O Departamento de Serviços de Drenagem do Governo da Região Administrativa Especial de Hong Kong está comprometido em ajudar a mitigar as mudanças climáticas globais. Ao longo dos anos, instalações de economia de energia e energia renovável foram instaladas em algumas de suas usinas. Com o lançamento oficial do "Plano de Purificação do Porto Fase II A" de Hong Kong, o Departamento de Serviços de Drenagem instalou um sistema de geração de energia por turbina hidráulica na Estação de Tratamento de Esgoto de Stonecutters Island (a estação de tratamento de esgoto com a maior capacidade de tratamento de esgoto em Hong Kong), que utiliza a energia hidráulica do esgoto fluindo para acionar o gerador da turbina e, em seguida, gerar eletricidade para o uso das instalações da estação. Este artigo apresenta o sistema, incluindo os desafios encontrados na implementação de projetos relevantes, as considerações e características do projeto e construção do sistema, e o desempenho operacional do sistema. O sistema não apenas ajuda a economizar custos de eletricidade, mas também usa água para reduzir as emissões de carbono.
1 Introdução ao projeto
A segunda fase A do "Plano de Purificação do Porto" é um plano de grande escala implementado pelo Governo da Região Administrativa Especial de Hong Kong para melhorar a qualidade da água do Porto de Victoria. Foi oficialmente colocado em operação em dezembro de 2015. Seu escopo de trabalho inclui a construção de um túnel profundo para esgoto com extensão total de cerca de 21 km e 163 m abaixo do solo, para transportar o esgoto gerado no norte e sudoeste da ilha para a Estação de Tratamento de Esgoto da Ilha Stonecutters, e aumentar a capacidade de tratamento da estação para 245 × 105 m³/d, fornecendo serviços de tratamento de esgoto para cerca de 5,7 milhões de cidadãos. Devido a limitações de terra, a Estação de Tratamento de Esgoto de Stonecutters Island usa 46 conjuntos de tanques de sedimentação de dois andares para tratamento primário de esgoto quimicamente aprimorado, e cada dois conjuntos de tanques de sedimentação compartilharão um poço vertical (ou seja, um total de 23 poços) para enviar o esgoto purificado para o tubo de drenagem subterrâneo para desinfecção final e, em seguida, para o mar profundo.
2 Pesquisa e desenvolvimento iniciais relevantes
Considerando a grande quantidade de esgoto tratado diariamente pela Estação de Tratamento de Esgoto de Stonecutters Island e o design exclusivo de dupla camada de seu tanque de sedimentação, ela pode fornecer uma certa quantidade de energia hidráulica enquanto descarrega o esgoto purificado para acionar o gerador de turbina e gerar eletricidade. A equipe do Departamento de Serviços de Drenagem realizou um estudo de viabilidade relevante em 2008 e realizou uma série de testes de campo. Os resultados desses estudos preliminares confirmam a viabilidade da instalação de geradores de turbina.
Local de instalação: no poço do tanque de sedimentação; Pressão efetiva da água: 4,5~6 m (o projeto específico depende das condições operacionais reais no futuro e da posição exata da turbina); Faixa de vazão: 1,1 ~ 1,25 m3/s; Potência máxima de saída: 45~50 kW; Equipamentos e materiais: Como o esgoto purificado ainda tem certa corrosividade, os materiais selecionados e os equipamentos relacionados devem ter proteção adequada e resistência à corrosão.
Nesse sentido, o Departamento de Serviços de Drenagem reservou espaço para dois conjuntos de tanques de sedimentação na estação de tratamento de esgoto para instalar um sistema de geração de energia por turbina no projeto de expansão do “Projeto de Purificação do Porto Fase II A”.
3 Considerações e recursos de design do sistema
3.1 Potência gerada e pressão efetiva da água
A relação entre a potência elétrica gerada pela energia hidrodinâmica e a pressão efetiva da água é a seguinte: potência elétrica gerada (kW) = [densidade do esgoto purificado ρ (kg/m3) × vazão de água Q (m3/s) × pressão efetiva da água H (m) × constante de gravidade g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Eficiência geral do sistema (%). A pressão efetiva da água é a diferença entre o nível máximo permitido de água do poço e o nível de água do poço adjacente na água corrente.
