Odjel za odvodne usluge Vlade posebne administrativne regije Hong Kong posvećen je ublažavanju globalnih klimatskih promjena. Tijekom godina, u nekim od njegovih postrojenja instalirana su postrojenja za uštedu energije i obnovljive izvore energije. Službenim pokretanjem hongkonškog „Plana za pročišćavanje luke, faza II A“, Odjel za odvodne usluge instalirao je sustav za proizvodnju energije hidraulične turbine u postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda Stonecutters Island (postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda s najvećim kapacitetom za pročišćavanje otpadnih voda u Hong Kongu), koji koristi hidrauličku energiju tekuće kanalizacije za pogon generatora turbine, a zatim proizvodi električnu energiju za korištenje postrojenja u postrojenju. Ovaj rad predstavlja sustav, uključujući izazove s kojima se susreće u provedbi relevantnih projekata, razmatranja i karakteristike dizajna i izgradnje sustava te radne performanse sustava. Sustav ne samo da pomaže u uštedi troškova električne energije, već i koristi vodu za smanjenje emisija ugljika.
1 Uvod u projekt
Druga faza A „Plana za pročišćavanje luke“ je opsežan plan koji provodi vlada Posebne administrativne regije Hong Kong s ciljem poboljšanja kvalitete vode u luci Victoria. Službeno je pušten u punu upotrebu u prosincu 2015. Njegov opseg radova uključuje izgradnju dubokog kanalizacijskog tunela ukupne duljine oko 21 km i 163 m ispod zemlje, za transport kanalizacije nastale na sjeveru i jugozapadu otoka do postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda otoka Stonecutters, te za povećanje kapaciteta pročišćavanja postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda na 245 × 105 m3/d, pružajući usluge pročišćavanja otpadnih voda za oko 5,7 milijuna građana. Zbog ograničenja zemljišta, postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda otoka Stonecutters koristi 46 kompleta dvokatnih taložnika za kemijski poboljšanu primarnu obradu otpadnih voda, a svaka dva kompleta taložnika dijelit će vertikalno okno (to jest, ukupno 23 okna) za slanje pročišćene kanalizacije u podzemnu odvodnu cijev za završnu dezinfekciju, a zatim u duboko more.
2 Relevantna rana istraživanja i razvoj
S obzirom na veliku količinu otpadnih voda koje se svakodnevno obrađuju u postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda Stonecutters Island i jedinstveni dvoslojni dizajn taložnika, ono može osigurati određenu količinu hidraulične energije prilikom ispuštanja pročišćenih otpadnih voda za pogon turbine generatora za proizvodnju električne energije. Tim Odjela za odvodne usluge zatim je 2008. godine proveo relevantnu studiju izvedivosti i niz terenskih ispitivanja. Rezultati ovih preliminarnih studija potvrđuju izvedivost ugradnje turbina generatora.
Mjesto ugradnje: u oknu taložnika; Efektivni tlak vode: 4,5~6 m (specifični dizajn ovisi o stvarnim radnim uvjetima u budućnosti i točnom položaju turbine); Raspon protoka: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maksimalna izlazna snaga: 45~50 kW; Oprema i materijali: Budući da pročišćena otpadna voda još uvijek ima određenu korozivnost, odabrani materijali i pripadajuća oprema moraju imati odgovarajuću zaštitu i otpornost na koroziju.
U tom smislu, Odjel za odvodnju rezervirao je prostor za dva seta taložnika u postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda kako bi se ugradio sustav za proizvodnju energije turbine u projektu proširenja „Projekta pročišćavanja luke, faza II A“.
3 Razmatranja i značajke dizajna sustava
3.1 Generirana snaga i efektivni tlak vode
Odnos između električne energije generirane hidrodinamičkom energijom i efektivnog tlaka vode je sljedeći: generirana električna snaga (kW) = [gustoća pročišćene otpadne vode ρ (kg/m3) × Brzina protoka vode Q (m3/s) × Efektivni tlak vode H (m) × Konstanta gravitacije g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Ukupna učinkovitost sustava (%). Efektivni tlak vode je razlika između maksimalno dopuštene razine vode u oknu i razine vode susjednog okna u tekućoj vodi.
Drugim riječima, što je veća brzina protoka i efektivni tlak vode, to je veća generirana snaga. Stoga, kako bi se generiralo više snage, jedan od ciljeva dizajna je omogućiti turbinskom sustavu da primi najveću brzinu protoka vode i efektivni tlak vode.
