Honkongas Īpašās Administratīvās Reģiona valdības Drenāžas pakalpojumu departaments ir apņēmies palīdzēt mazināt globālās klimata pārmaiņas. Gadu gaitā dažās no tās iekārtām ir uzstādītas enerģijas taupīšanas un atjaunojamās enerģijas iekārtas. Līdz ar Honkongas "Ostas attīrīšanas plāna II A fāzes" oficiālo atklāšanu Drenāžas pakalpojumu departaments ir uzstādījis hidrauliskās turbīnas enerģijas ražošanas sistēmu Stonecutters Island notekūdeņu attīrīšanas iekārtā (notekūdeņu attīrīšanas iekārtā ar lielāko notekūdeņu attīrīšanas jaudu Honkongā), kas izmanto plūstošo notekūdeņu hidraulisko enerģiju, lai darbinātu turbīnas ģeneratoru, un pēc tam ģenerē elektroenerģiju iekārtas iekārtu lietošanai. Šajā rakstā ir iepazīstināts ar sistēmu, tostarp ar izaicinājumiem, ar kuriem saskaras attiecīgo projektu īstenošanā, sistēmas projektēšanas un būvniecības apsvērumiem un raksturlielumiem, kā arī sistēmas darbības rādītājiem. Sistēma ne tikai palīdz ietaupīt elektroenerģijas izmaksas, bet arī izmanto ūdeni, lai samazinātu oglekļa emisijas.
1 Projekta ievads
“Ostas attīrīšanas plāna” otrā A fāze ir Honkongas Īpašās Administratīvās Apgabala valdības īstenots liela mēroga plāns, lai uzlabotu Viktorijas ostas ūdens kvalitāti. Tas oficiāli tika pilnībā nodots ekspluatācijā 2015. gada decembrī. Tā darba apjoms ietver dziļa notekūdeņu tuneļa būvniecību ar kopējo garumu aptuveni 21 km un 163 m zem zemes, lai novadītu salas ziemeļos un dienvidrietumos radītos notekūdeņus uz Stounkatersas salas notekūdeņu attīrīšanas iekārtu un palielinātu notekūdeņu attīrīšanas iekārtu attīrīšanas jaudu līdz 245 × 105 m3/d, nodrošinot notekūdeņu attīrīšanas pakalpojumus aptuveni 5,7 miljoniem iedzīvotāju. Zemes ierobežojumu dēļ Stounkatersas salas notekūdeņu attīrīšanas iekārta izmanto 46 divstāvu sedimentācijas tvertņu komplektus ķīmiski uzlabotai notekūdeņu primārajai attīrīšanai, un katri divi sedimentācijas tvertņu komplekti koplietos vertikālu šahtu (tas ir, kopā 23 šahtas), lai attīrītos notekūdeņus novadītu uz pazemes drenāžas cauruli galīgai dezinfekcijai un pēc tam uz dziļjūru.
2 Attiecīgie agrīnie pētījumi un attīstība
Ņemot vērā lielo notekūdeņu daudzumu, ko Stounkutersas salas notekūdeņu attīrīšanas iekārta katru dienu attīra, un tās sedimentācijas tvertnes unikālo divslāņu konstrukciju, tā var nodrošināt noteiktu hidrauliskās enerģijas daudzumu, vienlaikus izvadot attīrītos notekūdeņus, lai darbinātu turbīnas ģeneratoru elektroenerģijas ražošanai. Pēc tam Drenāžas pakalpojumu departamenta komanda 2008. gadā veica attiecīgu priekšizpēti un virkni lauka testu. Šo sākotnējo pētījumu rezultāti apstiprina turbīnu ģeneratoru uzstādīšanas iespējamību.
Uzstādīšanas vieta: sedimentācijas tvertnes šahtā; Efektīvais ūdens spiediens: 4,5–6 m (konkrētā konstrukcija ir atkarīga no faktiskajiem ekspluatācijas apstākļiem nākotnē un precīzas turbīnas pozīcijas); Plūsmas diapazons: 1,1–1,25 m3/s; Maksimālā izejas jauda: 45–50 kW; Iekārtas un materiāli: Tā kā attīrītajiem notekūdeņiem joprojām ir zināma korozivitāte, izvēlētajiem materiāliem un saistītajam aprīkojumam jābūt ar atbilstošu aizsardzību un izturību pret koroziju.
