Департамент дренажных услуг правительства Специального административного района Гонконг стремится помочь смягчить глобальное изменение климата. За эти годы на некоторых из его заводов были установлены энергосберегающие и возобновляемые энергетические установки. С официальным запуском «Плана очистки гавани, фаза II A» в Гонконге Департамент дренажных услуг установил систему выработки электроэнергии на основе гидравлической турбины на очистных сооружениях острова Стоункаттерс (очистные сооружения с самой большой мощностью очистки сточных вод в Гонконге), которая использует гидравлическую энергию текущих сточных вод для приведения в действие турбогенератора, а затем вырабатывает электроэнергию для использования на объектах завода. В этой статье представлена система, включая проблемы, возникающие при реализации соответствующих проектов, соображения и характеристики проектирования и строительства системы, а также эксплуатационные характеристики системы. Система не только помогает экономить расходы на электроэнергию, но и использует воду для сокращения выбросов углерода.
1 Введение в проект
Вторая фаза A «Плана очистки гавани» — это масштабный план, реализуемый правительством Специального административного района Гонконг по улучшению качества воды в гавани Виктория. Он был официально введен в эксплуатацию в декабре 2015 года. В его объем работ входит строительство глубокого канализационного туннеля общей длиной около 21 км и глубиной 163 м под землей для транспортировки сточных вод, образующихся на севере и юго-западе острова, на очистные сооружения острова Стоункаттерс и увеличение мощности очистки сточных вод до 245 × 105 м3/день, что обеспечит услуги по очистке сточных вод для примерно 5,7 млн граждан. Из-за ограничений на землю очистные сооружения острова Стоункаттерс используют 46 комплектов двухъярусных отстойников для химически усиленной первичной очистки сточных вод, и каждые два комплекта отстойников будут иметь общую вертикальную шахту (то есть в общей сложности 23 шахты) для отправки очищенных сточных вод в подземную дренажную трубу для окончательной дезинфекции, а затем в глубокое море.
2. Соответствующие ранние исследования и разработки
Учитывая большой объем сточных вод, ежедневно очищаемых очистными сооружениями острова Стоункаттерс, и уникальную двухслойную конструкцию отстойника, он может обеспечить определенное количество гидравлической энергии при сбросе очищенных сточных вод для приведения в действие турбогенератора для выработки электроэнергии. Затем в 2008 году команда отдела дренажных услуг провела соответствующее технико-экономическое обоснование и серию полевых испытаний. Результаты этих предварительных исследований подтверждают возможность установки турбогенераторов.
Место установки: в шахте отстойника; Эффективное давление воды: 4,5~6 м (конкретная конструкция зависит от фактических условий эксплуатации в будущем и точного положения турбины); Диапазон расхода: 1,1 ～ 1,25 м3/с; Максимальная выходная мощность: 45~50 кВт; Оборудование и материалы: Поскольку очищенные сточные воды все еще обладают определенной коррозионной активностью, выбранные материалы и соответствующее оборудование должны иметь соответствующую защиту и коррозионную стойкость.
В связи с этим Департамент дренажных услуг зарезервировал место для двух комплектов отстойников на очистных сооружениях с целью установки турбинной системы выработки электроэнергии в рамках проекта расширения «Проекта очистки гавани, фаза II A».
3. Особенности и особенности проектирования системы
3.1 Вырабатываемая мощность и эффективное давление воды
Соотношение между электрической мощностью, вырабатываемой гидродинамической энергией, и эффективным давлением воды следующее: вырабатываемая электрическая мощность (кВт) = [плотность очищенных сточных вод ρ (кг/м3) × Расход воды Q (м3/с) × Эффективное давление воды H (м) × Ускорение силы тяжести g (9,807 м/с2)] ÷ 1000
× Общая эффективность системы (%). Эффективное давление воды — это разница между максимально допустимым уровнем воды в шахте и уровнем воды в соседней шахте в текущей воде.
Другими словами, чем выше скорость потока и эффективное давление воды, тем больше генерируемая мощность. Поэтому для того, чтобы генерировать больше мощности, одной из целей проектирования является обеспечение возможности турбинной системы получать самую высокую скорость потока воды и эффективное давление воды.