3.2 Ključne točke dizajna sustava
Prije svega, što se tiče dizajna, novoinstalirani turbinski sustav ne smije što više utjecati na normalan rad uređaja za pročišćavanje otpadnih voda. Na primjer, sustav mora imati odgovarajuće zaštitne uređaje kako bi se spriječilo prelijevanje uzvodnog taložnika pročišćenih otpadnih voda zbog nepravilne regulacije sustava. Radni parametri određeni tijekom projektiranja: protok 1,06 ～ 1,50 m3/s, efektivni raspon tlaka vode 24 ～ 52 kPa.
Osim toga, budući da otpadne vode pročišćene taložnikom još uvijek sadrže neke korozivne tvari, poput sumporovodika i soli, svi materijali komponenti turbinskog sustava koji su u kontaktu s pročišćenim otpadnim vodama moraju biti otporni na koroziju (poput materijala od nehrđajućeg čelika dupleks koji se često koristi za opremu za pročišćavanje otpadnih voda), kako bi se poboljšala trajnost sustava i smanjio broj održavanja.
Što se tiče dizajna elektroenergetskog sustava, budući da proizvodnja energije kanalizacijske turbine nije potpuno stabilna iz različitih razloga, cijeli sustav za proizvodnju energije spojen je paralelno s mrežom kako bi se održala pouzdana opskrba energijom. Priključak na mrežu mora se organizirati u skladu s tehničkim smjernicama za priključak na mrežu koje je izdala elektroenergetska tvrtka i Odjel za električne i mehaničke usluge Vlade posebne administrativne regije Hong Kong.
Što se tiče rasporeda cijevi, uz postojeća ograničenja lokacije, uzima se u obzir i potreba za održavanjem i popravkom sustava. U tom smislu, promijenjen je izvorni plan ugradnje hidraulične turbine u okno taložnika predložen u istraživačko-razvojnom projektu. Umjesto toga, pročišćena otpadna voda se odvodi iz okna grlom i šalje u hidrauličku turbinu, što uvelike smanjuje poteškoće i vrijeme održavanja te smanjuje utjecaj na normalan rad uređaja za pročišćavanje otpadnih voda.
S obzirom na to da se taložnik povremeno mora isključiti radi održavanja, grlo turbinskog sustava spojeno je na dva vratila četiri seta dvoetažnih taložnika. Čak i ako dva seta taložnika prestanu s radom, druga dva seta taložnika također mogu osigurati pročišćenu kanalizaciju, pokretati turbinski sustav i nastaviti proizvoditi električnu energiju. Osim toga, u blizini vratila taložnika 47/49 # rezervirano je mjesto za buduću ugradnju drugog hidrauličkog sustava za proizvodnju energije turbine, tako da kada četiri seta taložnika rade normalno, dva turbinska sustava za proizvodnju energije mogu istovremeno generirati energiju, dostižući maksimalni kapacitet snage.
3.3 Odabir hidraulične turbine i generatora
Hidraulična turbina je ključni dio cijelog sustava za proizvodnju energije. Turbine se općenito mogu podijeliti u dvije kategorije prema principu rada: pulsni tip i reakcijski tip. Impulsni tip je tip u kojem fluid velikom brzinom upuhuje na lopaticu turbine kroz više mlaznica, a zatim pokreće generator za stvaranje energije. Reakcijski tip prolazi kroz lopaticu turbine kroz fluid i koristi tlak razine vode za pokretanje generatora za stvaranje energije. U ovom dizajnu, na temelju činjenice da pročišćena otpadna voda može osigurati nizak tlak vode prilikom protoka, odabrana je Kaplanova turbina, jedan od prikladnijih reakcijskih tipova, jer ova turbina ima visoku učinkovitost pri niskom tlaku vode i relativno je tanka, što je pogodnije za ograničeni prostor na lokaciji.
Što se tiče generatora, odabran je sinkroni generator s permanentnim magnetima pokretan hidrauličnom turbinom konstantne brzine. Ovaj generator može proizvoditi stabilniji napon i frekvenciju od asinhronog generatora, pa može poboljšati kvalitetu napajanja, pojednostaviti paralelnu mrežu i zahtijevati manje održavanja.
