De afdeling Rioleringsdiensten van de regering van de Speciale Administratieve Regio Hongkong zet zich in om de wereldwijde klimaatverandering tegen te gaan. In de loop der jaren zijn in sommige van haar installaties energiebesparende en hernieuwbare energievoorzieningen geïnstalleerd. Met de officiële lancering van Hongkongs "Havenzuiveringsplan Fase II A" heeft de afdeling Rioleringsdiensten een hydraulisch turbine-energieopwekkingssysteem geïnstalleerd in de rioolwaterzuiveringsinstallatie Stonecutters Island (de rioolwaterzuiveringsinstallatie met de grootste capaciteit voor rioolwaterzuivering in Hongkong). Dit systeem gebruikt de hydraulische energie van stromend rioolwater om de turbinegenerator aan te drijven en genereert vervolgens elektriciteit voor de faciliteiten in de installatie. In dit artikel wordt het systeem geïntroduceerd, inclusief de uitdagingen bij de implementatie van relevante projecten, de overwegingen en kenmerken van het systeemontwerp en de constructie, en de operationele prestaties van het systeem. Het systeem helpt niet alleen om elektriciteitskosten te besparen, maar gebruikt ook water om de CO2-uitstoot te verminderen.
1 Projectintroductie
De tweede fase A van het "Havenzuiveringsplan" is een grootschalig plan van de regering van de Speciale Administratieve Regio Hongkong om de waterkwaliteit van Victoria Harbour te verbeteren. Het plan werd officieel in gebruik genomen in december 2015. De werkzaamheden omvatten de aanleg van een diepe riooltunnel met een totale lengte van ongeveer 21 km en een diepte van 163 meter onder de grond. Deze tunnel zal het afvalwater uit het noorden en zuidwesten van het eiland naar de rioolwaterzuiveringsinstallatie van Stonecutters Island transporteren en de zuiveringscapaciteit van de installatie verhogen tot 245 × 105 m³/d, waarmee ongeveer 5,7 miljoen inwoners van rioolwater worden voorzien. Vanwege beperkte ruimte gebruikt de rioolwaterzuiveringsinstallatie van Stonecutters Island 46 dubbeldeks bezinktanks voor chemisch versterkte primaire zuivering van afvalwater. Elke twee sets bezinktanks delen een verticale schacht (dat wil zeggen in totaal 23 schachten) om het gezuiverde afvalwater naar de ondergrondse afvoerleiding te leiden voor uiteindelijke desinfectie en vervolgens naar de diepzee.
2 Relevant vroeg onderzoek en ontwikkeling
Gezien de grote hoeveelheid rioolwater die de Stonecutters Island Sewage Treatment Plant dagelijks verwerkt en het unieke dubbellaagse ontwerp van de bezinktank, kan deze een bepaalde hoeveelheid hydraulische energie leveren tijdens het lozen van het gezuiverde rioolwater om de turbinegenerator aan te drijven die elektriciteit opwekt. Het team van de afdeling Drainage Services voerde vervolgens in 2008 een relevante haalbaarheidsstudie uit en voerde een reeks veldtesten uit. De resultaten van deze voorstudies bevestigen de haalbaarheid van de installatie van turbinegeneratoren.
Installatielocatie: in de schacht van de bezinktank; Effectieve waterdruk: 4,5~6 m (het specifieke ontwerp is afhankelijk van de werkelijke bedrijfsomstandigheden in de toekomst en de exacte positie van de turbine); Stroombereik: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maximaal uitgangsvermogen: 45~50 kW; Apparatuur en materialen: Omdat het gezuiverde rioolwater nog steeds een zekere corrosiviteit heeft, moeten de geselecteerde materialen en bijbehorende apparatuur voldoende bescherming en corrosiebestendigheid hebben.
In dit verband heeft de afdeling Rioleringsdiensten ruimte gereserveerd voor twee sets bezinktanks in de rioolwaterzuiveringsinstallatie om een turbine-energieopwekkingssysteem te installeren in het uitbreidingsproject van het "Havenzuiveringsproject Fase II A".
3 Overwegingen en kenmerken van systeemontwerp
3.1 Opgewekte energie en effectieve waterdruk
De relatie tussen het door hydrodynamische energie opgewekte elektrische vermogen en de effectieve waterdruk is als volgt: opgewekt elektrisch vermogen (kW) = [dichtheid van gezuiverd rioolwater ρ (kg/m3) × Waterstroom Q (m3/s) × Effectieve waterdruk H (m) × Zwaartekrachtconstante g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Totale systeemefficiëntie (%). De effectieve waterdruk is het verschil tussen het maximaal toegestane waterpeil van de schacht en het waterpeil van de aangrenzende schacht in het stromende water.
Met andere woorden: hoe hoger de stroomsnelheid en de effectieve waterdruk, hoe groter het opgewekte vermogen. Om meer vermogen te genereren, is een van de ontwerpdoelen dan ook om het turbinesysteem de hoogste waterstroomsnelheid en effectieve waterdruk te laten ontvangen.
