Oddelenie odvodňovacích služieb vlády špeciálnej administratívnej oblasti Hongkong sa zaviazalo pomáhať zmierňovať globálne klimatické zmeny. V priebehu rokov boli v niektorých jeho závodoch nainštalované zariadenia na úsporu energie a využívanie obnoviteľných zdrojov energie. S oficiálnym spustením hongkonského „Plánu čistenia prístavu fázy II A“ nainštalovalo Oddelenie odvodňovacích služieb v čistiarni odpadových vôd Stonecutters Island (čistiareň odpadových vôd s najväčšou kapacitou čistenia odpadových vôd v Hongkongu) systém výroby energie z hydraulickej turbíny, ktorý využíva hydraulickú energiu tečúcej odpadovej vody na pohon turbogenerátora a následne vyrába elektrinu pre zariadenia v čistiarni. Tento dokument predstavuje systém vrátane výziev, s ktorými sa stretávame pri realizácii príslušných projektov, aspektov a charakteristík návrhu a výstavby systému a prevádzkového výkonu systému. Systém nielen pomáha šetriť náklady na elektrinu, ale tiež využíva vodu na zníženie emisií uhlíka.
1 Úvod do projektu
Druhá fáza A „Plánu čistenia prístavu“ je rozsiahly plán, ktorý realizuje vláda špeciálnej administratívnej oblasti Hongkong s cieľom zlepšiť kvalitu vody v prístave Victoria. Oficiálne bol uvedený do plného užívania v decembri 2015. Jeho rozsah prác zahŕňa výstavbu hlbokého kanalizačného tunela s celkovou dĺžkou približne 21 km a hĺbkou 163 m pod zemou, ktorý bude prepravovať odpadové vody vznikajúce na severe a juhozápade ostrova do čistiarne odpadových vôd Stonecutters Island a zvýšiť čistiacu kapacitu čistiarne na 245 × 105 m3/d, čím sa zabezpečí čistenie odpadových vôd pre približne 5,7 milióna občanov. Vzhľadom na obmedzenia pozemkov čistiareň odpadových vôd Stonecutters Island využíva 46 sád dvojpodlažných sedimentačných nádrží na chemicky vylepšené primárne čistenie odpadových vôd a každé dve sady sedimentačných nádrží budú mať spoločnú vertikálnu šachtu (to znamená celkovo 23 šácht) na odoslanie vyčistenej odpadovej vody do podzemného drenážneho potrubia na konečnú dezinfekciu a potom do hlbokého mora.
2 Relevantný skorý výskum a vývoj
Vzhľadom na veľké množstvo odpadových vôd, ktoré čistiareň odpadových vôd Stonecutters Island denne čistí, a jedinečnú dvojvrstvovú konštrukciu sedimentačnej nádrže dokáže pri vypúšťaní vyčistených odpadových vôd poskytnúť určité množstvo hydraulickej energie na pohon turbogenerátora na výrobu elektriny. Tím oddelenia odvodňovacích služieb následne v roku 2008 vykonal príslušnú štúdiu uskutočniteľnosti a sériu terénnych testov. Výsledky týchto predbežných štúdií potvrdzujú uskutočniteľnosť inštalácie turbogenerátorov.
Miesto inštalácie: v šachte sedimentačnej nádrže; Efektívny tlak vody: 4,5~6 m (konkrétny návrh závisí od skutočných prevádzkových podmienok v budúcnosti a presnej polohy turbíny); Rozsah prietoku: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maximálny výstupný výkon: 45~50 kW; Zariadenia a materiály: Keďže vyčistená odpadová voda má stále určitú korozívnosť, vybrané materiály a súvisiace zariadenia musia mať primeranú ochranu a odolnosť voči korózii.
V tejto súvislosti oddelenie odvodňovacích služieb rezervovalo priestor pre dve sady sedimentačných nádrží v čistiarni odpadových vôd na inštaláciu systému výroby energie z turbíny v rámci projektu rozšírenia „Projekt čistenia prístavu, fáza II A“.
3 Úvahy a funkcie návrhu systému
3.1 Vyrobená energia a efektívny tlak vody
Vzťah medzi elektrickou energiou generovanou hydrodynamickou energiou a efektívnym tlakom vody je nasledovný: vyrobená elektrická energia (kW) = [hustota vyčistenej odpadovej vody ρ (kg/m3) × prietok vody Q (m3/s) × efektívny tlak vody H (m) × gravitačná konštanta g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Celková účinnosť systému (%). Efektívny tlak vody je rozdiel medzi maximálnou povolenou hladinou vody v šachte a hladinou vody v susednej šachte v tečúcej vode.
Inými slovami, čím vyššia je rýchlosť prúdenia a efektívny tlak vody, tým väčší je generovaný výkon. Preto, aby sa generoval väčší výkon, jedným z cieľov návrhu je umožniť turbínovému systému dosiahnuť najvyššiu rýchlosť prúdenia vody a efektívny tlak vody.
