Департамент водоотведения правительства Специального административного района Гонконг стремится содействовать смягчению последствий глобального изменения климата. За прошедшие годы на некоторых его предприятиях были установлены энергосберегающие и возобновляемые источники энергии. С официальным запуском «Плана очистки гавани Гонконга, Фаза II А» Департамент водоотведения установил гидравлическую турбинную систему выработки электроэнергии на очистных сооружениях острова Стоункаттерс (крупнейшие очистные сооружения в Гонконге), которая использует гидравлическую энергию текущих сточных вод для привода турбинного генератора и выработки электроэнергии для нужд оборудования очистных сооружений. В данной статье представлена система, включая проблемы, возникшие при реализации соответствующих проектов, особенности проектирования и строительства системы, а также ее эксплуатационные характеристики. Система не только помогает экономить электроэнергию, но и использует воду для сокращения выбросов углекислого газа.
1. Введение в проект
Второй этап А «Плана очистки гавани» — это масштабный план, реализуемый правительством Специального административного района Гонконг для улучшения качества воды в гавани Виктория. Он был официально введен в полную эксплуатацию в декабре 2015 года. В его объем работ входит строительство глубоководного 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, а также увеличение мощности очистных сооружений до 245 × 10⁵ м³/сутки, обеспечивая очистку сточных вод для около 5,7 миллионов жителей. Из-за ограниченности земельных ресурсов очистные сооружения острова Стоункаттерс используют 46 комплектов двухъярусных отстойников для химической первичной очистки сточных вод, причем каждые два комплекта отстойников будут иметь общую вертикальную шахту (всего 23 шахты) для отправки очищенных сточных вод в подземную дренажную трубу для окончательной дезинфекции, а затем в глубоководную зону.
2. Соответствующие ранние исследования и разработки.
Учитывая большой объем сточных вод, обрабатываемых ежедневно очистными сооружениями острова Стоункаттерс, и уникальную двухслойную конструкцию отстойника, можно предположить, что при сбросе очищенных сточных вод для привода турбогенератора, вырабатывающего электроэнергию, будет генерироваться определенное количество гидравлической энергии. В 2008 году группа Департамента водоотведения провела соответствующее технико-экономическое обоснование и серию полевых испытаний. Результаты этих предварительных исследований подтверждают целесообразность 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 местоположения 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 обладать надлежащей защитой и коррозионной стойкостью.
В связи с этим Департамент водоотведения зарезервировал место для двух комплектов отстойников на очистных сооружениях для установки турбинной системы выработки электроэнергии в рамках проекта расширения «Проекта очистки гавани, фаза II А».
3. Вопросы и особенности проектирования системы
3.1 Вырабатываемая мощность и эффективное давление воды
Зависимость между электрической мощностью, генерируемой гидродинамической энергией, и эффективным давлением воды выражается следующим образом: генерируемая электрическая мощность (кВт) = [плотность очищенных сточных вод ρ (кг/м³) × Расход воды Q (м³/с) × Эффективное давление воды H (м) × Гравитационная постоянная 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 потоке воды.
Иными словами, чем выше скорость потока и эффективное давление воды, тем больше вырабатываемая мощность. Поэтому, чтобы увеличить выработку энергии, одной из целей проектирования является обеспечение возможности турбинной системы работать при максимально возможной скорости потока воды и эффективном давлении воды.
3.2 Ключевые моменты проектирования системы
Прежде всего, с точки зрения проектирования, вновь установленная турбинная система должна максимально не влиять на нормальную работу очистных сооружений. Например, система должна быть оснащена соответствующими защитными устройствами, предотвращающими переполнение отстойника очищенными сточными водами из-за неправильного управления системой. Рабочие параметры, определенные в ходе проектирования: расход 1,06–1,50 м³/с, диапазон эффективного давления воды 24–52 кПа.
Кроме того, поскольку очищенные в отстойнике сточные воды все еще содержат некоторые коррозионно-активные вещества, такие как сероводород и соли, все материалы компонентов турбинной системы, контактирующие с очищенными сточными водами, должны быть коррозионностойкими (например, дуплексная нержавеющая сталь, часто используемая в оборудовании для очистки сточных вод), чтобы повысить долговечность системы и сократить количество плановых работ по техническому обслуживанию.
С точки зрения проектирования энергосистемы, поскольку выработка электроэнергии канализационной турбиной не является полностью стабильной по различным причинам, вся система выработки электроэнергии подключается параллельно к сети для обеспечения надежного электроснабжения. Подключение к сети должно осуществляться в соответствии с техническими рекомендациями по подключению к сети, изданными энергетической компанией и Департаментом электромеханических служб правительства Специального административного района Гонконг.
Что касается компоновки трубопроводов, помимо существующих ограничений площадки, учитывается также необходимость технического обслуживания и ремонта системы. В связи с этим первоначальный план установки гидравлической турбины в шахте отстойника, предложенный в рамках научно-исследовательского проекта, был изменен. Вместо этого очищенные сточные воды отводятся из шахты через горловину и направляются к гидравлической турбине, что значительно снижает сложность и время технического обслуживания, а также уменьшает влияние на нормальную работу очистных сооружений.
Ввиду того, что отстойник периодически необходимо оставлять на техническое обслуживание, горловина турбинной системы соединена с двумя валами четырех комплектов двухъярусных отстойников. Даже если два комплекта отстойников перестанут работать, два других комплекта также смогут подавать очищенные сточные воды, приводить в движение турбинную систему и продолжать вырабатывать электроэнергию. Кроме того, рядом с валом отстойника № 47/49 предусмотрено место для установки в будущем второй гидравлической турбинной системы выработки электроэнергии, так что при нормальной работе четырех комплектов отстойников две турбинные системы смогут вырабатывать электроэнергию одновременно, достигая максимальной мощности.
