Departamentul de Servicii de Drenaj al Guvernului Regiunii Administrative Speciale Hong Kong se angajează să contribuie la atenuarea schimbărilor climatice globale. De-a lungul anilor, în unele dintre stațiile sale au fost instalate instalații de economisire a energiei și de energie regenerabilă. Odată cu lansarea oficială a „Planului de Purificare a Portului Faza II A” din Hong Kong, Departamentul de Servicii de Drenaj a instalat un sistem de generare a energiei cu turbină hidraulică la Stația de Epurare a Apelor Uzate de pe Insula Stonecutters (stația de epurare cu cea mai mare capacitate de epurare a apelor uzate din Hong Kong), care utilizează energia hidraulică a apelor uzate care curg pentru a acționa turbina-generator și apoi generează electricitate pentru utilizarea instalațiilor din stație. Această lucrare prezintă sistemul, inclusiv provocările întâlnite în implementarea proiectelor relevante, considerațiile și caracteristicile proiectării și construcției sistemului și performanța de funcționare a sistemului. Sistemul nu numai că ajută la economisirea costurilor cu energia electrică, dar utilizează și apa pentru a reduce emisiile de carbon.
1 Introducerea proiectului
A doua fază A a „Planului de purificare a portului” este un plan la scară largă implementat de Guvernul Regiunii Administrative Speciale Hong Kong pentru îmbunătățirea calității apei din portul Victoria. Acesta a fost pus oficial în funcțiune în decembrie 2015. Domeniul său de activitate include construirea unui tunel de canalizare adânc cu o lungime totală de aproximativ 21 km și 163 m sub pământ, pentru transportul apelor uzate generate în nordul și sud-vestul insulei către stația de epurare a apelor uzate de pe Insula Stonecutters și pentru creșterea capacității de tratare a stației de epurare la 245 × 105 m3/z, oferind servicii de tratare a apelor uzate pentru aproximativ 5,7 milioane de cetățeni. Din cauza limitărilor de teren, stația de epurare a apelor uzate de pe Insula Stonecutters utilizează 46 de seturi de rezervoare de sedimentare cu etaj dublu pentru tratarea primară îmbunătățită chimic a apelor uzate, iar fiecare două seturi de rezervoare de sedimentare vor avea un puț vertical comun (adică un total de 23 de puțuri) pentru a trimite apele uzate purificate către conducta de drenaj subterană pentru dezinfecție finală și apoi în marea adâncă.
2 Cercetări și dezvoltări timpurii relevante
Având în vedere cantitatea mare de ape uzate tratate zilnic de Stația de Epurare a Apelor Uzate de pe Insula Stonecutters și designul unic cu strat dublu al rezervorului său de sedimentare, acesta poate furniza o anumită cantitate de energie hidraulică în timp ce evacuează apele uzate purificate pentru a acționa turbina-generatoare în vederea generării de electricitate. Echipa Departamentului de Servicii de Drenaj a efectuat apoi un studiu de fezabilitate relevant în 2008 și a efectuat o serie de teste pe teren. Rezultatele acestor studii preliminare confirmă fezabilitatea instalării turbinelor-generatoare.
Locația de instalare: în puțul rezervorului de sedimentare; Presiunea efectivă a apei: 4,5~6 m (proiectul specific depinde de condițiile reale de funcționare viitoare și de poziția exactă a turbinei); Interval de debit: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Putere maximă de ieșire: 45~50 kW; Echipamente și materiale: Deoarece apele uzate purificate prezintă încă o anumită corozivitate, materialele selectate și echipamentele aferente trebuie să aibă o protecție și o rezistență adecvate la coroziune.
În acest sens, Departamentul de Servicii de Drenaj a rezervat spațiu pentru două seturi de rezervoare de sedimentare în stația de epurare a apelor uzate, în vederea instalării unui sistem de generare a energiei electrice cu turbină în cadrul proiectului de extindere a „Proiectului de Epurare a Portului Faza II A”.
3 Considerații și caracteristici ale designului sistemului
3.1 Puterea generată și presiunea efectivă a apei
Relația dintre energia electrică generată de energia hidrodinamică și presiunea efectivă a apei este următoarea: puterea electrică generată (kW) = [densitatea apelor uzate purificate ρ (kg/m3) × Debitul apei Q (m3/s) × Presiunea efectivă a apei H (m) × Constanta gravitațională g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Randamentul general al sistemului (%). Presiunea efectivă a apei este diferența dintre nivelul maxim admis al apei din puț și nivelul apei din puțul adiacent în apa curgătoare.
Cu alte cuvinte, cu cât viteza de curgere și presiunea efectivă a apei sunt mai mari, cu atât puterea generată este mai mare. Prin urmare, pentru a genera mai multă putere, unul dintre obiectivele de proiectare este de a permite sistemului de turbină să primească cea mai mare viteză de curgere a apei și presiune efectivă a apei.