3.2 Kľúčové body návrhu systému
V prvom rade, z hľadiska návrhu, novo inštalovaný turbínový systém nesmie čo najviac ovplyvniť normálnu prevádzku čistiarne odpadových vôd. Napríklad systém musí mať vhodné ochranné zariadenia, aby sa zabránilo pretečeniu predradenej sedimentačnej nádrže z dôvodu nesprávneho riadenia systému. Prevádzkové parametre určené počas návrhu: prietok 1,06 ～ 1,50 m3/s, efektívny rozsah tlaku vody 24 ～ 52 kPa.
Okrem toho, keďže odpadová voda vyčistená sedimentačnou nádržou stále obsahuje niektoré korozívne látky, ako je sírovodík a soľ, všetky materiály komponentov turbínového systému, ktoré prichádzajú do kontaktu s vyčistenou odpadovou vodou, musia byť odolné voči korózii (napríklad duplexné materiály z nehrdzavejúcej ocele, ktoré sa často používajú v zariadeniach na čistenie odpadových vôd), aby sa zlepšila životnosť systému a znížil počet údržbárskych prác.
Pokiaľ ide o návrh energetického systému, keďže výroba energie z kanalizačnej turbíny nie je z rôznych dôvodov úplne stabilná, celý systém výroby energie je zapojený paralelne so sieťou, aby sa zabezpečilo spoľahlivé napájanie. Pripojenie k sieti sa musí zabezpečiť v súlade s technickými pokynmi pre pripojenie k sieti, ktoré vydala energetická spoločnosť a oddelenie elektrických a mechanických služieb vlády špeciálneho administratívneho regiónu Hongkong.
Pokiaľ ide o usporiadanie potrubia, okrem existujúcich obmedzení lokality sa zohľadňuje aj potreba údržby a opráv systému. V tejto súvislosti sa zmenil pôvodný plán inštalácie hydraulickej turbíny v šachte usadzovacej nádrže, ktorý bol navrhnutý v rámci projektu výskumu a vývoja. Namiesto toho sa vyčistená odpadová voda odvádza zo šachty hrdlom do hydraulickej turbíny, čo výrazne znižuje náročnosť a čas údržby a znižuje vplyv na bežnú prevádzku čistiarne odpadových vôd.
Vzhľadom na to, že sedimentačná nádrž je občas potrebná na údržbu, hrdlo turbínového systému je pripojené k dvom šachtám štyroch dvojpodlažných sedimentačných nádrží. Aj keď sa dve sady sedimentačných nádrží zastavia, ďalšie dve sady sedimentačných nádrží môžu tiež poskytovať vyčistenú odpadovú vodu, poháňať turbínový systém a naďalej vyrábať elektrinu. Okrem toho bolo v blízkosti šachty sedimentačnej nádrže 47/49 # vyhradené miesto pre inštaláciu druhého systému výroby energie z hydraulickej turbíny v budúcnosti, takže keď štyri sady sedimentačných nádrží fungujú normálne, dva systémy výroby energie z turbín môžu vyrábať energiu súčasne a dosiahnuť maximálny výkon.
3.3 Výber hydraulickej turbíny a generátora
Hydraulická turbína je kľúčovým zariadením celého systému výroby energie. Turbíny možno vo všeobecnosti rozdeliť do dvoch kategórií podľa princípu fungovania: pulzný typ a reakčný typ. Impulzný typ spočíva v tom, že kvapalina prúdi k lopatke turbíny vysokou rýchlosťou cez viacero trysiek a potom poháňa generátor na výrobu energie. Reakčný typ prechádza cez lopatku turbíny cez kvapalinu a využíva tlak hladiny vody na pohon generátora na výrobu energie. V tejto konštrukcii, na základe skutočnosti, že vyčistená odpadová voda môže pri prúdení poskytovať nízky tlak vody, bola zvolená Kaplanova turbína, jeden z najvhodnejších reakčných typov, pretože táto turbína má vysokú účinnosť pri nízkom tlaku vody a je relatívne tenká, čo je vhodnejšie pre obmedzený priestor na stavenisku.
Pokiaľ ide o generátor, bol zvolený synchrónny generátor s permanentnými magnetmi poháňaný hydraulickou turbínou s konštantnými otáčkami. Tento generátor dokáže produkovať stabilnejšie napätie a frekvenciu ako asynchrónny generátor, čím sa zlepšuje kvalita napájania, zjednodušuje paralelná sieť a vyžaduje sa menej údržby.
