홍콩 특별행정구 정부의 배수 서비스 부서는 지구 기후 변화 완화에 기여하고자 노력하고 있습니다. 수년에 걸쳐 일부 시설에 에너지 절약 및 재생 에너지 시설이 설치되었습니다. 홍콩의 "항구 정화 계획 2단계 A"가 공식 출범함에 따라 배수 서비스 부서는 홍콩에서 가장 큰 하수 처리 용량을 갖춘 하수 처리 시설인 스톤커터스 아일랜드 하수 처리 시설에 수력 터빈 발전 시스템을 설치했습니다. 이 시스템은 흐르는 하수의 수력 에너지를 사용하여 터빈 발전기를 구동한 다음 시설 내 시설에서 사용할 전기를 생산합니다. 이 논문은 관련 프로젝트 실행 시 직면한 과제, 시스템 설계 및 시공의 고려 사항 및 특성, 시스템의 운영 성능을 포함하여 시스템을 소개합니다. 이 시스템은 전기 비용을 절감하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 물을 사용하여 탄소 배출을 줄입니다.
1 프로젝트 소개
"항구 정화 계획" 2단계 A는 홍콩특별행정구 정부가 빅토리아 항의 수질 개선을 위해 시행하는 대규모 계획으로, 2015년 12월부터 본격적으로 운영되고 있습니다. 사업 범위에는 총 길이 약 21km, 지하 163m의 심층 하수 터널 건설이 포함되어 있으며, 섬의 북서쪽과 남서쪽에서 발생하는 하수를 스톤커터스 섬 하수처리장으로 이송하고, 하수처리장의 처리 용량을 하루 245×105m³로 늘려 약 570만 명의 시민에게 하수 처리 서비스를 제공할 계획입니다. 토지 제약으로 인해 스톤커터스 아일랜드 하수 처리 시설에서는 화학적으로 강화된 1차 하수 처리를 위해 46세트의 2층 침전조를 사용하고, 2세트의 침전조가 수직 갱도를 공유하여(즉, 총 23개의 갱도) 정화된 하수를 최종 소독을 위해 지하 배수관으로 보낸 다음 심해로 흘려보냅니다.
2 관련 초기 연구 및 개발
스톤커터스 아일랜드 하수처리장은 매일 대량의 하수를 처리하고, 침전조의 독특한 이중층 설계를 통해 정화된 하수를 배출하는 동시에 일정량의 수력 에너지를 공급하여 터빈 발전기를 구동하여 전기를 생산할 수 있습니다. 배수 서비스 부서 팀은 2008년에 관련 타당성 조사를 실시하고 일련의 현장 시험을 수행했습니다. 이러한 예비 조사 결과는 터빈 발전기 설치의 타당성을 확인시켜 주었습니다.
설치 위치: 침전조 샤프트 내부; 유효 수압: 4.5~6m(구체적인 설계는 향후 실제 운영 조건 및 터빈의 정확한 위치에 따라 달라짐); 유량 범위: 1.1 ～ 1.25 m3/s; 최대 출력 전력: 45~50 kW; 장비 및 재료: 정화된 하수는 여전히 어느 정도 부식성이 있으므로, 선택된 재료 및 관련 장비는 적절한 보호 및 내식성을 가져야 합니다.
이에 배수서비스부는 “항만정화사업 2단계 A” 확장사업에서 터빈발전시스템을 설치하기 위해 하수처리장에 침전조 2세트를 설치할 공간을 확보하였습니다.
3 시스템 설계 고려 사항 및 기능
3.1 발전량 및 유효수압
유체역학적 에너지에 의해 생산되는 전력과 유효수압의 관계는 다음과 같다. 생산전력(kW) = [정화수 밀도 ρ(kg/m3) × 유량 Q(m3/s) × 유효수압 H(m) × 중력상수 g(9.807m/s2)] ÷ 1000
× 전체 시스템 효율(%). 유효 수압은 갱도의 최대 허용 수위와 흐르는 물 속 인접 갱도의 수위의 차이입니다.
즉, 유속과 유효 수압이 높을수록 발전량도 커집니다. 따라서 더 많은 전력을 생산하기 위해서는 터빈 시스템이 가장 높은 유속과 유효 수압을 받을 수 있도록 하는 것이 설계 목표 중 하나입니다.