Šajā sakarā Drenāžas pakalpojumu departaments ir rezervējis vietu diviem sedimentācijas tvertņu komplektiem notekūdeņu attīrīšanas iekārtā, lai uzstādītu turbīnas enerģijas ražošanas sistēmu “Ostas attīrīšanas projekta II A fāzes” paplašināšanas projektā.
3 Sistēmas projektēšanas apsvērumi un funkcijas
3.1 Ģenerētā jauda un efektīvais ūdens spiediens
Hidrodinamiskās enerģijas radītās elektroenerģijas un efektīvā ūdens spiediena savstarpējā attiecība ir šāda: radītā elektriskā jauda (kW)=[attīrīto notekūdeņu blīvums ρ (kg/m3) × Ūdens plūsmas ātrums Q (m3/s) × Efektīvais ūdens spiediens H (m) × Gravitācijas konstante g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Kopējā sistēmas efektivitāte (%). Efektīvais ūdens spiediens ir starpība starp šahtas maksimāli pieļaujamo ūdens līmeni un blakus esošās šahtas ūdens līmeni tekošā ūdenī.
Citiem vārdiem sakot, jo lielāks plūsmas ātrums un efektīvais ūdens spiediens, jo lielāka tiek ģenerēta jauda. Tādēļ, lai ģenerētu lielāku jaudu, viens no projektēšanas mērķiem ir nodrošināt turbīnu sistēmai vislielāko ūdens plūsmas ātrumu un efektīvo ūdens spiedienu.
3.2 Sistēmas projektēšanas galvenie punkti
Pirmkārt, attiecībā uz konstrukciju, jauninstalētā turbīnu sistēma nedrīkst pēc iespējas vairāk ietekmēt notekūdeņu attīrīšanas iekārtu normālu darbību. Piemēram, sistēmai jābūt aprīkotai ar atbilstošām aizsargierīcēm, lai novērstu attīrīto notekūdeņu pārplūšanu augšpus plūsmas sedimentācijas tvertnē nepareizas sistēmas vadības dēļ. Projektēšanas laikā noteiktie darbības parametri: plūsmas ātrums 1,06 ～ 1,50 m3/s, efektīvais ūdens spiediena diapazons 24 ～ 52 kPa.
Turklāt, tā kā sedimentācijas tvertnes attīrītie notekūdeņi joprojām satur dažas kodīgas vielas, piemēram, sērūdeņradi un sāli, visiem turbīnu sistēmas sastāvdaļu materiāliem, kas nonāk saskarē ar attīrītajiem notekūdeņiem, jābūt izturīgiem pret koroziju (piemēram, dupleksa nerūsējošā tērauda materiāliem, ko bieži izmanto notekūdeņu attīrīšanas iekārtās), lai uzlabotu sistēmas izturību un samazinātu apkopes skaitu.
Runājot par energosistēmas projektēšanu, tā kā notekūdeņu turbīnas enerģijas ražošana dažādu iemeslu dēļ nav pilnīgi stabila, visa enerģijas ražošanas sistēma ir savienota paralēli tīklam, lai uzturētu drošu elektroapgādi. Tīkla pieslēgums jāveido saskaņā ar elektroenerģijas uzņēmuma un Honkongas Īpašās administratīvās zonas valdības Elektroenerģijas un mehānisko pakalpojumu departamenta izdotajām tīkla pieslēguma tehniskajām vadlīnijām.
Runājot par cauruļu izkārtojumu, papildus esošajiem objekta ierobežojumiem, tiek ņemta vērā arī sistēmas apkopes un remonta nepieciešamība. Šajā sakarā ir mainīts sākotnējais pētniecības un attīstības projektā ierosinātais plāns uzstādīt hidraulisko turbīnu nosēdināšanas tvertnes šahtā. Tā vietā attīrītie notekūdeņi tiek izvadīti no šahtas pa kaklu un nosūtīti uz hidraulisko turbīnu, kas ievērojami samazina apkopes grūtības un laiku, kā arī samazina ietekmi uz notekūdeņu attīrīšanas iekārtas normālu darbību.
