Avloppsavdelningen inom Hongkongs särskilda administrativa regions regering har åtagit sig att bidra till att mildra den globala klimatförändringen. Under årens lopp har energibesparande och förnybara energianläggningar installerats i några av dess anläggningar. Med den officiella lanseringen av Hongkongs "Hamnreningsplan fas II A" har avloppsavdelningen installerat ett hydrauliskt turbinkraftverk vid Stonecutters Island avloppsreningsverk (avloppsreningsverket med den största avloppsreningskapaciteten i Hongkong), som använder den hydrauliska energin från rinnande avloppsvatten för att driva turbingeneratorn och sedan genererar elektricitet för användning av anläggningarna i anläggningen. Denna rapport introducerar systemet, inklusive de utmaningar som uppstår vid genomförandet av relevanta projekt, överväganden och egenskaper vid systemdesign och konstruktion samt systemets driftsprestanda. Systemet hjälper inte bara till att spara elkostnader, utan använder också vatten för att minska koldioxidutsläppen.
1 Projektintroduktion
Den andra fasen A av "Hamnreningsplanen" är en storskalig plan som genomförts av Hongkongs specialadministrativa regionregering för att förbättra vattenkvaliteten i Victoria Harbour. Den togs officiellt i bruk i december 2015. Arbetet omfattar byggandet av en djup avloppstunnel med en total längd på cirka 21 km och 163 m under markytan, för att transportera avloppsvatten som genereras i norra och sydvästra delen av ön till Stonecutters Islands avloppsreningsverk, och för att öka avloppsverkets reningskapacitet till 245 × 105 m3/d, vilket tillhandahåller avloppsreningstjänster för cirka 5,7 miljoner medborgare. På grund av markbegränsningar använder Stonecutters Islands avloppsreningsverk 46 uppsättningar dubbeldäckade sedimenttankar för kemiskt förbättrad primärrening av avloppsvatten, och varannan uppsättning sedimenttankar kommer att dela ett vertikalt schakt (det vill säga totalt 23 schakt) för att skicka det renade avloppsvattnet till det underjordiska dräneringsröret för slutlig desinfektion och sedan till djuphavet.
2 Relevant tidig forskning och utveckling
Med tanke på den stora mängden avloppsvatten som renas av Stonecutters Islands avloppsreningsverk varje dag och den unika dubbelskiktsdesignen hos dess sedimentationstank, kan den tillhandahålla en viss mängd hydraulisk energi samtidigt som den släpper ut det renade avloppsvattnet för att driva turbingeneratorn för att generera elektricitet. Avloppsavdelningens team genomförde sedan en relevant förstudie 2008 och genomförde en serie fälttester. Resultaten av dessa preliminära studier bekräftar genomförbarheten av att installera turbingeneratorer.
Installationsplats: i sedimenteringstankens schakt; Effektivt vattentryck: 4,5~6 m (den specifika konstruktionen beror på de faktiska driftsförhållandena i framtiden och turbinens exakta position); Flödesområde: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Maximal uteffekt: 45~50 kW; Utrustning och material: Eftersom det renade avloppsvattnet fortfarande har en viss korrosivitet måste de valda materialen och relaterad utrustning ha tillräckligt skydd och korrosionsbeständighet.
I detta avseende har dräneringsavdelningen reserverat utrymme för två uppsättningar sedimenteringstankar i avloppsreningsverket för att installera ett turbinkraftverk i utbyggnadsprojektet av "Hamnreningsprojekt fas II A".
3 Systemdesignöverväganden och funktioner
3.1 Genererad effekt och effektivt vattentryck
Sambandet mellan elkraft genererad av hydrodynamisk energi och effektivt vattentryck är följande: genererad elkraft (kW) = [densitet av renat avloppsvatten ρ (kg/m3) × Vattenflödeshastighet Q (m3/s) × Effektivt vattentryck H (m) × Tyngdkraftskonstant g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Total systemeffektivitet (%). Det effektiva vattentrycket är skillnaden mellan schaktets maximalt tillåtna vattennivå och vattennivån i det intilliggande schaktet i det strömmande vattnet.
Med andra ord, ju högre flödeshastighet och effektivt vattentryck, desto större genererad effekt. För att generera mer effekt är ett av konstruktionsmålen därför att göra det möjligt för turbinsystemet att ta emot högsta möjliga vattenflödeshastighet och effektivt vattentryck.
