ระบบกังหันน้ำแห่งแรกของฮ่องกงสำหรับการผลิตไฟฟ้าโดยการไหลของน้ำเสีย

กรมบริการระบายน้ำของรัฐบาลเขตบริหารพิเศษฮ่องกงมุ่งมั่นที่จะช่วยบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศของโลก ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา มีการติดตั้งสิ่งอำนวยความสะดวกเพื่อการประหยัดพลังงานและพลังงานหมุนเวียนในโรงงานบางแห่ง ด้วยการเปิดตัว "แผนการฟอกท่าเรือระยะที่ II A" ของฮ่องกงอย่างเป็นทางการ กรมบริการระบายน้ำได้ติดตั้งระบบผลิตพลังงานกังหันน้ำที่โรงบำบัดน้ำเสียเกาะสโตนคัตเตอร์ส (โรงบำบัดน้ำเสียที่มีความสามารถในการบำบัดน้ำเสียสูงสุดในฮ่องกง) ซึ่งใช้พลังงานน้ำจากน้ำเสียที่ไหลเพื่อขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันน้ำ จากนั้นจึงผลิตไฟฟ้าเพื่อใช้ในโรงงาน เอกสารนี้จะแนะนำระบบดังกล่าว รวมถึงความท้าทายที่พบในการดำเนินโครงการที่เกี่ยวข้อง ข้อควรพิจารณาและลักษณะของการออกแบบและก่อสร้างระบบ และประสิทธิภาพการทำงานของระบบ ระบบนี้ไม่เพียงแต่ช่วยประหยัดค่าไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังใช้น้ำเพื่อลดการปล่อยคาร์บอนอีกด้วย

1. แนะนำโครงการ
แผนฟื้นฟูท่าเรือระยะที่ 2 A เป็นแผนขนาดใหญ่ที่ดำเนินการโดยรัฐบาลเขตบริหารพิเศษฮ่องกงเพื่อปรับปรุงคุณภาพน้ำของอ่าววิกตอเรีย โดยแผนดังกล่าวได้เริ่มใช้งานอย่างเป็นทางการเมื่อเดือนธันวาคม 2558 โดยมีขอบเขตการทำงานรวมถึงการก่อสร้างอุโมงค์ระบายน้ำลึกซึ่งมีความยาวรวมประมาณ 21 กิโลเมตรและลึกลงไปใต้ดิน 163 เมตร เพื่อขนส่งน้ำเสียที่เกิดขึ้นในภาคเหนือและตะวันตกเฉียงใต้ของเกาะไปยังโรงบำบัดน้ำเสียเกาะสโตนคัตเตอร์ส และเพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการบำบัดน้ำเสียของโรงบำบัดน้ำเสียเป็น 245 x 105 ม.3/วัน เพื่อให้บริการบำบัดน้ำเสียแก่ประชาชนประมาณ 5.7 ล้านคน เนื่องจากข้อจำกัดด้านพื้นที่ โรงบำบัดน้ำเสียเกาะ Stonecutters จึงต้องใช้ถังตกตะกอนสองชั้นจำนวน 46 ชุดสำหรับการบำบัดน้ำเสียขั้นต้นด้วยสารเคมี และถังตกตะกอนทุก ๆ สองชุดจะใช้ปล่องแนวตั้งร่วมกัน (นั่นคือรวมทั้งหมด 23 ปล่อง) เพื่อส่งน้ำเสียที่ผ่านการฟอกแล้วไปยังท่อระบายน้ำใต้ดินเพื่อการฆ่าเชื้อขั้นสุดท้าย จากนั้นจึงส่งต่อไปยังทะเลลึก

