香港特別行政区政府の排水サービス部は、地球規模の気候変動緩和に貢献することに尽力しています。長年にわたり、同部が管理する施設の一部に省エネルギー設備や再生可能エネルギー設備を導入してきました。香港の「港湾浄化計画第2期A」の正式開始に伴い、排水サービス部はストーンカッターズ島下水処理場（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、流れる下水の油圧エネルギーを利用してタービン発電機を駆動し、処理場内の設備で使用する電力を発電します。本稿では、このシステムについて、関連プロジェクトの実施における課題、システム設計・建設における考慮事項と特徴、およびシステムの運用実績を含めて紹介します。このシステムは、電気料金の節約に貢献するだけでなく、水を利用して二酸化炭素排出量の削減にも役立ちます。
1. プロジェクト概要
「港湾浄化計画」の第2段階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した大規模計画です。2015年12月に正式に本格的に運用が開始されました。その事業範囲には、全長約21km、地下163mの深層下水トンネルの建設、島の北部と南西部で発生した下水をストーンカッターズ島下水処理場へ輸送すること、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などが含まれます。土地の制約のため、ストーンカッターズ島下水処理場では、下水の化学的強化一次処理に46セットの二段式沈殿槽を使用しており、2セットの沈殿槽ごとに1本の垂直シャフト（合計23本のシャフト）を共有し、浄化された下水を地下排水管に送って最終消毒を行い、その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汚水が処理されており、また沈殿槽は独自の二重構造になっているため、浄化された汚水を排出する際に一定量の水力エネルギーが発生し、タービン発電機を駆動して発電することが可能です。そこで、排水サービス部は2008年に関連する実現可能性調査を実施し、一連の現地試験を行いました。これらの予備調査の結果、タービン発電機の設置が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。機器および材料：浄化された下水にはある程度の腐食性があるため、選択された材料および関連機器は、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、排水サービス部は、「港湾浄化事業第2期A」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、下水処理場内に2組の沈殿槽を設置するスペースを確保しました。
3. システム設計上の考慮事項と機能
3.1 発電電力と有効水圧
水力エネルギーによって生成される電力と有効水圧の関係は次のとおりです。生成される電力 (kW) = [浄化された下水の密度 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（％）。有効水圧は、坑道の最大許容水位と、隣接する坑道の水位との差です。
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高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 システム設計の要点
まず、設計上、新設されるタービンシステムは、下水処理場の通常の運転にできる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、上流の沈殿槽から浄化された下水が溢れ出すのを防ぐための適切な保護装置を備えなければなりません。設計時に決定された運転パラメータ：流量1.06～1.50m³/s、有効水圧範囲24～52kPa。
さらに、沈殿槽で浄化された下水には硫化水素や塩などの腐食性物質が依然として含まれているため、浄化された下水と接触するタービンシステムのすべての構成部品は耐腐食性（下水処理装置によく使用される二相ステンレス鋼など）を備えている必要があり、これによりシステムの耐久性を向上させ、メンテナンスの回数を減らすことができます。
電力系統設計においては、下水タービンの発電は様々な理由から完全に安定しているとは言えないため、信頼性の高い電力供給を維持するために、発電システム全体を電力網と並列接続する。系統連系は、電力会社および香港特別行政区政府電気機械サービス部が発行する系統連系に関する技術ガイドラインに従って行うものとする。
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した。この点において、研究開発プロジェクトで提案されていた沈殿槽のシャフト内に水力タービンを設置するという当初の計画は変更された。代わりに、浄化された汚水をシャフトから開口部を通して水力タービンに送る方式に変更することで、保守の難易度と時間を大幅に削減し、下水処理場の通常運転への影響を軽減することができた。
