A Hongkongi Különleges Közigazgatási Terület Kormányának Vízelvezetési Szolgáltatások Osztálya elkötelezett a globális klímaváltozás mérséklése iránt. Az évek során energiatakarékos és megújuló energiát hasznosító létesítményeket telepítettek egyes telephelyein. Hongkong „Kikötői Tisztítási Terv II. A. fázisának hivatalos elindításával a Vízelvezetési Szolgáltatások Osztálya egy hidraulikus turbinás energiatermelő rendszert telepített a Stonecutters Island Szennyvíztisztító Telepen (Hongkong legnagyobb szennyvíztisztító kapacitással rendelkező szennyvíztisztító telepén), amely az áramló szennyvíz hidraulikus energiáját használja fel a turbinagenerátor meghajtására, majd áramot termel a telep létesítményei számára. Ez a tanulmány bemutatja a rendszert, beleértve a releváns projektek megvalósítása során felmerült kihívásokat, a rendszertervezés és -kivitelezés szempontjait és jellemzőit, valamint a rendszer működési teljesítményét. A rendszer nemcsak az áramköltségeket takarítja meg, hanem vizet is használ a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére.
1 Projektbevezetés
A „Kikötői Tisztítási Terv” második A fázisa egy nagyszabású terv, amelyet a Hongkongi Különleges Közigazgatási Terület kormánya valósított meg a Viktória kikötő vízminőségének javítása érdekében. A tervet hivatalosan 2015 decemberében helyezték teljes körűen üzembe. A munka magában foglalja egy mély szennyvízcsatorna építését, amelynek teljes hossza körülbelül 21 km és 163 m a föld alatt, hogy a sziget északi és délnyugati részén keletkező szennyvizet a Stonecutters-szigeti Szennyvíztisztító Telepre szállítsák, valamint a szennyvíztisztító telep tisztítási kapacitását 245 × 105 m3/nap-ra növeljék, mintegy 5,7 millió lakos számára biztosítva szennyvíztisztítási szolgáltatásokat. A földterület korlátozottsága miatt a Stonecutters-szigeti Szennyvíztisztító Telep 46 db kétszintes ülepítőtartály-készletet használ a szennyvíz kémiailag fokozott elsődleges kezelésére, és minden két ülepítőtartály-készlet egy függőleges aknát (azaz összesen 23 aknát) használ, hogy a tisztított szennyvizet a földalatti elvezető csőbe juttassa végső fertőtlenítés céljából, majd a mélytengerbe.
2 Releváns korai kutatás és fejlesztés
Tekintettel a Stonecutters Island Szennyvíztisztító Telep által naponta kezelt nagy mennyiségű szennyvízre és az ülepítő tartály egyedi, kétrétegű kialakítására, a tisztított szennyvíz ürítése során bizonyos mennyiségű hidraulikus energiát tud szolgáltatni, amely a turbinagenerátort áramtermelés céljából meghajtja. A Vízelvezető Szolgáltatások Osztályának csapata ezt követően 2008-ban elvégezte a vonatkozó megvalósíthatósági tanulmányt, és egy sor terepi tesztet hajtott végre. Ezen előzetes tanulmányok eredményei megerősítik a turbinagenerátorok telepítésének megvalósíthatóságát.
Telepítési hely: ülepítő tartály aknájában; Tényleges víznyomás: 4,5~6 m (a konkrét kialakítás a jövőbeni tényleges üzemi körülményektől és a turbina pontos helyzetétől függ); Áramlási tartomány: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maximális kimeneti teljesítmény: 45~50 kW; Berendezések és anyagok: Mivel a tisztított szennyvíz továbbra is bizonyos korrozív hatással bír, a kiválasztott anyagoknak és a kapcsolódó berendezéseknek megfelelő védelemmel és korrózióállósággal kell rendelkezniük.
Ezzel összefüggésben a Vízelvezetési Szolgáltatások Osztálya helyet foglalt le két ülepítő tartálykészletnek a szennyvíztisztító telepen egy turbinás energiatermelő rendszer telepítéséhez a „Kikötői Tisztítási Projekt II A. fázis” bővítési projektje keretében.
3 Rendszertervezési szempontok és jellemzők
3.1 Generált teljesítmény és effektív víznyomás
A hidrodinamikai energia által termelt elektromos teljesítmény és a tényleges víznyomás közötti összefüggés a következő: termelt elektromos teljesítmény (kW)=[tisztított szennyvíz sűrűsége ρ (kg/m3) × Vízhozam Q (m3/s) × Tényleges víznyomás H (m) × Gravitációs állandó g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× A rendszer teljes hatásfoka (%). A tényleges víznyomás az akna maximálisan megengedett vízszintje és a szomszédos akna vízszintje közötti különbség az áramló vízben.
Más szóval, minél nagyobb az áramlási sebesség és a tényleges víznyomás, annál nagyobb a termelt energia. Ezért a nagyobb energiatermelés érdekében az egyik tervezési cél az, hogy a turbinarendszer a lehető legnagyobb vízáramlási sebességet és tényleges víznyomást kapja.