2. การวิจัยและพัฒนาในระยะเริ่มต้นที่เกี่ยวข้อง
เมื่อพิจารณาจากปริมาณน้ำเสียจำนวนมากที่โรงบำบัดน้ำเสีย Stonecutters Island ได้รับการบำบัดทุกวัน และการออกแบบถังตกตะกอนแบบสองชั้นที่เป็นเอกลักษณ์ ทำให้โรงบำบัดน้ำเสียแห่งนี้สามารถให้พลังงานไฮดรอลิกในปริมาณหนึ่งได้ในขณะที่ปล่อยน้ำเสียที่ผ่านการบำบัดแล้วเพื่อขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันเพื่อผลิตไฟฟ้า ทีมงานฝ่ายบริการระบายน้ำจึงได้ดำเนินการศึกษาความเป็นไปได้ที่เกี่ยวข้องในปี 2551 และดำเนินการทดสอบภาคสนามหลายชุด ผลการศึกษาเบื้องต้นเหล่านี้ยืนยันถึงความเป็นไปได้ในการติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหัน

ตำแหน่งการติดตั้ง: ในเพลาของถังตกตะกอน แรงดันน้ำที่มีประสิทธิภาพ: 4.5~6ม. (การออกแบบที่เฉพาะเจาะจงขึ้นอยู่กับสภาพการทำงานจริงในอนาคตและตำแหน่งที่แน่นอนของกังหัน) ช่วงการไหล: 1.1 ～ 1.25 ม. 3/วินาที กำลังขับสูงสุด: 45~50 กิโลวัตต์ อุปกรณ์และวัสดุ: เนื่องจากน้ำเสียที่ผ่านการฟอกแล้วยังคงมีการกัดกร่อนอยู่บ้าง วัสดุที่เลือกและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องจะต้องมีการป้องกันและทนต่อการกัดกร่อนที่เหมาะสม

ในการนี้ กรมชลประทานได้จองพื้นที่บ่อตกตะกอนในโรงบำบัดน้ำเสีย จำนวน 2 ชุด เพื่อติดตั้งระบบผลิตไฟฟ้ากังหันน้ำในโครงการขยาย “โครงการบำบัดท่าเรือ ระยะที่ 2 ก”

3 ข้อควรพิจารณาและคุณลักษณะการออกแบบระบบ
3.1 การผลิตพลังงานและแรงดันน้ำที่มีประสิทธิภาพ
ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จากพลังงานไฮโดรไดนามิกและแรงดันน้ำที่มีประสิทธิภาพมีดังนี้ กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ (kW) = [ความหนาแน่นของน้ำเสียที่ผ่านการกรอง ρ (kg/m3) × อัตราการไหลของน้ำ Q (m3/s) × แรงดันน้ำที่มีประสิทธิภาพ H (m) × ค่าคงที่ของแรงโน้มถ่วง g (9.807 m/s2)] ÷ 1000
× ประสิทธิภาพระบบโดยรวม (%) แรงดันน้ำที่มีประสิทธิภาพคือความแตกต่างระหว่างระดับน้ำสูงสุดที่อนุญาตของเพลาและระดับน้ำของเพลาที่อยู่ติดกันในน้ำไหล
กล่าวอีกนัยหนึ่ง ยิ่งความเร็วการไหลและแรงดันน้ำที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นเท่าใด พลังงานที่ผลิตได้ก็จะมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น เพื่อสร้างพลังงานได้มากขึ้น หนึ่งในเป้าหมายการออกแบบคือการทำให้ระบบกังหันรับความเร็วการไหลของน้ำสูงสุดและแรงดันน้ำที่มีประสิทธิภาพ

