Одељење за одводњавање Владе Специјалног административног региона Хонг Конг посвећено је помагању у ублажавању глобалних климатских промена. Током година, у неким од његових постројења инсталирана су постројења за уштеду енергије и обновљиве изворе енергије. Званичним покретањем „Плана за пречишћавање луке Фаза II А“ у Хонг Конгу, Одељење за одводњавање инсталирало је систем за производњу енергије хидрауличне турбине у постројењу за пречишћавање отпадних вода Стоункутерс Ајланд (постројење за пречишћавање отпадних вода са највећим капацитетом за пречишћавање отпадних вода у Хонг Конгу), који користи хидрауличну енергију текуће канализације за погон генератора турбине, а затим генерише електричну енергију за коришћење постројења у постројењу. Овај рад представља систем, укључујући изазове који се јављају у имплементацији релевантних пројеката, разматрања и карактеристике пројектовања и изградње система, као и оперативне перформансе система. Систем не само да помаже у уштеди трошкова електричне енергије, већ користи и воду за смањење емисије угљеника.
1 Увод у пројекат
Друга фаза А „Плана за пречишћавање луке“ је план великих размера који је спровела Влада Специјалног административног региона Хонг Конга ради побољшања квалитета воде у луци Викторија. Званично је пуштен у пуну употребу у децембру 2015. године. Његов обим радова обухвата изградњу дубоког канализационог тунела укупне дужине око 21 км и 163 м испод земље, за транспорт канализације генерисане на северу и југозападу острва до постројења за пречишћавање канализације острва Стоункатерс, и за повећање капацитета пречишћавања постројења за пречишћавање канализације на 245 × 105 м³/дан, пружајући услуге пречишћавања канализације за око 5,7 милиона грађана. Због ограничења земљишта, постројење за пречишћавање канализације острва Стоункатерс користи 46 комплета двоспратних седиментационих резервоара за хемијски побољшани примарни третман канализације, а свака два комплета седиментационих резервоара ће делити вертикално окно (то јест, укупно 23 окна) за слање пречишћене канализације у подземну дренажну цев за коначну дезинфекцију, а затим у дубоко море.
2 Релевантна рана истраживања и развој
С обзиром на велику количину отпадних вода које постројење за пречишћавање отпадних вода Стоункатерс Ајланд свакодневно пречишћава и јединствени двослојни дизајн његовог таложног резервоара, оно може да обезбеди одређену количину хидрауличне енергије приликом испуштања пречишћених отпадних вода за покретање турбине генератора за производњу електричне енергије. Тим Одељења за одводњавање је потом 2008. године спровео релевантну студију изводљивости и спровео низ теренских тестова. Резултати ових прелиминарних студија потврђују изводљивост инсталирања турбине генератора.
Место инсталације: у шахту таложног резервоара; Ефективни притисак воде: 4,5~6 м (специфични дизајн зависи од стварних услова рада у будућности и тачног положаја турбине); Опсег протока: 1,1 ～ 1,25 м3/с; Максимална излазна снага: 45~50 kW; Опрема и материјали: Пошто пречишћена отпадна вода и даље има одређену корозивност, одабрани материјали и пратећа опрема морају имати одговарајућу заштиту и отпорност на корозију.
У том смислу, Одељење за одводњавање је резервисало простор за два седиментациона резервоара у постројењу за пречишћавање отпадних вода како би инсталирало систем за производњу турбине у оквиру пројекта проширења „Пројекта пречишћавања луке, фаза II А“.
3 Разматрања и карактеристике дизајна система
3.1 Генерисана снага и ефективни притисак воде
Однос између електричне снаге генерисане хидродинамичком енергијом и ефективног притиска воде је следећи: генерисана електрична снага (kW) = [густина пречишћене канализације ρ (кг/м3) × Брзина протока воде Q (м3/с) × Ефективни притисак воде H (м) × Константа гравитације g (9,807 м/с2)] ÷ 1000
× Укупна ефикасност система (%). Ефективни притисак воде је разлика између максимално дозвољеног нивоа воде у шахту и нивоа воде суседног шахта у текућој води.
