El Departamento de Servicios de Drenaje del Gobierno de la Región Administrativa Especial de Hong Kong está comprometido con la mitigación del cambio climático global. A lo largo de los años, se han instalado sistemas de ahorro energético y 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 instaló un sistema de generación de energía mediante turbina hidráulica en la planta de tratamiento de aguas residuales de Stonecutters Island (la planta con mayor capacidad de tratamiento de aguas residuales en Hong Kong). Este sistema utiliza la energía hidráulica de las aguas residuales en movimiento para accionar la turbina generadora y, posteriormente, generar electricidad para el funcionamiento 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 contribuye al ahorro de costes de electricidad, sino que también utiliza agua para reducir las emisiones de carbono.
1. Introducción al 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 de Victoria. Se puso oficialmente en pleno funcionamiento en diciembre de 2015. Su alcance de trabajo incluye la construcción de un túnel de aguas residuales profundo con una longitud total de aproximadamente 21 km y 163 m bajo tierra, para transportar las aguas residuales generadas en el norte y suroeste de la isla a la planta de tratamiento de aguas residuales de Stonecutters Island, y para aumentar la capacidad de tratamiento de la planta a 245 × 105 m³/d, proporcionando servicios de tratamiento de aguas residuales a unos 5,7 millones de ciudadanos. Debido a las limitaciones de terreno, la planta de tratamiento de aguas residuales de Stonecutters Island utiliza 46 conjuntos de tanques de sedimentación de doble piso para el tratamiento primario de aguas residuales con mejora química, y cada dos conjuntos 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 la desinfección final, y luego al mar profundo.
2. Investigación y desarrollo iniciales relevantes
En vista del gran volumen de aguas residuales que trata diariamente la planta de tratamiento de aguas residuales de Stonecutters Island y del singular diseño de doble capa de su tanque de sedimentación, esta planta puede proporcionar cierta cantidad de energía hidráulica durante la descarga de las aguas residuales depuradas para accionar el generador de turbina y generar electricidad. El equipo del Departamento de Servicios de Drenaje llevó a cabo un estudio de viabilidad en 2008 y realizó 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 pozo del tanque de sedimentación; Presión efectiva del agua: 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 conjuntos de tanques de sedimentación en la planta de tratamiento de aguas residuales para instalar un sistema de generación de energía mediante turbinas en el proyecto de ampliación de la “Fase II A del Proyecto de Purificación del Puerto”.
3. Consideraciones y características del diseño del sistema
3.1 Potencia generada y presión de agua efectiva
La relación entre la potencia eléctrica generada por la energía hidrodinámica y la presión efectiva del agua es la siguiente: potencia eléctrica generada (kW) = [densidad de las aguas residuales depuradas ρ (kg/m³) × caudal de agua Q (m³/s) × presión efectiva del agua H (m) × constante gravitatoria g (9,807 m/s²)] ÷ 1000
× Eficiencia general del sistema (%). La presión efectiva del agua es la diferencia entre el nivel máximo de agua permitido del pozo y el nivel de agua del pozo adyacente en el agua que fluye.
En otras palabras, cuanto mayor sea la velocidad del flujo y la presión efectiva del agua, mayor será la 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 de agua posibles.
3.2 Puntos clave del diseño del sistema
En primer lugar, en cuanto al diseño, el nuevo sistema de turbinas debe afectar lo menos posible al 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 debido a un control incorrecto del sistema. Los parámetros operativos determinados durante el diseño son: caudal de 1,06 a 1,50 m³/s y presión de agua efectiva 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 turbinas que estén 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), con el 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 se conecta en paralelo a la red eléctrica para garantizar un suministro fiable. La conexión a la red se realizará de acuerdo con las directrices técnicas 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 al trazado de las tuberías, además de las restricciones existentes en el emplazamiento, también se considera la necesidad de mantenimiento y reparación del sistema. Por ello, se ha modificado el plan original de instalar la turbina hidráulica en el pozo del tanque de sedimentación propuesto en el proyecto de I+D. En su lugar, las aguas residuales depuradas 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, así como el impacto en el funcionamiento normal de la planta de tratamiento de aguas residuales.
Dado que el tanque de sedimentación requiere mantenimiento ocasional, la entrada del sistema de turbinas está conectada a dos ejes de cuatro conjuntos de tanques de sedimentación de doble piso. Incluso si dos de estos tanques dejan de funcionar, los otros dos pueden suministrar aguas residuales depuradas, accionar 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 de un segundo sistema de generación de energía mediante turbina hidráulica, de modo que cuando los cuatro tanques de sedimentación funcionen con normalidad, los dos sistemas de generación de energía mediante turbina puedan generar electricidad simultáneamente, alcanzando así su máxima capacidad.
