O Departamento de Serviços de Drenagem do Governo da Região Administrativa Especial de Hong Kong está empenhado em contribuir para a mitigação das alterações climáticas globais. Ao longo dos anos, foram instaladas instalações de poupança de energia e de energias renováveis em algumas das suas estações de tratamento. Com o lançamento oficial da “Fase II A do Plano de Purificação do Porto 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 da Ilha Stonecutters (a estação de tratamento de esgoto com a maior capacidade de tratamento de esgoto em Hong Kong), que utiliza a energia hidráulica do esgoto em fluxo para acionar o gerador da turbina e, em seguida, gerar eletricidade para utilização nas instalações da estação. Este artigo apresenta o sistema, incluindo os desafios encontrados na implementação dos projetos relevantes, as considerações e características do projeto e construção do sistema e o seu desempenho operacional. O sistema não só ajuda a poupar nos custos de eletricidade, como também utiliza a 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 Vitória. Foi oficialmente implementado em dezembro de 2015. O seu âmbito de atuação inclui a construção de um túnel de esgoto profundo com um comprimento total de cerca de 21 km e 163 m abaixo do solo, para transportar o esgoto gerado no norte e sudoeste da ilha até a Estação de Tratamento de Esgoto da Ilha Stonecutters, e para 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 às limitações de espaço, a Estação de Tratamento de Esgoto da Ilha Stonecutters utiliza 46 conjuntos de tanques de sedimentação de dois andares para o tratamento primário de esgoto com aprimoramento químico, e cada dois conjuntos de tanques de sedimentação compartilham 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 o grande volume de esgoto tratado diariamente pela Estação de Tratamento de Esgoto da Ilha Stonecutters e o design exclusivo de dupla camada de seu tanque de sedimentação, é possível gerar uma certa quantidade de energia hidráulica durante a descarga do esgoto tratado, acionando assim o gerador de turbina para produzir eletricidade. A equipe do Departamento de Serviços de Drenagem realizou, então, um estudo de viabilidade em 2008 e conduziu uma série de testes de campo. Os resultados desses estudos preliminares confirmaram 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 futuras e da posição exata da turbina); Vazão: 1,1 ～ 1,25 m³/s; Potência máxima de saída: 45~50 kW; Equipamentos e materiais: Como o esgoto tratado ainda apresenta certa corrosividade, os materiais selecionados e os equipamentos relacionados devem ter proteção e resistência à corrosão adequadas.
Nesse sentido, o Departamento de Serviços de Drenagem reservou espaço para dois conjuntos de tanques de sedimentação na estação de tratamento de esgoto para a instalação de 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 projeto 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 gravitacional g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Eficiência geral do sistema (%). A pressão efetiva da água é a diferença entre o nível máximo de água permitido no 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 energia, um dos objetivos do projeto é permitir que o sistema de turbina receba a maior velocidade de fluxo de água e a maior pressão efetiva possível.
3.2 Pontos-chave do projeto do sistema
Primeiramente, em termos de projeto, o novo sistema de turbina instalado não deve afetar, tanto quanto possível, o funcionamento normal da estação de tratamento de esgoto. Por exemplo, o sistema deve possuir dispositivos de proteção adequados para evitar o transbordamento do esgoto tratado no tanque de sedimentação a montante devido a um controle incorreto do sistema. Os parâmetros operacionais definidos durante o projeto são: vazão de 1,06 a 1,50 m³/s e faixa de pressão efetiva da água de 24 a 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 dos componentes do sistema de 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), a fim de melhorar a durabilidade do sistema e reduzir a necessidade de manutenção.
Em termos de projeto do sistema de energia, como a geração de energia da turbina de esgoto não é completamente estável por diversos motivos, todo o sistema de geração de energia é conectado em paralelo com a rede elétrica para manter um 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 projeto de tubulação, além das restrições existentes no local, também se considera a necessidade de manutenção e reparo do sistema. 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 tratado 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 minimizar o impacto na operação normal da estação de tratamento de esgoto.
Considerando que o tanque de sedimentação ocasionalmente precisa ser suspenso para manutenção, a garganta do sistema de turbina está conectada a dois eixos de quatro conjuntos de tanques de sedimentação de duplo convés. Mesmo que dois conjuntos de tanques de sedimentação parem de operar, os outros dois conjuntos podem fornecer esgoto tratado, acionar o sistema de turbina e continuar a gerar eletricidade. Além disso, um espaço foi reservado próximo ao eixo do tanque de sedimentação nº 47/49 para a futura instalação de um segundo sistema de geração de energia por turbina hidráulica, de modo que, quando os quatro conjuntos de tanques de sedimentação estiverem operando normalmente, os dois sistemas de geração de energia por turbina possam gerar energia simultaneamente, atingindo a capacidade máxima de geração.