沈殿槽はメンテナンスのために時折運転を停止する必要があるため、タービンシステムのスロート部は、4基の二段式沈殿槽の2本のシャフトに接続されています。2基の沈殿槽が運転を停止しても、残りの2基の沈殿槽から浄化された汚水が供給され、タービンシステムが駆動され、発電を継続できます。さらに、47/49号沈殿槽のシャフト付近には、将来的に第2水力タービン発電システムを設置するためのスペースが確保されており、4基の沈殿槽が正常に運転しているときは、2つのタービン発電システムが同時に発電し、最大出力に達することができます。
3.3 水力タービンおよび発電機の選定
水力タービンは、発電システム全体の主要機器です。タービンは、動作原理に基づいて、パルス型と反動型の2種類に大別されます。パルス型は、流体が複数のノズルから高速でタービンブレードに噴射され、発電機を駆動してエネルギーを生成します。反動型は、流体がタービンブレードを通過し、水圧を利用して発電機を駆動してエネルギーを生成します。本設計では、浄化された下水は流水時に低水圧を提供できるという事実に基づき、より適切な反動型タービンの1つであるカプラン水車を選定しました。このタービンは低水圧で効率が高く、比較的薄型であるため、設置場所の限られたスペースに適しています。
発電機に関しては、定速水力タービン駆動の永久磁石同期発電機を採用した。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、およびメンテナンス頻度の低減に貢献する。
4. 構造と運用上の特徴
4.1 グリッドの平行配置
系統連系は、電力会社および香港特別行政区政府の電気機械サービス部が発行する系統連系に関する技術ガイドラインに従って実施するものとする。ガイドラインによれば、再生可能エネルギー発電システムには、系統連系が何らかの理由で電力供給を停止した場合に、関連する再生可能エネルギー発電システムを配電システムから自動的に切り離すことができる系統分離防止機能が備わっていなければならない。これにより、再生可能エネルギー発電システムが配電システムに電力を供給し続けることがなくなり、系統または配電システム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言えば、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運転が可能である。
4.2 制御と保護
水力タービン発電システムは、自動モード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号または51/53号のシャフトを水力エネルギー源として使用でき、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することで、水力タービン発電を最適化します。さらに、制御弁は上流側の汚水レベルを自動的に調整し、沈殿槽から浄化された汚水が溢れないようにすることで、発電量を最大化します。タービン発電システムは、主制御室または現場で制御できます。
保護および制御の観点から、タービンシステムの電源ボックスまたは制御弁が故障した場合、あるいは水位が最大許容水位を超えた場合、水力タービン発電システムは自動的に運転を停止し、バイパスパイプを通して浄化された汚水を排出します。これにより、システム障害によって上流の沈殿槽から浄化された汚水が溢れ出すのを防ぎます。
5. システム動作のパフォーマンス
この水力タービン発電システムは2018年末に稼働を開始し、月平均出力は10,000 kW・hを超えています。水力タービン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。タービンシステムによる発電量を最大化するために、排水サービス部は、日々の下水流量に応じてタービンの運転トルクを自動的に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。水流量が設定値を超えると、システムは自動的に発電を開始します。
6つの課題と解決策
排水サービス部は、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に適切な計画を策定しました。
7. 結論
様々な課題にもかかわらず、この水力タービン発電システムは2018年末に無事稼働を開始しました。システムの月平均出力は10,000kW・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です）。排水サービス部は、「香港の持続可能な発展を促進するために世界クラスの汚水・雨水処理および排水サービスを提供する」ことに尽力するとともに、環境保護および気候変動対策プロジェクトを推進しています。再生可能エネルギーの利用において、排水サービス部はバイオガス、太陽エネルギー、浄化された汚水の流れからのエネルギーを利用して再生可能エネルギーを生成しています。過去数年間、排水サービス部が生成した年間平均再生可能エネルギーは約2,700万kW・hで、排水サービス部のエネルギー需要の約9%を満たすことができます。排水サービス部は、再生可能エネルギーの利用を強化および促進するための努力を継続します。
投稿日時：2022年11月22日
