Oddelek za odvodnjavanje vlade posebne upravne regije Hongkong je zavezan k blaženju globalnih podnebnih sprememb. Z leti so bili v nekaterih obratih nameščeni energetsko varčni in obnovljivi viri energije. Z uradnim začetkom hongkonškega "Načrta za čiščenje pristanišča, faza II A" je Oddelek za odvodnjavanje v čistilni napravi Stonecutters Island (čistilni napravi z največjo zmogljivostjo čiščenja odplak v Hongkongu) namestil sistem za proizvodnjo električne energije s hidravlično turbino, ki za pogon turbinskega generatorja uporablja hidravlično energijo tekoče odpadne vode in nato proizvaja električno energijo za uporabo objektov v napravi. Ta članek predstavlja sistem, vključno z izzivi, s katerimi se srečujemo pri izvajanju ustreznih projektov, vidiki in značilnostmi zasnove in gradnje sistema ter njegovo obratovalno učinkovitostjo. Sistem ne le pomaga prihraniti stroške električne energije, temveč tudi uporablja vodo za zmanjšanje emisij ogljika.
1 Predstavitev projekta
Druga faza A »Načrta za čiščenje pristanišča« je obsežen načrt, ki ga je izvedla vlada posebne upravne regije Hong Kong za izboljšanje kakovosti vode v pristanišču Victoria. Uradno je bil v celoti dan v uporabo decembra 2015. Njegov obseg del vključuje gradnjo globokega kanalizacijskega tunela s skupno dolžino približno 21 km in globino 163 m, za prevoz odplak, ki nastanejo na severu in jugozahodu otoka, do čistilne naprave Stonecutters Island in povečanje čistilne zmogljivosti čistilne naprave na 245 × 105 m3/dan, s čimer se zagotovijo storitve čiščenja odplak za približno 5,7 milijona državljanov. Zaradi omejitev zemljišč čistilna naprava Stonecutters Island uporablja 46 sklopov dvonivojskih usedalnikov za kemično izboljšano primarno čiščenje odplak, vsaka dva sklopa usedalnikov pa si bosta delila navpični jašek (torej skupno 23 jaškov), da se prečiščene odplake pošljejo v podzemno drenažno cev za končno dezinfekcijo in nato v globoko morje.
2 Relevantne zgodnje raziskave in razvoj
Glede na veliko količino odpadnih voda, ki jih čistilna naprava Stonecutters Island dnevno prečisti, in edinstveno dvoslojno zasnovo usedalnika lahko ta med izpustom prečiščenih odpadnih voda zagotovi določeno količino hidravlične energije za pogon turbinskega generatorja za proizvodnjo električne energije. Ekipa oddelka za odvodnjavanje je nato leta 2008 izvedla ustrezno študijo izvedljivosti in vrsto terenskih testov. Rezultati teh predhodnih študij potrjujejo izvedljivost namestitve turbinskih generatorjev.
Mesto namestitve: v jašku usedalnika; Učinkovit vodni tlak: 4,5~6 m (posebna zasnova je odvisna od dejanskih obratovalnih pogojev v prihodnosti in natančnega položaja turbine); Območje pretoka: 1,1 ~ 1,25 m3/s; Največja izhodna moč: 45~50 kW; Oprema in materiali: Ker prečiščena odpadna voda še vedno vsebuje določeno količino korozivnosti, morajo imeti izbrani materiali in pripadajoča oprema ustrezno zaščito in odpornost proti koroziji.
V zvezi s tem je Oddelek za odvodnjavanje rezerviral prostor za dva sklopa usedalnikov v čistilni napravi za namestitev sistema za proizvodnjo turbine v okviru projekta širitve »Projekta čiščenja pristanišča, faza II A«.
3 Premisleki in značilnosti zasnove sistema
3.1 Proizvedena moč in efektivni vodni tlak
Razmerje med električno močjo, ki jo generira hidrodinamična energija, in efektivnim vodnim tlakom je naslednje: generirana električna moč (kW) = [gostota prečiščene odpadne vode ρ (kg/m3) × pretok vode Q (m3/s) × efektivni vodni tlak H (m) × konstanta gravitacije g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Skupna učinkovitost sistema (%). Učinkovit vodni tlak je razlika med najvišjo dovoljeno gladino vode v jašku in gladino vode sosednjega jaška v tekoči vodi.
Z drugimi besedami, večja kot je hitrost pretoka in efektivni vodni tlak, večja je proizvedena moč. Zato je eden od ciljev zasnove omogočiti turbinskemu sistemu, da doseže najvišjo hitrost pretoka vode in efektivni vodni tlak, da bi proizvedli več moči.
