Το Τμήμα Υπηρεσιών Αποχέτευσης της Κυβέρνησης της Ειδικής Διοικητικής Περιφέρειας του Χονγκ Κονγκ έχει δεσμευτεί να συμβάλει στον μετριασμό της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής. Με την πάροδο των ετών, έχουν εγκατασταθεί εγκαταστάσεις εξοικονόμησης ενέργειας και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε ορισμένες από τις μονάδες του. Με την επίσημη έναρξη του «Σχεδίου Καθαρισμού Λιμένα Φάσης II Α» του Χονγκ Κονγκ, το Τμήμα Υπηρεσιών Αποχέτευσης εγκατέστησε ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από υδραυλικό στρόβιλο στο Σταθμό Επεξεργασίας Λυμάτων του Stonecutters Island (το εργοστάσιο επεξεργασίας λυμάτων με τη μεγαλύτερη δυναμικότητα επεξεργασίας λυμάτων στο Χονγκ Κονγκ), το οποίο χρησιμοποιεί την υδραυλική ενέργεια των ρέοντων λυμάτων για να κινήσει τη γεννήτρια τουρμπίνας και στη συνέχεια παράγει ηλεκτρική ενέργεια για τη χρήση των εγκαταστάσεων του σταθμού. Η παρούσα εργασία παρουσιάζει το σύστημα, συμπεριλαμβανομένων των προκλήσεων που αντιμετωπίζονται κατά την υλοποίηση σχετικών έργων, τις παραμέτρους και τα χαρακτηριστικά του σχεδιασμού και της κατασκευής του συστήματος, καθώς και την απόδοση λειτουργίας του συστήματος. Το σύστημα όχι μόνο βοηθά στην εξοικονόμηση κόστους ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά χρησιμοποιεί επίσης νερό για τη μείωση των εκπομπών άνθρακα.
1 Εισαγωγή στο έργο
Η δεύτερη φάση Α του «Σχεδίου Καθαρισμού Λιμένα» είναι ένα μεγάλης κλίμακας σχέδιο που εφαρμόστηκε από την Κυβέρνηση της Ειδικής Διοικητικής Περιφέρειας του Χονγκ Κονγκ για τη βελτίωση της ποιότητας των υδάτων του λιμανιού της Βικτώριας. Τέθηκε επίσημα σε πλήρη χρήση τον Δεκέμβριο του 2015. Το πεδίο εφαρμογής του περιλαμβάνει την κατασκευή μιας βαθιάς σήραγγας λυμάτων συνολικού μήκους περίπου 21 χιλιομέτρων και 163 μέτρων κάτω από το έδαφος, για τη μεταφορά λυμάτων που παράγονται στα βόρεια και νοτιοδυτικά του νησιού στη Μονάδα Επεξεργασίας Λυμάτων του Stonecutters Island και την αύξηση της χωρητικότητας επεξεργασίας της μονάδας λυμάτων σε 245 × 105m3/ημέρα, παρέχοντας υπηρεσίες επεξεργασίας λυμάτων σε περίπου 5,7 εκατομμύρια πολίτες. Λόγω περιορισμών γης, η Μονάδα Επεξεργασίας Λυμάτων του Stonecutters Island χρησιμοποιεί 46 σετ δεξαμενών καθίζησης διπλού καταστρώματος για χημικά ενισχυμένη πρωτογενή επεξεργασία λυμάτων και κάθε δύο σετ δεξαμενών καθίζησης θα μοιράζονται έναν κατακόρυφο άξονα (δηλαδή, συνολικά 23 φρέατα) για την αποστολή των καθαρισμένων λυμάτων στον υπόγειο αγωγό αποστράγγισης για τελική απολύμανση και στη συνέχεια στη βαθιά θάλασσα.