3.2 Ключевые моменты проектирования системы
Прежде всего, с точки зрения проектирования, новая установленная турбинная система не должна влиять на нормальную работу очистных сооружений, насколько это возможно. Например, система должна иметь соответствующие защитные устройства, чтобы предотвратить переполнение отстойника выше по течению очищенными сточными водами из-за неправильного управления системой. Рабочие параметры, определенные при проектировании: расход 1,06 ～ 1,50 м3/с, эффективный диапазон давления воды 24 ～ 52 кПа.
Кроме того, поскольку сточные воды, очищенные отстойником, все еще содержат некоторые едкие вещества, такие как сероводород и соль, все материалы компонентов турбинной системы, контактирующие с очищенными сточными водами, должны быть устойчивы к коррозии (например, дуплексная нержавеющая сталь, часто используемая для оборудования по очистке сточных вод), чтобы повысить долговечность системы и сократить количество техобслуживания.
С точки зрения проектирования энергосистемы, поскольку выработка электроэнергии канализационной турбиной не является полностью стабильной по разным причинам, вся система выработки электроэнергии подключается параллельно к сети для поддержания надежного электроснабжения. Подключение к сети должно быть организовано в соответствии с техническими рекомендациями по подключению к сети, выпущенными энергетической компанией и Департаментом электромеханических услуг правительства Специального административного района Гонконг.
В плане расположения труб, помимо существующих ограничений по площадке, также учитывается необходимость обслуживания и ремонта системы. В связи с этим первоначальный план установки гидротурбины в шахте отстойника, предложенный в проекте НИОКР, был изменен. Вместо этого очищенные сточные воды выводятся из шахты по горловине и направляются в гидротурбину, что значительно снижает сложность и время обслуживания и уменьшает влияние на нормальную работу очистных сооружений.
Ввиду того, что отстойник время от времени необходимо приостанавливать для проведения технического обслуживания, горловина турбинной системы соединена с двумя валами четырех комплектов двухъярусных отстойников. Даже если два комплекта отстойников останавливают работу, другие два комплекта отстойников также могут обеспечивать очищенные сточные воды, приводить в действие турбинную систему и продолжать вырабатывать электроэнергию. Кроме того, зарезервировано место около вала отстойника 47/49 # для установки второй системы выработки электроэнергии гидротурбиной в будущем, так что при нормальной работе четырех комплектов отстойников две системы выработки электроэнергии турбиной могут вырабатывать электроэнергию одновременно, достигая максимальной мощности.
3.3 Выбор гидротурбины и генератора
Гидравлическая турбина является ключевым оборудованием всей системы выработки электроэнергии. Турбины обычно можно разделить на две категории в соответствии с принципом работы: импульсного типа и реактивного типа. Импульсный тип заключается в том, что жидкость выстреливает в лопасть турбины на высокой скорости через несколько сопел, а затем приводит в действие генератор для выработки энергии. Реактивный тип проходит через лопасть турбины через жидкость и использует давление уровня воды для приведения в действие генератора для выработки энергии. В этой конструкции, исходя из того, что очищенные сточные воды могут обеспечивать низкое давление воды при течении, выбрана турбина Каплана, один из наиболее подходящих типов реакции, поскольку эта турбина имеет высокую эффективность при низком давлении воды и является относительно тонкой, что больше подходит для ограниченного пространства на площадке.
Что касается генератора, то выбран синхронный генератор с постоянными магнитами, приводимый в движение гидравлической турбиной с постоянной скоростью. Этот генератор может выдавать более стабильное напряжение и частоту, чем асинхронный генератор, поэтому он может улучшить качество электроснабжения, упростить параллельную сеть и требовать меньшего обслуживания.
