Hongkongin erityishallintoalueen hallituksen viemäröintipalveluosasto on sitoutunut auttamaan ilmastonmuutoksen hillitsemisessä. Vuosien varrella joihinkin sen laitoksiin on asennettu energiansäästö- ja uusiutuvan energian laitoksia. Hongkongin "Harbour Purification Plan Phase II A" -ohjelman virallisen käynnistämisen myötä viemäröintipalveluosasto on asentanut Stonecutters Islandin jätevedenpuhdistamolle (Hongkongin suurimman jätevedenpuhdistamon jätevedenpuhdistamo) hydraulisen turbiinisähköntuotantojärjestelmän. Järjestelmä käyttää virtaavan jäteveden hydraulista energiaa turbiinigeneraattorin käyttämiseen ja tuottaa sitten sähköä laitoksen laitteiden käyttöön. Tässä artikkelissa esitellään järjestelmä, mukaan lukien asiaankuuluvien hankkeiden toteuttamisessa kohdatut haasteet, järjestelmän suunnittelun ja rakentamisen näkökohdat ja ominaisuudet sekä järjestelmän toimintakyky. Järjestelmä ei ainoastaan auta säästämään sähkökustannuksia, vaan myös käyttää vettä hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen.
1 Projektin esittely
”Sataman puhdistussuunnitelman” toinen vaihe A on Hongkongin erityishallintoalueen hallituksen toteuttama laaja suunnitelma Victorian sataman vedenlaadun parantamiseksi. Se otettiin virallisesti käyttöön joulukuussa 2015. Sen työhön kuuluu noin 21 km pitkän ja 163 metriä maanpinnan alapuolella olevan syvän jätevesitunnelin rakentaminen. Tunnelin tarkoituksena on kuljettaa saaren pohjois- ja lounaisosassa syntyvä jätevesi Stonecutters Islandin jätevedenpuhdistamolle ja nostaa jätevedenpuhdistamon käsittelykapasiteettia 245 × 105 m3/d:iin, mikä tarjoaa jätevedenpuhdistuspalveluita noin 5,7 miljoonalle asukkaalle. Maankäyttörajoitusten vuoksi Stonecutters Islandin jätevedenpuhdistamo käyttää 46 kaksikerroksista laskeutussäiliötä jäteveden kemiallisesti tehostettuun esikäsittelyyn, ja jokaisella kahdella laskeutussäiliöllä on yhteinen pystysuora kuilu (eli yhteensä 23 kuilua) puhdistetun jäteveden johtamiseksi maanalaiseen viemäriputkeen lopullista desinfiointia varten ja sitten syvänmereen.
2 Merkityksellistä varhaista tutkimusta ja kehitystä
Koska Stonecutters Islandin jätevedenpuhdistamo käsittelee päivittäin suuren määrän jätevettä ja sen laskeutussäiliön ainutlaatuinen kaksikerroksinen rakenne, se voi tuottaa tietyn määrän hydraulista energiaa puhdistetun jäteveden purkamisen aikana turbiinigeneraattorin käyttämiseksi sähkön tuottamiseksi. Viemäröintipalveluiden osasto suoritti sen jälkeen asiaankuuluvan toteutettavuustutkimuksen vuonna 2008 ja suoritti useita kenttäkokeita. Näiden alustavien tutkimusten tulokset vahvistavat turbiinigeneraattoreiden asentamisen toteutettavuuden.
Asennuspaikka: sedimentaatiosäiliön kuilussa; Tehokas vedenpaine: 4,5–6 m (tarkka suunnittelu riippuu tulevista todellisista käyttöolosuhteista ja turbiinin tarkasta sijainnista); Virtausalue: 1,1–1,25 m3/s; Suurin teho: 45–50 kW; Laitteet ja materiaalit: Koska puhdistetulla jätevedellä on edelleen tiettyä syövyttävyyttä, valittujen materiaalien ja niihin liittyvien laitteiden on oltava riittävän suojattuja ja korroosionkestäviä.