3.2 시스템 설계의 핵심 사항
우선, 설계 측면에서 새로 설치된 터빈 시스템은 하수처리장의 정상적인 운영에 최대한 영향을 미치지 않아야 합니다. 예를 들어, 잘못된 시스템 제어로 인해 상류 침전조에서 정화된 하수가 넘치지 않도록 적절한 보호 장치를 갖추어야 합니다. 설계 과정에서 결정된 운전 매개변수는 다음과 같습니다. 유량 1.06~1.50m³/s, 유효 수압 범위 24~52kPa.
또한 침전조에서 정화된 하수에는 황화수소, 소금 등 부식성 물질이 여전히 포함되어 있으므로 정화된 하수와 접촉하는 모든 터빈 시스템 구성품 재료는 내식성이 있어야 합니다(예: 하수 처리 장비에 자주 사용되는 이중 스테인리스 스틸 재료). 이렇게 하면 시스템의 내구성을 높이고 유지관리 횟수를 줄일 수 있습니다.
전력 시스템 설계 측면에서, 하수 터빈의 발전은 여러 가지 이유로 완전히 안정적이지 않기 때문에, 안정적인 전력 공급을 유지하기 위해 전체 발전 시스템을 계통에 병렬로 연결합니다. 계통 연결은 전력 회사와 홍콩특별행정구 정부 전기기계서비스국이 발표한 계통 연결 기술 지침에 따라야 합니다.
배관 배치 측면에서는 기존 부지 제약 외에도 시스템 유지관리 및 보수의 필요성도 고려되었습니다. 이러한 점을 고려하여 R&D 프로젝트에서 제안했던 침전조 갱도에 수력 터빈을 설치한다는 당초 계획을 변경했습니다. 정화된 하수는 스로트를 통해 갱도 밖으로 배출되어 수력 터빈으로 보내집니다. 이를 통해 유지관리의 어려움과 시간을 크게 줄이고 하수처리장의 정상 운영에 미치는 영향을 최소화합니다.
침전조는 유지보수를 위해 가끔 정지해야 하는 경우가 있으므로, 터빈 시스템의 목 부분은 4세트의 복층 침전조의 두 축에 연결되어 있습니다. 두 세트의 침전조가 작동을 멈추더라도 나머지 두 세트의 침전조는 정화된 하수를 공급하고 터빈 시스템을 구동하며 전력을 계속 생산할 수 있습니다. 또한, 47/49# 침전조 축 근처에는 향후 두 번째 수력 터빈 발전 시스템을 설치할 수 있는 공간을 확보하여, 네 세트의 침전조가 정상적으로 작동할 경우 두 터빈 발전 시스템이 동시에 발전하여 최대 발전 용량에 도달할 수 있도록 했습니다.
3.3 수력 터빈 및 발전기 선정
수력 터빈은 전체 발전 시스템의 핵심 장비입니다. 터빈은 일반적으로 작동 원리에 따라 펄스형과 반응형으로 구분할 수 있습니다. 임펄스형은 유체가 여러 개의 노즐을 통해 고속으로 터빈 블레이드로 분사되어 발전기를 구동하여 에너지를 생성합니다. 반응형은 유체가 터빈 블레이드를 통과하면서 수위의 압력을 이용하여 발전기를 구동하여 에너지를 생성합니다. 이 설계에서는 정화된 하수가 흐를 때 낮은 수압을 제공할 수 있다는 사실을 바탕으로, 더 적합한 반응형 중 하나인 카플란 터빈을 선택했습니다. 이 터빈은 낮은 수압에서 높은 효율을 보이고 비교적 얇아 현장의 제한된 공간에 더 적합하기 때문입니다.
발전기 측면에서는 정속 수력 터빈으로 구동되는 영구자석 동기 발전기가 선택되었습니다. 이 발전기는 비동기 발전기보다 더 안정적인 전압과 주파수를 출력할 수 있어 전력 공급 품질을 향상시키고, 병렬 계통을 간소화하며, 유지 보수 비용을 절감할 수 있습니다.