3.2 Puncte cheie ale proiectării sistemului
În primul rând, din punct de vedere al proiectării, sistemul de turbine nou instalat nu trebuie să afecteze pe cât posibil funcționarea normală a stației de epurare. De exemplu, sistemul trebuie să aibă dispozitive de protecție adecvate pentru a preveni revărsarea apelor uzate purificate în rezervorul de sedimentare din amonte din cauza unui control incorect al sistemului. Parametrii de funcționare determinați în timpul proiectării: debit 1,06 ～ 1,50 m3/s, intervalul presiunii efective a apei 24 ～ 52 kPa.
În plus, deoarece apele uzate purificate de rezervorul de sedimentare conțin încă unele substanțe corozive, cum ar fi hidrogen sulfurat și sare, toate materialele componentelor sistemului turbinei care intră în contact cu apele uzate purificate trebuie să fie rezistente la coroziune (cum ar fi materialele din oțel inoxidabil duplex adesea utilizate pentru echipamentele de tratare a apelor uzate), pentru a îmbunătăți durabilitatea sistemului și a reduce numărul de lucrări de întreținere.
În ceea ce privește proiectarea sistemului energetic, deoarece generarea de energie a turbinei de canalizare nu este complet stabilă din diverse motive, întregul sistem de generare a energiei este conectat în paralel cu rețeaua pentru a menține o alimentare fiabilă cu energie electrică. Conectarea la rețea trebuie realizată în conformitate cu instrucțiunile tehnice pentru conectarea la rețea emise de compania de energie electrică și de Departamentul de Servicii Electrice și Mecanice al Guvernului Regiunii Administrative Speciale Hong Kong.
În ceea ce privește amplasarea conductelor, pe lângă restricțiile existente la fața locului, se ia în considerare și necesitatea întreținerii și reparațiilor sistemului. În acest sens, planul inițial de instalare a turbinei hidraulice în puțul decantorului propus în proiectul de cercetare și dezvoltare a fost modificat. În schimb, apele uzate purificate sunt conduse afară din puț printr-un orificiu de evacuare și trimise către turbina hidraulică, ceea ce reduce considerabil dificultatea și timpul de întreținere și reduce impactul asupra funcționării normale a stației de epurare.
Având în vedere faptul că rezervorul de sedimentare trebuie suspendat ocazional pentru întreținere, gâtul sistemului de turbine este conectat la doi arbori a patru seturi de rezervoare de sedimentare cu etaj dublu. Chiar dacă două seturi de rezervoare de sedimentare se opresc, celelalte două seturi de rezervoare de sedimentare pot furniza ape uzate purificate, pot acționa sistemul de turbine și pot continua să genereze energie electrică. În plus, a fost rezervat un loc lângă arborele rezervorului de sedimentare 47/49 pentru instalarea celui de-al doilea sistem de generare a energiei cu turbină hidraulică în viitor, astfel încât, atunci când cele patru seturi de rezervoare de sedimentare vor funcționa normal, cele două sisteme de generare a energiei cu turbină să poată genera energie simultan, atingând capacitatea maximă de putere.
3.3 Selectarea turbinei hidraulice și a generatorului
Turbina hidraulică este echipamentul cheie al întregului sistem de generare a energiei. Turbinele pot fi în general împărțite în două categorii în funcție de principiul de funcționare: tip impuls și tip reacție. Tipul impuls înseamnă că fluidul este direcționat către pala turbinei cu viteză mare prin mai multe duze și apoi acționează generatorul pentru a genera energie. Tipul reacție trece prin pala turbinei prin fluid și utilizează presiunea nivelului apei pentru a acționa generatorul pentru a genera energie. În acest design, pe baza faptului că apele uzate purificate pot furniza o presiune scăzută a apei atunci când curg, este selectată turbina Kaplan, unul dintre cele mai potrivite tipuri de reacție, deoarece această turbină are o eficiență ridicată la presiune scăzută a apei și este relativ subțire, ceea ce este mai potrivit pentru spațiul limitat de la fața locului.
În ceea ce privește generatorul, este selectat un generator sincron cu magneți permanenți acționat de o turbină hidraulică cu viteză constantă. Acest generator poate genera o tensiune și o frecvență mai stabile decât generatorul asincron, astfel încât poate îmbunătăți calitatea alimentării cu energie, poate simplifica rețeaua paralelă și necesită mai puțină întreținere.