3.2 จุดสำคัญของการออกแบบระบบ
ประการแรก ในแง่ของการออกแบบ ระบบกังหันที่ติดตั้งใหม่จะต้องไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของโรงบำบัดน้ำเสียให้มากที่สุด ตัวอย่างเช่น ระบบจะต้องมีอุปกรณ์ป้องกันที่เหมาะสมเพื่อป้องกันไม่ให้ถังตกตะกอนต้นน้ำล้นน้ำเสียที่ผ่านการกรองเนื่องจากการควบคุมระบบที่ไม่ถูกต้อง พารามิเตอร์การทำงานที่กำหนดในระหว่างการออกแบบ: อัตราการไหล 1.06 ～ 1.50m3/s ช่วงแรงดันน้ำที่มีประสิทธิภาพ 24 ～ 52kPa
นอกจากนี้ เนื่องจากน้ำเสียที่ผ่านการบำบัดโดยถังตกตะกอนยังคงมีสารกัดกร่อนอยู่บ้าง เช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์และเกลือ วัสดุส่วนประกอบของระบบกังหันทั้งหมดที่สัมผัสกับน้ำเสียที่ผ่านการบำบัดจะต้องทนทานต่อการกัดกร่อน (เช่น วัสดุสเตนเลสดูเพล็กซ์ที่มักใช้ในอุปกรณ์บำบัดน้ำเสีย) เพื่อปรับปรุงความทนทานของระบบและลดจำนวนการบำรุงรักษา
ในแง่ของการออกแบบระบบไฟฟ้า เนื่องจากการผลิตไฟฟ้าจากกังหันน้ำเสียไม่เสถียรอย่างสมบูรณ์ด้วยเหตุผลต่างๆ ระบบผลิตไฟฟ้าทั้งหมดจึงเชื่อมต่อแบบขนานกับระบบไฟฟ้าเพื่อรักษาแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ การเชื่อมต่อระบบไฟฟ้าจะต้องจัดเตรียมตามแนวทางทางเทคนิคสำหรับการเชื่อมต่อระบบไฟฟ้าที่ออกโดยบริษัทไฟฟ้าและแผนกบริการไฟฟ้าและเครื่องกลของรัฐบาลเขตบริหารพิเศษฮ่องกง
ในแง่ของเค้าโครงท่อ นอกจากข้อจำกัดของสถานที่ที่มีอยู่แล้ว ยังต้องพิจารณาถึงความจำเป็นในการบำรุงรักษาและซ่อมแซมระบบด้วย ในเรื่องนี้ แผนเดิมของการติดตั้งกังหันไฮดรอลิกในเพลาถังตกตะกอนที่เสนอไว้ในโครงการวิจัยและพัฒนาได้รับการเปลี่ยนแปลง แทนที่น้ำเสียที่ผ่านการกรองจะถูกนำออกจากเพลาโดยคอและส่งไปยังกังหันไฮดรอลิก ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากและเวลาในการบำรุงรักษาได้อย่างมาก และลดผลกระทบต่อการทำงานปกติของโรงบำบัดน้ำเสีย

เนื่องจากถังตกตะกอนจำเป็นต้องหยุดการทำงานเป็นครั้งคราวเพื่อการบำรุงรักษา คอของระบบกังหันจึงเชื่อมต่อกับเพลาสองเพลาของถังตกตะกอนสองชั้นสี่ชุด แม้ว่าถังตกตะกอนสองชุดจะหยุดทำงาน ถังตกตะกอนอีกสองชุดก็สามารถผลิตน้ำเสียบริสุทธิ์ ขับเคลื่อนระบบกังหัน และผลิตไฟฟ้าต่อไปได้ นอกจากนี้ ยังมีการสำรองพื้นที่ไว้ใกล้กับเพลาของถังตกตะกอน 47/49 # สำหรับการติดตั้งระบบผลิตไฟฟ้ากังหันไฮดรอลิกชุดที่สองในอนาคต ดังนั้น เมื่อถังตกตะกอนสี่ชุดทำงานตามปกติ ระบบผลิตไฟฟ้ากังหันทั้งสองชุดก็จะสามารถผลิตไฟฟ้าได้ในเวลาเดียวกัน โดยบรรลุขีดความสามารถในการผลิตไฟฟ้าสูงสุด

