Frárennslisþjónusta Hong Kong-sérstjórnarhéraðs hefur skuldbundið sig til að draga úr hnattrænum loftslagsbreytingum. Í gegnum árin hefur orkusparandi og endurnýjanlegri orku verið komið fyrir í sumum verksmiðjum þess. Með opinberri kynningu á „Hafnarhreinsunaráætlun áfanga II A“ í Hong Kong hefur frárennslisþjónustan sett upp vökvatúrbínuorkuframleiðslukerfi í skólphreinsistöðinni Stonecutters Island (skólphreinsistöðin með mesta skólphreinsigetu í Hong Kong), sem notar vökvaorku rennandi skólps til að knýja túrbínurafstöðina og framleiðir síðan rafmagn til notkunar í aðstöðunni í verksmiðjunni. Þessi grein kynnir kerfið, þar á meðal áskoranir sem koma upp við framkvæmd viðeigandi verkefna, atriði og eiginleika hönnunar og smíði kerfisins og rekstrarafköst kerfisins. Kerfið hjálpar ekki aðeins til við að spara rafmagnskostnað heldur notar einnig vatn til að draga úr kolefnislosun.
1 Inngangur að verkefninu
Annar áfangi A í „Hafnarhreinsunaráætluninni“ er umfangsmikil áætlun sem stjórnvöld í sérstöku stjórnsýslusvæði Hong Kong hrinda í framkvæmd til að bæta vatnsgæði í Viktoríuhöfninni. Hún var formlega tekin í notkun að fullu í desember 2015. Verkefnið felur í sér byggingu djúps skólpgöngs, samtals um 21 km langrar og 163 m undir jörðu, til að flytja skólp sem myndast í norður- og suðvesturhluta eyjarinnar til skólphreinsistöðvarinnar á Stonecutters-eyju og til að auka hreinsunargetu skólpstöðvarinnar í 245 × 105 m3/d, sem veitir skólphreinsunarþjónustu fyrir um 5,7 milljónir borgara. Vegna takmarkana á landi notar skólphreinsistöðin á Stonecutters-eyju 46 sett af tvöföldum botnfallstönkum fyrir efnafræðilega bætta frumhreinsun skólps, og hver tvö sett af botnfallstönkum munu deila lóðréttum skafti (þ.e. samtals 23 skaftum) til að senda hreinsað skólp í neðanjarðar frárennslislögn til loka sótthreinsunar og síðan út í djúpsjávarsvæðið.
2 Viðeigandi rannsóknir og þróun snemma
Í ljósi þess mikla magns skólps sem skólphreinsistöðin á Stonecutters-eyju hreinsar daglega og einstakrar tvílaga hönnunar botnfallstanksins, getur hún veitt ákveðið magn af vökvaorku á meðan hún losar hreinsað skólp til að knýja hverfilrafstöðina til að framleiða rafmagn. Teymi frárennslisdeildarinnar framkvæmdi síðan viðeigandi hagkvæmnisathugun árið 2008 og framkvæmdi röð vettvangsprófana. Niðurstöður þessara forathugana staðfesta hagkvæmni þess að setja upp hverfilrafstöðvar.
Uppsetningarstaður: í skafti botnfallstanks; Virkur vatnsþrýstingur: 4,5~6 m (sérstök hönnun fer eftir raunverulegum rekstrarskilyrðum í framtíðinni og nákvæmri staðsetningu túrbínunnar); Rennslissvið: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Hámarksafl: 45~50 kW; Búnaður og efni: Þar sem hreinsað skólp hefur enn ákveðna tæringareiginleika, verða valin efni og tengdur búnaður að hafa fullnægjandi vörn og tæringarþol.
Í þessu sambandi hefur frárennslisþjónustan frátekið pláss fyrir tvö sett af botnfellingartankum í skólphreinsistöðinni til að setja upp túrbínuaflsframleiðslukerfi í stækkunarverkefninu „Hafnarhreinsunarverkefni II. áfanga A“.
3 Atriði og eiginleikar kerfishönnunar
3.1 Framleiðsluorka og virkur vatnsþrýstingur
Sambandið milli raforku sem myndast með vatnsaflsorku og virks vatnsþrýstings er sem hér segir: raforkuframleiðsla (kW) = [þéttleiki hreinsaðs skólps ρ (kg/m3) × vatnsrennslishraði Q (m3/s) × virkur vatnsþrýstingur H (m) × þyngdarstuðull g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Heildarnýtni kerfisins (%). Virkur vatnsþrýstingur er mismunurinn á leyfilegu hámarksvatnsborði skaftsins og vatnsborði aðliggjandi skafts í rennandi vatni.
Með öðrum orðum, því hærri sem rennslishraðinn og virkur vatnsþrýstingur er, því meiri afl myndast. Þess vegna, til að framleiða meira afl, er eitt af hönnunarmarkmiðunum að gera túrbínukerfinu kleift að taka á móti hæsta vatnsrennslishraða og virkum vatnsþrýstingi.
