Departemen Layanan Drainase Pemerintah Daerah Administratif Khusus Hong Kong berkomitmen untuk membantu mengurangi perubahan iklim global. Selama bertahun-tahun, fasilitas hemat energi dan energi terbarukan telah dipasang di beberapa pabriknya. Dengan peluncuran resmi “Rencana Pemurnian Pelabuhan Fase II A” Hong Kong, Departemen Layanan Drainase telah memasang sistem pembangkit listrik turbin hidrolik di Pabrik Pengolahan Limbah Pulau Stonecutters (pabrik pengolahan limbah dengan kapasitas pengolahan limbah terbesar di Hong Kong), yang menggunakan energi hidrolik dari aliran limbah untuk menggerakkan generator turbin, dan kemudian menghasilkan listrik untuk penggunaan fasilitas di pabrik. Makalah ini memperkenalkan sistem tersebut, termasuk tantangan yang dihadapi dalam pelaksanaan proyek terkait, pertimbangan dan karakteristik desain dan konstruksi sistem, dan kinerja pengoperasian sistem. Sistem ini tidak hanya membantu menghemat biaya listrik, tetapi juga menggunakan air untuk mengurangi emisi karbon.
1 Pengenalan proyek
Tahap kedua A dari “Rencana Pemurnian Pelabuhan” adalah rencana berskala besar yang dilaksanakan oleh Pemerintah Daerah Administratif Khusus Hong Kong untuk meningkatkan kualitas air Pelabuhan Victoria. Rencana ini secara resmi mulai digunakan secara penuh pada bulan Desember 2015. Ruang lingkup pekerjaannya meliputi pembangunan terowongan pembuangan limbah dalam dengan panjang total sekitar 21 km dan 163 m di bawah tanah, untuk mengangkut limbah yang dihasilkan di utara dan barat daya pulau ke Instalasi Pengolahan Limbah Pulau Stonecutters, dan untuk meningkatkan kapasitas pengolahan instalasi pengolahan limbah menjadi 245 × 105 m3/hari, menyediakan layanan pengolahan limbah untuk sekitar 5,7 juta warga. Karena keterbatasan lahan, Instalasi Pengolahan Limbah Pulau Stonecutters menggunakan 46 set tangki sedimentasi dek ganda untuk pengolahan primer limbah yang ditingkatkan secara kimiawi, dan setiap dua set tangki sedimentasi akan berbagi poros vertikal (yaitu, total 23 poros) untuk mengirim limbah yang dimurnikan ke pipa drainase bawah tanah untuk disinfeksi akhir, dan kemudian ke laut dalam.
2 Penelitian dan pengembangan awal yang relevan
Mengingat banyaknya limbah yang diolah oleh Instalasi Pengolahan Limbah Pulau Stonecutters setiap hari dan desain tangki sedimentasinya yang unik, instalasi ini dapat menyediakan sejumlah energi hidrolik saat membuang limbah yang telah dimurnikan untuk menggerakkan turbin generator guna menghasilkan listrik. Tim Departemen Layanan Drainase kemudian melakukan studi kelayakan yang relevan pada tahun 2008 dan melakukan serangkaian uji lapangan. Hasil studi pendahuluan ini mengonfirmasi kelayakan pemasangan turbin generator.
Lokasi pemasangan: di poros tangki sedimentasi; Tekanan air efektif: 4,5~6m (desain spesifik bergantung pada kondisi pengoperasian aktual di masa mendatang dan posisi turbin yang tepat); Rentang aliran: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Daya keluaran maksimum: 45~50 kW; Peralatan dan material: Karena limbah yang dimurnikan masih memiliki korosivitas tertentu, material yang dipilih dan peralatan terkait harus memiliki perlindungan dan ketahanan korosi yang memadai.
Terkait hal tersebut, Dinas Drainase telah menyediakan tempat untuk dua set bak sedimentasi di Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) untuk pemasangan sistem pembangkit listrik turbin pada proyek perluasan “Proyek Pemurnian Pelabuhan Tahap II A”.
3 Pertimbangan dan Fitur Desain Sistem
3.1 Daya yang dihasilkan dan tekanan air efektif
Hubungan antara daya listrik yang dihasilkan oleh energi hidrodinamik dengan tekanan air efektif adalah sebagai berikut: daya listrik yang dihasilkan (kW) = [densitas limbah murni ρ (kg/m3) × Laju aliran air Q (m3/s) × Tekanan air efektif H (m) × Konstanta gravitasi g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Efisiensi sistem secara keseluruhan (%). Tekanan air efektif adalah perbedaan antara level air maksimum yang diizinkan pada poros dan level air pada poros yang berdekatan pada aliran air.
Dengan kata lain, semakin tinggi kecepatan aliran dan tekanan air efektif, semakin besar daya yang dihasilkan. Oleh karena itu, untuk menghasilkan lebih banyak daya, salah satu tujuan desain adalah memungkinkan sistem turbin menerima kecepatan aliran air dan tekanan air efektif tertinggi.