3.2 A rendszertervezés főbb pontjai
Először is, a tervezés szempontjából az újonnan telepített turbinarendszernek a lehető legnagyobb mértékben nem szabad befolyásolnia a szennyvíztisztító telep normál működését. Például a rendszernek megfelelő védőberendezésekkel kell rendelkeznie, amelyek megakadályozzák, hogy a tisztított szennyvíz a helytelen rendszervezérlés miatt túlcsorduljon a felső ülepítő tartályból. A tervezés során meghatározott üzemi paraméterek: áramlási sebesség 1,06 ～ 1,50 m3/s, effektív víznyomás-tartomány 24 ～ 52 kPa.
Ezenkívül, mivel az ülepítő tartály által tisztított szennyvíz még tartalmaz néhány korrozív anyagot, például hidrogén-szulfidot és sót, a tisztított szennyvízzel érintkezésbe kerülő összes turbinarendszer-alkatrésznek korrózióállónak kell lennie (például a szennyvíztisztító berendezésekhez gyakran használt duplex rozsdamentes acél anyagoknak), hogy javítsa a rendszer tartósságát és csökkentse a karbantartások számát.
Az energiarendszer tervezése szempontjából, mivel a szennyvízturbina energiatermelése különféle okok miatt nem teljesen stabil, a teljes energiatermelő rendszert párhuzamosan kell csatlakoztatni a hálózathoz a megbízható energiaellátás fenntartása érdekében. A hálózati csatlakozást az energiaszolgáltató és a Hongkongi Különleges Közigazgatási Terület Kormányának Villamos és Gépészeti Szolgáltatások Osztálya által kiadott hálózati csatlakozási műszaki irányelveknek megfelelően kell kialakítani.
A csővezeték elrendezése tekintetében a meglévő helyszíni korlátozások mellett a rendszer karbantartásának és javításának szükségességét is figyelembe veszik. E tekintetben a K+F projektben javasolt eredeti terv, miszerint a hidraulikus turbinát az ülepítőtartály aknájába telepítenék, megváltozott. Ehelyett a tisztított szennyvizet egy torkolaton keresztül vezetik ki az aknából, és a hidraulikus turbinába küldik, ami jelentősen csökkenti a karbantartás nehézségét és idejét, valamint csökkenti a szennyvíztisztító telep normál működésére gyakorolt hatást.
Tekintettel arra, hogy az ülepítő tartályt karbantartás céljából időnként fel kell függeszteni, a turbinarendszer torka négy emeletes ülepítő tartálycsoport két tengelyéhez van csatlakoztatva. Még ha két ülepítő tartálycsoport le is állna, a másik két ülepítő tartálycsoport tisztított szennyvizet tud biztosítani, meghajtani a turbinarendszert és továbbra is áramot termelni. Ezenkívül a 47/49. számú ülepítő tartály tengelye közelében helyet foglaltak el a második hidraulikus turbina áramtermelő rendszer jövőbeni telepítésére, így amikor a négy ülepítő tartálycsoport normálisan működik, a két turbina áramtermelő rendszer egyszerre tudna áramot termelni, elérve a maximális teljesítménykapacitást.
3.3 Hidraulikus turbina és generátor kiválasztása
A hidraulikus turbina a teljes energiatermelő rendszer kulcsfontosságú berendezése. A turbinákat működési elvük szerint általában két kategóriába sorolhatjuk: impulzus típusú és reakció típusú. Az impulzus típusú turbinák esetében a folyadék nagy sebességgel áramlik a turbinalapáthoz több fúvókán keresztül, majd meghajtja a generátort energiatermelés céljából. A reakció típusú turbinák a folyadékon keresztülhaladnak a turbinalapáton, és a vízszint nyomását használják fel a generátor meghajtására energiatermelés céljából. Ennél a kialakításnál, azon a tényen alapulva, hogy a tisztított szennyvíz áramlás közben alacsony víznyomást biztosít, a Kaplan turbinát, az egyik legmegfelelőbb reakciótípust választották, mivel ez a turbina alacsony víznyomáson is nagy hatásfokú, és viszonylag vékony, ami jobban megfelel a helyszíni korlátozott helyekhez.
Generátorként állandó sebességű hidraulikus turbinával hajtott permanens mágneses szinkrongenerátort választottak. Ez a generátor stabilabb feszültséget és frekvenciát tud kiadni, mint az aszinkron generátor, így javíthatja az energiaellátás minőségét, egyszerűbbé teheti a párhuzamos hálózatot, és kevesebb karbantartást igényel.