Tässä yhteydessä viemäröintipalveluosasto on varannut tilaa kahdelle sedimentaatiosäiliösarjalle jätevedenpuhdistamolla turbiinivoimantuotantojärjestelmän asentamista varten "Sataman puhdistushankkeen vaihe II A" laajennushankkeessa.
3 Järjestelmäsuunnittelun näkökohdat ja ominaisuudet
3.1 Tuotettu teho ja efektiivinen vedenpaine
Hydrodynaamisen energian tuottaman sähkötehon ja efektiivisen vedenpaineen välinen suhde on seuraava: tuotettu sähköteho (kW) = [puhdistetun jäteveden tiheys ρ (kg/m3) × Veden virtausnopeus Q (m3/s) × Efektiivinen vedenpaine H (m) × Painovoimavakio g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Järjestelmän kokonaishyötysuhde (%). Efektiivinen vedenpaine on kuilun suurimman sallitun vedenpinnan ja viereisen kuilun vedenpinnan välinen erotus virtaavassa vedessä.
Toisin sanoen, mitä suurempi virtausnopeus ja efektiivinen vedenpaine on, sitä suurempi on tuotettu teho. Siksi, jotta tehoa saadaan enemmän, yksi suunnittelutavoitteista on mahdollistaa turbiinijärjestelmälle suurin veden virtausnopeus ja efektiivinen vedenpaine.
3.2 Järjestelmäsuunnittelun keskeiset kohdat
Ensinnäkin suunnittelun kannalta uuden turbiinijärjestelmän ei tule vaikuttaa jätevedenpuhdistamon normaaliin toimintaan niin paljon kuin mahdollista. Järjestelmässä on esimerkiksi oltava asianmukaiset suojalaitteet, jotka estävät puhdistetun jäteveden tulvimisen ylävirran sedimentaatiosäiliöstä virheellisen järjestelmän ohjauksen vuoksi. Suunnittelussa määritetyt käyttöparametrit: virtausnopeus 1,06 ～ 1,50 m3/s, efektiivinen vedenpainealue 24 ～ 52 kPa.
Lisäksi, koska sedimentaatiosäiliön puhdistama jätevesi sisältää edelleen joitakin syövyttäviä aineita, kuten rikkivetyä ja suolaa, kaikkien puhdistetun jäteveden kanssa kosketuksissa olevien turbiinijärjestelmän komponenttimateriaalien on oltava korroosionkestäviä (kuten duplex-ruostumattomasta teräksestä valmistettuja materiaaleja, joita usein käytetään jätevedenpuhdistuslaitteissa), jotta järjestelmän kestävyys paranee ja huoltotarve vähenee.
Sähköjärjestelmän suunnittelun osalta, koska jätevesiturbiinin sähköntuotanto ei ole useista syistä täysin vakaata, koko sähköntuotantojärjestelmä on kytketty rinnan verkkoon luotettavan virransyötön ylläpitämiseksi. Verkkoliitäntä on järjestettävä sähköyhtiön ja Hongkongin erityishallintoalueen hallituksen sähkö- ja mekaanisten palveluiden osaston antamien verkkoliitäntää koskevien teknisten ohjeiden mukaisesti.
Putkien sijoittelun osalta on nykyisten tonttirajoitusten lisäksi otettu huomioon myös järjestelmän huolto- ja korjaustarve. Tässä suhteessa T&K-hankkeessa ehdotettua alkuperäistä suunnitelmaa hydrauliturbiinin asentamisesta laskeutussäiliön kuiluun on muutettu. Sen sijaan puhdistettu jätevesi johdetaan kuilusta ulos kurkkua pitkin hydrauliturbiiniin, mikä vähentää huomattavasti huoltotarvetta ja -aikaa sekä vähentää vaikutusta jätevedenpuhdistamon normaaliin toimintaan.
