Il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio del Governo della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong si impegna a contribuire alla mitigazione dei cambiamenti climatici globali. Nel corso degli anni, in alcuni dei suoi impianti sono stati installati sistemi di risparmio energetico e di energia rinnovabile. 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 idraulica a turbina presso l'impianto di depurazione di Stonecutters Island (l'impianto con la maggiore capacità di trattamento delle acque reflue di Hong Kong). Questo sistema sfrutta l'energia idraulica delle acque reflue in movimento per azionare la turbina-generatore e produrre elettricità per le esigenze dell'impianto. Il presente documento illustra il sistema, comprese le sfide incontrate nella realizzazione dei relativi progetti, le considerazioni e le caratteristiche della progettazione e costruzione del sistema, nonché le sue prestazioni operative. Il sistema non solo contribuisce al risparmio sui costi dell'energia elettrica, ma utilizza anche l'acqua per ridurre le emissioni di carbonio.
1 Introduzione al progetto
La seconda fase A del "Piano di depurazione del porto" è un piano su larga scala attuato 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 lavoro comprende la costruzione di un tunnel fognario profondo, lungo circa 21 km e profondo 163 metri, per trasportare le acque reflue prodotte a nord e sud-ovest dell'isola all'impianto di depurazione di Stonecutters Island, e per aumentare la capacità di trattamento dell'impianto a 245 × 10⁵ m³/giorno, fornendo servizi di depurazione per circa 5,7 milioni di cittadini. A causa delle limitazioni di spazio, l'impianto di depurazione di Stonecutters Island utilizza 46 serie di vasche di sedimentazione a doppio livello per il trattamento primario chimico delle acque reflue, e ogni due serie di vasche di sedimentazione condividono un pozzo verticale (per un totale di 23 pozzi) per inviare le acque reflue depurate alla condotta di drenaggio sotterranea per la disinfezione finale, e quindi al mare aperto.
2 Ricerca e sviluppo preliminari rilevanti
Considerata l'elevata quantità di acque reflue trattate quotidianamente dall'impianto di depurazione di Stonecutters Island e l'esclusiva struttura a doppio strato della sua vasca di sedimentazione, è possibile generare una certa quantità di energia idraulica durante lo scarico delle acque reflue depurate, necessaria per azionare il generatore a turbina e produrre 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 hanno confermato la fattibilità dell'installazione dei generatori a turbina.
Posizione di installazione: nel pozzo della vasca 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); Portata: 1,1 ～ 1,25 m³/s; Potenza massima in uscita: 45~50 kW; Apparecchiature e materiali: Poiché le acque reflue depurate presentano ancora una certa corrosività, i materiali selezionati e le relative apparecchiature devono avere un'adeguata protezione e resistenza alla corrosione.
A tal proposito, il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio ha riservato spazio per due serie di vasche di sedimentazione nell'impianto di depurazione delle acque reflue per installare un sistema di generazione di energia tramite turbina nell'ambito del progetto di ampliamento del "Progetto di depurazione del porto, fase II A".
3 Considerazioni e caratteristiche relative alla 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 del pozzo adiacente nell'acqua in movimento.
In altre parole, maggiore è la velocità del flusso e la pressione effettiva dell'acqua, maggiore è la potenza generata. Pertanto, al fine di generare più energia, uno degli obiettivi di progettazione è quello di consentire al sistema di turbina di ricevere la massima velocità del flusso d'acqua e la massima pressione effettiva dell'acqua.
3.2 Punti chiave della progettazione del sistema
Innanzitutto, in termini di progettazione, il sistema di turbine di nuova installazione non deve interferire il meno possibile con il normale funzionamento dell'impianto di depurazione. Ad esempio, il sistema deve essere dotato di dispositivi di protezione adeguati per impedire che la vasca di sedimentazione a monte trabocchi a causa di un controllo errato 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 dalla vasca di sedimentazione contengono ancora alcune sostanze corrosive, come acido solfidrico e sali, tutti i materiali dei componenti del sistema a 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 depurazione), in modo da migliorare la durata del sistema e ridurre il numero di interventi di manutenzione.
Per quanto riguarda la progettazione del sistema di alimentazione, poiché la produzione di energia della turbina per acque reflue non è completamente stabile per diverse ragioni, l'intero sistema di generazione di energia è collegato in parallelo alla rete per garantire un'alimentazione affidabile. Il collegamento alla rete deve essere realizzato 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 ai vincoli esistenti del sito, si tiene conto anche della necessità di manutenzione e riparazione del sistema. A tal proposito, il piano originario di installare la turbina idraulica nel pozzo della vasca di sedimentazione, proposto nel progetto di ricerca e sviluppo, è stato modificato. Invece, le acque reflue depurate vengono convogliate fuori dal pozzo attraverso un condotto e inviate alla turbina idraulica, il che riduce notevolmente la complessità e i tempi di manutenzione e minimizza l'impatto sul normale funzionamento dell'impianto di depurazione.
Considerato che la vasca di sedimentazione deve essere occasionalmente sospesa per manutenzione, la gola del sistema a turbina è collegata a due alberi di quattro gruppi di vasche di sedimentazione a doppio piano. Anche se due gruppi di vasche di sedimentazione dovessero arrestarsi, gli altri due possono comunque fornire acque reflue depurate, azionare il sistema a turbina e continuare a generare elettricità. Inoltre, è stato riservato uno spazio vicino all'albero della vasca di sedimentazione n. 47/49 per l'installazione futura di un secondo sistema di generazione di energia idraulica a turbina, in modo che, quando i quattro gruppi di vasche di sedimentazione funzionano normalmente, i due sistemi di generazione di energia a turbina possano produrre energia contemporaneamente, raggiungendo la massima capacità di potenza.