Другим речима, што је већа брзина протока и ефективни притисак воде, то је већа генерисана снага. Стога, да би се генерисало више снаге, један од циљева пројектовања је да се омогући систему турбине да прими највећу брзину протока воде и ефективни притисак воде.
3.2 Кључне тачке дизајна система
Пре свега, у погледу дизајна, новоинсталирани турбински систем не сме што више утицати на нормалан рад постројења за пречишћавање отпадних вода. На пример, систем мора имати одговарајуће заштитне уређаје како би се спречило преливање узводног таложника пречишћених отпадних вода због неправилне контроле система. Радни параметри одређени током пројектовања: проток 1,06 ～ 1,50 м3/с, ефективни опсег притиска воде 24 ～ 52 кПа.
Поред тога, пошто отпадне воде пречишћене седиментационим резервоаром и даље садрже неке корозивне супстанце, као што су водоник-сулфид и со, сви материјали компоненти турбинског система који су у контакту са пречишћеним отпадним водама морају бити отпорни на корозију (као што су материјали од дуплекс нерђајућег челика који се често користе за опрему за пречишћавање отпадних вода), како би се побољшала издржљивост система и смањио број потреба за одржавањем.
Што се тиче пројектовања електроенергетског система, пошто производња енергије канализационе турбине није потпуно стабилна из различитих разлога, цео систем за производњу електричне енергије је паралелно повезан са мрежом како би се одржало поуздано напајање. Прикључак на мрежу треба да буде уређен у складу са техничким смерницама за прикључак на мрежу које је издала електроенергетска компанија и Одељење за електричне и машинске услуге Владе специјалног административног региона Хонг Конг.
Што се тиче распореда цеви, поред постојећих ограничења на локацији, узима се у обзир и потреба за одржавањем и поправком система. У том смислу, првобитни план постављања хидрауличне турбине у шахту таложног резервоара, предложен у истраживачко-развојном пројекту, је промењен. Уместо тога, пречишћена отпадна вода се из шахта изводи грлом и шаље у хидрауличну турбину, што значајно смањује тежину и време одржавања и смањује утицај на нормалан рад постројења за пречишћавање отпадних вода.
С обзиром на то да се седиментациони резервоар повремено мора подићи ради одржавања, грло турбинског система је повезано са два вратила четири комплета двоспратних седиментационих резервоара. Чак и ако два комплета седиментационих резервоара престану са радом, друга два комплета седиментационих резервоара такође могу да обезбеде пречишћену канализацију, покрећу турбински систем и наставе да производе електричну енергију. Поред тога, резервисано је место у близини вратила седиментационог резервоара број 47/49 за будућу инсталацију другог система за производњу енергије хидрауличне турбине, тако да када четири комплета седиментационих резервоара раде нормално, два система за производњу енергије турбина могу истовремено да генеришу енергију, достижући максимални капацитет снаге.
3.3 Избор хидрауличне турбине и генератора
Хидраулична турбина је кључна опрема целог система за производњу електричне енергије. Турбине се генерално могу поделити у две категорије према принципу рада: импулсни тип и реакциони тип. Импулсни тип је код кога флуид великом брзином упуцава на лопатицу турбине кроз више млазница, а затим покреће генератор да би генерисао енергију. Реакциони тип пролази кроз лопатицу турбине кроз флуид и користи притисак нивоа воде да би покретао генератор да би генерисао енергију. У овом дизајну, на основу чињенице да пречишћена отпадна вода може да обезбеди низак притисак воде приликом протока, изабрана је Капланова турбина, један од најприкладнијих реакционих типова, јер ова турбина има високу ефикасност при ниском притиску воде и релативно је танка, што је погодније за ограничен простор на локацији.
Што се тиче генератора, изабран је синхрони генератор са перманентним магнетима који се покреће хидрауличном турбином константне брзине. Овај генератор може да производи стабилнији напон и фреквенцију од асинхроног генератора, тако да може побољшати квалитет напајања, поједноставити паралелну мрежу и захтевати мање одржавања.
