Departament Usług Drenażowych Rządu Specjalnego Regionu Administracyjnego Hongkongu zobowiązał się do łagodzenia globalnych zmian klimatu. Na przestrzeni lat w niektórych zakładach zainstalowano energooszczędne i odnawialne urządzenia energetyczne. Wraz z oficjalnym uruchomieniem „Planu Oczyszczania Portu Faza II A” w Hongkongu, Departament Usług Drenażowych zainstalował system generowania energii z turbiny hydraulicznej w oczyszczalni ścieków Stonecutters Island (oczyszczalni ścieków o największej wydajności oczyszczania ścieków w Hongkongu), który wykorzystuje energię hydrauliczną płynących ścieków do napędzania generatora turbiny, a następnie generuje energię elektryczną do użytku w obiektach w zakładzie. W niniejszym dokumencie przedstawiono system, w tym wyzwania napotkane podczas wdrażania odpowiednich projektów, rozważania i cechy projektu i budowy systemu oraz wydajność operacyjną systemu. System nie tylko pomaga oszczędzać koszty energii elektrycznej, ale także wykorzystuje wodę do redukcji emisji dwutlenku węgla.
1 Wprowadzenie do projektu
Druga faza A „Planu oczyszczania portu” to szeroko zakrojony plan wdrożony przez Rząd Specjalnego Regionu Administracyjnego Hongkongu w celu poprawy jakości wody w porcie Victoria. Został oficjalnie oddany do użytku w grudniu 2015 r. Zakres prac obejmuje budowę głębokiego tunelu ściekowego o łącznej długości około 21 km i 163 m pod ziemią, aby transportować ścieki wytwarzane na północy i południowym zachodzie wyspy do oczyszczalni ścieków Stonecutters Island oraz zwiększyć wydajność oczyszczania ścieków do 245 × 105 m3/d, zapewniając usługi oczyszczania ścieków dla około 5,7 miliona obywateli. Ze względu na ograniczenia terenu oczyszczalnia ścieków Stonecutters Island wykorzystuje 46 zestawów dwupoziomowych zbiorników sedymentacyjnych do chemicznie wspomaganego oczyszczania ścieków, a każde dwa zestawy zbiorników sedymentacyjnych będą dzielić pionowy szyb (tj. łącznie 23 szyby), aby przesyłać oczyszczone ścieki do podziemnej rury drenażowej w celu ostatecznej dezynfekcji, a następnie do głębin morskich.
2 Istotne wczesne badania i rozwój
Biorąc pod uwagę dużą ilość ścieków oczyszczanych codziennie przez Stonecutters Island Sewage Treatment Plant i unikalną dwuwarstwową konstrukcję zbiornika sedymentacyjnego, może on zapewnić pewną ilość energii hydraulicznej podczas odprowadzania oczyszczonych ścieków, aby napędzać generator turbiny w celu generowania energii elektrycznej. Zespół Drainage Services Department przeprowadził następnie stosowne studium wykonalności w 2008 r. i przeprowadził serię testów terenowych. Wyniki tych wstępnych badań potwierdzają wykonalność instalacji generatorów turbin.
Miejsce instalacji: w szybie osadnika; Efektywne ciśnienie wody: 4,5~6 m (konkretny projekt zależy od rzeczywistych warunków pracy w przyszłości i dokładnego położenia turbiny); Zakres przepływu: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maksymalna moc wyjściowa: 45~50 kW; Sprzęt i materiały: Ponieważ oczyszczone ścieki nadal mają pewną korozyjność, wybrane materiały i związany z nimi sprzęt muszą mieć odpowiednią ochronę i odporność na korozję.
W związku z tym Wydział Usług Drenażowych zarezerwował miejsce na dwa zestawy zbiorników sedymentacyjnych w oczyszczalni ścieków w celu zainstalowania turbinowego systemu wytwarzania energii w ramach projektu rozbudowy „Projektu Oczyszczania Portu Faza II A”.
3 Rozważania i funkcje dotyczące projektowania systemu
3.1 Moc generowana i efektywne ciśnienie wody
Zależność między mocą elektryczną wytworzoną przez energię hydrodynamiczną a efektywnym ciśnieniem wody przedstawia się następująco: wytworzona moc elektryczna (kW) = [gęstość oczyszczonych ścieków ρ (kg/m3) × natężenie przepływu wody Q (m3/s) × efektywne ciśnienie wody H (m) × stała grawitacji g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Całkowita wydajność systemu (%). Efektywne ciśnienie wody to różnica między maksymalnym dopuszczalnym poziomem wody w szybie a poziomem wody w sąsiednim szybie w płynącej wodzie.
Innymi słowy, im wyższa prędkość przepływu i efektywne ciśnienie wody, tym większa generowana moc. Dlatego też, aby generować więcej mocy, jednym z celów projektowych jest umożliwienie systemowi turbiny otrzymania najwyższej prędkości przepływu wody i efektywnego ciśnienia wody.