3.3 Выбор гидравлической турбины и генератора
Гидравлическая турбина является ключевым элементом всей системы выработки электроэнергии. Турбины, как правило, делятся на две категории в зависимости от принципа работы: импульсные и реактивные. В импульсных турбинах жидкость с высокой скоростью подается к лопаткам турбины через множество сопел, приводя в движение генератор для выработки энергии. В реактивных турбинах жидкость проходит через лопатки турбины, а давление воды используется для привода генератора для выработки энергии. В данной конструкции, исходя из того, что очищенные сточные воды могут обеспечивать низкое давление воды при движении, выбрана турбина Каплана, один из наиболее подходящих реактивных типов, поскольку эта турбина обладает высокой эффективностью при низком давлении воды и имеет относительно небольшую толщину, что делает ее более подходящей для ограниченного пространства на площадке.
Что касается генератора, то выбран синхронный генератор с постоянными магнитами, приводимый в движение гидравлической турбиной с постоянной скоростью вращения. Этот генератор обеспечивает более стабильное напряжение и частоту, чем асинхронный генератор, что позволяет улучшить качество электроснабжения, упростить создание параллельных сетей и снизить затраты на техническое обслуживание.
4. Особенности конструкции и эксплуатации
4.1 Параллельное расположение сетки
Подключение к сети должно осуществляться в соответствии с техническими рекомендациями по подключению к сети, изданными энергетической компанией и Департаментом электромеханических служб правительства Специального административного района Гонконг. Согласно этим рекомендациям, система генерации электроэнергии из возобновляемых источников должна быть оснащена функцией защиты от островного режима, которая может автоматически отключать соответствующую систему генерации электроэнергии из возобновляемых источников от распределительной сети при прекращении подачи электроэнергии в сеть по любой причине, чтобы система генерации электроэнергии из возобновляемых источников не могла продолжать подачу электроэнергии в распределительную сеть, тем самым обеспечивая безопасность электротехнического персонала, работающего в сети или распределительной сети.
Что касается синхронной работы системы электроснабжения, то синхронизация системы генерации и распределения электроэнергии из возобновляемых источников возможна только в том случае, если напряжение, фазовый угол или разность частот контролируются в допустимых пределах.
4.2 Контроль и защита
Система гидротурбинного генератора может управляться в автоматическом или ручном режиме. В автоматическом режиме в качестве источника гидравлической энергии могут использоваться валы отстойника № 47/49 или № 51/53, а система управления будет запускать различные регулирующие клапаны в соответствии с заданными по умолчанию данными для выбора наиболее подходящего отстойника, чтобы оптимизировать выработку электроэнергии гидротурбиной. Кроме того, регулирующий клапан будет автоматически регулировать уровень сточных вод на входе, чтобы предотвратить переполнение отстойника очищенными сточными водами, тем самым увеличивая выработку электроэнергии до максимального уровня. Управление системой турбогенератора может осуществляться из главного диспетчерского пункта или на месте.
В целях защиты и контроля, в случае отказа блока питания или регулирующего клапана турбинной системы, или если уровень воды превысит максимально допустимый уровень, гидравлическая турбинная система выработки электроэнергии также автоматически остановит работу и сбросит очищенные сточные воды через обводной трубопровод, чтобы предотвратить переполнение отстойника, расположенного выше по потоку, очищенными сточными водами из-за сбоя системы.
5. Производительность работы системы
Данная гидравлическая турбинная система выработки электроэнергии была введена в эксплуатацию в конце 2018 года и имеет среднюю ежемесячную выработку более 10 000 кВт·ч. Эффективное давление воды, необходимое для привода гидравлической турбинной системы, также изменяется со временем из-за высоких и низких потоков сточных вод, собираемых и обрабатываемых очистными сооружениями ежедневно. Для максимизации выработки электроэнергии системой, Департамент водоотведения разработал систему управления, которая автоматически регулирует крутящий момент турбины в соответствии с ежедневным потоком сточных вод, тем самым повышая эффективность производства электроэнергии. На рисунке 7 показана зависимость выработки электроэнергии от потока воды. Когда поток воды превышает заданный уровень, система автоматически включается для выработки электроэнергии.
6 проблем и решений
Департамент водоотведения столкнулся со многими трудностями при реализации соответствующих проектов и разработал соответствующие планы в ответ на эти трудности.
7. Заключение
Несмотря на различные трудности, эта система гидротурбинной генерации электроэнергии была успешно введена в эксплуатацию в конце 2018 года. Среднемесячная выработка электроэнергии системой составляет более 10 000 кВт·ч, что эквивалентно среднему ежемесячному потреблению электроэнергии примерно 25 домохозяйств Гонконга (среднее ежемесячное потребление электроэнергии каждым домохозяйством Гонконга в 2018 году составляло около 390 кВт·ч). Департамент водоотведения стремится «предоставлять услуги мирового класса по очистке и отводу сточных вод и дождевой воды для содействия устойчивому развитию Гонконга», одновременно продвигая проекты по охране окружающей среды и борьбе с изменением климата. В сфере возобновляемой энергетики Департамент водоотведения использует биогаз, солнечную энергию и энергию, получаемую из потока очищенных сточных вод. За последние несколько лет средний годовой объем производства возобновляемой энергии Департаментом водоотведения составил около 27 миллионов кВт·ч, что может удовлетворить энергетические потребности примерно 9% Департамента. Департамент водоотведения продолжит свои усилия по укреплению и продвижению применения возобновляемой энергетики.
Дата публикации: 22 ноября 2022 г.