Em outras palavras, quanto maior a velocidade do fluxo e a pressão efetiva da água, maior a potência gerada. Portanto, para gerar mais potência, um dos objetivos do projeto é permitir que o sistema de turbina receba a maior velocidade do fluxo de água e a maior pressão efetiva da água.
3.2 Pontos-chave do projeto do sistema
Em primeiro lugar, em termos de projeto, o sistema de turbina recém-instalado não deve afetar ao máximo o funcionamento normal da estação de tratamento de esgoto. Por exemplo, o sistema deve possuir dispositivos de proteção adequados para evitar que o tanque de sedimentação a montante transborde o esgoto purificado devido ao controle incorreto do sistema. Parâmetros operacionais determinados durante o projeto: vazão de 1,06 ~ 1,50 m³/s, faixa de pressão efetiva da água de 24 ~ 52 kPa.
Além disso, como o esgoto purificado pelo tanque de sedimentação ainda contém algumas substâncias corrosivas, como sulfeto de hidrogênio e sal, todos os materiais componentes do sistema da turbina em contato com o esgoto purificado devem ser resistentes à corrosão (como materiais de aço inoxidável duplex, frequentemente usados em equipamentos de tratamento de esgoto), para melhorar a durabilidade do sistema e reduzir o número de manutenções.
Em termos de projeto do sistema elétrico, como a geração de energia da turbina de esgoto não é totalmente estável por diversos motivos, todo o sistema de geração de energia é conectado em paralelo à rede para manter o fornecimento de energia confiável. A conexão à rede deve ser feita de acordo com as diretrizes técnicas para conexão à rede emitidas pela concessionária de energia e pelo Departamento de Serviços Elétricos e Mecânicos do Governo da Região Administrativa Especial de Hong Kong.
Em termos de layout da tubulação, além das restrições existentes no local, a necessidade de manutenção e reparo do sistema também é considerada. Nesse sentido, o plano original de instalação da turbina hidráulica no poço do tanque de decantação proposto no projeto de P&D foi alterado. Em vez disso, o esgoto purificado é conduzido para fora do poço por uma garganta e enviado para a turbina hidráulica, o que reduz significativamente a dificuldade e o tempo de manutenção, além de reduzir o impacto na operação normal da estação de tratamento de esgoto.
Considerando que o tanque de sedimentação precisa ser suspenso ocasionalmente para manutenção, a garganta do sistema de turbina é conectada a dois eixos de quatro conjuntos de tanques de sedimentação de dois andares. Mesmo que dois conjuntos de tanques de sedimentação parem de operar, os outros dois conjuntos de tanques de sedimentação também podem fornecer esgoto purificado, acionar o sistema de turbina e continuar gerando eletricidade. Além disso, um local foi reservado próximo ao eixo do tanque de sedimentação 47/49 # para a instalação futura do segundo sistema de geração de energia da turbina hidráulica, de modo que, quando os quatro conjuntos de tanques de sedimentação operarem normalmente, os dois sistemas de geração de energia da turbina possam gerar energia simultaneamente, atingindo a capacidade máxima de potência.
3.3 Seleção de turbina hidráulica e gerador
A turbina hidráulica é o equipamento-chave de todo o sistema de geração de energia. As turbinas podem ser geralmente divididas em duas categorias, de acordo com o princípio de operação: tipo de pulso e tipo de reação. O tipo de impulso consiste no fluido que é lançado em alta velocidade para a lâmina da turbina através de múltiplos bicos e, em seguida, aciona o gerador para gerar energia. O tipo de reação passa pela lâmina da turbina através do fluido e usa a pressão do nível da água para acionar o gerador e gerar energia. Neste projeto, com base no fato de que o esgoto purificado pode fornecer baixa pressão de água durante o fluxo, a turbina Kaplan, um dos tipos de reação mais apropriados, é selecionada, pois esta turbina tem alta eficiência em baixa pressão de água e é relativamente fina, o que é mais adequado para o espaço limitado no local.
Em termos de gerador, o gerador síncrono de ímã permanente acionado por turbina hidráulica de velocidade constante é o escolhido. Este gerador pode gerar tensão e frequência mais estáveis do que o gerador assíncrono, melhorando a qualidade do fornecimento de energia, simplificando a rede paralela e exigindo menos manutenção.