Koska sedimenttisäiliötä on ajoittain nostettava huoltoa varten, turbiinijärjestelmän kurkku on yhdistetty neljän kaksikerroksisen sedimenttisäiliön kahteen akseliin. Vaikka kaksi sedimenttisäiliösarjaa lakkaisi toimimasta, kaksi muuta sedimenttisäiliösarjaa voivat myös tuottaa puhdistettua jätevettä, käyttää turbiinijärjestelmää ja jatkaa sähkön tuotantoa. Lisäksi 47/49 # sedimenttisäiliön akselin läheltä on varattu paikka toisen hydraulisen turbiinivoimantuotantojärjestelmän asentamista varten tulevaisuudessa, jotta kun neljä sedimenttisäiliösarjaa toimii normaalisti, kaksi turbiinivoimantuotantojärjestelmää voivat tuottaa sähköä samanaikaisesti ja saavuttaa maksimitehonsa.
3.3 Hydraulisen turbiinin ja generaattorin valinta
Hydrauliturbiini on koko sähköntuotantojärjestelmän avainlaite. Turbiinit voidaan yleensä jakaa kahteen luokkaan toimintaperiaatteen mukaan: pulssiturbiini ja reaktioturbiini. Impulssiturbiinissa neste syöksyy turbiinin lapaan suurella nopeudella useiden suuttimien läpi ja pyörittää sitten generaattoria energian tuottamiseksi. Reaktioturbiini kulkee turbiinin lavan läpi nesteen läpi ja käyttää vedenpinnan painetta generaattorin pyörittämiseen energian tuottamiseksi. Tässä rakenteessa, koska puhdistettu jätevesi voi tuottaa alhaisen vedenpaineen virtauksen aikana, valittiin Kaplan-turbiini, yksi sopivimmista reaktiotyypeistä, koska tällä turbiinilla on korkea hyötysuhde alhaisella vedenpaineella ja se on suhteellisen ohut, mikä sopii paremmin rajoitettuun tilaan työmaalla.
Generaattoriksi valittiin vakionopeudella toimivan hydraulisen turbiinin käyttämä kestomagneettigeneraattori. Tämä generaattori pystyy tuottamaan vakaamman jännitteen ja taajuuden kuin asynkroninen generaattori, mikä parantaa virransyötön laatua, yksinkertaistaa rinnakkaisverkkoa ja vaatii vähemmän huoltoa.
4 Rakenne- ja käyttöominaisuudet
4.1 Ruudukon rinnakkaisjärjestely
Verkkoliitäntä on tehtävä sähköyhtiön ja Hongkongin erityishallintoalueen hallituksen sähkö- ja mekaanisten palveluiden osaston antamien verkkoliitäntää koskevien teknisten ohjeiden mukaisesti. Ohjeiden mukaan uusiutuvan energian tuotantojärjestelmässä on oltava saarekkeenestotoiminto, joka voi automaattisesti erottaa kyseisen uusiutuvan energian tuotantojärjestelmän jakeluverkosta, kun sähköverkko jostain syystä lakkaa toimimasta, niin että uusiutuvan energian tuotantojärjestelmä ei voi jatkaa sähkön toimittamista jakeluverkkoon. Näin varmistetaan verkossa tai jakeluverkossa työskentelevän sähköteknikon turvallisuus.
Sähkönsyötön synkronisen toiminnan kannalta uusiutuvan energian sähköntuotantojärjestelmä ja jakelujärjestelmä voidaan synkronoida vain, kun jänniteintensiteetti, vaihekulma tai taajuusero pidetään hyväksyttävissä rajoissa.