3.2 Poin-poin penting desain sistem
Pertama-tama, dari segi desain, sistem turbin yang baru dipasang tidak boleh terlalu memengaruhi operasi normal instalasi pengolahan limbah. Misalnya, sistem harus memiliki perangkat pelindung yang sesuai untuk mencegah tangki sedimentasi hulu meluap akibat limbah yang dimurnikan akibat kontrol sistem yang salah. Parameter operasi yang ditentukan selama desain: laju aliran 1,06 ～ 1,50m3/s, kisaran tekanan air efektif 24 ～ 52kPa.
Selain itu, karena limbah yang dimurnikan oleh tangki sedimentasi masih mengandung beberapa zat korosif, seperti hidrogen sulfida dan garam, semua bahan komponen sistem turbin yang bersentuhan dengan limbah yang dimurnikan harus tahan korosi (seperti bahan baja tahan karat dupleks yang sering digunakan untuk peralatan pengolahan limbah), sehingga dapat meningkatkan daya tahan sistem dan mengurangi jumlah pemeliharaan.
Dalam hal desain sistem tenaga, karena pembangkitan daya turbin limbah tidak sepenuhnya stabil karena berbagai alasan, seluruh sistem pembangkitan daya dihubungkan secara paralel dengan jaringan listrik untuk menjaga pasokan daya yang andal. Sambungan jaringan listrik harus diatur sesuai dengan pedoman teknis untuk sambungan jaringan listrik yang dikeluarkan oleh perusahaan listrik dan Departemen Layanan Listrik dan Mekanik Pemerintah Daerah Administratif Khusus Hong Kong.
Dalam hal tata letak pipa, selain batasan lokasi yang ada, kebutuhan untuk perawatan dan perbaikan sistem juga dipertimbangkan. Dalam hal ini, rencana awal pemasangan turbin hidrolik di poros tangki pengendapan yang diusulkan dalam proyek R&D telah diubah. Sebagai gantinya, limbah yang dimurnikan dialirkan keluar dari poros melalui saluran pembuangan dan dikirim ke turbin hidrolik, yang sangat mengurangi kesulitan dan waktu perawatan serta mengurangi dampak pada operasi normal pabrik pengolahan limbah.
Mengingat tangki sedimentasi terkadang perlu ditangguhkan untuk perawatan, saluran sistem turbin dihubungkan ke dua poros dari empat set tangki sedimentasi dek ganda. Bahkan jika dua set tangki sedimentasi menghentikan operasi, dua set tangki sedimentasi lainnya juga dapat menyediakan limbah murni, menggerakkan sistem turbin, dan terus menghasilkan listrik. Selain itu, tempat telah disediakan di dekat poros tangki sedimentasi 47/49 # untuk pemasangan sistem pembangkit listrik turbin hidrolik kedua di masa mendatang, sehingga ketika keempat set tangki sedimentasi beroperasi secara normal, kedua sistem pembangkit listrik turbin dapat menghasilkan listrik pada saat yang sama, mencapai kapasitas daya maksimum.
3.3 Pemilihan turbin hidrolik dan generator
Turbin hidrolik merupakan peralatan utama dari keseluruhan sistem pembangkit daya. Turbin secara umum dapat dibagi menjadi dua kategori menurut prinsip pengoperasiannya: tipe pulsa dan tipe reaksi. Tipe impuls adalah fluida yang disemprotkan ke bilah turbin dengan kecepatan tinggi melalui beberapa nosel, lalu menggerakkan generator untuk menghasilkan energi. Tipe reaksi mengalirkan fluida melalui bilah turbin, dan menggunakan tekanan permukaan air untuk menggerakkan generator guna menghasilkan energi. Dalam desain ini, berdasarkan fakta bahwa limbah yang dimurnikan dapat memberikan tekanan air rendah saat mengalir, turbin Kaplan, salah satu tipe reaksi yang lebih tepat, dipilih, karena turbin ini memiliki efisiensi tinggi pada tekanan air rendah dan relatif tipis, yang lebih cocok untuk ruang terbatas di lokasi.
Dari segi generator, dipilih generator sinkron magnet permanen yang digerakkan oleh turbin hidrolik kecepatan konstan. Generator ini dapat menghasilkan tegangan dan frekuensi yang lebih stabil daripada generator asinkron, sehingga dapat meningkatkan kualitas pasokan daya, membuat jaringan paralel lebih sederhana, dan memerlukan lebih sedikit perawatan.