4 Características de construção e operação
4.1 Arranjo paralelo da grade
A conexão à rede elétrica deve ser realizada de acordo com as diretrizes técnicas para conexão à rede elétrica emitidas pela empresa de energia elétrica e pelo Departamento de Serviços Elétricos e Mecânicos do Governo da Região Administrativa Especial de Hong Kong. De acordo com as diretrizes, o sistema de geração de energia renovável deve ser equipado com proteção anti-ilhamento, que pode isolar automaticamente o sistema de geração de energia renovável relevante do sistema de distribuição quando a rede elétrica interromper o fornecimento de energia por qualquer motivo, de modo que o sistema de geração de energia renovável não possa continuar a fornecer energia ao sistema de distribuição, garantindo assim a segurança do pessoal de engenharia elétrica que trabalha na rede ou no sistema de distribuição.
Em termos de operação síncrona do fornecimento de energia, o sistema de geração de energia renovável e o sistema de distribuição podem ser sincronizados somente quando a intensidade da tensão, o ângulo de fase ou a diferença de frequência são controlados dentro de limites aceitáveis.
4.2 Controle e proteção
O sistema de geração de energia da turbina hidráulica pode ser controlado em modo automático ou manual. No modo automático, os eixos dos tanques de sedimentação 47/49 # ou 51/53 # podem ser utilizados como fonte de energia hidráulica, e o sistema de controle acionará diferentes válvulas de controle de acordo com os dados padrão para selecionar o tanque de sedimentação mais adequado, otimizando assim a geração de energia da turbina hidráulica. Além disso, a válvula de controle ajustará automaticamente o nível de esgoto a montante para que o tanque de sedimentação não transborde o esgoto purificado, elevando assim a geração de energia ao nível máximo. O sistema do gerador de turbina pode ser regulado na sala de controle principal ou no local.
Em termos de proteção e controle, se a caixa de alimentação ou a válvula de controle do sistema da turbina falhar ou o nível da água exceder o nível máximo permitido, o sistema de geração de energia da turbina hidráulica também interromperá automaticamente a operação e descarregará o esgoto purificado através do tubo de desvio, para evitar que o tanque de sedimentação a montante transborde o esgoto purificado devido à falha do sistema.
5 Desempenho da operação do sistema
Este sistema de geração de energia por turbina hidráulica foi colocado em operação no final de 2018, com uma produção média mensal de mais de 10.000 kW·h. A pressão efetiva da água que pode acionar o sistema de geração de energia por turbina hidráulica também muda com o tempo devido ao alto e baixo fluxo de esgoto coletado e tratado pela estação de tratamento de esgoto todos os dias. Para maximizar a energia gerada pelo sistema de turbina, o Departamento de Serviços de Drenagem projetou um sistema de controle para ajustar automaticamente o torque de operação da turbina de acordo com o fluxo diário de esgoto, melhorando assim a eficiência da produção de energia. A Figura 7 mostra a relação entre o sistema de geração de energia e o fluxo de água. Quando o fluxo de água excede o nível definido, o sistema opera automaticamente para gerar eletricidade.
6 Desafios e Soluções
O Departamento de Serviços de Drenagem enfrentou muitos desafios na execução de projetos relevantes e formulou planos correspondentes em resposta a esses desafios,
7 Conclusão
Apesar de vários desafios, este conjunto de sistema de geração de energia de turbina hidráulica foi colocado em operação com sucesso no final de 2018. A produção média mensal de energia do sistema é superior a 10.000 kW · h, o que equivale ao consumo médio mensal de energia de cerca de 25 residências de Hong Kong (o consumo médio mensal de energia de cada residência de Hong Kong em 2018 é de cerca de 390 kW · h). O Departamento de Serviços de Drenagem está comprometido em "fornecer serviços de tratamento e drenagem de esgoto e águas pluviais de classe mundial para promover o desenvolvimento sustentável de Hong Kong", ao mesmo tempo em que promove projetos de proteção ambiental e mudanças climáticas. Na aplicação de energia renovável, o Departamento de Serviços de Drenagem usa biogás, energia solar e a energia do fluxo de esgoto purificado para gerar energia renovável. Nos últimos anos, a energia renovável média anual produzida pelo Departamento de Serviços de Drenagem é de cerca de 27 milhões de kW · h, o que pode atender às necessidades energéticas de cerca de 9% do Departamento de Serviços de Drenagem. O Departamento de Serviços de Drenagem continuará seus esforços para fortalecer e promover a aplicação de energia renovável.
Horário da publicação: 22/11/2022