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. Nelle turbine a impulsi, il fluido viene sparato ad alta velocità verso le pale della turbina attraverso ugelli multipli, azionando poi il generatore per produrre energia. Nelle turbine a reazione, il fluido attraversa le pale della turbina e sfrutta la pressione dell'acqua per azionare il generatore e produrre energia. In questo progetto, considerando che le acque reflue depurate possono generare una bassa pressione dell'acqua durante il flusso, è stata scelta la turbina Kaplan, una delle turbine a reazione più adatte, in quanto presenta un'elevata efficienza a bassa pressione dell'acqua ed è relativamente sottile, il che la rende più idonea allo spazio limitato disponibile in loco.
Per quanto riguarda il generatore, è stato scelto un generatore sincrono a magneti permanenti azionato da una turbina idraulica a velocità costante. Questo generatore è in grado di fornire una tensione e una frequenza più stabili rispetto a un generatore asincrono, migliorando così la qualità dell'alimentazione, semplificando la realizzazione di reti parallele e riducendo i costi di manutenzione.
4 Caratteristiche costruttive e operative
4.1 Disposizione parallela della griglia
Il collegamento alla rete deve essere effettuato in conformità con le linee guida tecniche per il collegamento alla rete emanate 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 disconnettere automaticamente il relativo sistema di generazione di energia da fonti rinnovabili dalla rete di distribuzione qualora la rete elettrica interrompa l'erogazione di energia per qualsiasi motivo, impedendo così al sistema di generazione di energia da fonti rinnovabili di continuare a fornire energia alla rete di distribuzione e garantendo la sicurezza del personale tecnico-elettrico che opera sulla rete o sulla rete di distribuzione.
In termini di funzionamento sincrono dell'alimentazione elettrica, il sistema di generazione e distribuzione di energia da fonti rinnovabili può essere sincronizzato solo quando l'intensità di tensione, l'angolo di fase o la differenza di frequenza sono mantenuti entro limiti accettabili.
4.2 Controllo e protezione
Il sistema di generazione di energia tramite turbina idraulica può essere controllato in modalità automatica o manuale. In modalità automatica, gli alberi delle vasche di sedimentazione 47/49 o 51/53 possono essere utilizzati come fonte di energia idraulica e il sistema di controllo avvierà diverse valvole di regolazione in base ai dati predefiniti per selezionare la vasca di sedimentazione più appropriata, in modo da ottimizzare la generazione di energia tramite turbina idraulica. Inoltre, la valvola di regolazione regolerà automaticamente il livello delle acque reflue a monte in modo che la vasca di sedimentazione non trabocchi, massimizzando così la produzione di energia. Il sistema di generazione di energia tramite turbina può essere regolato dalla sala di controllo principale o in loco.
In termini di protezione e controllo, se il quadro elettrico o la valvola di controllo del sistema a turbina si guastano o il livello dell'acqua supera il livello massimo consentito, il sistema di generazione di energia idraulica a turbina si arresta automaticamente e scarica le acque reflue depurate attraverso il tubo di bypass, in modo da impedire che la vasca di sedimentazione a monte trabocchi a causa di un guasto del sistema.
5 Prestazioni del funzionamento del sistema
Questo sistema di generazione di energia idraulica a turbina è entrato in funzione alla fine del 2018, con una produzione media mensile di oltre 10.000 kWh. La pressione effettiva dell'acqua necessaria per azionare il sistema di generazione di energia idraulica a turbina varia nel tempo a causa delle fluttuazioni giornaliere del flusso di acque reflue raccolte e trattate dall'impianto di depurazione. Al fine di massimizzare l'energia generata dal sistema a turbina, il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio ha progettato un sistema di controllo che regola automaticamente la coppia di azionamento della turbina in base al flusso giornaliero di acque reflue, migliorando così l'efficienza della produzione di energia. La Figura 7 mostra la relazione tra il sistema di generazione di energia e il flusso d'acqua. Quando il flusso d'acqua supera il livello impostato, il sistema si attiva automaticamente per generare elettricità.
6 sfide e soluzioni
Il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio ha incontrato molte difficoltà nell'esecuzione dei progetti pertinenti e ha formulato piani corrispondenti in risposta a queste difficoltà,
7 Conclusion
Nonostante le diverse difficoltà, questo sistema di generazione di energia idraulica a turbina è stato messo in funzione con successo alla fine del 2018. La produzione media mensile di energia del sistema supera i 10.000 kWh, pari al consumo medio mensile di circa 25 famiglie di Hong Kong (il consumo medio mensile di ogni famiglia di Hong Kong nel 2018 era di circa 390 kWh). Il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio si impegna a "fornire servizi di trattamento delle acque reflue e piovane e servizi di drenaggio di livello mondiale per promuovere lo sviluppo sostenibile di Hong Kong", promuovendo al contempo progetti di tutela ambientale e di contrasto ai cambiamenti climatici. Nell'ambito dell'applicazione delle energie rinnovabili, il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio utilizza biogas, energia solare ed energia derivante dal flusso di acque reflue depurate per generare energia rinnovabile. Negli ultimi anni, la produzione media annua di energia rinnovabile del Dipartimento dei Servizi di Drenaggio è stata di circa 27 milioni di kWh, sufficienti a soddisfare circa il 9% del fabbisogno energetico del Dipartimento stesso. Il Dipartimento dei Servizi di Drenaggio continuerà a impegnarsi per rafforzare e promuovere l'applicazione delle energie rinnovabili.
Data di pubblicazione: 22 novembre 2022