4 Fitur Konstruksi dan Operasional
4.1 Susunan grid paralel
Penyambungan jaringan listrik harus dilakukan sesuai dengan pedoman teknis penyambungan jaringan listrik yang dikeluarkan oleh perusahaan listrik dan Departemen Layanan Listrik dan Mekanik Pemerintah Daerah Administratif Khusus Hong Kong. Menurut pedoman tersebut, sistem pembangkit listrik energi terbarukan harus dilengkapi dengan fungsi perlindungan anti-pulau, yang dapat secara otomatis memisahkan sistem pembangkit listrik energi terbarukan yang relevan dari sistem distribusi ketika jaringan listrik berhenti memasok daya karena alasan apa pun, sehingga sistem pembangkit listrik energi terbarukan tidak dapat terus memasok daya ke sistem distribusi, sehingga dapat memastikan keselamatan personel teknik listrik yang bekerja pada jaringan atau sistem distribusi.
Dalam hal operasi sinkron pasokan daya, sistem pembangkit daya energi terbarukan dan sistem distribusi dapat disinkronkan hanya jika intensitas tegangan, sudut fasa, atau perbedaan frekuensi dikendalikan dalam batas yang dapat diterima.
4.2 Kontrol dan perlindungan
Sistem pembangkit daya turbin hidrolik dapat dikontrol dalam mode otomatis atau manual. Dalam mode otomatis, poros tangki sedimentasi 47/49 # atau 51/53 # dapat digunakan sebagai sumber energi hidrolik, dan sistem kontrol akan memulai katup kontrol yang berbeda sesuai dengan data default untuk memilih tangki sedimentasi yang paling tepat, sehingga dapat mengoptimalkan pembangkit daya turbin hidrolik. Selain itu, katup kontrol akan secara otomatis menyesuaikan tingkat limbah hulu sehingga tangki sedimentasi tidak akan meluap dari limbah yang dimurnikan, sehingga meningkatkan pembangkitan daya ke tingkat tertinggi. Sistem generator turbin dapat diatur di ruang kontrol utama atau di lokasi.
Dari segi proteksi dan pengendalian, apabila kotak catu daya atau katup kendali pada sistem turbin mengalami kerusakan atau level air melebihi level air maksimal yang dibolehkan, maka sistem pembangkit daya turbin hidrolik juga akan secara otomatis menghentikan operasinya dan membuang limbah yang telah dimurnikan melalui pipa bypass, sehingga mencegah tangki sedimentasi di hulu meluap dengan limbah yang telah dimurnikan akibat kegagalan sistem.
5 Kinerja operasi sistem
Sistem pembangkit listrik turbin hidrolik ini mulai beroperasi pada akhir tahun 2018, dengan output bulanan rata-rata lebih dari 10.000 kW · jam. Tekanan air efektif yang dapat menggerakkan sistem pembangkit listrik turbin hidrolik juga berubah seiring waktu karena aliran tinggi dan rendah limbah yang dikumpulkan dan diolah oleh instalasi pengolahan limbah setiap hari. Untuk memaksimalkan daya yang dihasilkan oleh sistem turbin, Departemen Layanan Drainase telah merancang sistem kontrol untuk secara otomatis menyesuaikan torsi operasi turbin sesuai dengan aliran limbah harian, sehingga meningkatkan efisiensi produksi daya. Gambar 7 menunjukkan hubungan antara sistem pembangkit listrik dan aliran air. Ketika aliran air melebihi level yang ditetapkan, sistem akan secara otomatis beroperasi untuk menghasilkan listrik.
6 Tantangan dan Solusinya
Departemen Layanan Drainase menghadapi banyak tantangan dalam melaksanakan proyek-proyek relevan, dan telah merumuskan rencana yang sesuai dalam menanggapi tantangan-tantangan ini,
7 Kesimpulan
Meskipun menghadapi berbagai tantangan, rangkaian sistem pembangkit listrik turbin hidrolik ini berhasil dioperasikan pada akhir tahun 2018. Rata-rata daya keluaran bulanan sistem ini lebih dari 10.000 kW · jam, yang setara dengan rata-rata konsumsi daya bulanan sekitar 25 rumah tangga di Hong Kong (rata-rata konsumsi daya bulanan setiap rumah tangga di Hong Kong pada tahun 2018 adalah sekitar 390 kW · jam). Departemen Layanan Drainase berkomitmen untuk "menyediakan layanan pengolahan limbah dan air hujan serta drainase kelas dunia untuk mempromosikan pembangunan berkelanjutan di Hong Kong", sambil mempromosikan proyek perlindungan lingkungan dan perubahan iklim. Dalam penerapan energi terbarukan, Departemen Layanan Drainase menggunakan biogas, energi matahari, dan energi dari aliran limbah murni untuk menghasilkan energi terbarukan. Dalam beberapa tahun terakhir, rata-rata energi terbarukan tahunan yang diproduksi oleh Departemen Layanan Drainase adalah sekitar 27 juta kW · jam, yang dapat memenuhi kebutuhan energi sekitar 9% dari Departemen Layanan Drainase. Departemen Layanan Drainase akan melanjutkan upayanya untuk memperkuat dan mempromosikan penerapan energi terbarukan.
Waktu posting: 22-Nov-2022