3.3 Selección de turbina hidráulica y generador
La turbina hidráulica es el componente clave de todo el sistema de generación de energía. Generalmente, las turbinas se dividen en dos categorías según su principio de funcionamiento: de impulso y de reacción. En las turbinas de impulso, el fluido se proyecta a alta velocidad hacia las palas a través de múltiples boquillas, impulsando así el generador para producir energía. En las turbinas de reacción, el fluido fluye a través de las palas y utiliza la presión del agua para impulsar el generador y generar energía. En este diseño, considerando que las aguas residuales tratadas proporcionan baja presión de agua durante el flujo, se seleccionó la turbina Kaplan, una de las turbinas de reacción más adecuadas, debido a su alta eficiencia a baja presión y su diseño compacto, lo que la hace más apropiada para el espacio limitado disponible en la planta.
En cuanto al generador, se ha seleccionado un generador síncrono de imanes permanentes accionado por una turbina hidráulica de velocidad constante. Este generador proporciona una tensión y frecuencia más estables que un generador asíncrono, lo que mejora la calidad del suministro eléctrico, simplifica la conexión en paralelo y reduce la necesidad de mantenimiento.
4 Características de construcción y funcionamiento
4.1 Disposición paralela de la cuadrícula
La conexión a la red deberá realizarse de conformidad con las directrices técnicas para la 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 dichas directrices, el sistema de generación de energía renovable debe estar equipado con una función de protección anti-isla, que puede separar automáticamente el sistema de generación de energía renovable correspondiente del sistema de distribución cuando la red eléctrica deja de suministrar energía por cualquier motivo, de manera que el sistema de generación de energía renovable no pueda seguir suministrando energía al sistema de distribución, garantizando así la seguridad del personal de ingeniería eléctrica que trabaja en la red o en el sistema de distribución.
En lo que respecta al funcionamiento síncrono del suministro eléctrico, el sistema de generación de energía renovable y el sistema de distribución solo pueden sincronizarse cuando la intensidad de la tensión, 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 puede controlarse en modo automático o manual. En modo automático, los ejes de los tanques de sedimentación 47/49 o 51/53 pueden utilizarse como fuente de energía hidráulica, y el sistema de control activará diferentes válvulas de control según los datos predeterminados para seleccionar el tanque de sedimentación más adecuado, optimizando así la generación de energía de la turbina hidráulica. Además, la válvula de control ajustará automáticamente el nivel de aguas residuales aguas arriba para evitar el desbordamiento del tanque de sedimentación, aumentando así la generación de energía al máximo. El sistema de turbina-generador puede regularse desde la sala de control principal o in situ.
En términos de protección y control, si falla la caja de suministro eléctrico o la válvula de control del sistema de turbina, o si el nivel del agua supera el nivel máximo permitido, el sistema de generación de energía de la turbina hidráulica también detendrá automáticamente su funcionamiento y descargará las aguas residuales depuradas a través de la tubería de derivación, para evitar que el tanque de sedimentación aguas arriba se desborde debido a una falla del sistema.
5. Rendimiento del funcionamiento del sistema
Este sistema de generación de energía mediante 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 varía con el tiempo debido a las fluctuaciones diarias del caudal de aguas residuales recogidas y tratadas por la planta de tratamiento. 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 según el 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 supera el nivel establecido, el sistema se activa automáticamente para generar electricidad.
6 desafíos y soluciones
El Departamento de Servicios de Drenaje se ha enfrentado a numerosos desafíos en la ejecución de los proyectos pertinentes y ha formulado planes correspondientes en respuesta a estos desafíos.
7 Conclusión
A pesar de diversos desafíos, este sistema de generación de energía mediante turbinas hidráulicas se puso en funcionamiento con éxito a finales de 2018. La producción mensual promedio del sistema supera los 10 000 kW·h, lo que equivale al consumo mensual promedio de unos 25 hogares de Hong Kong (el consumo mensual promedio de cada hogar de Hong Kong en 2018 fue de aproximadamente 390 kW·h). El Departamento de Servicios de Drenaje se compromete a "proporcionar servicios de tratamiento de aguas residuales y pluviales y de drenaje de primera clase para promover el desarrollo sostenible de Hong Kong", al tiempo que impulsa proyectos de protección ambiental y de 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 depuradas para generar energía renovable. En los últimos años, la producción anual promedio de energía renovable del Departamento de Servicios de Drenaje ha sido de aproximadamente 27 millones de kW·h, lo que puede cubrir las necesidades energéticas de cerca del 9 % del Departamento. El Departamento de Servicios de Drenaje continuará sus esfuerzos para fortalecer y promover la aplicación de energías renovables.
Fecha de publicación: 22 de noviembre de 2022
