El Departamento de Servicios de Drenaje del Gobierno de la Región Administrativa Especial de Hong Kong se compromete a contribuir a la mitigación del cambio climático global. A lo largo de los años, se han instalado instalaciones de ahorro energético y de energías renovables en algunas de sus plantas. Con el lanzamiento oficial de la “Fase II A del Plan de Purificación del Puerto de Hong Kong”, el Departamento de Servicios de Drenaje ha instalado un sistema de generación de energía mediante turbinas hidráulicas en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Stonecutters Island (la planta de tratamiento de aguas residuales con mayor capacidad de tratamiento de aguas residuales en Hong Kong). Este sistema utiliza la energía hidráulica de las aguas residuales para impulsar el generador de turbinas y, posteriormente, genera electricidad para el uso de las instalaciones de la planta. Este documento presenta el sistema, incluyendo los desafíos encontrados en la implementación de proyectos relevantes, las consideraciones y características del diseño y la construcción del sistema, y su rendimiento operativo. El sistema no solo ayuda a ahorrar costos de electricidad, sino que también utiliza agua para reducir las emisiones de carbono.
1 Introducción del proyecto
La segunda fase A del "Plan de Purificación del Puerto" es un plan a gran escala implementado por el Gobierno de la Región Administrativa Especial de Hong Kong para mejorar la calidad del agua del Puerto Victoria. Se puso oficialmente en funcionamiento en diciembre de 2015. Su alcance incluye la construcción de un túnel profundo de aguas residuales con una longitud total de aproximadamente 21 km y 163 m de profundidad, para transportar las aguas residuales generadas en el norte y suroeste de la isla a la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de la Isla Stonecutters y aumentar la capacidad de tratamiento de la planta a 245 × 105 m³/día, brindando servicios de tratamiento de aguas residuales a aproximadamente 5,7 millones de ciudadanos. Debido a las limitaciones de tierra, la planta de tratamiento de aguas residuales de Stonecutters Island utiliza 46 juegos de tanques de sedimentación de dos pisos para el tratamiento primario químicamente mejorado de las aguas residuales, y cada dos juegos de tanques de sedimentación compartirán un pozo vertical (es decir, un total de 23 pozos) para enviar las aguas residuales purificadas a la tubería de drenaje subterránea para su desinfección final, y luego a las profundidades marinas.
2 Investigación y desarrollo tempranos relevantes
Debido a la gran cantidad de aguas residuales que la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Stonecutters Island trata diariamente y al singular diseño de doble capa de su tanque de sedimentación, esta puede proporcionar cierta cantidad de energía hidráulica al descargar las aguas residuales purificadas para impulsar el generador de turbina y generar electricidad. El equipo del Departamento de Servicios de Drenaje realizó un estudio de viabilidad pertinente en 2008 y una serie de pruebas de campo. Los resultados de estos estudios preliminares confirman la viabilidad de instalar generadores de turbina.
Ubicación de instalación: en el eje del tanque de sedimentación; Presión de agua efectiva: 4,5 ~ 6 m (el diseño específico depende de las condiciones de funcionamiento reales en el futuro y de la posición exacta de la turbina); Rango de flujo: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Potencia máxima de salida: 45 ~ 50 kW; Equipos y materiales: Dado que las aguas residuales purificadas aún tienen cierta corrosividad, los materiales seleccionados y los equipos relacionados deben tener una protección y resistencia a la corrosión adecuadas.
En este sentido, el Departamento de Servicios de Drenaje ha reservado espacio para dos juegos de tanques de sedimentación en la planta de tratamiento de aguas residuales para instalar un sistema de generación de energía por turbinas en el proyecto de ampliación del “Proyecto de Purificación del Puerto Fase II A”.
3 Consideraciones y características del diseño del sistema
3.1 Potencia generada y presión de agua efectiva
La relación entre la energía eléctrica generada por energía hidrodinámica y la presión efectiva del agua es la siguiente: energía eléctrica generada (kW) = [densidad de aguas residuales purificadas ρ (kg/m3) × Caudal de agua Q (m3/s) × Presión efectiva del agua H (m) × Constante de gravedad g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Eficiencia general del sistema (%). La presión de agua efectiva es la diferencia entre el nivel máximo permitido del pozo y el nivel del pozo adyacente en el agua que fluye.