4 Felépítési és üzemeltetési jellemzők
4.1 Rácsos párhuzamos elrendezés
A hálózati csatlakozást az energiaszolgáltató vállalat és a Hongkongi Különleges Közigazgatási Terület kormányának Villamos és Gépészeti Szolgáltatások Osztálya által kiadott hálózati csatlakozási műszaki irányelveknek megfelelően kell elvégezni. Az irányelvek szerint a megújuló energiaforrású villamosenergia-termelő rendszert szigetüzem elleni védelmi funkcióval kell felszerelni, amely automatikusan leválasztja az adott megújuló energiaforrású villamosenergia-termelő rendszert az elosztórendszerről, amikor az elektromos hálózat bármilyen okból leáll, így a megújuló energiaforrású villamosenergia-termelő rendszer nem tud tovább energiát szolgáltatni az elosztórendszernek, biztosítva ezzel a hálózaton vagy az elosztórendszeren dolgozó villamosmérnöki személyzet biztonságát.
Az energiaellátás szinkron működése szempontjából a megújuló energiaforrásokból származó energiatermelő rendszer és az elosztórendszer csak akkor szinkronizálható, ha a feszültségintenzitás, a fázisszög vagy a frekvenciakülönbség elfogadható határokon belül van szabályozva.
4.2 Ellenőrzés és védelem
A hidraulikus turbina áramtermelő rendszere automatikus vagy kézi üzemmódban vezérelhető. Automatikus üzemmódban a 47/49 # vagy 51/53 # ülepítő tartály tengelyei használhatók hidraulikus energiaforrásként, és a vezérlőrendszer az alapértelmezett adatoknak megfelelően különböző vezérlőszelepeket indít el a legmegfelelőbb ülepítő tartály kiválasztásához, ezáltal optimalizálva a hidraulikus turbina energiatermelését. Ezenkívül a vezérlőszelep automatikusan beállítja a szennyvízszintet a folyásirányban, hogy az ülepítő tartály ne folyjon túl a tisztított szennyvízzel, ezáltal a lehető legmagasabb szintre növelve az energiatermelést. A turbina generátor rendszer a fő vezérlőteremben vagy a helyszínen szabályozható.
Védelem és vezérlés szempontjából, ha a turbinarendszer tápegysége vagy vezérlőszelepe meghibásodik, vagy a vízszint meghaladja a megengedett maximális vízszintet, a hidraulikus turbina áramtermelő rendszere automatikusan leállítja a működést, és a tisztított szennyvizet a bypass csövön keresztül üríti ki, megakadályozva, hogy a rendszer meghibásodása miatt a tisztított szennyvíz túlcsorduljon az ülepítő tartályból.
5 A rendszer működésének teljesítménye
Ez a hidraulikus turbinás energiatermelő rendszer 2018 végén került üzembe, átlagos havi teljesítménye meghaladta a 10000 kW · h-t. A hidraulikus turbinás energiatermelő rendszert meghajtó effektív víznyomás idővel változik a szennyvíztisztító telep által naponta összegyűjtött és kezelt szennyvíz nagy és kis áramlási sebessége miatt. A turbinarendszer által termelt energia maximalizálása érdekében a Vízelvezető Szolgáltatások Osztálya egy vezérlőrendszert tervezett, amely automatikusan a napi szennyvízáramlásnak megfelelően állítja be a turbina működési nyomatékát, ezáltal javítva az energiatermelés hatékonyságát. A 7. ábra az energiatermelő rendszer és a vízhozam közötti kapcsolatot mutatja. Amikor a vízhozam meghaladja a beállított szintet, a rendszer automatikusan áramot termel.
6 kihívás és megoldás
A Vízelvezetési Szolgáltatások Osztálya számos kihívással szembesült a vonatkozó projektek végrehajtása során, és ezekre a kihívásokra válaszul megfelelő terveket dolgozott ki,
7 Következtetés
Különböző kihívások ellenére ezt a hidraulikus turbinás energiatermelő rendszert 2018 végén sikeresen üzembe helyezték. A rendszer átlagos havi teljesítménye meghaladja a 10 000 kW · h-t, ami körülbelül 25 hongkongi háztartás átlagos havi energiafogyasztásának felel meg (2018-ban minden hongkongi háztartás átlagos havi energiafogyasztása körülbelül 390 kW · h volt). A Vízelvezetési Szolgáltatások Osztálya elkötelezett amellett, hogy „világszínvonalú szennyvíz- és esővízkezelési és -elvezetési szolgáltatásokat nyújtson Hongkong fenntartható fejlődésének előmozdítása érdekében”, miközben elősegíti a környezetvédelmi és klímaváltozással kapcsolatos projekteket. A megújuló energia alkalmazása során a Vízelvezetési Szolgáltatások Osztálya biogázt, napenergiát és a tisztított szennyvíz áramlásából származó energiát használ fel megújuló energia előállítására. Az elmúlt években a Vízelvezetési Szolgáltatások Osztálya által termelt átlagos éves megújuló energia körülbelül 27 millió kW · h volt, ami a Vízelvezetési Szolgáltatások Osztályának energiaigényének mintegy 9%-át képes kielégíteni. A Vízelvezetési Szolgáltatások Osztálya továbbra is erőfeszítéseket tesz a megújuló energia alkalmazásának megerősítésére és előmozdítására.
Közzététel ideje: 2022. november 22.