4 Konštrukčné a prevádzkové prvky
4.1 Paralelné usporiadanie mriežky
Pripojenie k sieti sa musí vykonať v súlade s technickými pokynmi pre pripojenie k sieti, ktoré vydala energetická spoločnosť a oddelenie elektrických a mechanických služieb vlády špeciálnej administratívnej oblasti Hongkong. Podľa týchto pokynov musí byť systém výroby energie z obnoviteľných zdrojov vybavený ochranou proti ostrovnému chodu, ktorá dokáže automaticky oddeliť príslušný systém výroby energie z obnoviteľných zdrojov od distribučnej sústavy, keď elektrická sieť z akéhokoľvek dôvodu prestane dodávať energiu, aby systém výroby energie z obnoviteľných zdrojov nemohol ďalej dodávať energiu do distribučnej sústavy, a tým sa zabezpečila bezpečnosť elektrotechnického personálu pracujúceho v sieti alebo distribučnej sústave.
Pokiaľ ide o synchrónnu prevádzku napájania, systém výroby energie z obnoviteľných zdrojov a distribučný systém je možné synchronizovať iba vtedy, keď sú intenzita napätia, fázový uhol alebo frekvenčný rozdiel kontrolované v rámci prijateľných limitov.
4.2 Riadenie a ochrana
Systém výroby energie z hydraulickej turbíny je možné ovládať v automatickom alebo manuálnom režime. V automatickom režime je možné ako zdroj hydraulickej energie použiť hriadele sedimentačnej nádrže 47/49 # alebo 51/53 # a riadiaci systém spustí rôzne regulačné ventily podľa predvolených údajov, aby vybral najvhodnejšiu sedimentačnú nádrž a optimalizoval tak výrobu energie z hydraulickej turbíny. Okrem toho regulačný ventil automaticky upraví hladinu odpadovej vody pred sedimentačnou nádržou tak, aby sa vyčistená odpadová voda nepreplnila, a tým sa zvýšila výroba energie na najvyššiu úroveň. Systém turbogenerátora je možné regulovať v hlavnej riadiacej miestnosti alebo na mieste.
Z hľadiska ochrany a riadenia, ak dôjde k poruche napájacej skrinky alebo regulačného ventilu turbínového systému alebo ak hladina vody prekročí maximálnu povolenú hladinu vody, systém výroby energie hydraulickej turbíny tiež automaticky zastaví prevádzku a vypustí vyčistenú odpadovú vodu cez obtokové potrubie, aby sa zabránilo pretečeniu sedimentačnej nádrže pred systémom v dôsledku poruchy systému.
5 Výkonnosť prevádzky systému
Tento systém na výrobu energie z hydraulickej turbíny bol uvedený do prevádzky koncom roka 2018 s priemerným mesačným výkonom viac ako 10 000 kW · h. Efektívny tlak vody, ktorý dokáže poháňať systém na výrobu energie z hydraulickej turbíny, sa tiež mení s časom v dôsledku vysokého a nízkeho prietoku odpadových vôd, ktoré sa denne zhromažďujú a čistia v čistiarni odpadových vôd. S cieľom maximalizovať výkon generovaný systémom turbíny navrhlo oddelenie odvodňovacích služieb riadiaci systém, ktorý automaticky upravuje krútiaci moment turbíny podľa denného prietoku odpadových vôd, čím sa zlepšuje účinnosť výroby energie. Obrázok 7 znázorňuje vzťah medzi systémom na výrobu energie a prietokom vody. Keď prietok vody prekročí nastavenú úroveň, systém sa automaticky spustí na výrobu elektriny.
6 Výzvy a riešenia
Oddelenie kanalizačných služieb sa pri realizácii relevantných projektov stretlo s mnohými výzvami a v reakcii na tieto výzvy vypracovalo zodpovedajúce plány.
7 Záver
Napriek rôznym výzvam bol tento systém na výrobu energie z hydraulických turbín úspešne uvedený do prevádzky koncom roka 2018. Priemerný mesačný výkon systému je viac ako 10 000 kW · h, čo zodpovedá priemernej mesačnej spotrebe energie približne 25 hongkonských domácností (priemerná mesačná spotreba energie každej hongkonskej domácnosti v roku 2018 bola približne 390 kW · h). Oddelenie odvodňovacích služieb sa zaviazalo „poskytovať prvotriedne služby čistenia a odvodňovania odpadových vôd a dažďovej vody na podporu trvalo udržateľného rozvoja Hongkongu“ a zároveň podporovať projekty na ochranu životného prostredia a zmenu klímy. Pri využívaní obnoviteľných zdrojov energie využíva Oddelenie odvodňovacích služieb bioplyn, slnečnú energiu a energiu z toku vyčistenej odpadovej vody na výrobu obnoviteľnej energie. V posledných rokoch dosahuje priemerná ročná výroba obnoviteľnej energie Oddelením odvodňovacích služieb približne 27 miliónov kW · h, čo dokáže uspokojiť energetické potreby približne 9 % Oddelenia odvodňovacích služieb. Oddelenie odvodňovacích služieb bude pokračovať vo svojom úsilí o posilnenie a podporu využívania obnoviteľnej energie.
Čas uverejnenia: 22. novembra 2022