3.2 Lykilatriði í kerfishönnun
Í fyrsta lagi, hvað varðar hönnun, má nýuppsett túrbínukerfi ekki hafa eins mikil áhrif á eðlilegan rekstur skólphreinsistöðvarinnar og mögulegt er. Til dæmis verður kerfið að hafa viðeigandi verndarbúnað til að koma í veg fyrir að botnfallstankurinn uppstreymis flæði yfir hreinsað skólp vegna rangrar kerfisstýringar. Rekstrarbreytur ákvarðaðar við hönnun: rennslishraði 1,06 ～ 1,50 m3/s, virkt vatnsþrýstingsbil 24 ～ 52 kPa.
Þar að auki, þar sem skólpið sem hreinsað er úr botnfellingartankinum inniheldur enn einhver ætandi efni, svo sem vetnissúlfíð og salt, verða allir íhlutir túrbínukerfisins sem komast í snertingu við hreinsaða skólpið að vera tæringarþolnir (eins og tvíhliða ryðfrítt stál sem oft er notað í skólphreinsibúnað) til að bæta endingu kerfisins og draga úr viðhaldsþörf.
Hvað varðar hönnun raforkukerfisins, þar sem raforkuframleiðsla fráveituhverfla er ekki alveg stöðug af ýmsum ástæðum, er allt raforkuframleiðslukerfið tengt samsíða raforkukerfinu til að viðhalda áreiðanlegri raforkuframboði. Tengingin við raforkukerfið skal vera í samræmi við tæknilegar leiðbeiningar um tengingu við raforkukerfið sem gefnar eru út af rafveitunni og rafmagns- og vélaþjónustudeild stjórnvalda Hong Kong-sérstöks stjórnsýslusvæðis.
Hvað varðar skipulag pípa, auk núverandi takmarkana á staðnum, er einnig tekið tillit til þörfarinnar fyrir viðhald og viðgerðir á kerfinu. Í þessu sambandi hefur upphaflegri áætlun um að setja upp vökvatúrbínu í botnfallsskaftinu, sem lagt var til í rannsóknar- og þróunarverkefninu, verið breytt. Í staðinn er hreinsað skólp leitt út úr skaftinu um uppsog og sent í vökvatúrbínu, sem dregur verulega úr erfiðleikum og tíma viðhalds og dregur úr áhrifum á eðlilegan rekstur skólphreinsistöðvarinnar.
Þar sem stundum þarf að stöðva botnfallstankinn vegna viðhalds er háls túrbínukerfisins tengdur við tvo ása fjögurra setta af tvíþilja botnfallstankum. Jafnvel þótt tvö sett af botnfallstankum hætti að virka geta hin tvö settin af botnfallstankum einnig veitt hreinsað skólp, knúið túrbínukerfið og haldið áfram að framleiða rafmagn. Að auki hefur verið frátekið pláss nálægt ás botnfallstanks númer 47/49 fyrir uppsetningu á öðru vökvatúrbínuorkuframleiðslukerfi í framtíðinni, þannig að þegar fjögur sett botnfallstankanna starfa eðlilega geti tvö túrbínuorkuframleiðslukerfin framleitt rafmagn á sama tíma og náð hámarksaflsgetu.
3.3 Val á vökvatúrbínu og rafal
Vökvatúrbína er lykilbúnaður alls orkuframleiðslukerfisins. Túrbínum má almennt skipta í tvo flokka eftir virkni: púlsgerð og viðbragðstegund. Í hvatagerðinni er vökvinn þeyttur á miklum hraða í gegnum marga stúta að túrbínublaðinu og knýr síðan rafalinn til að framleiða orku. Viðbragðstegundin fer í gegnum túrbínublaðið og notar vatnsþrýstinginn til að knýja rafalinn til að framleiða orku. Í þessari hönnun, byggt á þeirri staðreynd að hreinsað skólp getur veitt lágan vatnsþrýsting þegar það rennur, er Kaplan-túrbína, ein af viðeigandi viðbragðstegundunum, valin, þar sem þessi túrbína hefur mikla skilvirkni við lágan vatnsþrýsting og er tiltölulega þunn, sem hentar betur fyrir takmarkað rými á staðnum.
Hvað varðar rafal er valinn samstilltur rafall með varanlegum seglum sem knúinn er af vökvatúrbínu sem knúin er áfram af stöðugum hraða. Þessi rafall getur gefið frá sér stöðugri spennu og tíðni en ósamstilltur rafall, þannig að hann getur bætt gæði aflgjafans, gert samsíða raforkukerfið einfaldara og þarfnast minna viðhalds.
