Honkongo specialiojo administracinio regiono vyriausybės drenažo paslaugų departamentas yra įsipareigojęs padėti sušvelninti pasaulinę klimato kaitą. Bėgant metams, kai kuriose jo gamyklose buvo įrengti energiją taupantys ir atsinaujinančios energijos įrenginiai. Oficialiai pradėjus Honkongo „Uosto valymo plano II A etapą“, Drenažo paslaugų departamentas Stonecutters salos nuotekų valymo įmonėje (didžiausią nuotekų valymo pajėgumą turinčioje nuotekų valymo įmonėje Honkonge) įrengė hidraulinės turbinos energijos gamybos sistemą, kuri naudoja tekančių nuotekų hidraulinę energiją turbinos generatoriui varyti, o tada gamina elektros energiją gamyklos įrenginiams. Šiame straipsnyje pristatoma sistema, įskaitant iššūkius, su kuriais susiduriama įgyvendinant atitinkamus projektus, sistemos projektavimo ir statybos aspektus bei charakteristikas ir sistemos eksploatacines savybes. Sistema ne tik padeda taupyti elektros energijos sąnaudas, bet ir naudoja vandenį anglies dioksido išmetimui mažinti.
1 Projekto pristatymas
Antrasis „Uosto valymo plano“ A etapas yra didelio masto planas, kurį įgyvendino Honkongo specialiojo administracinio regiono vyriausybė, siekdama pagerinti Viktorijos uosto vandens kokybę. Jis oficialiai pradėtas visapusiškai naudoti 2015 m. gruodžio mėn. Į jo darbų apimtį įeina gilaus nuotekų tunelio, kurio bendras ilgis yra apie 21 km ir 163 m po žeme, statyba, skirta transportuoti salos šiaurėje ir pietvakariuose susidarančias nuotekas į Stonecutters salos nuotekų valymo įrenginius ir padidinti nuotekų valymo įrenginių valymo pajėgumus iki 245 × 105 m3/d, teikiant nuotekų valymo paslaugas apie 5,7 mln. piliečių. Dėl žemės apribojimų Stonecutters salos nuotekų valymo įrenginiuose naudojami 46 dvigubo denio nusodinimo rezervuarų komplektai chemiškai sustiprintam pirminiam nuotekų valymui, o kas du nusodinimo rezervuarų komplektai dalinsis vertikalia šachta (tai yra iš viso 23 šachtos), kad išvalytos nuotekos būtų nukreiptos į požeminį drenažo vamzdį galutiniam dezinfekavimui, o tada į giliavandenę jūrą.
2 Aktualūs ankstyvieji tyrimai ir plėtra
Atsižvelgiant į didelį nuotekų kiekį, kurį kasdien valo Stonecutters salos nuotekų valymo įrenginiai, ir unikalią dvigubo sluoksnio nusodinimo rezervuaro konstrukciją, išleidžiant išvalytas nuotekas, įrenginys gali tiekti tam tikrą kiekį hidraulinės energijos, kad suka turbinos generatorių ir gamintų elektrą. Drenažo paslaugų departamento komanda 2008 m. atliko atitinkamą galimybių studiją ir keletą lauko bandymų. Šių preliminarių tyrimų rezultatai patvirtina turbinų generatorių įrengimo galimybes.
Montavimo vieta: nuosėdų rezervuaro šachtoje; Efektyvus vandens slėgis: 4,5–6 m (konkreti konstrukcija priklauso nuo realių eksploatavimo sąlygų ateityje ir tikslios turbinos padėties); Srauto diapazonas: 1,1–1,25 m3/s; Maksimali išėjimo galia: 45–50 kW; Įranga ir medžiagos: Kadangi išvalytos nuotekos vis dar pasižymi tam tikru koroziniu poveikiu, pasirinktos medžiagos ir susijusi įranga turi būti tinkamai apsaugotos ir atsparios korozijai.
Šiuo atžvilgiu Drenažo paslaugų departamentas rezervavo vietą dviem nuotekų valymo įrenginių sedimentacijos rezervuarų komplektams, kad būtų galima įrengti turbininę energijos gamybos sistemą „Uosto valymo projekto II A etapo“ plėtros projekte.
3 Sistemos projektavimo aspektai ir savybės
3.1 Generuojama galia ir efektyvus vandens slėgis
Hidrodinaminės energijos generuojamos elektros energijos ir efektyvaus vandens slėgio santykis yra toks: generuojama elektros energija (kW) = [išvalytų nuotekų tankis ρ (kg/m3) × Vandens srautas Q (m3/s) × Efektyvus vandens slėgis H (m) × Gravitacijos konstanta g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Bendras sistemos efektyvumas (%). Efektyvus vandens slėgis yra skirtumas tarp didžiausio leistino šachtos vandens lygio ir gretimos šachtos vandens lygio tekančiame vandenyje.
Kitaip tariant, kuo didesnis srauto greitis ir efektyvus vandens slėgis, tuo didesnė generuojama energija. Todėl norint generuoti daugiau energijos, vienas iš projektavimo tikslų yra sudaryti sąlygas turbinos sistemai pasiekti didžiausią vandens srauto greitį ir efektyvų vandens slėgį.