3.3 การเลือกกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไฮดรอลิก
กังหันน้ำเป็นอุปกรณ์หลักของระบบผลิตไฟฟ้าทั้งหมด โดยทั่วไปกังหันน้ำสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทตามหลักการทำงาน ได้แก่ ประเภทพัลส์และประเภทปฏิกิริยา ประเภทแรงกระตุ้นคือของเหลวที่พุ่งไปที่ใบพัดกังหันด้วยความเร็วสูงผ่านหัวฉีดหลายตัว จากนั้นจึงขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อสร้างพลังงาน ประเภทปฏิกิริยาจะผ่านใบพัดกังหันผ่านของเหลว และใช้แรงดันระดับน้ำเพื่อขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อสร้างพลังงาน ในการออกแบบนี้ โดยอิงจากข้อเท็จจริงที่ว่าน้ำเสียที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์สามารถให้แรงดันน้ำต่ำเมื่อไหล จึงเลือกใช้กังหันน้ำแบบคาปลัน ซึ่งเป็นประเภทปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุดประเภทหนึ่ง เนื่องจากกังหันน้ำประเภทนี้มีประสิทธิภาพสูงที่แรงดันน้ำต่ำและมีขนาดค่อนข้างบาง ซึ่งเหมาะสำหรับพื้นที่จำกัดในสถานที่
ในแง่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่ขับเคลื่อนด้วยกังหันไฮดรอลิกความเร็วคงที่ได้รับการเลือก เครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิดนี้สามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่เสถียรกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัส จึงสามารถปรับปรุงคุณภาพแหล่งจ่ายไฟ ทำให้กริดขนานง่ายขึ้น และต้องการการบำรุงรักษาน้อยลง

4 คุณลักษณะการก่อสร้างและการดำเนินงาน
4.1 การจัดเรียงแบบขนานของกริด
การเชื่อมต่อกริดจะต้องดำเนินการตามแนวทางทางเทคนิคสำหรับการเชื่อมต่อกริดที่ออกโดยบริษัทไฟฟ้าและแผนกบริการไฟฟ้าและเครื่องกลของรัฐบาลเขตปกครองพิเศษฮ่องกง ตามแนวทางดังกล่าว ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียนจะต้องติดตั้งฟังก์ชันป้องกันการเกาะกลุ่ม ซึ่งสามารถแยกระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียนที่เกี่ยวข้องออกจากระบบจำหน่ายโดยอัตโนมัติเมื่อกริดไฟฟ้าหยุดจ่ายไฟฟ้าด้วยเหตุผลใดก็ตาม เพื่อที่ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียนจะไม่สามารถจ่ายไฟฟ้าให้กับระบบจำหน่ายต่อไปได้ เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยของบุคลากรด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่ทำงานบนกริดหรือระบบจำหน่าย
ในด้านการทำงานแบบซิงโครนัสของแหล่งจ่ายไฟ ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียนและระบบจำหน่ายไฟฟ้าจะสามารถซิงโครไนซ์ได้เฉพาะเมื่อมีการควบคุมความเข้มของแรงดันไฟฟ้า มุมเฟส หรือความต่างของความถี่ให้อยู่ในขีดจำกัดที่ยอมรับได้เท่านั้น

4.2 การควบคุมและการป้องกัน
ระบบผลิตไฟฟ้ากังหันน้ำสามารถควบคุมได้ในโหมดอัตโนมัติหรือด้วยตนเอง ในโหมดอัตโนมัติ เพลาของถังตกตะกอน 47/49 # หรือ 51/53 # สามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานไฮดรอลิกได้ และระบบควบคุมจะเริ่มวาล์วควบคุมต่างๆ ตามข้อมูลเริ่มต้นเพื่อเลือกถังตกตะกอนที่เหมาะสมที่สุด เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้ากังหันน้ำ นอกจากนี้ วาล์วควบคุมจะปรับระดับน้ำเสียต้นน้ำโดยอัตโนมัติ เพื่อให้ถังตกตะกอนไม่ล้นน้ำเสียที่ผ่านการบำบัดแล้ว จึงเพิ่มการผลิตไฟฟ้าให้อยู่ในระดับสูงสุด ระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันสามารถควบคุมได้ในห้องควบคุมหลักหรือในสถานที่