4 Byggingar- og rekstrareiginleikar
4.1 Samsíða raðkerfi
Tenging við raforkunet skal framkvæmd í samræmi við tæknilegar leiðbeiningar um tengingu við raforkunet sem gefnar eru út af rafveitunni og rafmagns- og vélaþjónustudeild ríkisstjórnar Hong Kong-sérstöks stjórnsýslusvæðis. Samkvæmt leiðbeiningunum verður raforkuframleiðslukerfi fyrir endurnýjanlega orku að vera útbúið með eyðingarvörn sem getur sjálfkrafa aðskilið viðkomandi raforkuframleiðslukerfi fyrir endurnýjanlega orku frá dreifikerfinu þegar raforkunetið hættir að veita rafmagn af einhverjum ástæðum, þannig að raforkuframleiðslukerfið geti ekki haldið áfram að veita rafmagn til dreifikerfisins, til að tryggja öryggi rafmagnsverkfræðinga sem vinna við raforkunetið eða dreifikerfið.
Hvað varðar samstillta virkni aflgjafa, þá er aðeins hægt að samstilla orkuframleiðslu- og dreifikerfi endurnýjanlegrar orku þegar spennustyrkur, fasahorn eða tíðnimunur eru stjórnaðir innan viðunandi marka.
4.2 Stjórnun og vernd
Hægt er að stjórna raforkuframleiðslukerfi vökvatúrbínu í sjálfvirkri eða handvirkri stillingu. Í sjálfvirkri stillingu er hægt að nota ása botnfallstanksins 47/49 # eða 51/53 # sem uppsprettu vökvaorku og stjórnkerfið mun ræsa mismunandi stjórnloka í samræmi við sjálfgefin gögn til að velja viðeigandi botnfallstank til að hámarka raforkuframleiðslu vökvatúrbínunnar. Að auki mun stjórnlokinn sjálfkrafa stilla skólpmagn uppstreymis þannig að botnfallstankurinn flæði ekki yfir hreinsað skólp og þannig auka raforkuframleiðsluna á hæsta stig. Hægt er að stjórna túrbínurafallskerfinu í aðalstjórnherberginu eða á staðnum.
Hvað varðar vernd og stjórnun, ef aflgjafakassinn eða stjórnlokinn í túrbínukerfinu bilar eða vatnsborðið fer yfir leyfilegt hámarksvatnsborð, mun vökvatúrbínuorkuframleiðslukerfið einnig stöðva sjálfkrafa rekstur og losa hreinsað skólp í gegnum hjáleiðarpípuna til að koma í veg fyrir að botnfallstankurinn flæði yfir hreinsað skólp vegna bilunar í kerfinu.
5 Afköst kerfisrekstrar
Þetta vökvatúrbínuaflskerfi var tekið í notkun í lok árs 2018 og hefur meðalmánaðarframleiðslu upp á meira en 10.000 kW · klst. Virkur vatnsþrýstingur sem getur knúið vökvatúrbínuaflskerfið breytist einnig með tímanum vegna mikils og lítils rennslis skólps sem skólphreinsistöðin safnar og hreinsar á hverjum degi. Til að hámarka orkuframleiðslu túrbínukerfisins hefur frárennslisþjónustan hannað stjórnkerfi til að stilla sjálfvirkt rekstrartog túrbínunnar í samræmi við daglegt skólprennsli og þar með bæta skilvirkni orkuframleiðslunnar. Mynd 7 sýnir tengslin milli orkuframleiðslukerfisins og vatnsrennslis. Þegar vatnsrennslið fer yfir stillt mörk mun kerfið sjálfkrafa hefja rafmagnframleiðslu.
6 áskoranir og lausnir
Frárennslisþjónustan hefur staðið frammi fyrir mörgum áskorunum við framkvæmd viðeigandi verkefna og hefur mótað viðeigandi áætlanir til að bregðast við þessum áskorunum.
7 Niðurstaða
Þrátt fyrir ýmsar áskoranir var þetta vökvakerfi fyrir orkuframleiðslu með túrbínum tekin í notkun með góðum árangri í lok árs 2018. Meðalmánaðarafl kerfisins er meira en 10.000 kW · klst., sem jafngildir meðalmánaðarlegri orkunotkun um 25 heimila í Hong Kong (meðalmánaðarleg orkunotkun hvers heimilis í Hong Kong árið 2018 er um 390 kW · klst.). Frárennslisdeildin hefur skuldbundið sig til að „veita fyrsta flokks frárennslis- og regnvatnshreinsun og frárennslisþjónustu til að stuðla að sjálfbærri þróun Hong Kong“, en jafnframt stuðla að umhverfisvernd og loftslagsbreytingum. Við notkun endurnýjanlegrar orku notar frárennslisdeildin lífgas, sólarorku og orku úr hreinsuðu skólpi til að framleiða endurnýjanlega orku. Á undanförnum árum hefur meðalárleg endurnýjanleg orka frárennslisdeildarinnar verið um 27 milljónir kW · klst., sem getur fullnægt orkuþörf um 9% af frárennslisdeildinni. Frárennslisdeildin mun halda áfram viðleitni sinni til að styrkja og stuðla að notkun endurnýjanlegrar orku.
Birtingartími: 22. nóvember 2022