2 Σχετική πρώιμη έρευνα και ανάπτυξη
Λόγω της μεγάλης ποσότητας λυμάτων που επεξεργάζεται καθημερινά η Μονάδα Επεξεργασίας Λυμάτων του Stonecutters Island και του μοναδικού σχεδιασμού διπλής στρώσης της δεξαμενής καθίζησης, μπορεί να παρέχει μια ορισμένη ποσότητα υδραυλικής ενέργειας κατά την εκκένωση των καθαρισμένων λυμάτων για την κίνηση της γεννήτριας στροβίλου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ομάδα του Τμήματος Υπηρεσιών Αποχέτευσης πραγματοποίησε στη συνέχεια μια σχετική μελέτη σκοπιμότητας το 2008 και διεξήγαγε μια σειρά από δοκιμές πεδίου. Τα αποτελέσματα αυτών των προκαταρκτικών μελετών επιβεβαιώνουν τη σκοπιμότητα εγκατάστασης γεννητριών στροβίλου.
Θέση εγκατάστασης: στο φρεάτιο της δεξαμενής καθίζησης· Αποτελεσματική πίεση νερού: 4,5~6m (ο συγκεκριμένος σχεδιασμός εξαρτάται από τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας στο μέλλον και την ακριβή θέση του στροβίλου)· Εύρος ροής: 1,1 ~ 1,25 m3/s· Μέγιστη ισχύς εξόδου: 45~50 kW· Εξοπλισμός και υλικά: Δεδομένου ότι τα καθαρισμένα λύματα εξακολουθούν να έχουν κάποια διαβρωτική ικανότητα, τα επιλεγμένα υλικά και ο σχετικός εξοπλισμός πρέπει να έχουν επαρκή προστασία και αντοχή στη διάβρωση.
Στο πλαίσιο αυτό, το Τμήμα Υπηρεσιών Αποχέτευσης έχει δεσμεύσει χώρο για δύο σετ δεξαμενών καθίζησης στη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων για την εγκατάσταση ενός συστήματος παραγωγής ενέργειας από στρόβιλους στο έργο επέκτασης του «Έργου Καθαρισμού Λιμένα Φάσης II Α».
3 Στοιχεία και χαρακτηριστικά σχεδιασμού συστήματος
3.1 Παραγόμενη ισχύς και αποτελεσματική πίεση νερού
Η σχέση μεταξύ της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από υδροδυναμική ενέργεια και της ενεργού πίεσης του νερού έχει ως εξής: παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια (kW)=[πυκνότητα καθαρισμένων λυμάτων ρ (kg/m3) × Ρυθμός ροής νερού Q (m3/s) × Ενεργός πίεση νερού H (m) × Σταθερά βαρύτητας g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Συνολική απόδοση συστήματος (%). Η ενεργός πίεση νερού είναι η διαφορά μεταξύ της μέγιστης επιτρεπόμενης στάθμης νερού του φρέατος και της στάθμης νερού του παρακείμενου φρέατος στο ρέον νερό.
Με άλλα λόγια, όσο υψηλότερη είναι η ταχύτητα ροής και η αποτελεσματική πίεση του νερού, τόσο μεγαλύτερη είναι η παραγόμενη ισχύς. Επομένως, για να παραχθεί περισσότερη ισχύς, ένας από τους στόχους σχεδιασμού είναι να επιτραπεί στο σύστημα τουρμπίνας να λαμβάνει την υψηλότερη ταχύτητα ροής νερού και την υψηλότερη αποτελεσματική πίεση νερού.
3.2 Βασικά σημεία σχεδιασμού συστήματος
Καταρχάς, όσον αφορά τον σχεδιασμό, το νεοεγκατεστημένο σύστημα στροβίλων δεν πρέπει να επηρεάζει όσο το δυνατόν περισσότερο την κανονική λειτουργία της μονάδας επεξεργασίας λυμάτων. Για παράδειγμα, το σύστημα πρέπει να διαθέτει κατάλληλες προστατευτικές διατάξεις για να αποτρέπει την υπερχείλιση της δεξαμενής καθίζησης ανάντη των καθαρισμένων λυμάτων λόγω λανθασμένου ελέγχου του συστήματος. Λειτουργικές παράμετροι που καθορίστηκαν κατά τον σχεδιασμό: ρυθμός ροής 1,06 ~ 1,50m3/s, εύρος αποτελεσματικής πίεσης νερού 24 ~ 52kPa.