3.2 Belangrijkste punten van systeemontwerp
Allereerst mag het nieuw geïnstalleerde turbinesysteem, qua ontwerp, de normale werking van de rioolwaterzuiveringsinstallatie zo min mogelijk verstoren. Zo moet het systeem over passende beveiligingen beschikken om te voorkomen dat de voorgeschakelde bezinktank overstroomt met het gezuiverde afvalwater als gevolg van een onjuiste systeemregeling. De tijdens het ontwerp bepaalde bedrijfsparameters: debiet 1,06 ～ 1,50 m³/s, effectief waterdrukbereik 24 ～ 52 kPa.
Omdat het afvalwater dat door de bezinktank wordt gezuiverd nog steeds corrosieve stoffen bevat, zoals waterstofsulfide en zout, moeten alle materialen van de turbinesysteemcomponenten die in contact komen met het gezuiverde afvalwater corrosiebestendig zijn (bijvoorbeeld duplex roestvast staal dat vaak wordt gebruikt voor rioolwaterzuiveringsapparatuur). Dit verbetert de duurzaamheid van het systeem en vermindert het aantal onderhoudsbeurten.
Wat het ontwerp van het energiesysteem betreft, is het gehele energiesysteem parallel aangesloten op het net om een betrouwbare stroomvoorziening te garanderen, aangezien de stroomopwekking van de rioolwaterturbine om verschillende redenen niet volledig stabiel is. De netaansluiting moet worden geregeld in overeenstemming met de technische richtlijnen voor netaansluiting van het energiebedrijf en de afdeling Elektrische en Mechanische Diensten van de regering van de Speciale Administratieve Regio Hongkong.
Wat betreft de leidingindeling wordt, naast de bestaande beperkingen op de locatie, ook rekening gehouden met de noodzaak tot onderhoud en reparatie van het systeem. In dit verband is het oorspronkelijke plan voor de installatie van de hydraulische turbine in de bezinktankschacht, zoals voorgesteld in het R&D-project, gewijzigd. In plaats daarvan wordt het gezuiverde rioolwater via een keel uit de schacht geleid en naar de hydraulische turbine geleid. Dit vermindert de moeilijkheidsgraad en tijd van het onderhoud aanzienlijk en vermindert de impact op de normale werking van de rioolwaterzuiveringsinstallatie.
Omdat de bezinktank af en toe voor onderhoud buiten bedrijf moet worden gesteld, is de kern van het turbinesysteem verbonden met twee assen van vier sets dubbeldeks bezinktanks. Zelfs als twee sets bezinktanks uitvallen, kunnen de andere twee sets bezinktanks gezuiverd afvalwater leveren, het turbinesysteem aandrijven en elektriciteit blijven opwekken. Daarnaast is er een plaats gereserveerd nabij de schacht van de bezinktank 47/49 # voor de installatie van het tweede hydraulische turbine-energieopwekkingssysteem in de toekomst, zodat wanneer de vier sets bezinktanks normaal werken, de twee turbine-energieopwekkingssystemen tegelijkertijd stroom kunnen opwekken en zo hun maximale vermogen kunnen bereiken.
3.3 Selectie van hydraulische turbine en generator
De hydraulische turbine is de belangrijkste apparatuur van het gehele energieopwekkingssysteem. Turbines kunnen over het algemeen worden onderverdeeld in twee categorieën op basis van hun werkingsprincipe: pulsturbine en reactieturbine. Bij het impulstype spuit de vloeistof met hoge snelheid via meerdere sproeiers naar het turbineblad en drijft vervolgens de generator aan om energie op te wekken. Bij het reactietype stroomt de vloeistof door het turbineblad en gebruikt de waterdruk om de generator aan te drijven om energie op te wekken. In dit ontwerp, gebaseerd op het feit dat het gezuiverde rioolwater een lage waterdruk kan hebben tijdens de stroming, wordt de Kaplanturbine, een van de meest geschikte reactieturbines, gekozen. Deze turbine heeft een hoog rendement bij lage waterdruk en is relatief dun, wat geschikter is voor de beperkte ruimte op de locatie.
Wat de generator betreft, is gekozen voor een synchrone generator met permanente magneet, aangedreven door een hydraulische turbine met een constant toerental. Deze generator kan een stabielere spanning en frequentie leveren dan een asynchrone generator, wat de kwaliteit van de stroomvoorziening verbetert, parallelle netaansluitingen vereenvoudigt en minder onderhoud vereist.