3.3 Seleção da turbina hidráulica e do 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 funcionamento: tipo pulso e tipo reação. No tipo pulso, o fluido é impulsionado em alta velocidade contra as pás da turbina através de múltiplos bicos, acionando o gerador para gerar energia. No tipo reação, o fluido passa pelas pás da turbina e utiliza a pressão da água para acionar o gerador e gerar energia. Neste projeto, considerando que o esgoto tratado pode fornecer baixa pressão de água durante o fluxo, foi selecionada a turbina Kaplan, um dos tipos de reação mais adequados, pois esta turbina apresenta alta eficiência em baixa pressão de água e é relativamente compacta, sendo mais adequada para espaços limitados no local.
Em termos de gerador, foi selecionado um gerador síncrono de ímã permanente acionado por uma turbina hidráulica de velocidade constante. Este gerador pode fornecer tensão e frequência mais estáveis do que um gerador assíncrono, melhorando assim a qualidade do fornecimento de energia, simplificando a conexão em paralelo e exigindo menos manutenção.
4. Características de Construção e Operação
4.1 Arranjo paralelo em grade
A ligação à rede elétrica deve ser realizada de acordo com as diretrizes técnicas para ligação à rede 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 estar equipado com uma função de proteção anti-ilhamento, que pode separar automaticamente o sistema de geração de energia renovável do sistema de distribuição quando a rede elétrica parar de fornecer energia por qualquer motivo, de forma que o sistema de geração de energia renovável não possa continuar a fornecer energia ao sistema de distribuição, garantindo assim a segurança dos técnicos de engenharia elétrica que trabalham 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 só podem ser sincronizados quando a intensidade da tensão, o ângulo de fase ou a diferença de frequência forem controlados dentro de limites aceitáveis.
4.2 Controle e proteção
O sistema de geração de energia por turbina hidráulica pode ser controlado nos modos 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 pela turbina hidráulica. Além disso, a válvula de controle ajustará automaticamente o nível de esgoto a montante para evitar o transbordamento do esgoto tratado no tanque de sedimentação, maximizando assim a geração de energia. O sistema de turbina geradora 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 de turbina falhar, ou se 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 tratado através do tubo de desvio, de forma a evitar que o tanque de sedimentação a montante transborde devido a uma falha no sistema.
5. Desempenho da operação do sistema
Este sistema de geração de energia por turbina hidráulica entrou em operação no final de 2018, com uma produção média mensal superior a 10.000 kW·h. A pressão efetiva da água que aciona o sistema de geração de energia por turbina hidráulica também varia ao longo do tempo devido à variação diária da vazão de esgoto coletada e tratada pela estação de tratamento de esgoto. 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 a vazão diária de esgoto, melhorando assim a eficiência da produção de energia. A Figura 7 mostra a relação entre o sistema de geração de energia e a vazão de água. Quando a vazão 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 dos projetos relevantes e formulou planos correspondentes em resposta a esses desafios.
7 Conclusão
Apesar de vários desafios, este sistema de geração de energia por 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 em Hong Kong (o consumo médio mensal de energia de cada residência em Hong Kong em 2018 foi de cerca de 390 kW·h). O Departamento de Serviços de Drenagem está empenhado em "fornecer serviços de tratamento de esgoto e águas pluviais e drenagem de classe mundial para promover o desenvolvimento sustentável de Hong Kong", ao mesmo tempo que promove projetos de proteção ambiental e de combate às mudanças climáticas. Na aplicação de energia renovável, o Departamento de Serviços de Drenagem utiliza biogás, energia solar e a energia proveniente do fluxo de esgoto tratado para gerar energia renovável. Nos últimos anos, a média anual de energia renovável produzida pelo Departamento de Serviços de Drenagem é de cerca de 27 milhões de kW·h, o que pode suprir as necessidades energéticas de cerca de 9% do Departamento. O Departamento de Serviços de Drenagem continuará seus esforços para fortalecer e promover a aplicação de energia renovável.
Data da publicação: 22/11/2022