3.2 Pagrindiniai sistemos projektavimo aspektai
Visų pirma, kalbant apie projektavimą, naujai įrengta turbinų sistema turi kuo labiau netrukdyti normaliam nuotekų valymo įrenginių darbui. Pavyzdžiui, sistema turi turėti tinkamus apsauginius įtaisus, kad dėl neteisingo sistemos valdymo iš prieš srovę esančios nusodinimo talpyklos neperpildytų išvalytų nuotekų. Projektavimo metu nustatyti darbiniai parametrai: srautas 1,06 ～ 1,50 m3/s, efektyvus vandens slėgio diapazonas 24 ～ 52 kPa.
Be to, kadangi nuosėdų rezervuaro išvalytose nuotekose vis dar yra tam tikrų korozinių medžiagų, tokių kaip vandenilio sulfidas ir druska, visos turbinos sistemos komponentų medžiagos, besiliečiančios su išvalytomis nuotekomis, turi būti atsparios korozijai (pvz., dupleksinio nerūdijančio plieno medžiagos, dažnai naudojamos nuotekų valymo įrenginiams), kad būtų pagerintas sistemos ilgaamžiškumas ir sumažintas techninės priežiūros skaičius.
Kalbant apie elektros energijos sistemos projektavimą, kadangi nuotekų turbinos elektros energijos gamyba dėl įvairių priežasčių nėra visiškai stabili, visa elektros energijos gamybos sistema yra prijungta lygiagrečiai prie tinklo, siekiant užtikrinti patikimą elektros energijos tiekimą. Tinklo prijungimas turi būti įrengtas pagal elektros energijos bendrovės ir Honkongo specialiojo administracinio regiono vyriausybės Elektros ir mechaninių paslaugų departamento išleistas tinklo prijungimo technines gaires.
Kalbant apie vamzdynų išdėstymą, be esamų aikštelės apribojimų, taip pat atsižvelgiama į sistemos priežiūros ir remonto poreikį. Šiuo atžvilgiu buvo pakeistas pradinis MTEP projekte pasiūlytas hidraulinės turbinos įrengimo nusodinimo rezervuaro šachtoje planas. Vietoj to, išvalytos nuotekos iš šachtos išleidžiamos gerkle ir siunčiamos į hidraulinę turbiną, o tai labai sumažina priežiūros sudėtingumą ir laiką bei poveikį normaliam nuotekų valymo įrenginių darbui.
Atsižvelgiant į tai, kad nuosėdų rezervuarą retkarčiais reikia pakabinti techninei priežiūrai, turbinos sistemos anga sujungta su dviem keturių dvigubų aukštų nuosėdų rezervuarų komplektų šachtomis. Net jei du nuosėdų rezervuarų komplektai nustotų veikti, kiti du nuosėdų rezervuarų komplektai taip pat galėtų tiekti išvalytas nuotekas, varyti turbinų sistemą ir toliau gaminti elektros energiją. Be to, šalia 47/49 # nuosėdų rezervuaro šachtos numatyta vieta antrosios hidraulinės turbinos energijos gamybos sistemos įrengimui ateityje, kad, kai keturi nuosėdų rezervuarų komplektai veiktų normaliai, dvi turbinų energijos gamybos sistemos galėtų generuoti energiją vienu metu ir pasiekti maksimalią galią.
3.3 Hidraulinės turbinos ir generatoriaus parinkimas
Hidraulinė turbina yra pagrindinė visos energijos gamybos sistemos įranga. Pagal veikimo principą turbinas paprastai galima suskirstyti į dvi kategorijas: impulsinio tipo ir reakcijos tipo. Impulsinio tipo atveju skystis dideliu greičiu šauna į turbinos mentę per kelis purkštukus ir tada varo generatorių, kuris generuoja energiją. Reakcijos tipo atveju skystis teka per turbinos mentę ir naudoja vandens lygio slėgį, kad varytų generatorių, kuris generuoja energiją. Šioje konstrukcijoje, remiantis tuo, kad išvalytos nuotekos tekėjimo metu gali užtikrinti žemą vandens slėgį, pasirinkta Kaplano turbina, vienas iš tinkamesnių reakcijos tipų, nes ši turbina pasižymi dideliu efektyvumu esant žemam vandens slėgiui ir yra gana plona, todėl labiau tinka ribotai erdvei objekte.
Kalbant apie generatorių, pasirinktas nuolatinio magneto sinchroninis generatorius, varomas pastovaus greičio hidraulinės turbinos. Šis generatorius gali tiekti stabilesnę įtampą ir dažnį nei asinchroninis generatorius, todėl gali pagerinti elektros energijos tiekimo kokybę, supaprastinti lygiagretų tinklą ir reikalauti mažiau priežiūros.
