvidelsesprojektet af "Havneoprensningsprojekt fase II A".
3 Systemdesignovervejelser og funktioner
3.1 Genereret effekt og effektivt vandtryk
Forholdet mellem elektrisk effekt genereret af hydrodynamisk energi og effektivt vandtryk er som følger: genereret elektrisk effekt (kW) = [densitet af renset spildevand ρ (kg/m3) × Vandgennemstrømningshastighed Q (m3/s) × Effektivt vandtryk H (m) × Tyngdekraftskonstant g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Samlet systemeffektivitet (%). Det effektive vandtryk er forskellen mellem den maksimalt tilladte vandstand i skakten og vandstanden i den tilstødende skakt i det strømmende vand.
Med andre ord, jo højere strømningshastigheden og det effektive vandtryk er, desto større genereret effekt. For at generere mere effekt er et af designmålene derfor at gøre det muligt for turbinesystemet at modtage den højeste vandstrømningshastighed og effektive vandtryk.
3.2 Hovedpunkter i systemdesignet
Først og fremmest må det nyinstallerede turbinesystem, hvad angår design, ikke påvirke spildevandsanlæggets normale drift så meget som muligt. For eksempel skal systemet have passende beskyttelsesanordninger for at forhindre, at den opstrøms sedimentationstank overløber det rensede spildevand på grund af forkert systemstyring. Driftsparametre bestemt under design: flowhastighed 1,06 ～ 1,50 m3/s, effektivt vandtryksområde 24 ～ 52 kPa.
Da spildevandet, der renses af sedimentationstanken, stadig indeholder nogle ætsende stoffer, såsom hydrogensulfid og salt, skal alle turbinesystemkomponentmaterialer, der er i kontakt med det rensede spildevand, være korrosionsbestandige (såsom duplex rustfrit stålmaterialer, der ofte anvendes til spildevandsbehandlingsudstyr) for at forbedre systemets holdbarhed og reducere antallet af vedligeholdelsesopgaver.
Med hensyn til design af elsystemet, da spildevandsturbinernes strømproduktion af forskellige årsager ikke er fuldstændig stabil, er hele elsystemet forbundet parallelt med nettet for at opretholde en pålidelig strømforsyning. Nettilslutningen skal arrangeres i overensstemmelse med de tekniske retningslinjer for nettilslutning udstedt af elselskabet og den elektriske og mekaniske serviceafdeling i Hong Kong Special Administrative Region Government.
Med hensyn til rørføringslayout tages der, udover de eksisterende restriktioner på stedet, også hensyn til behovet for vedligeholdelse og reparation af systemet. I den forbindelse er den oprindelige plan om at installere den hydrauliske turbine i bundfældningsskakten, som foreslået i F&U-projektet, blevet ændret. I stedet ledes det rensede spildevand ud af skakten via en hals og sendes til den hydrauliske turbine, hvilket i høj grad reducerer vanskeligheden og tiden ved vedligeholdelse og reducerer påvirkningen af den normale drift af spildevandsrensningsanlægget.
I betragtning af at sedimentationstanken lejlighedsvis skal suspenderes for vedligeholdelse, er turbinesystemets hals forbundet med to aksler med fire sæt dobbeltdækkende sedimentationstanke. Selv hvis to sæt sedimentationstanke stopper med at fungere, kan de to andre sæt sedimentationstanke også levere renset spildevand, drive turbinesystemet og fortsætte med at generere elektricitet. Derudover er der reserveret en plads nær akslen på 47/49 # sedimentationstank til installation af det andet hydrauliske turbinekraftproduktionssystem i fremtiden, således at når de fire sæt sedimentationstanke fungerer normalt, kan de to turbinekraftproduktionssystemer generere strøm på samme tid og nå den maksimale effektkapacitet.
3.3 Valg af hydraulisk turbine og generator
Hydrauliske turbiner er det vigtigste udstyr i hele kraftproduktionssystemet. Turbiner kan generelt opdeles i to kategorier efter driftsprincippet: pulstype og reaktionstype. Impulstypen betyder, at væsken skydes til turbinebladet med høj hastighed gennem flere dyser og derefter driver generatoren for at generere energi. Reaktionstypen passerer gennem turbinebladet gennem væsken og bruger vandstandstrykket til at drive generatoren for at generere energi. I dette design er Kaplan-turbinen, en af de mere passende reaktionstyper, valgt, fordi den rensede spildevand kan give lavt vandtryk under strømning. Denne turbine har høj effektivitet ved lavt vandtryk og er relativt tynd, hvilket er mere egnet til begrænset plads på stedet.
Med hensyn til generator vælges en permanentmagnetisk synkrongenerator, der er drevet af en hydraulisk turbine med konstant hastighed. Denne generator kan levere en mere stabil spænding og frekvens end en asynkron generator, hvilket kan forbedre strømforsyningens kvalitet, gøre parallelnet enklere og kræve mindre vedligeholdelse.