En otras palabras, a mayor velocidad de flujo y presión efectiva del agua, mayor potencia generada. Por lo tanto, para generar más potencia, uno de los objetivos de diseño es que el sistema de turbina reciba la mayor velocidad de flujo y presión efectiva del agua.
3.2 Puntos clave del diseño del sistema
En primer lugar, en términos de diseño, el sistema de turbinas recién instalado debe minimizar el impacto en el funcionamiento normal de la planta de tratamiento de aguas residuales. Por ejemplo, el sistema debe contar con dispositivos de protección adecuados para evitar que el tanque de sedimentación aguas arriba se desborde con las aguas residuales purificadas debido a un control incorrecto del sistema. Los parámetros de operación determinados durante el diseño son: caudal de 1,06 a 1,50 m³/s, rango de presión efectiva del agua de 24 a 52 kPa.
Además, dado que las aguas residuales purificadas por el tanque de sedimentación aún contienen algunas sustancias corrosivas, como sulfuro de hidrógeno y sal, todos los materiales de los componentes del sistema de turbina en contacto con las aguas residuales purificadas deben ser resistentes a la corrosión (como los materiales de acero inoxidable dúplex que se utilizan a menudo para los equipos de tratamiento de aguas residuales), a fin de mejorar la durabilidad del sistema y reducir la cantidad de mantenimiento.
En cuanto al diseño del sistema eléctrico, dado que la generación de energía de la turbina de aguas residuales no es completamente estable por diversas razones, todo el sistema de generación eléctrica se conecta en paralelo a la red eléctrica para mantener un suministro eléctrico confiable. La conexión a la red eléctrica se realizará de acuerdo con las directrices técnicas de conexión a la red emitidas por la compañía eléctrica y el Departamento de Servicios Eléctricos y Mecánicos del Gobierno de la Región Administrativa Especial de Hong Kong.
En cuanto a la disposición de las tuberías, además de las restricciones existentes del emplazamiento, también se considera la necesidad de mantenimiento y reparación del sistema. En este sentido, se ha modificado el plan original de instalar la turbina hidráulica en el pozo del decantador, propuesto en el proyecto de I+D. En su lugar, las aguas residuales purificadas se extraen del pozo mediante una garganta y se envían a la turbina hidráulica, lo que reduce considerablemente la dificultad y el tiempo de mantenimiento, y reduce el impacto en el funcionamiento normal de la planta de tratamiento de aguas residuales.
Dado que el tanque de sedimentación debe suspenderse ocasionalmente para su mantenimiento, la garganta del sistema de turbinas está conectada a dos ejes de cuatro conjuntos de tanques de sedimentación de doble piso. Incluso si dos conjuntos de tanques de sedimentación dejan de funcionar, los otros dos pueden proporcionar aguas residuales purificadas, impulsar el sistema de turbinas y seguir generando electricidad. Además, se ha reservado un espacio cerca del eje del tanque de sedimentación n.° 47/49 para la futura instalación del segundo sistema de generación de energía de turbina hidráulica. De esta manera, cuando los cuatro conjuntos de tanques de sedimentación funcionen con normalidad, ambos sistemas de generación de energía de turbinas podrán generar energía simultáneamente, alcanzando su capacidad máxima.
3.3 Selección de turbina hidráulica y generador
La turbina hidráulica es el equipo clave de todo el sistema de generación de energía. Las turbinas se dividen generalmente en dos categorías según su principio de funcionamiento: de impulso y de reacción. En el tipo de impulso, el fluido se impulsa hacia el álabes de la turbina a alta velocidad a través de múltiples boquillas, impulsando el generador para generar energía. En el tipo de reacción, el fluido atraviesa los álabes de la turbina y utiliza la presión del agua para impulsar el generador. En este diseño, dado que las aguas residuales purificadas pueden proporcionar baja presión de agua al fluir, se selecciona la turbina Kaplan, uno de los tipos de reacción más adecuados, por su alta eficiencia a baja presión de agua y su diseño relativamente delgado, ideal para espacios reducidos.
En cuanto al generador, se ha seleccionado un generador síncrono de imanes permanentes accionado por una turbina hidráulica de velocidad constante. Este generador ofrece una tensión y una frecuencia más estables que los generadores asíncronos, lo que mejora la calidad del suministro eléctrico, simplifica la red en paralelo y requiere menos mantenimiento.
