Avløpsavdelingen i Hong Kongs spesialadministrative regionregjering er forpliktet til å bidra til å redusere globale klimaendringer. Gjennom årene har det blitt installert energisparende og fornybare energianlegg i noen av anleggene. Med den offisielle lanseringen av Hong Kongs «Havnerensingsplan fase II A» har avløpsavdelingen installert et hydraulisk turbinkraftverk ved Stonecutters Island kloakkrenseanlegg (kloakkrenseanlegget med den største kloakkrensekapasiteten i Hong Kong), som bruker den hydrauliske energien fra rennende kloakk til å drive turbingeneratoren, og deretter genererer elektrisitet til bruk i anleggene i anlegget. Denne artikkelen introduserer systemet, inkludert utfordringene som oppstår ved implementering av relevante prosjekter, hensyn og egenskaper ved systemdesign og konstruksjon, og systemets driftsytelse. Systemet bidrar ikke bare til å spare strømkostnader, men bruker også vann for å redusere karbonutslipp.
1 Prosjektinnledning
Den andre fasen A av «Havnerensingsplanen» er en storstilt plan implementert av Hong Kong Special Administrative Region Government for å forbedre vannkvaliteten i Victoria Harbour. Den ble offisielt tatt i bruk i desember 2015. Arbeidsomfanget inkluderer bygging av en dyp kloakktunnel med en total lengde på omtrent 21 km og 163 m under bakken, for å transportere kloakk generert nord og sørvest på øya til Stonecutters Island kloakkrenseanlegg, og for å øke rensekapasiteten til kloakkanlegget til 245 × 105 m3/d, noe som gir kloakkrensetjenester til omtrent 5,7 millioner innbyggere. På grunn av arealbegrensninger bruker Stonecutters Island kloakkrenseanlegg 46 sett med dobbeltdekkede sedimenttanker for kjemisk forbedret primærrensing av kloakk, og hvert andre sett med sedimenttanker vil dele en vertikal sjakt (det vil si totalt 23 sjakter) for å sende det rensede kloakken til det underjordiske dreneringsrøret for endelig desinfeksjon, og deretter til dyphavet.
2 Relevant tidlig forskning og utvikling
Med tanke på den store mengden kloakk som renses av Stonecutters Island kloakkrenseanlegg hver dag og den unike dobbeltlagsdesignen til sedimentasjonstanken, kan den gi en viss mengde hydraulisk energi mens den slipper ut det rensede kloakken for å drive turbingeneratoren til å generere elektrisitet. Teamet fra dreneringstjenesteavdelingen utførte deretter en relevant mulighetsstudie i 2008 og gjennomførte en rekke felttester. Resultatene av disse foreløpige studiene bekrefter muligheten for å installere turbingeneratorer.
Installasjonssted: i sjakten til sedimentasjonstanken; Effektivt vanntrykk: 4,5~6 m (den spesifikke utformingen avhenger av de faktiske driftsforholdene i fremtiden og turbinens nøyaktige plassering); Strømningsområde: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maksimal utgangseffekt: 45~50 kW; Utstyr og materialer: Siden det rensede kloakken fortsatt har en viss korrosjonsevne, må de valgte materialene og tilhørende utstyret ha tilstrekkelig beskyttelse og korrosjonsbestandighet.
I denne forbindelse har avløpsavdelingen reservert plass til to sett med sedimentasjonstanker i avløpsrenseanlegget for å installere et turbinkraftverk i utvidelsesprosjektet til «Havnerensingsprosjekt fase II A».
3 Hensyn til systemdesign og funksjoner
3.1 Generert kraft og effektivt vanntrykk
Forholdet mellom elektrisk kraft generert av hydrodynamisk energi og effektivt vanntrykk er som følger: elektrisk kraft generert (kW) = [tetthet av renset kloakkvann ρ (kg/m3) × Vannstrømningshastighet Q (m3/s) × Effektivt vanntrykk H (m) × Tyngdekraftskonstant g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Total systemeffektivitet (%). Det effektive vanntrykket er forskjellen mellom det maksimalt tillatte vannstanden i sjakten og vannstanden i den tilstøtende sjakten i det strømmende vannet.
Med andre ord, jo høyere strømningshastighet og effektivt vanntrykk, desto større kraft genereres. For å generere mer kraft er derfor et av designmålene å gjøre det mulig for turbinsystemet å motta den høyeste vannstrømningshastigheten og det effektive vanntrykket.