3.2 Viktiga punkter i systemdesignen
Först och främst, vad gäller konstruktionen, får det nyinstallerade turbinsystemet inte påverka avloppsreningsverkets normala drift så mycket som möjligt. Systemet måste till exempel ha lämpliga skyddsanordningar för att förhindra att den uppströms sedimentationstanken svämmar över med det renade avloppsvattnet på grund av felaktig systemstyrning. Driftsparametrar som bestämts under konstruktionen: flödeshastighet 1,06 ～ 1,50 m3/s, effektivt vattentrycksområde 24 ～ 52 kPa.
Eftersom avloppsvattnet som renas av sedimentationstanken fortfarande innehåller vissa frätande ämnen, såsom vätesulfid och salt, måste alla turbinsystemkomponentmaterial som kommer i kontakt med det renade avloppsvattnet vara korrosionsbeständiga (såsom duplex rostfritt stål som ofta används för avloppsreningsutrustning) för att förbättra systemets hållbarhet och minska antalet underhållsarbeten.
När det gäller kraftsystemdesign, eftersom kraftproduktionen från avloppsturbiner av olika skäl inte är helt stabil, är hela kraftproduktionssystemet parallellt anslutet till nätet för att upprätthålla en tillförlitlig strömförsörjning. Nätanslutningen ska ordnas i enlighet med de tekniska riktlinjerna för nätanslutning som utfärdats av kraftbolaget och den elektriska och mekaniska serviceavdelningen inom Hongkongs specialadministrativa regionregering.
När det gäller rörläggningen beaktas, utöver de befintliga platsbegränsningarna, även behovet av systemunderhåll och reparation. I detta avseende har den ursprungliga planen för att installera den hydrauliska turbinen i sedimenteringstankens schakt som föreslogs i FoU-projektet ändrats. Istället leds det renade avloppsvattnet ut ur schaktet via en hals och skickas till den hydrauliska turbinen, vilket avsevärt minskar svårigheten och tiden för underhållet och minskar påverkan på avloppsreningsverkets normala drift.
Med tanke på att sedimentationstanken ibland behöver avbrytas för underhåll, är turbinsystemets hals ansluten till två axlar med fyra uppsättningar dubbeldäckade sedimentationstankar. Även om två uppsättningar sedimentationstankar upphör att fungera, kan de andra två uppsättningarna sedimentationstankar också tillhandahålla renat avloppsvatten, driva turbinsystemet och fortsätta att generera elektricitet. Dessutom har en plats reserverats nära axeln till sedimentationstank 47/49 # för installation av det andra hydrauliska turbinkraftgenereringssystemet i framtiden, så att när de fyra uppsättningarna sedimentationstankar fungerar normalt, kan de två turbinkraftgenereringssystemen generera kraft samtidigt och nå maximal effektkapacitet.
3.3 Val av hydraulturbin och generator
Hydrauliska turbiner är den viktigaste utrustningen i hela kraftgenereringssystemet. Turbiner kan generellt delas in i två kategorier enligt driftsprincipen: pulstyp och reaktionstyp. Impulstyp innebär att vätskan matas till turbinbladet med hög hastighet genom flera munstycken och sedan driver generatorn för att generera energi. Reaktionstypen passerar genom turbinbladet genom vätskan och använder vattennivåtrycket för att driva generatorn för att generera energi. I denna konstruktion, baserat på det faktum att det renade avloppsvattnet kan ge lågt vattentryck vid flöde, väljs Kaplan-turbinen, en av de mer lämpliga reaktionstyperna, eftersom denna turbin har hög verkningsgrad vid lågt vattentryck och är relativt tunn, vilket är mer lämpligt för det begränsade utrymmet på plats.
När det gäller generatorer väljs en permanentmagnetsynkrongenerator som drivs av en hydraulisk turbin med konstant hastighet. Denna generator kan ge ut en stabilare spänning och frekvens än en asynkrongenerator, vilket förbättrar strömförsörjningens kvalitet, förenklar parallella elnät och kräver mindre underhåll.
