Le Département des services de drainage du gouvernement de la Région administrative spéciale de Hong Kong s'engage à contribuer à l'atténuation du changement climatique mondial. Au fil des ans, des installations économes en énergie et utilisant des énergies renouvelables ont été installées dans certaines de ses usines. Avec le lancement officiel de la phase II A du Plan d'épuration du port de Hong Kong, le Département des services de drainage a installé un système de production d'électricité par turbine hydraulique à la station d'épuration de Stonecutters Island (la plus grande station d'épuration de Hong Kong). Ce système utilise l'énergie hydraulique des eaux usées pour entraîner le turbogénérateur, puis produit de l'électricité pour les installations de la station. Cet article présente le système, notamment les défis rencontrés lors de la mise en œuvre des projets concernés, les considérations et les caractéristiques de sa conception et de sa construction, ainsi que ses performances opérationnelles. Ce système permet non seulement de réduire les coûts d'électricité, mais aussi de réduire les émissions de carbone en utilisant l'eau.
1 Présentation du projet
La deuxième phase A du « Plan d'épuration du port » est un plan à grande échelle mis en œuvre par le gouvernement de la Région administrative spéciale de Hong Kong pour améliorer la qualité de l'eau du port de Victoria. Il a été officiellement mis en service en décembre 2015. Son périmètre d'action comprend la construction d'un tunnel d'assainissement profond d'une longueur totale d'environ 21 km et d'une profondeur de 163 m, afin de transporter les eaux usées produites au nord et au sud-ouest de l'île vers la station d'épuration de l'île Stonecutters, et d'augmenter la capacité de traitement de la station à 245 × 105 m³/j, fournissant ainsi des services d'épuration à environ 5,7 millions de citoyens. En raison des limitations foncières, la station d'épuration de Stonecutters Island utilise 46 ensembles de réservoirs de sédimentation à deux étages pour le traitement primaire chimiquement amélioré des eaux usées, et tous les deux ensembles de réservoirs de sédimentation partageront un puits vertical (soit un total de 23 puits) pour envoyer les eaux usées purifiées au tuyau de drainage souterrain pour la désinfection finale, puis vers la mer profonde.
2 Recherche et développement précoces pertinents
Compte tenu de l'important volume d'eaux usées traitées quotidiennement par la station d'épuration de Stonecutters Island et de la conception unique à double couche de son bassin de décantation, celle-ci peut fournir une certaine quantité d'énergie hydraulique tout en évacuant les eaux usées épurées pour entraîner le turbogénérateur et produire de l'électricité. L'équipe du service de drainage a ensuite réalisé une étude de faisabilité pertinente en 2008 et une série d'essais sur le terrain. Les résultats de ces études préliminaires confirment la faisabilité de l'installation de turbogénérateurs.
Emplacement d'installation : dans l'arbre du réservoir de sédimentation ; Pression d'eau effective : 4,5~6 m (la conception spécifique dépend des conditions de fonctionnement réelles dans le futur et de la position exacte de la turbine) ; Plage de débit : 1,1 ～ 1,25 m3/s ; Puissance de sortie maximale : 45~50 kW ; Équipement et matériaux : Étant donné que les eaux usées purifiées présentent encore une certaine corrosivité, les matériaux sélectionnés et les équipements associés doivent avoir une protection et une résistance à la corrosion adéquates.
À cet égard, le Département des services de drainage a réservé un espace pour deux ensembles de bassins de sédimentation dans la station d'épuration des eaux usées afin d'installer un système de production d'énergie par turbine dans le cadre du projet d'agrandissement du « Projet de purification du port Phase II A ».
3 Considérations et fonctionnalités de conception du système
3.1 Puissance générée et pression d'eau effective
La relation entre la puissance électrique générée par l'énergie hydrodynamique et la pression effective de l'eau est la suivante : puissance électrique générée (kW) = [densité des eaux usées épurées ρ (kg/m3) × débit d'eau Q (m3/s) × pression effective de l'eau H (m) × constante de gravité g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Efficacité globale du système (%). La pression d'eau effective est la différence entre le niveau d'eau maximal autorisé du puits et le niveau d'eau du puits adjacent dans l'eau qui coule.
En d'autres termes, plus la vitesse d'écoulement et la pression effective de l'eau sont élevées, plus la puissance produite est importante. Par conséquent, pour générer davantage de puissance, l'un des objectifs de conception est de permettre au système de turbine de bénéficier de la vitesse d'écoulement et de la pression effective les plus élevées.