3.2 Viktige punkter i systemdesign
Først og fremst, når det gjelder design, må det nyinstallerte turbinsystemet ikke påvirke den normale driften av avløpsrenseanlegget så mye som mulig. For eksempel må systemet ha passende beskyttelsesinnretninger for å forhindre at den oppstrøms sedimentasjonstanken overfyller det rensede avløpsvannet på grunn av feil systemkontroll. Driftsparametere bestemt under design: strømningshastighet 1,06 ～ 1,50 m3/s, effektivt vanntrykkområde 24 ～ 52 kPa.
I tillegg, siden kloakken som renses av sedimentasjonstanken fortsatt inneholder noen etsende stoffer, som hydrogensulfid og salt, må alle turbinsystemkomponentmaterialer som er i kontakt med det rensede kloakken være korrosjonsbestandige (som dupleks rustfritt stål som ofte brukes til kloakkrenseutstyr), for å forbedre systemets holdbarhet og redusere antall vedlikeholdsbehov.
Når det gjelder utforming av kraftsystem, siden kraftproduksjonen til kloakkturbinen av ulike årsaker ikke er helt stabil, er hele kraftproduksjonssystemet koblet parallelt med nettet for å opprettholde pålitelig strømforsyning. Nettforbindelsen skal ordnes i samsvar med de tekniske retningslinjene for nettforbindelse utstedt av kraftselskapet og avdelingen for elektriske og mekaniske tjenester i Hong Kong Special Administrative Region Government.
Når det gjelder røroppsett, i tillegg til eksisterende begrensninger på stedet, vurderes også behovet for vedlikehold og reparasjon av systemet. I denne forbindelse er den opprinnelige planen for å installere den hydrauliske turbinen i sedimenteringstanksjakten som ble foreslått i FoU-prosjektet, endret. I stedet ledes det rensede kloakken ut av sjakten via en hals og sendes til den hydrauliske turbinen, noe som reduserer vanskeligheten og tiden for vedlikehold betraktelig og reduserer påvirkningen på den normale driften av avløpsrenseanlegget.
Siden sedimentasjonstanken av og til må settes ut av drift, er halsen på turbinsystemet koblet til to aksler med fire sett med dobbeltdekkede sedimentasjonstanker. Selv om to sett med sedimentasjonstanker stopper driften, kan de to andre settene med sedimentasjonstanker også gi renset kloakk, drive turbinsystemet og fortsette å generere strøm. I tillegg er det reservert en plass i nærheten av akslingen til sedimentasjonstank 47/49 # for installasjon av det andre hydrauliske turbinkraftgenereringssystemet i fremtiden, slik at når de fire settene med sedimentasjonstanker fungerer normalt, kan de to turbinkraftgenereringssystemene generere strøm samtidig og nå maksimal effektkapasitet.
3.3 Valg av hydraulisk turbin og generator
Hydrauliske turbiner er nøkkelutstyret i hele kraftproduksjonssystemet. Turbiner kan generelt deles inn i to kategorier i henhold til driftsprinsippet: pulstype og reaksjonstype. Impulstypen betyr at væsken skytes til turbinbladet med høy hastighet gjennom flere dyser, og deretter driver generatoren for å generere energi. Reaksjonstypen passerer gjennom turbinbladet gjennom væsken, og bruker vannstandstrykket til å drive generatoren for å generere energi. I denne designen, basert på det faktum at det rensede kloakkvannet kan gi lavt vanntrykk når det strømmer, er Kaplan-turbinen, en av de mer passende reaksjonstypene, valgt fordi denne turbinen har høy effektivitet ved lavt vanntrykk og er relativt tynn, noe som er mer egnet for begrenset plass på stedet.
Når det gjelder generator, velges en permanentmagnetsynkrongenerator drevet av en hydraulisk turbin med konstant hastighet. Denne generatoren kan gi mer stabil spenning og frekvens enn en asynkrongenerator, slik at den kan forbedre strømforsyningskvaliteten, gjøre parallelt strømnett enklere og kreve mindre vedlikehold.