4 Constructie- en bedieningskenmerken
4.1 Rasterparallelle opstelling
De netaansluiting moet worden uitgevoerd in overeenstemming met de technische richtlijnen voor netaansluiting, uitgegeven door het energiebedrijf en de afdeling Elektrische en Mechanische Diensten van de regering van de Speciale Administratieve Regio Hongkong. Volgens deze richtlijnen moet het systeem voor de opwekking van hernieuwbare energie zijn uitgerust met een anti-eilandfunctie, die het betreffende systeem voor de opwekking van hernieuwbare energie automatisch van het distributiesysteem scheidt wanneer het elektriciteitsnet om welke reden dan ook stopt met de stroomlevering. Zo kan het systeem voor de opwekking van hernieuwbare energie geen stroom meer leveren aan het distributiesysteem, en wordt de veiligheid van elektrotechnisch personeel dat aan het net of het distributiesysteem werkt, gewaarborgd.
Voor de synchrone werking van de stroomvoorziening is synchronisatie van het systeem voor de opwekking en distributie van hernieuwbare energie alleen mogelijk als de spanningssterkte, de fasehoek en het frequentieverschil binnen aanvaardbare grenzen worden gehouden.
4.2 Controle en bescherming
Het systeem voor de opwekking van waterkrachtturbines kan automatisch of handmatig worden aangestuurd. In de automatische modus kunnen de assen van de bezinktank 47/49 # of 51/53 # worden gebruikt als hydraulische energiebron. Het besturingssysteem activeert vervolgens verschillende regelkleppen op basis van de standaardgegevens om de meest geschikte bezinktank te selecteren en zo de opwekking van waterkrachtturbines te optimaliseren. Bovendien past de regelklep automatisch het bovenstroomse rioolniveau aan, zodat de bezinktank niet overstroomt met gezuiverd afvalwater, waardoor de opwekking optimaal wordt. Het turbinegeneratorsysteem kan worden aangestuurd vanuit de centrale controlekamer of op locatie.
Op het gebied van beveiliging en controle zal het hydraulische turbine-energieopwekkingssysteem automatisch stoppen met werken en het gezuiverde afvalwater via de bypass-buis lozen als de voedingskast of de regelklep van het turbinesysteem uitvalt of als het waterpeil het maximaal toegestane waterpeil overschrijdt. Op die manier wordt voorkomen dat de bovenstroomse bezinktank overstroomt met gezuiverd afvalwater als gevolg van een systeemstoring.
5 Prestaties van de systeemwerking
Dit hydraulische turbine-energieopwekkingssysteem werd eind 2018 in gebruik genomen en levert een gemiddeld maandelijks vermogen van meer dan 10.000 kWh. De effectieve waterdruk die het hydraulische turbine-energieopwekkingssysteem aandrijft, verandert ook in de loop van de tijd als gevolg van de hoge en lage stroomsnelheid van het afvalwater dat dagelijks door de rioolwaterzuiveringsinstallatie wordt opgevangen en behandeld. Om het door het turbinesysteem opgewekte vermogen te maximaliseren, heeft de afdeling Riolering een besturingssysteem ontworpen dat het draaimoment van de turbine automatisch aanpast aan de dagelijkse stroomsnelheid van het afvalwater, waardoor de efficiëntie van de energieopwekking wordt verbeterd. Figuur 7 toont de relatie tussen het energieopwekkingssysteem en de waterstroom. Wanneer de waterstroom de ingestelde waarde overschrijdt, schakelt het systeem automatisch over op het opwekken van elektriciteit.
6 Uitdagingen en Oplossingen
De afdeling Rioleringsdiensten heeft bij de uitvoering van relevante projecten veel uitdagingen ondervonden en heeft als reactie op deze uitdagingen bijbehorende plannen opgesteld.
7 Conclusie
Ondanks diverse uitdagingen werd deze set van hydraulische turbine-energieopwekkingsystemen eind 2018 succesvol in gebruik genomen. Het gemiddelde maandelijkse vermogen van het systeem is meer dan 10.000 kW · h, wat overeenkomt met het gemiddelde maandelijkse stroomverbruik van ongeveer 25 huishoudens in Hongkong (het gemiddelde maandelijkse stroomverbruik van elk huishouden in Hongkong in 2018 is ongeveer 390 kW · h). De afdeling Drainage Services zet zich in om "riolering en regenwaterbehandeling en drainagediensten van wereldklasse te leveren om de duurzame ontwikkeling van Hongkong te bevorderen", en tegelijkertijd projecten voor milieubescherming en klimaatverandering te promoten. Bij de toepassing van hernieuwbare energie gebruikt de afdeling Drainage Services biogas, zonne-energie en de energie uit de stroom van gezuiverd rioolwater om hernieuwbare energie op te wekken. De afgelopen jaren bedroeg de gemiddelde jaarlijkse hernieuwbare energie die door de afdeling Drainage Services werd geproduceerd ongeveer 27 miljoen kW · h, wat kan voorzien in de energiebehoefte van ongeveer 9% van de afdeling Drainage Services. De afdeling Drainage Services zal zich blijven inspannen om de toepassing van hernieuwbare energie te versterken en te bevorderen.
Plaatsingstijd: 22-11-2022