Επιπλέον, δεδομένου ότι τα λύματα που καθαρίζονται από τη δεξαμενή καθίζησης εξακολουθούν να περιέχουν ορισμένες διαβρωτικές ουσίες, όπως υδρόθειο και άλατα, όλα τα υλικά των εξαρτημάτων του συστήματος στροβίλων που έρχονται σε επαφή με τα καθαρισμένα λύματα πρέπει να είναι ανθεκτικά στη διάβρωση (όπως τα υλικά από ανοξείδωτο χάλυβα διπλής όψης που χρησιμοποιούνται συχνά για τον εξοπλισμό επεξεργασίας λυμάτων), έτσι ώστε να βελτιωθεί η ανθεκτικότητα του συστήματος και να μειωθεί ο αριθμός των εργασιών συντήρησης.
Όσον αφορά τον σχεδιασμό του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, δεδομένου ότι η παραγωγή ενέργειας από τον στρόβιλο λυμάτων δεν είναι απολύτως σταθερή για διάφορους λόγους, ολόκληρο το σύστημα παραγωγής ενέργειας συνδέεται παράλληλα με το δίκτυο για να διατηρείται αξιόπιστη παροχή ρεύματος. Η σύνδεση στο δίκτυο θα πρέπει να γίνεται σύμφωνα με τις τεχνικές οδηγίες για τη σύνδεση στο δίκτυο που εκδίδονται από την εταιρεία ηλεκτρικής ενέργειας και το Τμήμα Ηλεκτρομηχανολογικών Υπηρεσιών της Κυβέρνησης της Ειδικής Διοικητικής Περιφέρειας του Χονγκ Κονγκ.
Όσον αφορά τη διάταξη των σωλήνων, εκτός από τους υφιστάμενους περιορισμούς του χώρου, λαμβάνεται επίσης υπόψη η ανάγκη συντήρησης και επισκευής του συστήματος. Στο πλαίσιο αυτό, το αρχικό σχέδιο εγκατάστασης του υδραυλικού στροβίλου στο φρεάτιο της δεξαμενής καθίζησης που προτάθηκε στο έργο Έρευνας και Ανάπτυξης έχει αλλάξει. Αντ' αυτού, τα καθαρισμένα λύματα οδηγούνται έξω από το φρεάτιο μέσω ενός λαιμού και αποστέλλονται στον υδραυλικό στρόβιλο, γεγονός που μειώνει σημαντικά τη δυσκολία και τον χρόνο συντήρησης και μειώνει τον αντίκτυπο στην κανονική λειτουργία της μονάδας επεξεργασίας λυμάτων.
Δεδομένου ότι η δεξαμενή καθίζησης χρειάζεται περιστασιακά να αναρτηθεί για συντήρηση, ο λαιμός του συστήματος στροβίλων συνδέεται με δύο άξονες τεσσάρων σετ διώροφων δεξαμενών καθίζησης. Ακόμα κι αν δύο σετ δεξαμενών καθίζησης σταματήσουν να λειτουργούν, τα άλλα δύο σετ δεξαμενών καθίζησης μπορούν επίσης να παρέχουν καθαρά λύματα, να κινούν το σύστημα στροβίλων και να συνεχίσουν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Επιπλέον, έχει κρατηθεί μια θέση κοντά στο φρεάτιο της δεξαμενής καθίζησης 47/49 # για την εγκατάσταση του δεύτερου συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από υδραυλικό στρόβιλο στο μέλλον, έτσι ώστε όταν τα τέσσερα σετ δεξαμενών καθίζησης λειτουργούν κανονικά, τα δύο συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από στρόβιλους να μπορούν να παράγουν ενέργεια ταυτόχρονα, φτάνοντας στη μέγιστη ισχύ.
