홍콩 특별행정구 정부 하수처리국은 지구 기후 변화 완화에 기여하기 위해 노력하고 있습니다. 수년에 걸쳐 일부 하수처리장에 에너지 절약 및 재생 에너지 설비를 설치해 왔습니다. 홍콩의 "항만 정화 계획 2단계 A"가 공식 출범함에 따라, 하수처리국은 홍콩 최대 하수처리장인 스톤커터스 아일랜드 하수처리장에 수력 터빈 발전 시스템을 설치했습니다. 이 시스템은 흐르는 하수의 수력을 이용하여 터빈 발전기를 구동하고, 이를 통해 처리장 내 설비에 필요한 전기를 생산합니다. 본 논문에서는 이 시스템을 소개하고, 관련 프로젝트 구현 과정에서 직면했던 어려움, 시스템 설계 및 시공 시 고려 사항과 특징, 그리고 시스템 운영 성능에 대해 설명합니다. 이 시스템은 전기 요금 절감에 도움이 될 뿐만 아니라, 물을 활용하여 탄소 배출량 감소에도 기여합니다.
1. 프로젝트 소개
“항만 정화 계획” 2단계 A 사업은 홍콩 특별행정구 정부가 빅토리아 항의 수질 개선을 위해 시행한 대규모 계획으로, 2015년 12월 공식적으로 전면 가동되었습니다. 이 사업의 주요 내용은 총 길이 약 21km, 지하 163m 깊이의 하수 터널을 건설하여 섬 북부와 남서부에서 발생하는 하수를 스톤커터스 아일랜드 하수처리장으로 이송하고, 하수처리장의 처리 용량을 245 × 10⁵m³/일로 증설하여 약 570만 명의 시민에게 하수 처리 서비스를 제공하는 것입니다. 토지 제약으로 인해 스톤커터스 아일랜드 하수처리장은 하수 화학적 강화 1차 처리를 위해 46세트의 복층 침전조를 사용하며, 각 침전조는 하나의 수직갱(총 23개 갱도)을 공유하여 정화된 하수를 지하 배수관으로 보내 최종 소독 후 심해로 방류합니다.
2. 관련 초기 연구 개발
스톤커터스 아일랜드 하수처리장은 매일 대량의 하수를 처리하고 있으며, 침전조는 독특한 이중 구조로 설계되어 있어 정화된 하수를 방류할 때 일정량의 수력을 발생시켜 터빈 발전기를 가동해 전기를 생산할 수 있습니다. 이에 따라 하수처리국은 2008년에 관련 타당성 조사를 실시하고 일련의 현장 시험을 진행했습니다. 이러한 예비 조사 결과는 터빈 발전기 설치의 타당성을 입증했습니다.
설치 위치: 침전조 수직갱 내; 유효 수압: 4.5~6m (구체적인 설계는 향후 실제 운전 조건 및 터빈의 정확한 위치에 따라 달라짐); 유량 범위: 1.1~1.25m³/s; 최대 출력: 45~50kW; 장비 및 자재: 정화된 하수는 여전히 어느 정도 부식성을 가지고 있으므로, 선택된 자재 및 관련 장비는 충분한 보호 및 내식성을 갖추어야 합니다.
이와 관련하여 하수처리국은 "항만 정화 사업 2단계 A" 확장 사업의 일환으로 하수처리장에 터빈 발전 시스템을 설치하기 위한 침전조 2세트의 공간을 확보해 두었습니다.
3. 시스템 설계 고려 사항 및 특징
3.1 발전량 및 유효 수압
수력 에너지에 의해 생성되는 전력과 유효 수압 사이의 관계는 다음과 같습니다. 생성 전력(kW) = [정수된 하수의 밀도 ρ (kg/m³) × 물의 유량 Q (m³/s) × 유효 수압 H (m) × 중력 상수 g (9.807 m/s²)] ÷ 1000
× 전체 시스템 효율(%). 유효 수압은 흐르는 물에서 수직갱의 최대 허용 수위와 인접한 수직갱의 수위 차이입니다.
즉, 유속과 유효 수압이 높을수록 생성되는 전력이 커집니다. 따라서 더 많은 전력을 생산하기 위한 설계 목표 중 하나는 터빈 시스템이 최대한의 유속과 유효 수압을 받을 수 있도록 하는 것입니다.