4 Caracteristici de construcție și funcționare
4.1 Aranjament paralel al grilei
Conectarea la rețea se va realiza în conformitate cu instrucțiunile tehnice pentru conectarea la rețea emise de compania de energie electrică și de Departamentul de Servicii Electrice și Mecanice al Guvernului Regiunii Administrative Speciale Hong Kong. Conform instrucțiunilor, sistemul de generare a energiei regenerabile trebuie să fie echipat cu o funcție de protecție anti-insulare, care poate separa automat sistemul relevant de generare a energiei regenerabile de sistemul de distribuție atunci când rețeaua electrică încetează să furnizeze energie electrică din orice motiv, astfel încât sistemul de generare a energiei regenerabile să nu poată continua să furnizeze energie sistemului de distribuție, pentru a asigura siguranța personalului de inginerie electrică care lucrează la rețea sau la sistemul de distribuție.
În ceea ce privește funcționarea sincronă a alimentării cu energie electrică, sistemul de generare a energiei regenerabile și sistemul de distribuție pot fi sincronizate numai atunci când intensitatea tensiunii, unghiul de fază sau diferența de frecvență sunt controlate în limite acceptabile.
4.2 Control și protecție
Sistemul de generare a energiei prin turbină hidraulică poate fi controlat în mod automat sau manual. În modul automat, arborii rezervorului de sedimentare 47/49 # sau 51/53 # pot fi utilizați ca sursă de energie hidraulică, iar sistemul de control va porni diferite valve de control în funcție de datele implicite pentru a selecta cel mai potrivit rezervor de sedimentare, astfel încât să optimizeze generarea de energie a turbinei hidraulice. În plus, valva de control va regla automat nivelul apelor uzate din amonte, astfel încât rezervorul de sedimentare să nu debordeze cu apele uzate purificate, crescând astfel generarea de energie la cel mai înalt nivel. Sistemul turbinei-generatoare poate fi reglat în camera principală de control sau la fața locului.
În ceea ce privește protecția și controlul, dacă se defectează cutia de alimentare sau supapa de control a sistemului de turbină sau dacă nivelul apei depășește nivelul maxim admis, sistemul de generare a energiei turbinei hidraulice va opri automat funcționarea și va evacua apele uzate purificate prin conducta de bypass, pentru a preveni revărsarea apei uzate purificate în rezervorul de sedimentare din amonte din cauza unei defecțiuni a sistemului.
5 Performanța funcționării sistemului
Acest sistem de generare a energiei cu turbină hidraulică a fost pus în funcțiune la sfârșitul anului 2018, cu o putere medie lunară de peste 10000 kW·h. Presiunea efectivă a apei care poate acționa sistemul de generare a energiei cu turbină hidraulică se modifică, de asemenea, în timp, datorită debitului mare și mic de ape uzate colectate și tratate zilnic de stația de epurare. Pentru a maximiza puterea generată de sistemul turbinei, Departamentul de Servicii de Drenaj a proiectat un sistem de control pentru a regla automat cuplul de funcționare al turbinei în funcție de debitul zilnic de ape uzate, îmbunătățind astfel eficiența producției de energie. Figura 7 prezintă relația dintre sistemul de generare a energiei și debitul de apă. Când debitul de apă depășește nivelul setat, sistemul va funcționa automat pentru a genera electricitate.
6 Provocări și Soluții
Departamentul de Servicii de Drenaj s-a confruntat cu numeroase provocări în realizarea proiectelor relevante și a formulat planuri corespunzătoare ca răspuns la aceste provocări.
7 Concluzie
În ciuda diverselor provocări, acest set de sisteme de generare a energiei cu turbine hidraulice a fost pus în funcțiune cu succes la sfârșitul anului 2018. Producția medie lunară de energie a sistemului este de peste 10000 kW·h, ceea ce este echivalentul consumului mediu lunar de energie a aproximativ 25 de gospodării din Hong Kong (consumul mediu lunar de energie al fiecărei gospodării din Hong Kong în 2018 este de aproximativ 390 kW·h). Departamentul de Servicii de Drenaj se angajează să „furnizeze servicii de tratare și drenaj a apelor uzate și pluviale de talie mondială pentru a promova dezvoltarea durabilă a Hong Kong-ului”, promovând în același timp proiecte de protecție a mediului și schimbări climatice. În aplicarea energiei regenerabile, Departamentul de Servicii de Drenaj utilizează biogaz, energie solară și energia din fluxul de ape uzate purificate pentru a genera energie regenerabilă. În ultimii ani, energia regenerabilă medie anuală produsă de Departamentul de Servicii de Drenaj este de aproximativ 27 de milioane kW·h, ceea ce poate satisface nevoile energetice a aproximativ 9% din Departamentul de Servicii de Drenaj. Departamentul de Servicii de Drenaj își va continua eforturile de a consolida și promova aplicarea energiei regenerabile.
Data publicării: 22 noiembrie 2022
