Il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio del Governo della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong si impegna a contribuire alla mitigazione del cambiamento climatico globale. Nel corso degli anni, in alcuni dei suoi impianti sono stati installati impianti a risparmio energetico e a fonti rinnovabili. Con il lancio ufficiale della "Fase II A del Piano di Purificazione del Porto di Hong Kong", il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio ha installato un sistema di generazione di energia a turbina idraulica presso l'impianto di trattamento delle acque reflue di Stonecutters Island (l'impianto di trattamento delle acque reflue con la maggiore capacità di trattamento delle acque reflue di Hong Kong), che utilizza l'energia idraulica delle acque reflue in flusso per azionare il generatore a turbina e quindi generare elettricità per l'utilizzo degli impianti dell'impianto. Questo documento presenta il sistema, comprese le sfide incontrate nell'implementazione dei progetti pertinenti, le considerazioni e le caratteristiche della progettazione e della costruzione del sistema e le prestazioni operative del sistema. Il sistema non solo contribuisce a risparmiare sui costi dell'elettricità, ma utilizza anche l'acqua per ridurre le emissioni di carbonio.
1 Introduzione al progetto
La seconda fase A del "Piano di purificazione del porto" è un piano su larga scala implementato dal Governo della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong per migliorare la qualità delle acque del porto di Victoria. È entrato ufficialmente in funzione nel dicembre 2015. Il suo ambito di intervento include la costruzione di un tunnel fognario profondo, lungo circa 21 km e profondo 163 m, per convogliare le acque reflue prodotte nel nord e nel sud-ovest dell'isola all'impianto di trattamento delle acque reflue di Stonecutters Island e aumentare la capacità di trattamento dell'impianto a 245 × 105 m³/giorno, fornendo servizi di trattamento delle acque reflue a circa 5,7 milioni di cittadini. A causa delle limitazioni territoriali, l'impianto di trattamento delle acque reflue di Stonecutters Island utilizza 46 set di vasche di sedimentazione a doppio piano per il trattamento primario chimicamente potenziato delle acque reflue, e ogni due set di vasche di sedimentazione condivideranno un pozzo verticale (per un totale di 23 pozzi) per inviare le acque reflue purificate alla condotta di drenaggio sotterranea per la disinfezione finale e quindi in mare aperto.
2. Ricerca e sviluppo iniziali rilevanti
Considerata l'elevata quantità di acque reflue trattate quotidianamente dall'impianto di trattamento delle acque reflue di Stonecutters Island e l'esclusiva struttura a doppio strato del suo sedimentatore, l'impianto è in grado di fornire una certa quantità di energia idraulica durante lo scarico delle acque reflue depurate, per azionare il generatore a turbina e generare elettricità. Il team del Dipartimento dei Servizi di Drenaggio ha quindi condotto uno studio di fattibilità nel 2008 e una serie di test sul campo. I risultati di questi studi preliminari confermano la fattibilità dell'installazione di generatori a turbina.
Posizione di installazione: nel pozzo del serbatoio di sedimentazione; Pressione effettiva dell'acqua: 4,5~6 m (la progettazione specifica dipende dalle effettive condizioni operative future e dalla posizione esatta della turbina); Campo di portata: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Potenza massima in uscita: 45~50 kW; Attrezzature e materiali: poiché le acque reflue depurate presentano ancora una certa corrosività, i materiali selezionati e le relative attrezzature devono avere un'adeguata protezione e resistenza alla corrosione.
A questo proposito, il Dipartimento dei servizi di drenaggio ha riservato spazio per due serie di vasche di sedimentazione nell'impianto di trattamento delle acque reflue per installare un sistema di generazione di energia a turbina nel progetto di ampliamento della "Fase II A del progetto di purificazione del porto".
3 Considerazioni e caratteristiche della progettazione del sistema
3.1 Potenza generata e pressione effettiva dell'acqua
La relazione tra la potenza elettrica generata dall'energia idrodinamica e la pressione effettiva dell'acqua è la seguente: potenza elettrica generata (kW) = [densità delle acque reflue depurate ρ (kg/m3) × portata d'acqua Q (m3/s) × pressione effettiva dell'acqua H (m) × costante di gravità g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Efficienza complessiva del sistema (%). La pressione effettiva dell'acqua è la differenza tra il livello massimo consentito dell'acqua nel pozzo e il livello dell'acqua nel pozzo adiacente in acqua corrente.