4 Konstruktions- och driftsfunktioner
4.1 Parallell rutnätsanordning
Nätanslutningen ska utföras i enlighet med de tekniska riktlinjerna för nätanslutning som utfärdats av kraftbolaget och den elektriska och mekaniska serviceavdelningen inom Hongkongs specialadministrativa regions regering. Enligt riktlinjerna måste det förnybara kraftproduktionssystemet vara utrustat med en isoleringsskyddsfunktion, som automatiskt kan separera det relevanta förnybara kraftproduktionssystemet från distributionssystemet när elnätet slutar leverera ström av någon anledning, så att det förnybara kraftproduktionssystemet inte kan fortsätta att leverera ström till distributionssystemet, för att säkerställa säkerheten för eltekniker som arbetar i nätet eller distributionssystemet.
När det gäller synkron drift av kraftförsörjningen kan det förnybara kraftproduktionssystemet och distributionssystemet endast synkroniseras när spänningsintensiteten, fasvinkeln eller frekvensskillnaden kontrolleras inom acceptabla gränser.
4.2 Kontroll och skydd
Det hydrauliska turbinsystemet kan styras i automatiskt eller manuellt läge. I automatiskt läge kan axlarna i sedimenteringstank 47/49 # eller 51/53 # användas som källa för hydraulisk energi, och styrsystemet startar olika styrventiler enligt standarddata för att välja den lämpligaste sedimenteringstanken för att optimera den hydrauliska turbinens kraftgenerering. Dessutom justerar styrventilen automatiskt den uppströms avloppsvattennivån så att sedimenteringstanken inte svämmar över med renat avloppsvatten, vilket ökar kraftgenereringen till högsta nivå. Turbingeneratorsystemet kan regleras i huvudkontrollrummet eller på plats.
När det gäller skydd och kontroll, om strömförsörjningsboxen eller styrventilen i turbinsystemet slutar fungera eller om vattennivån överstiger den maximalt tillåtna vattennivån, kommer det hydrauliska turbinkraftverket också automatiskt att stoppa driften och släppa ut det renade avloppsvattnet genom bypass-röret, för att förhindra att den uppströms sedimenteringstanken svämmar över på grund av systemfel.
5 Systemdriftens prestanda
Detta hydrauliska turbinkraftverk togs i drift i slutet av 2018, med en genomsnittlig månadseffekt på mer än 10 000 kW·h. Det effektiva vattentrycket som kan driva det hydrauliska turbinkraftverket ändras också med tiden på grund av det höga och låga flödet av avloppsvatten som samlas in och renas av avloppsreningsverket varje dag. För att maximera den kraft som genereras av turbinsystemet har dräneringsavdelningen utformat ett styrsystem för att automatiskt justera turbinens driftmoment enligt det dagliga avloppsflödet, vilket förbättrar kraftproduktionens effektivitet. Figur 7 visar förhållandet mellan kraftverkssystemet och vattenflödet. När vattenflödet överstiger den inställda nivån kommer systemet automatiskt att generera elektricitet.
6 utmaningar och lösningar
Avloppsavdelningen har stött på många utmaningar när det gäller att genomföra relevanta projekt och har utformat motsvarande planer som svar på dessa utmaningar.
7 Slutsats
Trots diverse utmaningar togs denna uppsättning hydrauliska turbinkraftverk framgångsrikt i drift i slutet av 2018. Systemets genomsnittliga månatliga effekt är mer än 10 000 kW·h, vilket motsvarar den genomsnittliga månatliga elförbrukningen för cirka 25 hushåll i Hongkong (den genomsnittliga månatliga elförbrukningen för varje hushåll i Hongkong år 2018 är cirka 390 kW·h). Avloppsavdelningen har åtagit sig att "tillhandahålla avlopps- och regnvattenrening samt dräneringstjänster i världsklass för att främja en hållbar utveckling i Hongkong", samtidigt som de främjar miljöskydd och klimatförändringsprojekt. Vid tillämpningen av förnybar energi använder avloppsavdelningen biogas, solenergi och energi från renat avloppsvatten för att generera förnybar energi. Under de senaste åren har den genomsnittliga årliga förnybara energin som produceras av avloppsavdelningen varit cirka 27 miljoner kW·h, vilket kan tillgodose energibehovet för cirka 9 % av avloppsavdelningen. Avloppsavdelningen kommer att fortsätta sina ansträngningar för att stärka och främja tillämpningen av förnybar energi.
Publiceringstid: 22 november 2022