4 Konstruktions- og driftsfunktioner
4.1 Parallel gitteropstilling
Nettilslutningen skal udføres i overensstemmelse med de tekniske retningslinjer for nettilslutning, der er udstedt af elselskabet og den elektriske og mekaniske serviceafdeling i Hong Kongs særlige administrative regionsregering. Ifølge retningslinjerne skal VE-kraftproduktionssystemet være udstyret med en beskyttelsesfunktion mod ø-drift, som automatisk kan adskille det relevante VE-kraftproduktionssystem fra distributionssystemet, når elnettet af en eller anden grund ophører med at levere strøm, således at VE-kraftproduktionssystemet ikke kan fortsætte med at levere strøm til distributionssystemet. Dette sikrer sikkerheden for det elektrotekniske personale, der arbejder på nettet eller distributionssystemet.
Med hensyn til synkron drift af strømforsyningen kan det vedvarende energisystem og distributionssystemet kun synkroniseres, når spændingsintensiteten, fasevinklen eller frekvensforskellen styres inden for acceptable grænser.
4.2 Kontrol og beskyttelse
Det hydrauliske turbinesystem kan styres i automatisk eller manuel tilstand. I automatisk tilstand kan akslerne i sedimentationstank 47/49 # eller 51/53 # bruges som kilde til hydraulisk energi, og styresystemet vil starte forskellige styreventiler i henhold til standarddataene for at vælge den mest passende sedimentationstank for at optimere den hydrauliske turbines strømproduktion. Derudover vil styreventilen automatisk justere det opstrøms spildevandsniveau, så sedimentationstanken ikke overfylder det rensede spildevand, hvilket øger strømproduktionen til det højeste niveau. Turbinegeneratorsystemet kan reguleres i hovedkontrolrummet eller på stedet.
Med hensyn til beskyttelse og kontrol, hvis strømforsyningsboksen eller reguleringsventilen i turbinesystemet svigter, eller vandstanden overstiger det maksimalt tilladte vandstand, vil det hydrauliske turbinekraftværk også automatisk stoppe driften og udlede det rensede spildevand gennem bypass-røret for at forhindre, at den opstrøms sedimentationstank overløber det rensede spildevand på grund af systemfejl.
5 Systemdriftens ydeevne
Dette hydrauliske turbine-kraftproduktionssystem blev taget i brug i slutningen af 2018 med en gennemsnitlig månedlig ydelse på mere end 10000 kW·h. Det effektive vandtryk, der kan drive det hydrauliske turbine-kraftproduktionssystem, ændrer sig også med tiden på grund af den høje og lave strøm af spildevand, der opsamles og behandles af spildevandsrensningsanlægget hver dag. For at maksimere den strøm, der genereres af turbinesystemet, har dræningsafdelingen designet et styresystem til automatisk at justere turbinens driftsmoment i henhold til den daglige spildevandsstrøm og derved forbedre energiproduktionens effektivitet. Figur 7 viser forholdet mellem energiproduktionssystemet og vandstrømmen. Når vandstrømmen overstiger det indstillede niveau, vil systemet automatisk starte for at generere elektricitet.
6 udfordringer og løsninger
Afvandingsafdelingen har stødt på mange udfordringer i forbindelse med udførelsen af relevante projekter og har udarbejdet tilsvarende planer som svar på disse udfordringer.
7 Konklusion
Trods forskellige udfordringer blev dette hydrauliske turbinesystem med succes taget i brug i slutningen af 2018. Systemets gennemsnitlige månedlige effekt er mere end 10.000 kW·h, hvilket svarer til det gennemsnitlige månedlige strømforbrug for omkring 25 husstande i Hongkong (det gennemsnitlige månedlige strømforbrug for hver husstand i Hongkong i 2018 er omkring 390 kW·h). Afløbsafdelingen er forpligtet til at "levere spildevands- og regnvandsbehandling og dræningstjenester i verdensklasse for at fremme en bæredygtig udvikling i Hongkong", samtidig med at de fremmer miljøbeskyttelse og klimaforandringsprojekter. I forbindelse med anvendelsen af vedvarende energi bruger afløbsafdelingen biogas, solenergi og energien fra strømmen af renset spildevand til at generere vedvarende energi. I de seneste år har den gennemsnitlige årlige produktion af vedvarende energi fra afløbsafdelingen været omkring 27 millioner kW·h, hvilket kan dække energibehovet for omkring 9% af afløbsafdelingen. Afløbsafdelingen vil fortsætte sine bestræbelser på at styrke og fremme anvendelsen af vedvarende energi.
Opslagstidspunkt: 22. november 2022
