O Departamento de Servizos de Drenaxe do Goberno da Rexión Administrativa Especial de Hong Kong está comprometido coa axuda para mitigar o cambio climático global. Ao longo dos anos, instaláronse instalacións de aforro de enerxía e enerxías renovables nalgunhas das súas plantas. Co lanzamento oficial do "Plan de Purificación do Porto Fase II A" de Hong Kong, o Departamento de Servizos de Drenaxe instalou un sistema de xeración de enerxía con turbina hidráulica na Planta de Tratamento de Augas Residuais da Illa Stonecutters (a planta de tratamento de augas residuais coa maior capacidade de tratamento de augas residuais de Hong Kong), que utiliza a enerxía hidráulica das augas residuais que flúen para impulsar o xerador de turbinas e, a continuación, xera electricidade para o uso das instalacións da planta. Este documento presenta o sistema, incluíndo os desafíos atopados na implementación de proxectos relevantes, as consideracións e características do deseño e construción do sistema e o rendemento operativo do sistema. O sistema non só axuda a aforrar custos de electricidade, senón que tamén utiliza auga para reducir as emisións de carbono.
1 Introdución ao proxecto
A segunda fase A do "Plan de Purificación do Porto" é un plan a grande escala implementado polo Goberno da Rexión Administrativa Especial de Hong Kong para mellorar a calidade da auga do porto de Victoria. Púxose oficialmente en funcionamento en decembro de 2015. O seu alcance de traballo inclúe a construción dun túnel de augas residuais profundo cunha lonxitude total duns 21 km e 163 m baixo terra, para transportar as augas residuais xeradas no norte e suroeste da illa ata a planta de tratamento de augas residuais da illa Stonecutters e aumentar a capacidade de tratamento da planta de augas residuais a 245 × 105 m3/d, proporcionando servizos de tratamento de augas residuais a uns 5,7 millóns de cidadáns. Debido ás limitacións de terreo, a planta de tratamento de augas residuais da illa Stonecutters utiliza 46 conxuntos de tanques de sedimentación de dobre cuberta para o tratamento primario quimicamente mellorado das augas residuais, e cada dous conxuntos de tanques de sedimentación compartirán un pozo vertical (é dicir, un total de 23 pozos) para enviar as augas residuais purificadas á tubaxe de drenaxe subterránea para a súa desinfección final e, a continuación, ao mar profundo.
2 Investigación e desenvolvemento temperán relevantes
En vista da gran cantidade de augas residuais que a planta de tratamento de augas residuais de Stonecutters Island trata diariamente e do deseño único de dobre capa do seu tanque de sedimentación, pode fornecer unha certa cantidade de enerxía hidráulica mentres descarga as augas residuais purificadas para impulsar o xerador de turbinas e xerar electricidade. O equipo do Departamento de Servizos de Drenaxe realizou entón un estudo de viabilidade pertinente en 2008 e realizou unha serie de probas de campo. Os resultados destes estudos preliminares confirman a viabilidade de instalar xeradores de turbinas.
Localización de instalación: no pozo do tanque de sedimentación; Presión efectiva da auga: 4,5~6 m (o deseño específico depende das condicións reais de funcionamento futuras e da posición exacta da turbina); Rango de caudal: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Potencia máxima de saída: 45~50 kW; Equipamento e materiais: Dado que as augas residuais purificadas aínda teñen certa corrosividade, os materiais seleccionados e o equipamento relacionado deben ter unha protección e resistencia á corrosión axeitadas.
Neste sentido, o Departamento de Servizos de Drenaxe reservou espazo para dous conxuntos de tanques de sedimentación na planta de tratamento de augas residuais para instalar un sistema de xeración de enerxía con turbinas no proxecto de ampliación do “Proxecto de Purificación do Porto Fase II A”.
3 Consideracións e características do deseño do sistema
3.1 Potencia xerada e presión efectiva da auga
A relación entre a enerxía eléctrica xerada pola enerxía hidrodinámica e a presión efectiva da auga é a seguinte: enerxía eléctrica xerada (kW) = [densidade das augas residuais purificadas ρ (kg/m3) × Caudal de auga Q (m3/s) × Presión efectiva da auga H (m) × Constante de gravidade g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Eficiencia global do sistema (%). A presión efectiva da auga é a diferenza entre o nivel máximo de auga admisible do pozo e o nivel de auga do pozo adxacente na auga corrente.
Noutras palabras, canto maior sexa a velocidade do fluxo e a presión efectiva da auga, maior será a potencia xerada. Polo tanto, para xerar máis potencia, un dos obxectivos de deseño é permitir que o sistema de turbina reciba a maior velocidade de fluxo de auga e presión efectiva da auga.