3.2 Points clés de la conception du système
Tout d'abord, en termes de conception, le système de turbine nouvellement installé doit autant que possible perturber le fonctionnement normal de la station d'épuration. Par exemple, le système doit être équipé de dispositifs de protection appropriés pour empêcher le débordement des eaux usées épurées du bassin de décantation en amont en raison d'une mauvaise régulation. Les paramètres de fonctionnement ont été déterminés lors de la conception : débit de 1,06 à 1,50 m³/s, plage de pression d'eau effective de 24 à 52 kPa.
De plus, étant donné que les eaux usées purifiées par le bassin de sédimentation contiennent encore certaines substances corrosives, telles que le sulfure d'hydrogène et le sel, tous les matériaux des composants du système de turbine en contact avec les eaux usées purifiées doivent être résistants à la corrosion (comme les matériaux en acier inoxydable duplex souvent utilisés pour les équipements de traitement des eaux usées), afin d'améliorer la durabilité du système et de réduire le nombre de maintenance.
Concernant la conception du système électrique, la production d'électricité par turbine d'épuration n'étant pas totalement stable pour diverses raisons, l'ensemble du système de production est connecté en parallèle au réseau afin de garantir une alimentation électrique fiable. Le raccordement au réseau doit être réalisé conformément aux directives techniques de raccordement au réseau publiées par la compagnie d'électricité et le Département des services électriques et mécaniques du gouvernement de la Région administrative spéciale de Hong Kong.
Concernant la disposition des canalisations, outre les contraintes du site, les besoins de maintenance et de réparation du système sont également pris en compte. À cet égard, le projet initial d'installation de la turbine hydraulique dans le puits du décanteur, proposé dans le cadre du projet de R&D, a été modifié. Les eaux usées épurées sont désormais évacuées du puits par un étranglement vers la turbine hydraulique, ce qui réduit considérablement la difficulté et la durée de la maintenance, et atténue l'impact sur le fonctionnement normal de la station d'épuration.
Compte tenu de la nécessité occasionnelle de suspendre le bassin de décantation pour maintenance, le col de la turbine est relié à deux arbres de quatre bassins de décantation à deux niveaux. Même en cas d'arrêt de deux bassins de décantation, les deux autres peuvent continuer à fournir des eaux usées épurées, à alimenter la turbine et à produire de l'électricité. De plus, un emplacement a été réservé près de l'arbre du bassin de décantation 47/49 pour l'installation future d'un deuxième système de production d'électricité par turbine hydraulique. Ainsi, lorsque les quatre bassins de décantation fonctionnent normalement, les deux systèmes de production d'électricité par turbine peuvent produire simultanément de l'électricité et atteindre leur capacité maximale.
3.3 Sélection de la turbine et du générateur hydrauliques
La turbine hydraulique est l'équipement clé de tout système de production d'électricité. Les turbines se divisent généralement en deux catégories selon leur principe de fonctionnement : à impulsion et à réaction. Dans le cas de la turbine à impulsion, le fluide est propulsé à grande vitesse vers les pales de la turbine via plusieurs buses, puis entraîne le générateur pour produire de l'énergie. Dans le cas de la turbine à réaction, le fluide traverse les pales de la turbine et utilise la pression de l'eau pour entraîner le générateur et produire de l'énergie. Dans cette conception, compte tenu de la faible pression de l'eau produite par les eaux usées épurées, la turbine Kaplan, l'un des types de réaction les plus appropriés, a été choisie. Son rendement élevé à faible pression et sa faible épaisseur la rendent plus adaptée aux espaces restreints du site.
En termes de générateur, un générateur synchrone à aimants permanents entraîné par une turbine hydraulique à vitesse constante a été choisi. Ce générateur offre une tension et une fréquence plus stables qu'un générateur asynchrone, améliorant ainsi la qualité de l'alimentation électrique, simplifiant la mise en parallèle du réseau et nécessitant moins de maintenance.