3.2 시스템 설계의 핵심 사항
우선 설계 측면에서 새로 설치되는 터빈 시스템은 하수처리장의 정상적인 운영에 최대한 영향을 미치지 않아야 합니다. 예를 들어, 시스템 제어 오류로 인해 상류 침전조에서 정화된 하수가 넘치는 것을 방지하기 위한 적절한 보호 장치를 갖추어야 합니다. 설계 시 결정된 운전 매개변수는 유량 1.06~1.50m³/s, 유효 수압 범위 24~52kPa입니다.
또한, 침전조에서 정화된 하수에는 여전히 황화수소 및 염분과 같은 부식성 물질이 포함되어 있으므로, 정화된 하수와 접촉하는 모든 터빈 시스템 구성 요소 재료는 내식성(예: 하수 처리 설비에 자주 사용되는 듀플렉스 스테인리스강 재료)이어야 합니다. 이는 시스템의 내구성을 향상시키고 유지 보수 횟수를 줄이기 위함입니다.
전력 시스템 설계 측면에서, 하수 터빈의 발전량은 여러 가지 이유로 완전히 안정적이지 않기 때문에 안정적인 전력 공급을 유지하기 위해 전체 발전 시스템을 계통에 병렬로 연결합니다. 계통 연결은 전력 회사와 홍콩 특별행정구 정부의 전기기계서비스국에서 발행한 계통 연결 기술 지침에 따라 설치해야 합니다.
배관 배치 측면에서는 기존 부지 제약 조건 외에도 시스템 유지보수 및 수리 필요성을 고려해야 했습니다. 이에 따라 연구개발 프로젝트에서 제안했던 침전조 수직갱 내 수력 터빈 설치 계획을 변경했습니다. 대신 정화된 하수를 수직갱에서 별도의 통로를 통해 배출하여 수력 터빈으로 보내는 방식을 채택함으로써 유지보수의 어려움과 시간을 크게 줄이고 하수처리장의 정상 가동에 미치는 영향을 최소화했습니다.
침전조의 유지보수를 위해 가동을 일시적으로 중단해야 하는 상황을 고려하여, 터빈 시스템의 흡입구는 4세트의 복층 침전조의 각 축에 연결되어 있습니다. 따라서 2세트의 침전조가 가동을 중단하더라도 나머지 2세트의 침전조에서 정화된 폐수를 공급하여 터빈 시스템을 구동하고 지속적으로 전력을 생산할 수 있습니다. 또한, 47/49번 침전조 축 부근에 향후 두 번째 수력 터빈 발전 시스템을 설치할 수 있도록 공간을 확보해 두었습니다. 이를 통해 4세트의 침전조가 모두 정상적으로 가동될 경우 두 개의 터빈 발전 시스템이 동시에 가동되어 최대 발전 용량을 확보할 수 있습니다.
3.3 수력 터빈 및 발전기 선정
수력 터빈은 전체 발전 시스템의 핵심 장비입니다. 터빈은 작동 원리에 따라 크게 펄스형과 반동형으로 나눌 수 있습니다. 펄스형은 유체가 여러 개의 노즐을 통해 고속으로 터빈 블레이드에 분사되어 발전기를 구동하여 에너지를 생산하는 방식입니다. 반동형은 유체가 터빈 블레이드를 통과하면서 수압을 이용하여 발전기를 구동하고 에너지를 생산합니다. 본 설계에서는 정화된 폐수가 흐를 때 낮은 수압을 제공한다는 점을 고려하여, 반동형 터빈 중에서도 효율이 높고 비교적 얇은 구조를 가진 카플란 터빈을 선택했습니다. 카플란 터빈은 제한된 현장 공간에 설치하기에 적합합니다.
발전기 측면에서는 정속 수력 터빈으로 구동되는 영구 자석 동기 발전기를 선택했습니다. 이 발전기는 비동기 발전기보다 더 안정적인 전압과 주파수를 출력할 수 있으므로 전력 공급 품질을 향상시키고 병렬 계통 구성을 간소화하며 유지 보수 비용을 절감할 수 있습니다.