3.2 Kluczowe punkty projektowania systemu
Przede wszystkim, pod względem projektu, nowo zainstalowany system turbiny nie może w jak największym stopniu wpływać na normalną pracę oczyszczalni ścieków. Na przykład, system musi mieć odpowiednie urządzenia ochronne, aby zapobiec przepełnieniu zbiornika sedymentacyjnego oczyszczonymi ściekami z powodu nieprawidłowej kontroli systemu. Parametry pracy określone podczas projektowania: natężenie przepływu 1,06 ～ 1,50 m3/s, efektywny zakres ciśnienia wody 24 ～ 52 kPa.
Ponadto, ponieważ ścieki oczyszczone w zbiorniku sedymentacyjnym nadal zawierają pewne substancje żrące, takie jak siarkowodór i sól, wszystkie materiały elementów układu turbiny mające kontakt z oczyszczonymi ściekami muszą być odporne na korozję (jak np. materiały ze stali nierdzewnej dupleks, często stosowanej w urządzeniach do oczyszczania ścieków), aby zwiększyć trwałość układu i ograniczyć liczbę czynności konserwacyjnych.
Jeśli chodzi o projekt systemu energetycznego, ponieważ wytwarzanie energii przez turbinę ściekową nie jest całkowicie stabilne z różnych powodów, cały system wytwarzania energii jest połączony równolegle z siecią, aby utrzymać niezawodne zasilanie. Podłączenie do sieci musi być wykonane zgodnie z wytycznymi technicznymi dotyczącymi podłączenia do sieci wydanymi przez firmę energetyczną i Departament Usług Elektrycznych i Mechanicznych Rządu Specjalnego Regionu Administracyjnego Hongkongu.
W kwestii układu rur, oprócz istniejących ograniczeń lokalizacji, bierze się również pod uwagę potrzebę konserwacji i naprawy systemu. W związku z tym oryginalny plan instalacji turbiny hydraulicznej w szybie osadnika zaproponowany w projekcie badawczo-rozwojowym został zmieniony. Zamiast tego oczyszczone ścieki są odprowadzane z szybu przez gardziel i przesyłane do turbiny hydraulicznej, co znacznie zmniejsza trudność i czas konserwacji oraz zmniejsza wpływ na normalną pracę oczyszczalni ścieków.
Biorąc pod uwagę fakt, że zbiornik sedymentacyjny czasami musi być zawieszony w celu konserwacji, gardziel układu turbiny jest połączona z dwoma wałami czterech zestawów dwupokładowych zbiorników sedymentacyjnych. Nawet jeśli dwa zestawy zbiorników sedymentacyjnych przestaną działać, pozostałe dwa zestawy zbiorników sedymentacyjnych mogą również dostarczać oczyszczone ścieki, napędzać układ turbiny i nadal generować energię elektryczną. Ponadto, w pobliżu wału zbiornika sedymentacyjnego 47/49 # zarezerwowano miejsce na instalację drugiego układu turbiny hydraulicznej w przyszłości, tak aby gdy cztery zestawy zbiorników sedymentacyjnych będą działać normalnie, dwa układy turbiny mogły generować energię w tym samym czasie, osiągając maksymalną moc.
3.3 Wybór turbiny hydraulicznej i generatora
Turbina hydrauliczna jest kluczowym wyposażeniem całego systemu wytwarzania energii. Turbiny można ogólnie podzielić na dwie kategorie według zasady działania: typ impulsowy i typ reakcyjny. Typ impulsowy polega na tym, że ciecz wystrzeliwuje do łopatki turbiny z dużą prędkością przez wiele dysz, a następnie napędza generator w celu generowania energii. Typ reakcyjny przechodzi przez łopatkę turbiny przez ciecz i wykorzystuje ciśnienie poziomu wody do napędzania generatora w celu generowania energii. W tym projekcie, w oparciu o fakt, że oczyszczone ścieki mogą zapewniać niskie ciśnienie wody podczas przepływu, wybrano turbinę Kaplana, jeden z bardziej odpowiednich typów reakcyjnych, ponieważ ta turbina ma wysoką wydajność przy niskim ciśnieniu wody i jest stosunkowo cienka, co jest bardziej odpowiednie dla ograniczonej przestrzeni na miejscu.
Jeśli chodzi o generator, wybrano generator synchroniczny z magnesami trwałymi napędzany turbiną hydrauliczną o stałej prędkości. Ten generator może wyprowadzać bardziej stabilne napięcie i częstotliwość niż generator asynchroniczny, więc może poprawić jakość zasilania, uprościć sieć równoległą i wymagać mniej konserwacji.