ในด้านการป้องกันและการควบคุม หากกล่องจ่ายไฟหรือวาล์วควบคุมของระบบกังหันล้มเหลวหรือระดับน้ำเกินระดับน้ำสูงสุดที่อนุญาต ระบบผลิตไฟฟ้ากังหันน้ำจะหยุดการทำงานโดยอัตโนมัติและระบายน้ำเสียที่ผ่านการบำบัดผ่านท่อบายพาส เพื่อป้องกันไม่ให้ถังตกตะกอนต้นน้ำล้นน้ำเสียที่ผ่านการบำบัดเนื่องจากระบบล้มเหลว

5. ประสิทธิภาพของการทำงานของระบบ
ระบบผลิตไฟฟ้ากังหันน้ำไฮดรอลิกนี้เริ่มดำเนินการเมื่อปลายปี 2561 โดยมีผลผลิตเฉลี่ยต่อเดือนมากกว่า 10,000 กิโลวัตต์·ชม. แรงดันน้ำที่มีประสิทธิภาพที่สามารถขับเคลื่อนระบบผลิตไฟฟ้ากังหันน้ำไฮดรอลิกยังเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาเนื่องมาจากการไหลของน้ำเสียที่สูงและต่ำที่เก็บรวบรวมและบำบัดโดยโรงบำบัดน้ำเสียทุกวัน เพื่อเพิ่มพลังงานที่ผลิตโดยระบบกังหันให้สูงสุด แผนกบริการระบายน้ำได้ออกแบบระบบควบคุมเพื่อปรับแรงบิดการทำงานของกังหันโดยอัตโนมัติตามการไหลของน้ำเสียประจำวัน จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้า รูปที่ 7 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างระบบผลิตไฟฟ้าและการไหลของน้ำ เมื่อการไหลของน้ำเกินระดับที่ตั้งไว้ ระบบจะทำงานโดยอัตโนมัติเพื่อผลิตไฟฟ้า

6 ความท้าทายและแนวทางแก้ไข
แผนกบริการการระบายน้ำต้องเผชิญกับความท้าทายมากมายในการดำเนินโครงการที่เกี่ยวข้องและได้กำหนดแผนงานที่สอดคล้องกันเพื่อตอบสนองต่อความท้าทายเหล่านี้

7 บทสรุป
แม้จะมีความท้าทายต่างๆ ระบบผลิตไฟฟ้ากังหันน้ำชุดนี้ก็สามารถนำไปใช้งานได้สำเร็จในช่วงปลายปี 2018 ผลผลิตพลังงานเฉลี่ยต่อเดือนของระบบอยู่ที่มากกว่า 10,000 kW · h ซึ่งเทียบเท่ากับการบริโภคพลังงานเฉลี่ยต่อเดือนของครัวเรือนในฮ่องกงประมาณ 25 ครัวเรือน (การบริโภคพลังงานเฉลี่ยต่อเดือนของแต่ละครัวเรือนในฮ่องกงในปี 2018 อยู่ที่ประมาณ 390 kW · h) กรมบริการระบายน้ำมุ่งมั่นที่จะ "ให้บริการบำบัดน้ำเสียและน้ำฝนระดับโลกและบริการระบายน้ำเพื่อส่งเสริมการพัฒนาอย่างยั่งยืนของฮ่องกง" ขณะเดียวกันก็ส่งเสริมโครงการปกป้องสิ่งแวดล้อมและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ในการใช้พลังงานหมุนเวียน กรมบริการระบายน้ำใช้พลังงานชีวภาพ พลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานจากการไหลของน้ำเสียที่ผ่านการฟอกเพื่อผลิตพลังงานหมุนเวียน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา พลังงานหมุนเวียนเฉลี่ยต่อปีที่กรมบริการระบายน้ำผลิตได้อยู่ที่ประมาณ 27 ล้าน kW · h ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการพลังงานของกรมบริการระบายน้ำได้ประมาณ 9% กรมบริการระบายน้ำจะพยายามต่อไปเพื่อเสริมสร้างและส่งเสริมการใช้พลังงานหมุนเวียน