3.3 Επιλογή υδραυλικού στροβίλου και γεννήτριας
Ο υδραυλικός στρόβιλος είναι ο βασικός εξοπλισμός ολόκληρου του συστήματος παραγωγής ενέργειας. Οι στρόβιλοι μπορούν γενικά να χωριστούν σε δύο κατηγορίες σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας: παλμικός τύπος και τύπος αντίδρασης. Ο παλμικός τύπος είναι αυτός όπου το ρευστό εκτοξεύεται στο πτερύγιο του στροβίλου με υψηλή ταχύτητα μέσω πολλαπλών ακροφυσίων και στη συνέχεια κινεί τη γεννήτρια για την παραγωγή ενέργειας. Ο τύπος αντίδρασης διέρχεται από το πτερύγιο του στροβίλου μέσω του ρευστού και χρησιμοποιεί την πίεση της στάθμης του νερού για να κινήσει τη γεννήτρια για την παραγωγή ενέργειας. Σε αυτόν τον σχεδιασμό, με βάση το γεγονός ότι τα καθαρισμένα λύματα μπορούν να παρέχουν χαμηλή πίεση νερού κατά τη ροή, επιλέγεται ο στρόβιλος Kaplan, ένας από τους πιο κατάλληλους τύπους αντίδρασης, επειδή αυτός ο στρόβιλος έχει υψηλή απόδοση σε χαμηλή πίεση νερού και είναι σχετικά λεπτός, κάτι που είναι πιο κατάλληλο για τον περιορισμένο χώρο στο εργοτάξιο.
Όσον αφορά τη γεννήτρια, επιλέγεται σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη που κινείται από υδραυλικό στρόβιλο σταθερής ταχύτητας. Αυτή η γεννήτρια μπορεί να παράγει πιο σταθερή τάση και συχνότητα από την ασύγχρονη γεννήτρια, επομένως μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα της τροφοδοσίας, να καταστήσει το παράλληλο δίκτυο απλούστερο και να απαιτήσει λιγότερη συντήρηση.
4 Χαρακτηριστικά Κατασκευής και Λειτουργίας
4.1 Παράλληλη διάταξη πλέγματος
Η σύνδεση στο δίκτυο θα πρέπει να πραγματοποιείται σύμφωνα με τις τεχνικές οδηγίες για τη σύνδεση στο δίκτυο που εκδίδονται από την εταιρεία ηλεκτρικής ενέργειας και το Τμήμα Ηλεκτρομηχανολογικών Υπηρεσιών της Κυβέρνησης της Ειδικής Διοικητικής Περιοχής του Χονγκ Κονγκ. Σύμφωνα με τις οδηγίες, το σύστημα παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας πρέπει να είναι εξοπλισμένο με λειτουργία προστασίας κατά της νησίδας, η οποία μπορεί να διαχωρίζει αυτόματα το σχετικό σύστημα παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας από το σύστημα διανομής όταν το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας σταματήσει να παρέχει ενέργεια για οποιονδήποτε λόγο, έτσι ώστε το σύστημα παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας να μην μπορεί να συνεχίσει να παρέχει ενέργεια στο σύστημα διανομής, ώστε να διασφαλίζεται η ασφάλεια του προσωπικού ηλεκτρολόγων μηχανικών που εργάζεται στο δίκτυο ή στο σύστημα διανομής.
Όσον αφορά τη σύγχρονη λειτουργία της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και το σύστημα διανομής μπορούν να συγχρονιστούν μόνο όταν η ένταση τάσης, η γωνία φάσης ή η διαφορά συχνότητας ελέγχονται εντός αποδεκτών ορίων.
4.2 Έλεγχος και προστασία
Το σύστημα παραγωγής ενέργειας από υδραυλικό στρόβιλο μπορεί να ελεγχθεί σε αυτόματη ή χειροκίνητη λειτουργία. Στην αυτόματη λειτουργία, οι άξονες της δεξαμενής καθίζησης 47/49 # ή 51/53 # μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή υδραυλικής ενέργειας και το σύστημα ελέγχου θα θέσει σε λειτουργία διαφορετικές βαλβίδες ελέγχου σύμφωνα με τα προεπιλεγμένα δεδομένα για να επιλέξει την καταλληλότερη δεξαμενή καθίζησης, έτσι ώστε να βελτιστοποιηθεί η παραγωγή ενέργειας από υδραυλικό στρόβιλο. Επιπλέον, η βαλβίδα ελέγχου θα ρυθμίσει αυτόματα τη στάθμη των λυμάτων ανάντη, έτσι ώστε η δεξαμενή καθίζησης να μην υπερχειλίζει τα καθαρισμένα λύματα, αυξάνοντας έτσι την παραγωγή ενέργειας στο υψηλότερο επίπεδο. Το σύστημα γεννήτριας στροβίλου μπορεί να ρυθμιστεί στην κύρια αίθουσα ελέγχου ή επί τόπου.