Ņemot vērā to, ka sedimentācijas tvertne laiku pa laikam ir jāaptur apkopes nolūkos, turbīnu sistēmas kakls ir savienots ar divām šahtām, kas sastāv no četriem divstāvu sedimentācijas tvertņu komplektiem. Pat ja divi sedimentācijas tvertņu komplekti pārtrauc darboties, pārējie divi sedimentācijas tvertņu komplekti var arī nodrošināt attīrītus notekūdeņus, darbināt turbīnu sistēmu un turpināt ražot elektroenerģiju. Turklāt pie 47/49 # sedimentācijas tvertnes šahtas ir rezervēta vieta otrās hidrauliskās turbīnas enerģijas ražošanas sistēmas uzstādīšanai nākotnē, lai, kad četri sedimentācijas tvertņu komplekti darbotos normāli, abas turbīnu enerģijas ražošanas sistēmas varētu vienlaikus ģenerēt elektroenerģiju, sasniedzot maksimālo jaudas jaudu.
3.3 Hidrauliskās turbīnas un ģeneratora izvēle
Hidrauliskā turbīna ir visas enerģijas ražošanas sistēmas galvenā iekārta. Turbīnas parasti var iedalīt divās kategorijās pēc darbības principa: impulsa tipa un reakcijas tipa. Impulsa tipa gadījumā šķidrums lielā ātrumā caur vairākām sprauslām plūst uz turbīnas lāpstiņu un pēc tam darbina ģeneratoru enerģijas ražošanai. Reakcijas tipa gadījumā šķidrums iziet cauri turbīnas lāpstiņai un izmanto ūdens līmeņa spiedienu, lai darbinātu ģeneratoru enerģijas ražošanai. Šajā konstrukcijā, pamatojoties uz to, ka attīrītie notekūdeņi plūsmas laikā var nodrošināt zemu ūdens spiedienu, tika izvēlēta Kaplana turbīna, kas ir viens no piemērotākajiem reakcijas veidiem, jo šai turbīnai ir augsta efektivitāte pie zema ūdens spiediena un tā ir salīdzinoši plāna, kas ir piemērotāka ierobežotai vietai objektā.
Runājot par ģeneratoru, ir izvēlēts pastāvīgā magnēta sinhronais ģenerators, ko darbina nemainīga ātruma hidrauliskā turbīna. Šis ģenerators var saražot stabilāku spriegumu un frekvenci nekā asinhronais ģenerators, tādējādi uzlabojot barošanas kvalitāti, vienkāršojot paralēlo tīklu un samazinot apkopes nepieciešamību.
4 Konstrukcijas un ekspluatācijas iezīmes
4.1 Režģa paralēlais izkārtojums
Tīkla pieslēgums jāveic saskaņā ar elektroenerģijas uzņēmuma un Honkongas Īpašās administratīvās teritorijas valdības Elektroenerģijas un mehānisko pakalpojumu departamenta izdotajām tīkla pieslēguma tehniskajām vadlīnijām. Saskaņā ar vadlīnijām atjaunojamās enerģijas ražošanas sistēmai jābūt aprīkotai ar pretizsalošanas aizsardzības funkciju, kas var automātiski atdalīt attiecīgo atjaunojamās enerģijas ražošanas sistēmu no sadales sistēmas, ja elektrotīkls jebkāda iemesla dēļ pārtrauc enerģijas piegādi, lai atjaunojamās enerģijas ražošanas sistēma nevarētu turpināt piegādāt enerģiju sadales sistēmai, tādējādi nodrošinot elektrotīklā vai sadales sistēmā strādājošā elektroinženiertehniskā personāla drošību.
Runājot par elektroapgādes sinhrono darbību, atjaunojamās enerģijas elektroenerģijas ražošanas sistēmu un sadales sistēmu var sinhronizēt tikai tad, ja sprieguma intensitāte, fāzes leņķis vai frekvences starpība tiek kontrolēta pieņemamās robežās.