In altre parole, maggiore è la velocità del flusso e la pressione effettiva dell'acqua, maggiore è la potenza generata. Pertanto, per generare più potenza, uno degli obiettivi di progettazione è consentire al sistema di turbine di ricevere la massima velocità del flusso e la massima pressione effettiva dell'acqua.
3.2 Punti chiave della progettazione del sistema
Innanzitutto, in termini di progettazione, il nuovo sistema di turbine installato non deve compromettere il più possibile il normale funzionamento dell'impianto di depurazione. Ad esempio, il sistema deve essere dotato di adeguati dispositivi di protezione per evitare che la vasca di sedimentazione a monte trabocchi con le acque reflue depurate a causa di un controllo non corretto del sistema. Parametri operativi determinati in fase di progettazione: portata 1,06 ～ 1,50 m³/s, intervallo di pressione effettiva dell'acqua 24 ～ 52 kPa.
Inoltre, poiché le acque reflue depurate dal serbatoio di sedimentazione contengono ancora alcune sostanze corrosive, come acido solfidrico e sale, tutti i materiali dei componenti del sistema della turbina a contatto con le acque reflue depurate devono essere resistenti alla corrosione (come i materiali in acciaio inossidabile duplex spesso utilizzati per le apparecchiature di trattamento delle acque reflue), in modo da migliorare la durata del sistema e ridurre il numero di interventi di manutenzione.
In termini di progettazione del sistema energetico, poiché la generazione di energia della turbina fognaria non è completamente stabile per vari motivi, l'intero sistema di generazione di energia è collegato in parallelo alla rete per mantenere un'alimentazione elettrica affidabile. La connessione alla rete deve essere predisposta in conformità con le linee guida tecniche per la connessione alla rete emanate dalla società elettrica e dal Dipartimento dei Servizi Elettrici e Meccanici del Governo della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong.
Per quanto riguarda la disposizione delle tubazioni, oltre alle limitazioni del sito, si è tenuto conto anche della necessità di manutenzione e riparazione del sistema. A questo proposito, il progetto originale di installazione della turbina idraulica nel pozzo di sedimentazione proposto nel progetto di ricerca e sviluppo è stato modificato. I liquami depurati vengono invece convogliati fuori dal pozzo tramite una gola e inviati alla turbina idraulica, riducendo notevolmente la difficoltà e i tempi di manutenzione e riducendo l'impatto sul normale funzionamento dell'impianto di depurazione.
Considerata la necessità occasionale di sospendere il serbatoio di sedimentazione per manutenzione, la gola del sistema di turbine è collegata a due alberi di quattro serie di serbatoi di sedimentazione a doppio piano. Anche in caso di arresto di due serie di serbatoi di sedimentazione, gli altri due possono comunque fornire liquami depurati, azionare il sistema di turbine e continuare a generare elettricità. Inoltre, è stato riservato uno spazio vicino all'albero del serbatoio di sedimentazione 47/49 per l'installazione futura del secondo sistema di generazione di energia a turbina idraulica, in modo che, quando i quattro gruppi di serbatoi di sedimentazione funzionano normalmente, i due sistemi di generazione di energia a turbina possano generare energia contemporaneamente, raggiungendo la massima capacità.
3.3 Selezione della turbina idraulica e del generatore
La turbina idraulica è l'apparecchiatura chiave dell'intero sistema di generazione di energia. Le turbine possono essere generalmente suddivise in due categorie in base al principio di funzionamento: a impulsi e a reazione. Nel tipo a impulsi, il fluido viene spinto ad alta velocità verso la pala della turbina attraverso diversi ugelli, azionando il generatore per generare energia. Nel tipo a reazione, il fluido attraversa la pala della turbina e sfrutta la pressione del livello dell'acqua per azionare il generatore e generare energia. In questo progetto, basato sul fatto che le acque reflue depurate possono fornire una bassa pressione dell'acqua durante il flusso, viene selezionata la turbina Kaplan, uno dei tipi a reazione più appropriati, poiché questa turbina offre un'elevata efficienza a bassa pressione dell'acqua ed è relativamente sottile, il che la rende più adatta allo spazio limitato in loco.
Per quanto riguarda il generatore, è stato selezionato un generatore sincrono a magneti permanenti azionato da una turbina idraulica a velocità costante. Questo generatore può generare tensione e frequenza più stabili rispetto a un generatore asincrono, migliorando così la qualità dell'alimentazione elettrica, semplificando la rete parallela e richiedendo meno manutenzione.