Όσον αφορά την προστασία και τον έλεγχο, εάν το κιβώτιο τροφοδοσίας ή η βαλβίδα ελέγχου του συστήματος στροβίλου παρουσιάσει βλάβη ή η στάθμη του νερού υπερβεί τη μέγιστη επιτρεπόμενη στάθμη νερού, το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από υδραυλικό στρόβιλο θα διακόψει επίσης αυτόματα τη λειτουργία και θα εκκενώσει τα καθαρισμένα λύματα μέσω του σωλήνα παράκαμψης, έτσι ώστε να αποτραπεί η υπερχείλιση της δεξαμενής καθίζησης ανάντη λόγω βλάβης του συστήματος.
5 Απόδοση λειτουργίας συστήματος
Αυτό το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με υδραυλικό στρόβιλο τέθηκε σε λειτουργία στα τέλη του 2018, με μέση μηνιαία ισχύ άνω των 10000 kW · h. Η αποτελεσματική πίεση του νερού που μπορεί να κινήσει το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με υδραυλικό στρόβιλο αλλάζει επίσης με την πάροδο του χρόνου λόγω της υψηλής και χαμηλής ροής των λυμάτων που συλλέγονται και επεξεργάζονται από τη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων καθημερινά. Προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η ισχύς που παράγεται από το σύστημα στροβίλου, το Τμήμα Υπηρεσιών Αποχέτευσης έχει σχεδιάσει ένα σύστημα ελέγχου για την αυτόματη ρύθμιση της ροπής λειτουργίας του στροβίλου ανάλογα με την ημερήσια ροή λυμάτων, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση παραγωγής ενέργειας. Το Σχήμα 7 δείχνει τη σχέση μεταξύ του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και της ροής του νερού. Όταν η ροή του νερού υπερβεί το καθορισμένο επίπεδο, το σύστημα θα λειτουργήσει αυτόματα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
6 Προκλήσεις και Λύσεις
Το Τμήμα Υπηρεσιών Αποχέτευσης έχει αντιμετωπίσει πολλές προκλήσεις κατά την εκτέλεση σχετικών έργων και έχει καταρτίσει αντίστοιχα σχέδια για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων.
7 Συμπέρασμα
Παρά τις διάφορες προκλήσεις, αυτό το σύνολο συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με υδραυλικό στρόβιλο τέθηκε με επιτυχία σε λειτουργία στα τέλη του 2018. Η μέση μηνιαία ισχύς του συστήματος είναι μεγαλύτερη από 10.000 kW · h, η οποία ισοδυναμεί με τη μέση μηνιαία κατανάλωση ενέργειας περίπου 25 νοικοκυριών του Χονγκ Κονγκ (η μέση μηνιαία κατανάλωση ενέργειας κάθε νοικοκυριού του Χονγκ Κονγκ το 2018 ήταν περίπου 390 kW · h). Το Τμήμα Υπηρεσιών Αποχέτευσης έχει δεσμευτεί να «παρέχει υπηρεσίες επεξεργασίας και αποστράγγισης λυμάτων και όμβριων υδάτων παγκόσμιας κλάσης για την προώθηση της βιώσιμης ανάπτυξης του Χονγκ Κονγκ», προωθώντας παράλληλα έργα προστασίας του περιβάλλοντος και κλιματικής αλλαγής. Στην εφαρμογή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, το Τμήμα Υπηρεσιών Αποχέτευσης χρησιμοποιεί βιοαέριο, ηλιακή ενέργεια και ενέργεια από τη ροή καθαρών λυμάτων για την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας. Τα τελευταία χρόνια, η μέση ετήσια ανανεώσιμη ενέργεια που παράγεται από το Τμήμα Υπηρεσιών Αποχέτευσης είναι περίπου 27 εκατομμύρια kW · h, η οποία μπορεί να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες περίπου του 9% του Τμήματος Υπηρεσιών Αποχέτευσης. Το Τμήμα Υπηρεσιών Αποχέτευσης θα συνεχίσει τις προσπάθειές του για την ενίσχυση και την προώθηση της εφαρμογής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Νοεμβρίου 2022