4.2 Ohjaus ja suojaus
Hydrauliturbiinisähköntuotantojärjestelmää voidaan ohjata automaattisesti tai manuaalisesti. Automaattitilassa sedimentaatiosäiliön 47/49 # tai 51/53 # akseleita voidaan käyttää hydraulisen energian lähteenä, ja ohjausjärjestelmä käynnistää eri säätöventtiilejä oletustietojen mukaan valitakseen sopivimman sedimentaatiosäiliön hydraulisen turbiinin sähköntuotannon optimoimiseksi. Lisäksi säätöventtiili säätää automaattisesti ylävirran jäteveden tasoa siten, että sedimentaatiosäiliö ei vuoda puhdistettua jätevettä yli, mikä nostaa sähköntuotannon maksimitasolle. Turbiinigeneraattorijärjestelmää voidaan säätää päävalvomosta tai paikan päällä.
Suojauksen ja ohjauksen kannalta, jos turbiinijärjestelmän virtalähdelaatikko tai säätöventtiili vikaantuu tai vedenpinta ylittää sallitun vedenpinnan, hydraulinen turbiinisähköntuotantojärjestelmä pysäyttää toiminnan automaattisesti ja tyhjentää puhdistetun jäteveden ohitusputken kautta estäen ylävirran sedimentaatiosäiliön ylivuodon puhdistetulla jätevedellä järjestelmävian vuoksi.
5 Järjestelmän toiminnan suorituskyky
Tämä hydraulinen turbiinisähköntuotantojärjestelmä otettiin käyttöön vuoden 2018 lopussa, ja sen keskimääräinen kuukausittainen teho oli yli 10 000 kW · h. Myös hydraulisen turbiinisähköntuotantojärjestelmän tehollinen vedenpaine muuttuu ajan myötä jätevedenpuhdistamon päivittäin keräämän ja käsittelemän jäteveden virtauksen suuren ja pienen vaihtelun vuoksi. Turbiinijärjestelmän tuottaman tehon maksimoimiseksi viemäröintipalvelu on suunnitellut ohjausjärjestelmän, joka säätää turbiinin käyttövääntömomenttia automaattisesti päivittäisen jätevesivirtauksen mukaan, mikä parantaa sähköntuotannon tehokkuutta. Kuva 7 esittää sähköntuotantojärjestelmän ja veden virtauksen välisen suhteen. Kun veden virtaus ylittää asetetun tason, järjestelmä alkaa automaattisesti tuottaa sähköä.
6 Haasteet ja ratkaisut
Viemäröintipalveluosasto on kohdannut monia haasteita asiaankuuluvien hankkeiden toteuttamisessa ja on laatinut vastaavia suunnitelmia vastauksena näihin haasteisiin,
7 Johtopäätös
Erilaisista haasteista huolimatta tämä hydraulinen turbiinisähköntuotantojärjestelmä otettiin onnistuneesti käyttöön vuoden 2018 lopussa. Järjestelmän keskimääräinen kuukausittainen teho on yli 10 000 kW · h, mikä vastaa noin 25 hongkongilaisen kotitalouden keskimääräistä kuukausittaista energiankulutusta (kunkin hongkongilaisen kotitalouden keskimääräinen kuukausittainen energiankulutus vuonna 2018 oli noin 390 kW · h). Viemäröintipalvelu on sitoutunut "tarjoamaan maailmanluokan jäteveden ja sadeveden käsittely- ja kuivatuspalveluita Hongkongin kestävän kehityksen edistämiseksi" ja samalla edistämään ympäristönsuojelu- ja ilmastonmuutoshankkeita. Uusiutuvan energian soveltamisessa viemäröintipalvelu käyttää biokaasua, aurinkoenergiaa ja puhdistetun jäteveden virtauksesta saatavaa energiaa uusiutuvan energian tuottamiseen. Viime vuosina viemäröintipalveluiden keskimääräinen vuosittainen uusiutuvan energian tuotanto on ollut noin 27 miljoonaa kW · h, mikä voi tyydyttää noin 9 %:n viemäröintipalveluiden energiantarpeista. Viemäröintipalveluiden osasto jatkaa pyrkimyksiään vahvistaa ja edistää uusiutuvan energian käyttöä.
Julkaisun aika: 22.11.2022
