香港特別行政区政府排水サービス局は、地球規模の気候変動の緩和に尽力しており、長年にわたり、いくつかの処理施設に省エネおよび再生可能エネルギー設備を設置してきました。香港の「港湾浄化計画フェーズII A」の正式開始に伴い、排水サービス局は、ストーンカッターズアイランド下水処理場（香港最大の下水処理能力を持つ下水処理場）に水力タービン発電システムを設置しました。このシステムは、流れる下水の水力エネルギーを使用してタービン発電機を駆動し、処理場内の施設で使用する電力を生成します。本稿では、関連プロジェクトの実施で直面した課題、システム設計と建設の考慮事項と特徴、システムの運用パフォーマンスなど、システムを紹介します。このシステムは、電気コストの節約に役立つだけでなく、水を使用して炭素排出量を削減します。
1 プロジェクト紹介
「港湾浄化計画」第2期Aは、香港特別行政区政府がビクトリア港の水質改善のために実施する大規模な計画で、2015年12月に正式に全面運用を開始しました。工事範囲には、全長約21km、地下163mの深層下水トンネルを建設し、島の北西部と南西部で発生する汚水をストーンカッターズ島下水処理場まで輸送するとともに、下水処理場の処理能力を245×105m³/日に増強し、約570万人の市民に下水処理サービスを提供することが盛り込まれています。土地の制約により、ストーンカッターズ島下水処理場では、化学的に強化された下水の一次処理に 46 組の二層沈殿槽を使用しており、2 組の沈殿槽ごとに垂直シャフト (つまり合計 23 シャフト) を共有して、浄化された下水を地下の排水管に送り、最終消毒を行った後、深海に排出します。
2 関連する初期の研究開発
ストーンカッターズ島下水処理場では、毎日大量の下水を処理すること、そして沈殿槽の独自の二重構造設計により、浄化された下水を排出する際に一定の水力エネルギーを供給し、タービン発電機を駆動して発電することが可能です。排水サービス局チームは2008年に関連する実現可能性調査を実施し、一連の現地試験を実施しました。これらの予備調査の結果、タービン発電機の設置は実現可能であることが確認されました。
設置場所：沈殿槽のシャフト内。有効水圧：4.5～6m（具体的な設計は、将来の実際の運転条件とタービンの正確な位置によって異なります）。流量範囲：1.1～1.25m3/s。最大出力：45～50kW。設備と材料：浄化された汚水には依然として一定の腐食性があるため、選択された材料と関連機器は適切な保護と耐腐食性を備えている必要があります。
この点に関して、排水サービス局は、「港湾浄化プロジェクトフェーズII A」の拡張プロジェクトにおいて、タービン発電システムを設置するために、下水処理場に沈殿槽2組分のスペースを確保した。
3 システム設計の考慮事項と機能
3.1 発電電力と有効水圧
流体力学的エネルギーによって発生する電力と有効水圧の関係は、以下のとおりです。発電電力（kW）＝[浄化槽の密度ρ（kg/m3）×水流量Q（m3/s）×有効水圧H（m）×重力定数g（9.807 m/s2）]÷1000
× システム全体の効率（％）。有効水圧とは、シャフトの最大許容水位と隣接するシャフトの流水位との差です。
つまり、流速と有効水圧が高いほど、発電量は大きくなります。したがって、より多くの発電量を得るためには、タービンシステムが最大の流速と有効水圧を受けられるようにすることが設計目標の一つとなります。
3.2 システム設計のポイント
まず設計面では、新設するタービンシステムが下水処理場の正常な運転に可能な限り影響を与えないようにする必要があります。例えば、システム制御の誤りにより上流の沈殿池から浄化された汚水が溢れ出すのを防ぐため、適切な保護装置を備える必要があります。設計時に決定された運転パラメータは、流量1.06～1.50m³/s、有効水圧範囲24～52kPaです。
また、沈殿槽で浄化された汚水には硫化水素や塩分などの腐食性物質が残っているため、浄化された汚水と接触するタービンシステムの構成材料はすべて耐腐食性（汚水処理装置によく使用される二相ステンレス鋼材料など）でなければなりません。これにより、システムの耐久性が向上し、メンテナンス回数が減ります。
電力システム設計の観点から、汚水タービンの発電は様々な理由により完全に安定しないため、発電システム全体を系統に並列接続することで、安定した電力供給を維持します。系統接続は、電力会社および香港特別行政区政府電機サービス局が発行する系統接続技術ガイドラインに従って実施されます。
配管レイアウトに関しては、既存の敷地制約に加え、システムの保守・修理の必要性も考慮されています。この点において、研究開発プロジェクトで提案された沈殿池竪坑内に水車を設置するという当初の計画は変更されました。浄化された下水はスロートを介して竪坑から水車へと導かれ、水車へと送られます。これにより、保守の難易度と時間が大幅に軽減され、下水処理場の通常運転への影響も軽減されます。