4 Konstrukcijos ir eksploatavimo ypatybės
4.1 Lygiagretus tinklelio išdėstymas
Prijungimas prie tinklo turi būti atliekamas pagal elektros energijos bendrovės ir Honkongo specialiojo administracinio regiono vyriausybės Elektros ir mechaninių paslaugų departamento išleistas tinklo prijungimo technines gaires. Pagal šias gaires atsinaujinančios energijos energijos gamybos sistema turi būti aprūpinta apsaugos nuo salų susidarymo funkcija, kuri gali automatiškai atskirti atitinkamą atsinaujinančios energijos energijos gamybos sistemą nuo skirstymo sistemos, kai elektros tinklas dėl bet kokios priežasties nutraukia elektros energijos tiekimą, kad atsinaujinančios energijos energijos gamybos sistema negalėtų toliau tiekti energijos skirstymo sistemai, siekiant užtikrinti tinkle ar skirstymo sistemoje dirbančio elektrotechnikos personalo saugą.
Kalbant apie sinchroninį elektros energijos tiekimo veikimą, atsinaujinančios energijos energijos gamybos sistema ir paskirstymo sistema gali būti sinchronizuotos tik tada, kai įtampos intensyvumas, fazės kampas arba dažnio skirtumas yra kontroliuojami priimtinose ribose.
4.2 Kontrolė ir apsauga
Hidraulinės turbinos energijos generavimo sistemą galima valdyti automatiškai arba rankiniu režimu. Automatiniu režimu 47/49 # arba 51/53 # nusodinimo bako velenai gali būti naudojami kaip hidraulinės energijos šaltinis, o valdymo sistema pagal numatytuosius duomenis paleis skirtingus valdymo vožtuvus, kad parinktų tinkamiausią nusodinimo baką ir optimizuotų hidraulinės turbinos energijos generavimą. Be to, valdymo vožtuvas automatiškai reguliuos priešsrovio nuotekų lygį, kad nusodinimo bakas neperpildytų išvalytų nuotekų, taip padidindamas energijos generavimą iki aukščiausio lygio. Turbinos generatoriaus sistemą galima reguliuoti pagrindinėje valdymo patalpoje arba vietoje.
Kalbant apie apsaugą ir valdymą, jei turbinos sistemos maitinimo dėžutė arba valdymo vožtuvas sugenda arba vandens lygis viršija maksimalų leistiną vandens lygį, hidraulinės turbinos energijos gamybos sistema taip pat automatiškai sustabdo darbą ir išleidžia išvalytas nuotekas per aplinkkelio vamzdį, kad dėl sistemos gedimo išvalytos nuotekos neperpildytų prieš srovę esančio nuosėdų rezervuaro.
5 Sistemos veikimo charakteristikos
Ši hidraulinės turbinos energijos gamybos sistema buvo pradėta eksploatuoti 2018 m. pabaigoje, o jos vidutinė mėnesinė galia viršija 10 000 kW · h. Efektyvus vandens slėgis, galintis varyti hidraulinės turbinos energijos gamybos sistemą, taip pat laikui bėgant kinta dėl didelio ir mažo nuotekų srauto, kurį kasdien surenka ir valo nuotekų valymo įrenginiai. Siekdamas maksimaliai padidinti turbinos sistemos generuojamą energiją, Drenažo paslaugų departamentas sukūrė valdymo sistemą, kuri automatiškai reguliuoja turbinos veikimo sukimo momentą pagal dienos nuotekų srautą, taip pagerindama energijos gamybos efektyvumą. 7 paveiksle parodytas energijos gamybos sistemos ir vandens srauto ryšys. Kai vandens srautas viršija nustatytą lygį, sistema automatiškai pradeda gaminti elektrą.
6 iššūkiai ir sprendimai
Drenažo paslaugų departamentas, įgyvendindamas atitinkamus projektus, susidūrė su daugeliu iššūkių ir parengė atitinkamus planus, kaip juos įveikti.
7 Išvada
Nepaisant įvairių iššūkių, šis hidraulinių turbinų energijos gamybos sistemos komplektas buvo sėkmingai pradėtas eksploatuoti 2018 m. pabaigoje. Vidutinė sistemos mėnesinė galia viršija 10 000 kW · h, o tai atitinka maždaug 25 Honkongo namų ūkių vidutinį mėnesinį energijos suvartojimą (vidutinis kiekvieno Honkongo namų ūkio mėnesinis energijos suvartojimas 2018 m. buvo apie 390 kW · h). Drenažo paslaugų departamentas yra įsipareigojęs „teikti pasaulinio lygio nuotekų ir lietaus vandens valymo bei drenažo paslaugas, siekdamas skatinti tvarų Honkongo vystymąsi“, kartu skatindamas aplinkos apsaugos ir klimato kaitos projektus. Taikydamas atsinaujinančiąją energiją, Drenažo paslaugų departamentas atsinaujinančiai energijai gaminti naudoja biodujas, saulės energiją ir energiją iš išvalytų nuotekų srauto. Per pastaruosius kelerius metus Drenažo paslaugų departamento vidutinė metinė atsinaujinančios energijos gamyba siekia apie 27 mln. kW · h, o tai gali patenkinti apie 9 % Drenažo paslaugų departamento energijos poreikius. Drenažo paslaugų departamentas ir toliau stengsis stiprinti ir skatinti atsinaujinančiosios energijos taikymą.
Įrašo laikas: 2022 m. lapkričio 22 d.