4 Caractéristiques de construction et d'exploitation
4.1 Disposition parallèle de la grille
Le raccordement au réseau doit être effectué conformément aux directives techniques de raccordement au réseau publiées par la compagnie d'électricité et le Département des services électriques et mécaniques du gouvernement de la Région administrative spéciale de Hong Kong. Selon ces directives, le système de production d'énergie renouvelable doit être équipé d'une protection anti-îlotage, capable de déconnecter automatiquement le système de production d'énergie renouvelable concerné du réseau de distribution lorsque le réseau électrique cesse de fournir de l'électricité, quelle qu'en soit la raison. Ainsi, le système de production d'énergie renouvelable ne peut plus alimenter le réseau de distribution, et ce, afin de garantir la sécurité du personnel électricien travaillant sur le réseau ou le réseau de distribution.
En termes de fonctionnement synchrone de l'alimentation électrique, le système de production d'énergie renouvelable et le système de distribution ne peuvent être synchronisés que lorsque l'intensité de la tension, l'angle de phase ou la différence de fréquence sont contrôlés dans des limites acceptables.
4.2 Contrôle et protection
Le système de production d'énergie par turbine hydraulique peut être contrôlé en mode automatique ou manuel. En mode automatique, les arbres des bassins de décantation 47/49 ou 51/53 peuvent servir de source d'énergie hydraulique. Le système de contrôle active différentes vannes de régulation en fonction des données par défaut pour sélectionner le bassin de décantation le plus adapté et optimiser la production d'énergie par turbine hydraulique. De plus, la vanne de régulation ajuste automatiquement le niveau des eaux usées en amont afin d'éviter le débordement des eaux usées épurées dans le bassin de décantation, augmentant ainsi la production d'énergie au maximum. Le système de turbine-alternateur peut être régulé depuis la salle de contrôle principale ou sur site.
En termes de protection et de contrôle, si le boîtier d'alimentation ou la vanne de régulation du système de turbine tombe en panne ou si le niveau d'eau dépasse le niveau d'eau maximal autorisé, le système de production d'énergie de la turbine hydraulique arrêtera également automatiquement le fonctionnement et évacuera les eaux usées purifiées par le tuyau de dérivation, afin d'empêcher le réservoir de sédimentation en amont de déborder des eaux usées purifiées en raison d'une défaillance du système.
5 Performances de fonctionnement du système
Ce système de production d'électricité par turbine hydraulique a été mis en service fin 2018, avec une production mensuelle moyenne de plus de 10 000 kWh. La pression d'eau effective pouvant entraîner le système de production d'électricité par turbine hydraulique varie également au fil du temps en raison des débits élevés et faibles des eaux usées collectées et traitées quotidiennement par la station d'épuration. Afin d'optimiser la puissance produite par le système de turbine, le service de drainage a conçu un système de contrôle permettant d'ajuster automatiquement le couple de fonctionnement de la turbine en fonction du débit quotidien des eaux usées, améliorant ainsi l'efficacité de la production d'électricité. La figure 7 illustre la relation entre le système de production d'électricité et le débit d'eau. Lorsque le débit d'eau dépasse le niveau défini, le système se met automatiquement en marche pour produire de l'électricité.
6 défis et solutions
Le département des services de drainage a rencontré de nombreux défis dans la réalisation de projets pertinents et a formulé des plans correspondants en réponse à ces défis,
7 Conclusion
Malgré divers défis, ce système de production d'électricité à turbine hydraulique a été mis en service avec succès fin 2018. La puissance mensuelle moyenne du système dépasse 10 000 kWh, ce qui équivaut à la consommation électrique mensuelle moyenne d'environ 25 foyers hongkongais (la consommation électrique mensuelle moyenne de chaque foyer hongkongais en 2018 était d'environ 390 kWh). Le Département des services de drainage s'engage à fournir des services de traitement et de drainage des eaux usées et pluviales de classe mondiale afin de promouvoir le développement durable de Hong Kong, tout en promouvant des projets de protection de l'environnement et de lutte contre le changement climatique. Dans le cadre de l'application des énergies renouvelables, le Département des services de drainage utilise le biogaz, l'énergie solaire et l'énergie issue du flux d'eaux usées épurées pour produire de l'énergie renouvelable. Ces dernières années, la production annuelle moyenne d'énergie renouvelable du Département des services de drainage s'est élevée à environ 27 millions de kWh, ce qui permet de couvrir les besoins énergétiques d'environ 9 % du Département des services de drainage. Le Département des services de drainage poursuivra ses efforts pour renforcer et promouvoir l'application des énergies renouvelables.
Date de publication : 22 novembre 2022