4.2 Kontrole un aizsardzība
Hidrauliskās turbīnas enerģijas ražošanas sistēmu var vadīt automātiskajā vai manuālajā režīmā. Automātiskajā režīmā sedimentācijas tvertnes 47/49 # vai 51/53 # vārpstas var izmantot kā hidrauliskās enerģijas avotu, un vadības sistēma atbilstoši noklusējuma datiem iedarbinās dažādus vadības vārstus, lai izvēlētos vispiemērotāko sedimentācijas tvertni, tādējādi optimizējot hidrauliskās turbīnas enerģijas ražošanu. Turklāt vadības vārsts automātiski regulēs augšteces notekūdeņu līmeni, lai sedimentācijas tvertne nepārpildītu attīrītos notekūdeņus, tādējādi palielinot enerģijas ražošanu līdz maksimālajam līmenim. Turbīnu ģeneratora sistēmu var regulēt galvenajā vadības telpā vai uz vietas.
Runājot par aizsardzību un kontroli, ja turbīnas sistēmas barošanas bloks vai vadības vārsts neizdodas vai ūdens līmenis pārsniedz maksimāli pieļaujamo ūdens līmeni, hidrauliskās turbīnas enerģijas ražošanas sistēma arī automātiski pārtrauks darbību un izvadīs attīrītos notekūdeņus caur apvada cauruli, lai novērstu attīrīto notekūdeņu pārplūšanu augšteces sedimentācijas tvertnē sistēmas kļūmes dēļ.
5 Sistēmas darbības veiktspēja
Šī hidrauliskās turbīnas enerģijas ražošanas sistēma tika nodota ekspluatācijā 2018. gada beigās, un tās vidējā mēneša jauda pārsniedza 10 000 kW · h. Efektīvais ūdens spiediens, kas var darbināt hidrauliskās turbīnas enerģijas ražošanas sistēmu, laika gaitā mainās arī tāpēc, ka notekūdeņu attīrīšanas iekārta katru dienu savāc un attīra lielu un mazu notekūdeņu plūsmu. Lai maksimāli palielinātu turbīnu sistēmas saražoto jaudu, Drenāžas pakalpojumu departaments ir izstrādājis vadības sistēmu, kas automātiski pielāgo turbīnas darbības griezes momentu atbilstoši ikdienas notekūdeņu plūsmai, tādējādi uzlabojot enerģijas ražošanas efektivitāti. 7. attēlā parādīta saistība starp enerģijas ražošanas sistēmu un ūdens plūsmu. Kad ūdens plūsma pārsniedz iestatīto līmeni, sistēma automātiski sāk ražot elektroenerģiju.
6 izaicinājumi un risinājumi
Drenāžas pakalpojumu departaments, īstenojot attiecīgus projektus, ir saskāries ar daudzām grūtībām un ir izstrādājis atbilstošus plānus, lai reaģētu uz šīm grūtībām,
7 Secinājums
Neskatoties uz dažādiem izaicinājumiem, šī hidraulisko turbīnu enerģijas ražošanas sistēma tika veiksmīgi nodota ekspluatācijā 2018. gada beigās. Sistēmas vidējā mēneša jauda pārsniedz 10 000 kW · h, kas ir līdzvērtīga aptuveni 25 Honkongas mājsaimniecību vidējam mēneša enerģijas patēriņam (katras Honkongas mājsaimniecības vidējais mēneša enerģijas patēriņš 2018. gadā bija aptuveni 390 kW · h). Drenāžas pakalpojumu departaments ir apņēmies “nodrošināt pasaules līmeņa notekūdeņu un lietus ūdens attīrīšanas un drenāžas pakalpojumus, lai veicinātu Honkongas ilgtspējīgu attīstību”, vienlaikus veicinot vides aizsardzības un klimata pārmaiņu projektus. Atjaunojamās enerģijas izmantošanā Drenāžas pakalpojumu departaments izmanto biogāzi, saules enerģiju un enerģiju no attīrītu notekūdeņu plūsmas, lai ražotu atjaunojamo enerģiju. Pēdējos gados Drenāžas pakalpojumu departamenta saražotais vidējais atjaunojamās enerģijas apjoms gadā ir aptuveni 27 miljoni kW · h, kas var apmierināt aptuveni 9% Drenāžas pakalpojumu departamenta enerģijas vajadzības. Drenāžas pakalpojumu departaments turpinās centienus stiprināt un veicināt atjaunojamās enerģijas izmantošanu.
Publicēšanas laiks: 2022. gada 22. novembris