4 Caratteristiche costruttive e operative
4.1 Disposizione parallela della griglia
La connessione alla rete elettrica deve essere effettuata in conformità con le linee guida tecniche per la connessione alla rete emesse dalla società elettrica e dal Dipartimento dei Servizi Elettrici e Meccanici del Governo della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong. Secondo tali linee guida, il sistema di generazione di energia da fonti rinnovabili deve essere dotato di una funzione di protezione anti-isola, in grado di separare automaticamente il sistema di generazione di energia da fonti rinnovabili dalla rete di distribuzione quando la rete elettrica interrompe l'erogazione di energia per qualsiasi motivo, in modo che il sistema di generazione di energia da fonti rinnovabili non possa continuare a fornire energia alla rete di distribuzione, garantendo così la sicurezza del personale elettrotecnico che lavora sulla rete o sulla rete di distribuzione.
In termini di funzionamento sincrono dell'alimentazione elettrica, il sistema di generazione di energia rinnovabile e il sistema di distribuzione possono essere sincronizzati solo quando l'intensità di tensione, l'angolo di fase o la differenza di frequenza sono controllati entro limiti accettabili.
4.2 Controllo e protezione
Il sistema di generazione di energia a turbina idraulica può essere controllato in modalità automatica o manuale. In modalità automatica, gli alberi del serbatoio di sedimentazione 47/49 # o 51/53 # possono essere utilizzati come fonte di energia idraulica e il sistema di controllo avvierà diverse valvole di controllo in base ai dati predefiniti per selezionare il serbatoio di sedimentazione più appropriato, in modo da ottimizzare la generazione di energia a turbina idraulica. Inoltre, la valvola di controllo regola automaticamente il livello delle acque reflue a monte in modo che il serbatoio di sedimentazione non trabocchi con le acque reflue depurate, aumentando così la generazione di energia al massimo livello. Il sistema di generazione di energia a turbina può essere regolato nella sala controllo principale o in loco.
In termini di protezione e controllo, se la scatola di alimentazione o la valvola di controllo del sistema della turbina si guasta o il livello dell'acqua supera il livello massimo consentito, il sistema di generazione di energia della turbina idraulica interromperà automaticamente il funzionamento e scaricherà le acque reflue depurate attraverso il tubo di bypass, in modo da evitare che il serbatoio di sedimentazione a monte trabocchi a causa di un guasto del sistema.
5 Prestazioni del funzionamento del sistema
Questo sistema di generazione di energia a turbina idraulica è entrato in funzione alla fine del 2018, con una potenza media mensile di oltre 10.000 kW·h. La pressione effettiva dell'acqua che può azionare il sistema di generazione di energia a turbina idraulica varia anche nel tempo a causa dell'alta e bassa portata di acque reflue raccolte e trattate dall'impianto di depurazione ogni giorno. Al fine di massimizzare la potenza generata dal sistema a turbina, il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio ha progettato un sistema di controllo per regolare automaticamente la coppia di azionamento della turbina in base alla portata giornaliera delle acque reflue, migliorando così l'efficienza della produzione di energia. La Figura 7 mostra la relazione tra il sistema di generazione di energia e la portata d'acqua. Quando la portata d'acqua supera il livello impostato, il sistema entra automaticamente in funzione per generare elettricità.
6 Sfide e soluzioni
Il Dipartimento dei servizi di drenaggio ha incontrato molte sfide nello svolgimento dei progetti rilevanti e ha formulato piani corrispondenti in risposta a queste sfide,
7 Conclusion
Nonostante le varie sfide, questo sistema di generazione di energia a turbina idraulica è stato messo in funzione con successo alla fine del 2018. La potenza media mensile del sistema è di oltre 10.000 kW·h, equivalente al consumo energetico mensile medio di circa 25 famiglie di Hong Kong (il consumo energetico mensile medio di ogni famiglia di Hong Kong nel 2018 era di circa 390 kW·h). Il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio si impegna a "fornire servizi di trattamento e drenaggio delle acque reflue e piovane di livello mondiale per promuovere lo sviluppo sostenibile di Hong Kong", promuovendo al contempo progetti di tutela ambientale e lotta al cambiamento climatico. Nell'ambito dell'applicazione delle energie rinnovabili, il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio utilizza biogas, energia solare e l'energia derivante dal flusso di acque reflue depurate per generare energia rinnovabile. Negli ultimi anni, la produzione media annua di energia rinnovabile dal Dipartimento dei Servizi di Drenaggio è stata di circa 27 milioni di kW·h, in grado di soddisfare il fabbisogno energetico di circa il 9% del Dipartimento. Il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio continuerà i suoi sforzi per rafforzare e promuovere l'applicazione delle energie rinnovabili.
Data di pubblicazione: 22 novembre 2022