4 Características de construcción y funcionamiento
4.1 Disposición paralela de la cuadrícula
La conexión a la red eléctrica se realizará de acuerdo con las directrices técnicas de conexión a la red emitidas por la compañía eléctrica y el Departamento de Servicios Eléctricos y Mecánicos del Gobierno de la Región Administrativa Especial de Hong Kong. Según estas directrices, el sistema de generación de energía renovable debe estar equipado con una función de protección antiisla, que permite separar automáticamente el sistema de generación de energía renovable correspondiente de la red de distribución cuando la red eléctrica deja de suministrar energía por cualquier motivo. De esta manera, el sistema de generación de energía renovable no puede continuar suministrando energía a la red de distribución, garantizando así la seguridad del personal de ingeniería eléctrica que trabaja en la red o el sistema de distribución.
En términos de funcionamiento sincrónico del suministro de energía, el sistema de generación de energía renovable y el sistema de distribución pueden sincronizarse únicamente cuando la intensidad de voltaje, el ángulo de fase o la diferencia de frecuencia se controlan dentro de límites aceptables.
4.2 Control y protección
El sistema de generación de energía de la turbina hidráulica se puede controlar en modo automático o manual. En modo automático, los ejes del tanque de sedimentación 47/49# o 51/53# se utilizan como fuente de energía hidráulica. El sistema de control activa diferentes válvulas de control según los datos predeterminados para seleccionar el tanque de sedimentación más adecuado y optimizar así la generación de energía de la turbina hidráulica. Además, la válvula de control ajusta automáticamente el nivel de aguas residuales aguas arriba para evitar que el tanque de sedimentación se desborde con aguas residuales purificadas, aumentando así la generación de energía al máximo nivel. El sistema de generador de turbina se puede regular en la sala de control principal o in situ.
En términos de protección y control, si la caja de suministro de energía o la válvula de control del sistema de turbina falla o el nivel de agua excede el nivel máximo permitido, el sistema de generación de energía de turbina hidráulica también detendrá automáticamente el funcionamiento y descargará las aguas residuales purificadas a través de la tubería de derivación, para evitar que el tanque de sedimentación aguas arriba desborde las aguas residuales purificadas debido a una falla del sistema.
5 Rendimiento del funcionamiento del sistema
Este sistema de generación de energía con turbina hidráulica se puso en funcionamiento a finales de 2018, con una producción mensual promedio de más de 10 000 kW·h. La presión efectiva del agua que impulsa el sistema de generación de energía con turbina hidráulica también varía con el tiempo debido al caudal de aguas residuales que la planta de tratamiento de aguas residuales recolecta y trata diariamente. Para maximizar la energía generada por el sistema de turbina, el Departamento de Servicios de Drenaje diseñó un sistema de control que ajusta automáticamente el par de operación de la turbina en función del caudal diario de aguas residuales, mejorando así la eficiencia de la producción de energía. La Figura 7 muestra la relación entre el sistema de generación de energía y el caudal de agua. Cuando el caudal de agua supera el nivel establecido, el sistema funcionará automáticamente para generar electricidad.
6 desafíos y soluciones
El Departamento de Servicios de Drenaje ha enfrentado muchos desafíos al llevar a cabo proyectos relevantes y ha formulado planes correspondientes en respuesta a estos desafíos.
7 Conclusión
A pesar de los diversos desafíos, este sistema de generación de energía con turbinas hidráulicas se puso en funcionamiento con éxito a finales de 2018. La producción media mensual de energía del sistema supera los 10.000 kW·h, lo que equivale al consumo medio mensual de energía de unos 25 hogares de Hong Kong (el consumo medio mensual de energía de cada hogar de Hong Kong en 2018 fue de unos 390 kW·h). El Departamento de Servicios de Drenaje se compromete a proporcionar servicios de tratamiento y drenaje de aguas residuales y pluviales de primera clase para promover el desarrollo sostenible de Hong Kong, a la vez que promueve proyectos de protección ambiental y lucha contra el cambio climático. En la aplicación de energías renovables, el Departamento de Servicios de Drenaje utiliza biogás, energía solar y la energía del flujo de aguas residuales purificadas para generar energía renovable. En los últimos años, la energía renovable anual media producida por el Departamento de Servicios de Drenaje ha sido de unos 27 millones de kW·h, lo que puede satisfacer las necesidades energéticas de aproximadamente el 9% del Departamento de Servicios de Drenaje. El Departamento de Servicios de Drenaje continuará sus esfuerzos para fortalecer y promover la aplicación de energías renovables.
Hora de publicación: 22 de noviembre de 2022