4. 구조 및 작동 특징
4.1 그리드 병렬 배열
계통 연계는 전력 회사와 홍콩 특별행정구 정부의 전기기계서비스국에서 발행한 계통 연계 기술 지침에 따라 수행되어야 합니다. 해당 지침에 따르면, 신재생 에너지 발전 시스템은 계통 분리 방지 기능을 갖추어야 하며, 이는 전력망 공급이 어떤 이유로든 중단될 경우 관련 신재생 에너지 발전 시스템을 배전 시스템에서 자동으로 분리하여 신재생 에너지 발전 시스템이 배전 시스템에 전력을 계속 공급하지 못하도록 함으로써 계통 또는 배전 시스템에서 작업하는 전기 기술자의 안전을 보장해야 합니다.
전력 공급의 동기 운전 측면에서 볼 때, 신재생 에너지 발전 시스템과 배전 시스템은 전압 강도, 위상각 또는 주파수 차이가 허용 가능한 범위 내에서 제어될 때만 동기화될 수 있습니다.
4.2 제어 및 보호
수력 터빈 발전 시스템은 자동 또는 수동 모드로 제어할 수 있습니다. 자동 모드에서는 침전조 47/49호 또는 51/53호의 축을 수력 에너지원으로 사용할 수 있으며, 제어 시스템은 기본 데이터에 따라 다양한 제어 밸브를 작동시켜 가장 적합한 침전조를 선택함으로써 수력 터빈 발전량을 최적화합니다. 또한, 제어 밸브는 상류 하수 수위를 자동으로 조절하여 침전조에서 정화된 하수가 넘치지 않도록 함으로써 발전량을 최고 수준으로 높입니다. 터빈 발전 시스템은 주 제어실 또는 현장에서 제어할 수 있습니다.
보호 및 제어 측면에서, 터빈 시스템의 전원 공급 박스 또는 제어 밸브가 고장 나거나 수위가 최대 허용 수위를 초과할 경우, 수력 터빈 발전 시스템은 자동으로 작동을 중지하고 정화된 폐수를 바이패스 파이프를 통해 배출하여 시스템 고장으로 인해 상류 침전조가 정화된 폐수로 넘쳐흐르는 것을 방지합니다.
5. 시스템 작동 성능
이 수력 터빈 발전 시스템은 2018년 말에 가동을 시작했으며, 월평균 10,000kW·h 이상의 전력을 생산하고 있습니다. 수력 터빈 발전 시스템을 구동하는 데 필요한 유효 수압은 하수처리장에서 수집 및 처리되는 하수의 유량 변동에 따라 시시각각 변합니다. 터빈 시스템의 발전량을 극대화하기 위해 하수처리국은 일일 하수 유량에 따라 터빈 운전 토크를 자동으로 조절하는 제어 시스템을 설계하여 발전 효율을 향상시켰습니다. 그림 7은 발전 시스템과 유량 간의 관계를 보여줍니다. 유량이 설정값을 초과하면 시스템이 자동으로 가동되어 전기를 생산합니다.
6가지 과제와 해결책
배수 서비스 부서는 관련 사업 수행 과정에서 여러 어려움에 직면해 왔으며, 이러한 어려움에 대응하여 적절한 계획을 수립해 왔습니다.
7. 결론
여러 어려움에도 불구하고, 이 수력 터빈 발전 시스템은 2018년 말 성공적으로 가동을 시작했습니다. 이 시스템의 월평균 발전량은 10,000kWh 이상으로, 홍콩 가구 약 25곳의 월평균 전력 소비량에 해당합니다(2018년 홍콩 가구당 월평균 전력 소비량은 약 390kWh). 하수처리국은 "세계적 수준의 하수 및 빗물 처리와 배수 서비스를 제공하여 홍콩의 지속가능한 발전을 촉진"하는 동시에 환경 보호 및 기후 변화 대응 사업을 추진하고 있습니다. 하수처리국은 재생에너지 활용 분야에서 바이오가스, 태양 에너지, 정화된 하수 흐름에서 발생하는 에너지를 이용하여 재생에너지를 생산하고 있습니다. 지난 몇 년간 하수처리국에서 생산한 연평균 재생에너지는 약 2,700만kWh로, 하수처리국 전체 에너지 수요의 약 9%를 충족할 수 있습니다. 하수처리국은 앞으로도 재생에너지 활용을 강화하고 확대하기 위해 노력할 것입니다.
게시 시간: 2022년 11월 22일