4 Cechy konstrukcyjne i eksploatacyjne
4.1 Układ równoległy siatki
Podłączenie do sieci musi być wykonane zgodnie z wytycznymi technicznymi dotyczącymi podłączenia do sieci wydanymi przez firmę energetyczną i Departament Usług Elektrycznych i Mechanicznych Rządu Specjalnego Regionu Administracyjnego Hongkongu. Zgodnie z wytycznymi system wytwarzania energii odnawialnej musi być wyposażony w funkcję ochrony przed tworzeniem wysp, która może automatycznie oddzielić odpowiedni system wytwarzania energii odnawialnej od systemu dystrybucyjnego, gdy sieć energetyczna przestanie dostarczać energię z jakiegokolwiek powodu, tak aby system wytwarzania energii odnawialnej nie mógł nadal dostarczać energii do systemu dystrybucyjnego, zapewniając bezpieczeństwo personelu inżynierii elektrycznej pracującego przy sieci lub systemie dystrybucyjnym.
Jeśli chodzi o synchroniczną pracę zasilania, system wytwarzania energii odnawialnej i system dystrybucji mogą być zsynchronizowane tylko wtedy, gdy natężenie napięcia, kąt fazowy i różnica częstotliwości mieszczą się w dopuszczalnych granicach.
4.2 Kontrola i ochrona
Układ generowania mocy turbiny hydraulicznej może być sterowany w trybie automatycznym lub ręcznym. W trybie automatycznym wały osadnika 47/49 # lub 51/53 # mogą być używane jako źródło energii hydraulicznej, a układ sterowania uruchomi różne zawory sterujące zgodnie z domyślnymi danymi, aby wybrać najbardziej odpowiedni osadnik, tak aby zoptymalizować generowanie mocy turbiny hydraulicznej. Ponadto zawór sterujący automatycznie dostosuje poziom ścieków w górnym biegu, tak aby osadnik nie przepełnił oczyszczonych ścieków, zwiększając w ten sposób generowanie mocy do najwyższego poziomu. Układ generatora turbiny może być regulowany w głównej sterowni lub na miejscu.
Jeśli chodzi o ochronę i kontrolę, jeśli skrzynka zasilająca lub zawór sterujący układu turbiny ulegną awarii lub poziom wody przekroczy maksymalny dopuszczalny poziom, układ wytwarzania energii za pomocą turbiny hydraulicznej automatycznie zatrzyma pracę i odprowadzi oczyszczone ścieki przez rurę obejściową, zapobiegając w ten sposób przepełnieniu zbiornika osadowego oczyszczonymi ściekami z powodu awarii układu.
5 Wydajność działania systemu
Ten system wytwarzania energii z turbiny hydraulicznej został oddany do użytku pod koniec 2018 r., a jego średnia miesięczna moc wyjściowa wyniosła ponad 10000 kW · h. Efektywne ciśnienie wody, które może napędzać system wytwarzania energii z turbiny hydraulicznej, zmienia się również w czasie ze względu na wysoki i niski przepływ ścieków zbieranych i oczyszczanych przez oczyszczalnię ścieków każdego dnia. Aby zmaksymalizować moc generowaną przez system turbiny, Dział Usług Drenażowych zaprojektował system sterowania, który automatycznie dostosowuje moment obrotowy turbiny do dziennego przepływu ścieków, poprawiając w ten sposób wydajność produkcji energii. Rysunek 7 przedstawia zależność między systemem wytwarzania energii a przepływem wody. Gdy przepływ wody przekroczy ustawiony poziom, system automatycznie uruchomi się w celu wytworzenia energii elektrycznej.
6 wyzwań i rozwiązań
Wydział Usług Drenażowych napotkał wiele wyzwań podczas realizacji odpowiednich projektów i opracował odpowiednie plany w odpowiedzi na te wyzwania,
7. Wniosek
Pomimo różnych wyzwań, ten zestaw hydraulicznego systemu wytwarzania energii turbinowej został pomyślnie uruchomiony pod koniec 2018 roku. Średnia miesięczna moc wyjściowa systemu wynosi ponad 10000 kW · h, co odpowiada średniemu miesięcznemu zużyciu energii około 25 gospodarstw domowych w Hongkongu (średnie miesięczne zużycie energii każdego gospodarstwa domowego w Hongkongu w 2018 roku wynosiło około 390 kW · h). Departament Usług Drenażowych zobowiązuje się do „świadczenia światowej klasy usług oczyszczania ścieków i wody deszczowej oraz usług drenażowych w celu promowania zrównoważonego rozwoju Hongkongu”, jednocześnie promując projekty ochrony środowiska i zmiany klimatu. W zakresie stosowania energii odnawialnej Departament Usług Drenażowych wykorzystuje biogaz, energię słoneczną i energię z przepływu oczyszczonych ścieków do generowania energii odnawialnej. W ciągu ostatnich kilku lat średnia roczna energia odnawialna produkowana przez Departament Usług Drenażowych wynosiła około 27 milionów kW · h, co może zaspokoić zapotrzebowanie na energię około 9% Departamentu Usług Drenażowych. Departament Usług Drenażowych będzie kontynuował swoje wysiłki na rzecz wzmocnienia i promowania stosowania energii odnawialnej.
Czas publikacji: 22-11-2022