沈殿池はメンテナンスのために時折停止する必要があることを考慮し、タービンシステムのスロートは4組の二層沈殿池の2つのシャフトに接続されています。2組の沈殿池が運転を停止しても、他の2組の沈殿池は浄化された汚水を供給し、タービンシステムを駆動して発電を継続できます。また、47/49番沈殿池のシャフト付近に、将来的に第2水車発電システムを設置するための場所を確保しており、4組の沈殿池が正常に運転している際には、2つの水車発電システムが同時に発電し、最大発電量に達することができます。
3.3 水車と発電機の選定
水車は発電システム全体の中核設備です。水車は動作原理により、一般的にパルス型と反動型の2種類に分けられます。パルス型は、流体が複数のノズルから高速で水車ブレードに噴射され、発電機を駆動して発電します。反動型は、流体が水車ブレードを通過し、水位圧力を利用して発電機を駆動して発電します。本設計では、浄化された下水が流水時に低水圧を提供できるという事実に基づき、より適切な反動型の一つであるカプラン水車が選択されました。この水車は低水圧で高い効率を示し、比較的薄いため、現場の限られたスペースに適しています。
発電機に関しては、定速水車駆動の永久磁石同期発電機を採用しました。この発電機は非同期発電機よりも安定した電圧と周波数を出力できるため、電力供給品質の向上、並列系統の簡素化、メンテナンスの軽減につながります。
4 構造と操作の特徴
4.1 グリッド平行配置
系統接続は、電力会社および香港特別行政区政府電機サービス局が発行する系統接続技術ガイドラインに従って実施されるものとする。ガイドラインによると、再生可能エネルギー発電システムは、単独運転防止機能を備える必要がある。これは、何らかの理由で電力系統が電力供給を停止した場合、再生可能エネルギー発電システムが配電系統への電力供給を継続できないように、関連する再生可能エネルギー発電システムを配電系統から自動的に切り離す機能である。これにより、系統または配電系統で作業する電気技術者の安全が確保される。
電力供給の同期運転に関しては、再生可能エネルギー発電システムと配電システムは、電圧強度、位相角または周波数差が許容範囲内に制御されている場合にのみ同期できます。
4.2 管理と保護
水車発電システムは、自動または手動モードで制御できます。自動モードでは、沈殿槽47/49番または51/53番のシャフトを油圧エネルギー源として使用し、制御システムはデフォルトデータに基づいて異なる制御弁を起動し、最適な沈殿槽を選択して水車発電を最適化します。さらに、制御弁は上流の下水位を自動的に調整し、沈殿槽から浄化された下水が溢れないようにすることで、発電量を最大レベルまで高めます。水車発電システムは、中央制御室または現場で制御できます。
保護制御の面では、タービンシステムの電源ボックスや制御弁が故障したり、水位が最大許容水位を超えたりした場合、水車発電システムも自動的に運転を停止し、浄化された汚水をバイパスパイプから排出し、システム故障により上流の沈殿槽に浄化された汚水が溢れ出るのを防ぎます。
5 システム運用のパフォーマンス
この水車発電システムは2018年末に稼働を開始し、月平均出力は10000kW・hを超えています。水車発電システムを駆動できる有効水圧は、下水処理場で毎日収集・処理される下水の流量の増減により、時間とともに変化します。タービンシステムの発電電力を最大化するために、排水サービス部は、毎日の下水流量に応じてタービン運転トルクを自動調整する制御システムを設計し、発電効率を向上させています。図7は、発電システムと水流量の関係を示しています。水流量が設定レベルを超えると、システムが自動的に作動して発電します。
6つの課題と解決策
排水サービス局は、関連プロジェクトの実施において多くの課題に直面しており、これらの課題に対応するための計画を策定してきました。
7 結論
さまざまな課題にもかかわらず、この一連の水車発電システムは2018年末に正常に稼働しました。システムの月平均出力は10000kW・hを超え、これは香港の約25世帯の月平均電力消費量に相当します（2018年の香港の各世帯の月平均電力消費量は約390kW・h）。排水サービス部は、「世界クラスの下水および雨水処理と排水サービスを提供し、香港の持続可能な発展を促進する」ことに尽力し、環境保護と気候変動プロジェクトを推進しています。再生可能エネルギーの応用において、排水サービス部はバイオガス、太陽エネルギー、浄化された下水の流れからのエネルギーを使用して再生可能エネルギーを生成します。過去数年間、排水サービス部が生産する年間平均再生可能エネルギーは約2700万kW・hで、排水サービス部の約9%のエネルギー需要を満たすことができます。排水サービス局は、再生可能エネルギーの活用を強化し推進するための取り組みを継続していきます。
投稿日時: 2022年11月22日