4 Konstruksjons- og driftsfunksjoner
4.1 Parallell rutenettoppsett
Netttilkoblingen skal utføres i samsvar med de tekniske retningslinjene for netttilkobling utstedt av kraftselskapet og avdelingen for elektriske og mekaniske tjenester i Hong Kong Special Administrative Region Government. I henhold til retningslinjene må det fornybare kraftproduksjonssystemet være utstyrt med en beskyttelsesfunksjon mot øydrift, som automatisk kan separere det relevante fornybare kraftproduksjonssystemet fra distribusjonssystemet når strømnettet slutter å levere strøm av en eller annen grunn, slik at det fornybare kraftproduksjonssystemet ikke kan fortsette å levere strøm til distribusjonssystemet, for å sikre sikkerheten til elektroteknikerpersonell som arbeider på nettet eller distribusjonssystemet.
Når det gjelder synkron drift av strømforsyningen, kan det fornybare kraftproduksjonssystemet og distribusjonssystemet bare synkroniseres når spenningsintensiteten, fasevinkelen eller frekvensforskjellen kontrolleres innenfor akseptable grenser.
4.2 Kontroll og beskyttelse
Det hydrauliske turbinkraftgenereringssystemet kan styres i automatisk eller manuell modus. I automatisk modus kan akslingene til sedimentasjonstank 47/49 # eller 51/53 # brukes som kilde til hydraulisk energi, og kontrollsystemet vil starte forskjellige kontrollventiler i henhold til standarddataene for å velge den mest passende sedimentasjonstanken, for å optimalisere den hydrauliske turbinkraftgenereringen. I tillegg vil kontrollventilen automatisk justere oppstrøms kloakknivå slik at sedimentasjonstanken ikke overfyller det rensede kloakken, og dermed øke kraftgenereringen til det høyeste nivået. Turbingeneratorsystemet kan reguleres i hovedkontrollrommet eller på stedet.
Når det gjelder beskyttelse og kontroll, hvis strømforsyningsboksen eller kontrollventilen til turbinsystemet svikter eller vannstanden overstiger maksimalt tillatt vannstand, vil det hydrauliske turbinkraftgenereringssystemet også automatisk stoppe driften og tømme det rensede kloakken gjennom bypass-røret, for å forhindre at den oppstrøms sedimentasjonstanken overfyller det rensede kloakken på grunn av systemfeil.
5 Systemets ytelse
Dette hydrauliske turbinkraftgenereringssystemet ble satt i drift på slutten av 2018, med en gjennomsnittlig månedlig ytelse på mer enn 10 000 kW·t. Det effektive vanntrykket som kan drive det hydrauliske turbinkraftgenereringssystemet endres også over tid på grunn av den høye og lave strømmen av kloakk som samles inn og behandles av kloakkrenseanlegget hver dag. For å maksimere kraften som genereres av turbinsystemet, har avløpsavdelingen utviklet et kontrollsystem for automatisk å justere turbinens driftsmoment i henhold til den daglige kloakkstrømmen, og dermed forbedre kraftproduksjonseffektiviteten. Figur 7 viser forholdet mellom kraftgenereringssystemet og vannstrømmen. Når vannstrømmen overstiger det innstilte nivået, vil systemet automatisk starte for å generere elektrisitet.
6 utfordringer og løsninger
Avløpsavdelingen har møtt mange utfordringer i gjennomføringen av relevante prosjekter, og har utarbeidet tilsvarende planer som svar på disse utfordringene,
7 Konklusjon
Til tross for diverse utfordringer ble dette settet med hydrauliske turbinkraftgenereringssystemer satt i drift på slutten av 2018. Systemets gjennomsnittlige månedlige effekt er mer enn 10 000 kW·t, noe som tilsvarer det gjennomsnittlige månedlige strømforbruket til omtrent 25 husholdninger i Hong Kong (det gjennomsnittlige månedlige strømforbruket for hver husholdning i Hong Kong i 2018 var omtrent 390 kW·t). Avløpsavdelingen er forpliktet til å «tilby kloakk- og regnvannsrensing og dreneringstjenester i verdensklasse for å fremme bærekraftig utvikling i Hong Kong», samtidig som de fremmer miljøvern- og klimaendringsprosjekter. I bruken av fornybar energi bruker avløpsavdelingen biogass, solenergi og energien fra strømmen av renset kloakk for å generere fornybar energi. I løpet av de siste årene har den gjennomsnittlige årlige fornybare energien produsert av avløpsavdelingen vært omtrent 27 millioner kW·t, noe som kan dekke energibehovet til omtrent 9 % av avløpsavdelingen. Avløpsavdelingen vil fortsette arbeidet med å styrke og fremme bruken av fornybar energi.
Publisert: 22. november 2022