4. 구조 및 작동 특징
4.1 그리드 병렬 배열
계통 연결은 전력 회사와 홍콩특별행정구 정부 전기기계서비스부가 발표한 계통 연결 기술 지침에 따라 수행되어야 합니다. 이 지침에 따라 재생에너지 발전 시스템은 단독 운전 방지 보호 기능을 갖춰야 합니다. 이 기능은 전력망이 어떠한 이유로든 전력 공급을 중단할 경우, 해당 재생에너지 발전 시스템을 배전 시스템에서 자동으로 분리하여 재생에너지 발전 시스템이 배전 시스템에 전력을 계속 공급할 수 없도록 합니다. 이를 통해 계통 또는 배전 시스템에서 작업하는 전기 기술자의 안전을 보장할 수 있습니다.
전력 공급의 동기 운전 측면에서, 재생 에너지 발전 시스템과 배전 시스템은 전압 강도, 위상 각도 또는 주파수 차이가 허용 가능한 한도 내로 제어되는 경우에만 동기화될 수 있습니다.
4.2 통제 및 보호
수력 터빈 발전 시스템은 자동 또는 수동 모드로 제어할 수 있습니다. 자동 모드에서는 침전조 47/49# 또는 51/53#의 샤프트를 수력 에너지원으로 사용할 수 있으며, 제어 시스템은 기본 데이터에 따라 다양한 제어 밸브를 작동시켜 가장 적합한 침전조를 선택하고 수력 터빈 발전을 최적화합니다. 또한, 제어 밸브는 상류 하수 수위를 자동으로 조절하여 침전조가 정화된 하수를 넘치지 않도록 하여 발전량을 최대치로 높입니다. 터빈 발전 시스템은 주 제어실 또는 현장에서 제어할 수 있습니다.
보호 및 제어 측면에서, 터빈 시스템의 전원 공급 상자 또는 제어 밸브가 고장나거나 수위가 최대 허용 수위를 초과할 경우, 수력 터빈 발전 시스템도 자동으로 작동을 멈추고 우회 파이프를 통해 정화된 하수를 방출하여 시스템 고장으로 인해 상류 침전조에서 정화된 하수가 넘치는 것을 방지합니다.
5 시스템 운영 성능
이 수력 터빈 발전 시스템은 2018년 말 가동을 시작했으며, 월평균 출력은 10,000kW·h 이상입니다. 수력 터빈 발전 시스템을 구동할 수 있는 유효 수압 또한 하수처리장에서 매일 수거 및 처리되는 하수의 유량에 따라 시간에 따라 변동합니다. 배수 서비스 부서는 터빈 시스템의 발전량을 극대화하기 위해 일일 하수 유량에 따라 터빈 작동 토크를 자동으로 조정하는 제어 시스템을 설계하여 발전 효율을 향상시켰습니다. 그림 7은 발전 시스템과 유량 간의 관계를 보여줍니다. 유량이 설정 수준을 초과하면 시스템이 자동으로 작동하여 전기를 생산합니다.
6가지 과제와 해결책
배수 서비스 부서는 관련 프로젝트를 수행하는 데 있어 많은 어려움에 직면했으며 이러한 어려움에 대응하여 해당 계획을 수립했습니다.
7 결론
다양한 어려움에도 불구하고, 이 수력 터빈 발전 시스템 세트는 2018년 말에 성공적으로 가동되었습니다. 이 시스템의 월평균 전력 출력은 10000kW·h 이상으로, 이는 홍콩 약 25가구의 월평균 전력 소비량과 같습니다(2018년 홍콩 각 가구의 월평균 전력 소비량은 약 390kW·h입니다). 배수 서비스 부서는 "홍콩의 지속 가능한 발전을 촉진하기 위해 세계적 수준의 하수 및 빗물 처리 및 배수 서비스를 제공"하는 데 전념하는 동시에 환경 보호 및 기후 변화 프로젝트를 촉진합니다. 재생 에너지 적용에서 배수 서비스 부서는 바이오가스, 태양 에너지 및 정화된 하수 흐름에서 나오는 에너지를 사용하여 재생 에너지를 생성합니다. 지난 몇 년 동안 배수 서비스 부서에서 생산된 연평균 재생 에너지는 약 2,700만 kW·h로, 배수 서비스 부서의 약 9%의 에너지 수요를 충족할 수 있습니다. 배수 서비스 부서는 재생 에너지 적용을 강화하고 촉진하기 위한 노력을 계속할 것입니다.
게시 시간: 2022년 11월 22일