4 Značajke konstrukcije i rada
4.1 Paralelni raspored mreže
Priključak na mrežu mora se provesti u skladu s tehničkim smjernicama za priključak na mrežu koje su izdali elektroprivredna tvrtka i Odjel za električne i mehaničke usluge Vlade posebne administrativne regije Hong Kong. Prema smjernicama, sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora mora biti opremljen funkcijom zaštite od otočnog rada, koja može automatski odvojiti relevantni sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora od distribucijskog sustava kada elektroenergetska mreža iz bilo kojeg razloga prestane opskrbljivati električnom energijom, tako da sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora ne može nastaviti opskrbljivati distribucijski sustav električnom energijom, kako bi se osigurala sigurnost elektrotehničkog osoblja koje radi na mreži ili distribucijskom sustavu.
Što se tiče sinkronog rada napajanja, sustav za proizvodnju energije iz obnovljivih izvora energije i distribucijski sustav mogu se sinkronizirati samo kada su intenzitet napona, fazni kut ili frekvencijska razlika kontrolirani unutar prihvatljivih granica.
4.2 Kontrola i zaštita
Sustav za proizvodnju energije hidraulične turbine može se upravljati u automatskom ili ručnom načinu rada. U automatskom načinu rada, osovine taložnika 47/49 # ili 51/53 # mogu se koristiti kao izvor hidraulične energije, a upravljački sustav će pokrenuti različite upravljačke ventile prema zadanim podacima kako bi odabrao najprikladniji taložnik, te optimizirao proizvodnju energije hidraulične turbine. Osim toga, upravljački ventil će automatski podesiti razinu uzvodne kanalizacije tako da taložnik neće preplaviti pročišćenu kanalizaciju, čime će se proizvodnja energije povećati na najvišu razinu. Sustav turbinskog generatora može se regulirati u glavnoj upravljačkoj sobi ili na licu mjesta.
Što se tiče zaštite i upravljanja, ako kutija za napajanje ili regulacijski ventil turbinskog sustava zakaže ili razina vode premaši maksimalno dopuštenu razinu vode, sustav za proizvodnju energije hidraulične turbine također će automatski zaustaviti rad i ispustiti pročišćenu otpadnu vodu kroz obilaznu cijev, kako bi se spriječilo da uzvodni taložnik prelije pročišćenu otpadnu vodu zbog kvara sustava.
5 Performanse rada sustava
Ovaj sustav za proizvodnju energije hidraulične turbine pušten je u rad krajem 2018. godine, s prosječnom mjesečnom proizvodnjom većom od 10000 kW · h. Efektivni tlak vode koji može pokretati sustav za proizvodnju energije hidraulične turbine također se mijenja s vremenom zbog visokog i niskog protoka otpadnih voda koje se svakodnevno prikupljaju i obrađuju u postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda. Kako bi se maksimizirala snaga koju generira sustav turbine, Odjel za odvodnju projektirao je upravljački sustav koji automatski prilagođava okretni moment turbine prema dnevnom protoku otpadnih voda, čime se poboljšava učinkovitost proizvodnje energije. Slika 7 prikazuje odnos između sustava za proizvodnju energije i protoka vode. Kada protok vode prijeđe zadanu razinu, sustav će automatski raditi za proizvodnju električne energije.
6 izazova i rješenja
Odjel za odvodnju susreo se s mnogim izazovima u provedbi relevantnih projekata te je kao odgovor na te izazove izradio odgovarajuće planove.
7 Zaključak
Unatoč raznim izazovima, ovaj sustav za proizvodnju energije s hidrauličnim turbinama uspješno je pušten u rad krajem 2018. Prosječna mjesečna snaga sustava iznosi više od 10000 kW · h, što je ekvivalentno prosječnoj mjesečnoj potrošnji energije oko 25 kućanstava u Hong Kongu (prosječna mjesečna potrošnja energije svakog kućanstva u Hong Kongu u 2018. iznosila je oko 390 kW · h). Odjel za odvodnju posvećen je „pružanju vrhunskih usluga pročišćavanja i odvodnje otpadnih voda i kišnice radi promicanja održivog razvoja Hong Konga“, uz istovremeno promicanje projekata zaštite okoliša i klimatskih promjena. U primjeni obnovljivih izvora energije, Odjel za odvodnju koristi bioplin, solarnu energiju i energiju iz protoka pročišćene otpadne vode za proizvodnju obnovljive energije. U posljednjih nekoliko godina prosječna godišnja količina obnovljive energije koju proizvodi Odjel za odvodnju iznosi oko 27 milijuna kW · h, što može zadovoljiti energetske potrebe oko 9% Odjela za odvodnju. Odjel za odvodnju nastavit će svoje napore na jačanju i promicanju primjene obnovljivih izvora energije.
Vrijeme objave: 22. studenog 2022.