3.2 Puntos clave do deseño do sistema
En primeiro lugar, en termos de deseño, o sistema de turbinas recentemente instalado non debe afectar na medida do posible o funcionamento normal da planta de tratamento de augas residuais. Por exemplo, o sistema debe ter dispositivos de protección axeitados para evitar que o tanque de sedimentación augas arriba desborde as augas residuais purificadas debido a un control incorrecto do sistema. Parámetros de funcionamento determinados durante o deseño: caudal de 1,06 a 1,50 m3/s, rango de presión efectiva da auga de 24 a 52 kPa.
Ademais, dado que as augas residuais purificadas polo tanque de sedimentación aínda conteñen algunhas substancias corrosivas, como sulfuro de hidróxeno e sal, todos os materiais dos compoñentes do sistema de turbinas en contacto coas augas residuais purificadas deben ser resistentes á corrosión (como os materiais de aceiro inoxidable dúplex que se usan a miúdo para os equipos de tratamento de augas residuais), para mellorar a durabilidade do sistema e reducir o número de mantemento.
En canto ao deseño do sistema eléctrico, dado que a xeración de enerxía da turbina de augas residuais non é completamente estable por diversas razóns, todo o sistema de xeración de enerxía está conectado en paralelo á rede para manter un subministro de enerxía fiable. A conexión á rede organizarase de acordo coas directrices técnicas para a conexión á rede emitidas pola compañía eléctrica e o Departamento de Servizos Eléctricos e Mecánicos do Goberno da Rexión Administrativa Especial de Hong Kong.
En canto á disposición das tubaxes, ademais das restricións existentes no lugar, tamén se ten en conta a necesidade de mantemento e reparación do sistema. Neste sentido, modificouse o plan orixinal de instalar a turbina hidráulica no pozo do tanque de decantación proposto no proxecto de I+D. No seu lugar, as augas residuais purificadas son conducidas fóra do pozo por unha garganta e enviadas á turbina hidráulica, o que reduce en gran medida a dificultade e o tempo de mantemento e reduce o impacto no funcionamento normal da planta de tratamento de augas residuais.
Dado que o tanque de sedimentación necesita ser suspendido ocasionalmente para mantemento, a gorxa do sistema de turbinas está conectada a dous eixes de catro conxuntos de tanques de sedimentación de dobre cuberta. Mesmo se dous conxuntos de tanques de sedimentación deixan de funcionar, os outros dous conxuntos de tanques de sedimentación tamén poden fornecer augas residuais purificadas, impulsar o sistema de turbinas e continuar xerando electricidade. Ademais, reservouse un lugar preto do eixe do tanque de sedimentación 47/49 para a instalación do segundo sistema de xeración de enerxía de turbina hidráulica no futuro, de xeito que cando os catro conxuntos de tanques de sedimentación funcionen normalmente, os dous sistemas de xeración de enerxía de turbinas poidan xerar enerxía ao mesmo tempo, alcanzando a capacidade máxima de potencia.
3.3 Selección da turbina e do xerador hidráulicos
A turbina hidráulica é o equipo clave de todo o sistema de xeración de enerxía. As turbinas pódense dividir xeralmente en dúas categorías segundo o principio de funcionamento: tipo de pulso e tipo de reacción. O tipo de impulso consiste no feito de que o fluído se dirixe á pala da turbina a alta velocidade a través de múltiples boquillas e logo acciona o xerador para xerar enerxía. O tipo de reacción pasa a través da pala da turbina a través do fluído e utiliza a presión do nivel da auga para impulsar o xerador para xerar enerxía. Neste deseño, baseándose no feito de que as augas residuais purificadas poden proporcionar baixa presión de auga cando flúen, elíxese a turbina Kaplan, un dos tipos de reacción máis axeitados, porque esta turbina ten unha alta eficiencia a baixa presión de auga e é relativamente delgada, o que é máis axeitado para o espazo limitado do lugar.
En canto ao xerador, escóllese un xerador síncrono de imán permanente accionado por unha turbina hidráulica de velocidade constante. Este xerador pode xerar unha tensión e unha frecuencia máis estables que o xerador asíncrono, polo que pode mellorar a calidade do subministro de enerxía, simplificar a rede paralela e requirir menos mantemento.