4 Карактеристике конструкције и рада
4.1 Паралелни распоред мреже
Прикључак на мрежу мора се извршити у складу са техничким смерницама за прикључак на мрежу које је издала електроенергетска компанија и Одељење за електричне и машинске услуге Владе специјалног административног региона Хонг Конга. Према смерницама, систем за производњу електричне енергије из обновљивих извора енергије мора бити опремљен функцијом заштите од острвског режима рада, која може аутоматски одвојити релевантни систем за производњу електричне енергије из обновљивих извора енергије од дистрибутивног система када електроенергетска мрежа престане да испоручује електричну енергију из било ког разлога, тако да систем за производњу електричне енергије из обновљивих извора енергије не може да настави да испоручује електричну енергију дистрибутивном систему, како би се осигурала безбедност електротехничког особља које ради на мрежи или дистрибутивном систему.
Што се тиче синхроног рада напајања, систем за производњу електричне енергије из обновљивих извора енергије и дистрибутивни систем могу бити синхронизовани само када су интензитет напона, фазни угао или разлика фреквенције контролисани у прихватљивим границама.
4.2 Контрола и заштита
Систем за производњу енергије хидрауличне турбине може се контролисати у аутоматском или ручном режиму. У аутоматском режиму, вратила таложника 47/49 # или 51/53 # могу се користити као извор хидрауличне енергије, а систем управљања ће покренути различите контролне вентиле према подразумеваним подацима како би изабрао најприкладнији таложник, како би се оптимизовала производња енергије хидрауличне турбине. Поред тога, контролни вентил ће аутоматски подесити ниво канализације узводно тако да таложник неће препунити пречишћену канализацију, чиме ће се производња енергије повећати на највиши ниво. Систем турбинског генератора може се регулисати у главној контролној соби или на лицу места.
Што се тиче заштите и контроле, ако кутија за напајање или контролни вентил турбинског система откаже или ниво воде пређе максимално дозвољени ниво воде, систем за производњу енергије хидрауличне турбине ће такође аутоматски зауставити рад и испустити пречишћену канализацију кроз обилазну цев, како би се спречило да узводни седиментациони резервоар прелије пречишћену канализацију због квара система.
5 Перформансе рада система
Овај систем за производњу енергије помоћу хидрауличне турбине пуштен је у рад крајем 2018. године, са просечном месечном производњом већом од 10000 kW · h. Ефективни притисак воде који може да покреће систем за производњу енергије помоћу хидрауличне турбине такође се мења с временом због високог и ниског протока отпадних вода које се свакодневно сакупљају и третирају у постројењу за пречишћавање отпадних вода. Да би се максимизирала снага коју генерише систем турбине, Одељење за одводњавање је пројектовало систем управљања који аутоматски подешава обртни момент турбине у складу са дневним протоком отпадних вода, чиме се побољшава ефикасност производње енергије. Слика 7 приказује везу између система за производњу енергије и протока воде. Када проток воде пређе подешени ниво, систем ће аутоматски почети да генерише електричну енергију.
6 изазова и решења
Одељење за одводњавање сусрело се са многим изазовима у спровођењу релевантних пројеката и формулисало је одговарајуће планове као одговор на те изазове,
7 Закључак
Упркос разним изазовима, овај систем за производњу енергије хидрауличних турбина успешно је пуштен у рад крајем 2018. године. Просечна месечна излазна снага система је већа од 10000 kW · h, што је еквивалентно просечној месечној потрошњи енергије око 25 домаћинстава у Хонг Конгу (просечна месечна потрошња енергије сваког домаћинства у Хонг Конгу у 2018. години је око 390 kW · h). Одељење за одводњавање је посвећено „пружању услуга пречишћавања и одводњавања канализације и кишнице светске класе ради промоције одрживог развоја Хонг Конга“, уз истовремено промовисање пројеката заштите животне средине и климатских промена. У примени обновљивих извора енергије, Одељење за одводњавање користи биогас, соларну енергију и енергију из протока пречишћених отпадних вода за производњу обновљиве енергије. У протеклих неколико година, просечна годишња производња обновљиве енергије од стране Одељења за одводњавање је око 27 милиона kW · h, што може да задовољи енергетске потребе око 9% Одељења за одводњавање. Одељење за одводњавање ће наставити своје напоре да јача и промовише примену обновљивих извора енергије.
Време објаве: 22. новембар 2022.