3.2 Ključne točke zasnove sistema
Najprej, kar zadeva zasnovo, novo nameščeni turbinski sistem ne sme čim bolj vplivati na normalno delovanje čistilne naprave. Sistem mora na primer imeti ustrezne zaščitne naprave, ki preprečujejo, da bi se prednji usedalni rezervoar prelil zaradi prečiščene odpadne vode zaradi nepravilnega krmiljenja sistema. Obratovalni parametri, določeni med načrtovanjem: pretok 1,06 ~ 1,50 m3/s, efektivno območje vodnega tlaka 24 ~ 52 kPa.
Poleg tega morajo biti vsi materiali sestavnih delov turbinskega sistema, ki so v stiku s prečiščeno odpadno vodo, ker odpadna voda, ki jo prečisti usedalnik, še vedno vsebuje nekatere korozivne snovi, kot sta vodikov sulfid in sol, odporni proti koroziji (na primer dupleksni materiali iz nerjavečega jekla, ki se pogosto uporabljajo za opremo za čiščenje odplak), da se izboljša vzdržljivost sistema in zmanjša število vzdrževalnih del.
Kar zadeva zasnovo elektroenergetskega sistema, je celoten sistem za proizvodnjo električne energije iz kanalizacijskih turbin zaradi različnih razlogov nestabiliziran, zato je za zagotavljanje zanesljive oskrbe z električno energijo vzporedno priključen na omrežje. Priključitev na omrežje mora biti urejena v skladu s tehničnimi smernicami za priključitev na omrežje, ki jih je izdalo elektroenergetsko podjetje in Oddelek za električne in mehanske storitve vlade posebne upravne regije Hongkong.
Glede na postavitev cevi se poleg obstoječih omejitev lokacije upošteva tudi potreba po vzdrževanju in popravilu sistema. V zvezi s tem je bil spremenjen prvotni načrt namestitve hidravlične turbine v jašku usedalnika, predlagan v raziskovalno-razvojnem projektu. Namesto tega se prečiščena odpadna voda iz jaška odvaja skozi grlo in pošilja v hidravlično turbino, kar močno zmanjša težavnost in čas vzdrževanja ter zmanjša vpliv na normalno delovanje čistilne naprave.
Ker je treba usedilnik občasno zaradi vzdrževanja odklopiti, je grlo turbinskega sistema povezano z dvema gredema štirih dvonivojskih usedilnikov. Tudi če dva sklopa usedilnikov prenehata delovati, lahko druga dva sklopa usedilnikov zagotavljata prečiščeno odpadno vodo, poganjata turbinski sistem in še naprej proizvajata električno energijo. Poleg tega je bil v bližini gredi usedilnikov 47/49 rezerviran prostor za prihodnjo namestitev drugega hidravličnega turbinskega sistema za proizvodnjo električne energije, tako da bosta lahko oba turbinska sistema za proizvodnjo električne energije ob normalnem delovanju štirih sklopov usedilnikov hkrati proizvajala električno energijo in dosegla največjo zmogljivost.
3.3 Izbira hidravlične turbine in generatorja
Hidravlična turbina je ključna oprema celotnega sistema za proizvodnjo električne energije. Turbine lahko glede na princip delovanja na splošno razdelimo v dve kategoriji: impulzni in reakcijski tip. Impulzni tip pomeni, da tekočina z veliko hitrostjo skozi več šob udarja v lopatico turbine in nato poganja generator za proizvodnjo energije. Reakcijski tip turbine prehaja skozi lopatico turbine skozi tekočino in s pomočjo tlaka gladine vode poganja generator za proizvodnjo energije. Pri tej zasnovi je bila izbrana Kaplanova turbina, ena izmed primernejših reakcijskih turbin, ker ima ta turbina visok izkoristek pri nizkem tlaku vode in je relativno tanka, kar je bolj primerno za omejen prostor na lokaciji.
Kar zadeva generator, je bil izbran sinhroni generator s trajnimi magneti, ki ga poganja hidravlična turbina s konstantno hitrostjo. Ta generator lahko oddaja stabilnejšo napetost in frekvenco kot asinhronski generator, zato lahko izboljša kakovost napajanja, poenostavi vzporedno omrežje in zahteva manj vzdrževanja.