4 Características de construción e funcionamento
4.1 Disposición paralela da grella
A conexión á rede realizarase de acordo coas directrices técnicas para a conexión á rede emitidas pola compañía eléctrica e o Departamento de Servizos Eléctricos e Mecánicos do Goberno da Rexión Administrativa Especial de Hong Kong. Segundo as directrices, o sistema de xeración de enerxía renovable debe estar equipado cunha función de protección anti illa, que poida separar automaticamente o sistema de xeración de enerxía renovable correspondente do sistema de distribución cando a rede eléctrica deixe de subministrar enerxía por calquera motivo, de xeito que o sistema de xeración de enerxía renovable non poida seguir subministrando enerxía ao sistema de distribución, co fin de garantir a seguridade do persoal de enxeñaría eléctrica que traballa na rede ou no sistema de distribución.
En termos de funcionamento síncrono do subministro de enerxía, o sistema de xeración de enerxía renovable e o sistema de distribución só poden sincronizarse cando a intensidade da tensión, o ángulo de fase ou a diferenza de frecuencia se controlan dentro de límites aceptables.
4.2 Control e protección
O sistema de xeración de enerxía da turbina hidráulica pódese controlar en modo automático ou manual. No modo automático, os eixes do tanque de sedimentación 47/49 # ou 51/53 # pódense usar como fonte de enerxía hidráulica, e o sistema de control porá en marcha diferentes válvulas de control segundo os datos predeterminados para seleccionar o tanque de sedimentación máis axeitado, co fin de optimizar a xeración de enerxía da turbina hidráulica. Ademais, a válvula de control axustará automaticamente o nivel das augas residuais augas arriba para que o tanque de sedimentación non desborde as augas residuais purificadas, aumentando así a xeración de enerxía ao nivel máis alto. O sistema de turbina-xerador pódese regular na sala de control principal ou in situ.
En termos de protección e control, se falla a caixa de subministración de enerxía ou a válvula de control do sistema de turbina ou o nivel de auga supera o nivel máximo admisible, o sistema de xeración de enerxía da turbina hidráulica tamén deterá automaticamente o funcionamento e descargará as augas residuais purificadas a través do tubo de derivación, para evitar que o tanque de sedimentación augas arriba desborde as augas residuais purificadas debido a un fallo do sistema.
5 Rendemento do funcionamento do sistema
Este sistema de xeración de enerxía con turbina hidráulica púxose en funcionamento a finais de 2018, cunha produción media mensual de máis de 10 000 kW·h. A presión efectiva da auga que pode impulsar o sistema de xeración de enerxía con turbina hidráulica tamén cambia co tempo debido ao caudal alto e baixo de augas residuais recollidas e tratadas pola planta de tratamento de augas residuais cada día. Co fin de maximizar a enerxía xerada polo sistema de turbinas, o Departamento de Servizos de Drenaxe deseñou un sistema de control para axustar automaticamente o par de funcionamento da turbina segundo o caudal diario de augas residuais, mellorando así a eficiencia da produción de enerxía. A figura 7 mostra a relación entre o sistema de xeración de enerxía e o caudal de auga. Cando o caudal de auga supera o nivel establecido, o sistema funcionará automaticamente para xerar electricidade.
6 Desafíos e solucións
O Departamento de Servizos de Drenaxe atopouse con moitos desafíos á hora de levar a cabo proxectos relevantes e formulou plans correspondentes en resposta a estes desafíos.
7 Conclusión
A pesar dos diversos desafíos, este conxunto de sistemas de xeración de enerxía con turbinas hidráulicas púxose en funcionamento con éxito a finais de 2018. A potencia media mensual de saída do sistema é de máis de 10 000 kW·h, o que equivale ao consumo medio mensual de enerxía duns 25 fogares de Hong Kong (o consumo medio mensual de enerxía de cada fogar de Hong Kong en 2018 é duns 390 kW·h). O Departamento de Servizos de Drenaxe comprométese a "ofrecer servizos de tratamento e drenaxe de augas residuais e pluviais de clase mundial para promover o desenvolvemento sostible de Hong Kong", ao tempo que promove proxectos de protección ambiental e cambio climático. Na aplicación de enerxías renovables, o Departamento de Servizos de Drenaxe utiliza biogás, enerxía solar e a enerxía do fluxo de augas residuais purificadas para xerar enerxía renovable. Nos últimos anos, a enerxía renovable media anual producida polo Departamento de Servizos de Drenaxe é duns 27 millóns de kW·h, o que pode satisfacer as necesidades enerxéticas de aproximadamente o 9 % do Departamento de Servizos de Drenaxe. O Departamento de Servizos de Drenaxe continuará os seus esforzos para fortalecer e promover a aplicación de enerxías renovables.
Data de publicación: 22 de novembro de 2022