4 Особенности конструкции и эксплуатации
4.1 Параллельное расположение сетки
Подключение к сети должно осуществляться в соответствии с техническими рекомендациями по подключению к сети, выпущенными энергетической компанией и Департаментом электромеханических услуг правительства Специального административного района Гонконг. Согласно рекомендациям, система генерации возобновляемой энергии должна быть оснащена функцией защиты от островного режима, которая может автоматически отделить соответствующую систему генерации возобновляемой энергии от распределительной системы, когда электросеть прекращает подачу электроэнергии по какой-либо причине, так что система генерации возобновляемой энергии не может продолжать поставлять электроэнергию в распределительную систему, чтобы обеспечить безопасность электротехнического персонала, работающего в сети или распределительной системе.
С точки зрения синхронной работы электроснабжения, система генерации и распределения возобновляемой энергии может быть синхронизирована только тогда, когда интенсивность напряжения, фазовый угол или разность частот контролируются в приемлемых пределах.
4.2 Контроль и защита
Система выработки электроэнергии гидротурбиной может управляться в автоматическом или ручном режиме. В автоматическом режиме валы отстойника 47/49 # или 51/53 # могут использоваться в качестве источника гидравлической энергии, а система управления будет запускать различные регулирующие клапаны в соответствии с данными по умолчанию для выбора наиболее подходящего отстойника, чтобы оптимизировать выработку электроэнергии гидротурбиной. Кроме того, регулирующий клапан будет автоматически регулировать уровень сточных вод на входе, чтобы отстойник не переполнял очищенные сточные воды, тем самым увеличивая выработку электроэнергии до самого высокого уровня. Система турбогенератора может регулироваться в главном диспетчерском пункте или на месте.
С точки зрения защиты и управления, если блок питания или регулирующий клапан турбинной системы выходят из строя или уровень воды превышает максимально допустимый уровень, система выработки электроэнергии гидротурбиной также автоматически прекращает работу и сбрасывает очищенные сточные воды через обводную трубу, чтобы предотвратить переполнение отстойника, расположенного выше по течению, очищенными сточными водами из-за отказа системы.
5. Производительность работы системы
Эта система выработки электроэнергии на основе гидротурбины была введена в эксплуатацию в конце 2018 года со средней ежемесячной выработкой более 10000 кВт · ч. Эффективное давление воды, которое может приводить в действие систему выработки электроэнергии на основе гидротурбины, также меняется со временем из-за высокого и низкого расхода сточных вод, собираемых и очищаемых очистными сооружениями каждый день. Чтобы максимизировать мощность, вырабатываемую системой турбины, Департамент дренажных услуг разработал систему управления для автоматической регулировки крутящего момента работы турбины в соответствии с ежедневным расходом сточных вод, тем самым повышая эффективность выработки электроэнергии. На рисунке 7 показана связь между системой выработки электроэнергии и расходом воды. Когда расход воды превышает установленный уровень, система автоматически начинает работать для выработки электроэнергии.
6 проблем и решений
Департамент дренажных услуг столкнулся со многими трудностями при реализации соответствующих проектов и разработал соответствующие планы в ответ на эти трудности.
7 Заключение
Несмотря на различные проблемы, этот комплект гидротурбинной системы генерации электроэнергии был успешно введен в эксплуатацию в конце 2018 года. Среднемесячная выработка электроэнергии системы составляет более 10000 кВт·ч, что эквивалентно среднемесячному потреблению электроэнергии около 25 домохозяйств Гонконга (среднемесячное потребление электроэнергии каждым домохозяйством Гонконга в 2018 году составило около 390 кВт·ч). Департамент дренажных услуг стремится «предоставлять услуги по очистке и дренажу сточных вод и дождевой воды мирового класса для содействия устойчивому развитию Гонконга», одновременно продвигая проекты по защите окружающей среды и изменению климата. При применении возобновляемых источников энергии Департамент дренажных услуг использует биогаз, солнечную энергию и энергию из потока очищенных сточных вод для выработки возобновляемой энергии. За последние несколько лет среднегодовой объем возобновляемой энергии, производимой Департаментом дренажных услуг, составляет около 27 миллионов кВт·ч, что может удовлетворить энергетические потребности около 9% Департамента дренажных услуг. Департамент дренажных услуг продолжит работу по укреплению и продвижению использования возобновляемых источников энергии.
Время публикации: 22 ноября 2022 г.