4 Značilnosti gradnje in delovanja
4.1 Vzporedna razporeditev mreže
Priključitev na omrežje se izvede v skladu s tehničnimi smernicami za priključitev na omrežje, ki jih je izdalo elektroenergetsko podjetje in Oddelek za električne in strojne storitve vlade posebne upravne regije Hongkong. V skladu s smernicami mora biti sistem za proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov opremljen s funkcijo zaščite pred otokom, ki lahko samodejno loči ustrezni sistem za proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov od distribucijskega sistema, ko električno omrežje iz kakršnega koli razloga preneha dobavljati energijo, tako da sistem za proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov ne more več dovajati energije distribucijskemu sistemu, da se zagotovi varnost elektroinženirskega osebja, ki dela na omrežju ali distribucijskem sistemu.
Kar zadeva sinhrono delovanje oskrbe z električno energijo, je mogoče sistem za proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov in distribucijski sistem sinhronizirati le, če so napetostna jakost, fazni kot ali frekvenčna razlika nadzorovani v sprejemljivih mejah.
4.2 Nadzor in zaščita
Sistem za proizvodnjo energije hidravlične turbine je mogoče krmiliti v samodejnem ali ročnem načinu. V samodejnem načinu se lahko kot vir hidravlične energije uporabijo gredi usedalnika 47/49 # ali 51/53 #, krmilni sistem pa bo glede na privzete podatke zagnal različne krmilne ventile, da izbere najprimernejši usedalnik in tako optimizira proizvodnjo energije hidravlične turbine. Poleg tega bo krmilni ventil samodejno prilagodil nivo odplak pred usedalnikom, tako da prečiščena odplaka ne bo preplavljena, s čimer se bo proizvodnja energije povečala na najvišjo raven. Sistem turbinskega generatorja je mogoče krmiliti v glavni krmilni sobi ali na lokaciji.
Kar zadeva zaščito in nadzor, če napajalna omarica ali regulacijski ventil turbinskega sistema odpove ali če nivo vode preseže najvišji dovoljeni nivo vode, bo sistem za proizvodnjo energije hidravlične turbine samodejno ustavil delovanje in prečiščeno odpadno vodo izpustil skozi obvodno cev, da se prepreči prelivanje prečiščene odpadne vode iz gorvodnega usedalnika zaradi okvare sistema.
5 Zmogljivost delovanja sistema
Ta sistem za proizvodnjo električne energije s hidravlično turbino je bil predan v obratovanje konec leta 2018, s povprečno mesečno proizvodnjo več kot 10000 kW · h. Učinkovit vodni tlak, ki lahko poganja sistem za proizvodnjo električne energije s hidravlično turbino, se sčasoma spreminja tudi zaradi visokega in nizkega pretoka odplak, ki jih čistilna naprava vsak dan zbira in obdeluje. Da bi kar najbolje izkoristili moč, ki jo ustvari turbinski sistem, je oddelek za odvodnjavanje zasnoval krmilni sistem, ki samodejno prilagaja navor delovanja turbine glede na dnevni pretok odplak, s čimer se izboljša učinkovitost proizvodnje električne energije. Slika 7 prikazuje razmerje med sistemom za proizvodnjo električne energije in pretokom vode. Ko pretok vode preseže nastavljeno raven, sistem samodejno začne proizvajati električno energijo.
6 izzivov in rešitev
Oddelek za odvodnjavanje se je pri izvajanju ustreznih projektov soočil s številnimi izzivi in je kot odgovor na te izzive oblikoval ustrezne načrte,
7 Zaključek
Kljub različnim izzivom je bil ta sklop hidravličnih turbin za proizvodnjo električne energije uspešno zagnan konec leta 2018. Povprečna mesečna izhodna moč sistema je več kot 10.000 kW · h, kar je enakovredno povprečni mesečni porabi energije približno 25 hongkonških gospodinjstev (povprečna mesečna poraba energije vsakega hongkonškega gospodinjstva je bila leta 2018 približno 390 kW · h). Oddelek za odvodnjavanje je zavezan k "zagotavljanju vrhunskih storitev čiščenja in odvodnjavanja odplak in deževnice za spodbujanje trajnostnega razvoja Hongkonga", hkrati pa spodbuja projekte varstva okolja in podnebnih sprememb. Pri uporabi obnovljivih virov energije Oddelek za odvodnjavanje uporablja bioplin, sončno energijo in energijo iz toka prečiščene odpadne vode za proizvodnjo obnovljive energije. V zadnjih nekaj letih je povprečna letna proizvodnja obnovljive energije, ki jo je proizvedel Oddelek za odvodnjavanje, znašala približno 27 milijonov kW · h, kar lahko zadovolji energetske potrebe približno 9 % Oddelka za odvodnjavanje. Oddelek za odvodnjavanje bo še naprej prizadeval za krepitev in spodbujanje uporabe obnovljivih virov energije.
Čas objave: 22. november 2022
