Департамент дренажних послуг уряду Спеціального адміністративного району Гонконг прагне допомогти пом'якшити глобальну зміну клімату. Протягом багатьох років на деяких його об'єктах було встановлено енергозберігаюче обладнання та обладнання для використання відновлюваної енергії. З офіційним запуском гонконгського «Плану очищення гавані, фаза II A», Департамент дренажних послуг встановив на очисній станції острова Стоункаттерс (очисній станції з найбільшою потужністю очищення стічних вод у Гонконзі) систему виробництва енергії з гідравлічної турбіни, яка використовує гідравлічну енергію потоку стічних вод для приводу турбогенератора, а потім виробляє електроенергію для використання об'єктів на станції. У цій статті представлено систему, включаючи проблеми, що виникають під час реалізації відповідних проектів, міркування та характеристики проектування та будівництва системи, а також експлуатаційні характеристики системи. Система не тільки допомагає заощаджувати витрати на електроенергію, але й використовує воду для зменшення викидів вуглецю.
1 Вступ до проекту
Другий етап А «Плану очищення гавані» – це масштабний план, реалізований урядом Спеціального адміністративного району Гонконг для покращення якості води в гавані Вікторія. Він був офіційно введений в експлуатацію в грудні 2015 року. Його обсяг робіт включає будівництво глибокого каналізаційного тунелю загальною довжиною близько 21 км на глибині 163 м під землею для транспортування стічних вод, що утворюються на півночі та південному заході острова, до очисної станції острова Стоункаттерс, а також збільшення очисної потужності станції до 245 × 105 м³/добу, що забезпечить послуги з очищення стічних вод приблизно 5,7 мільйона громадян. Через обмеження земельних ділянок, очисна станція острова Стоункаттерс використовує 46 комплектів двоповерхових відстійників для хімічно посиленої первинної очистки стічних вод, і кожні два комплекти відстійників матимуть спільну вертикальну шахту (тобто загалом 23 шахти) для направлення очищених стічних вод до підземної дренажної труби для остаточної дезінфекції, а потім у глибоке море.
2 Відповідні ранні дослідження та розробки
З огляду на велику кількість стічних вод, що очищуються щодня очисною станцією острова Стоункаттерс, та унікальну двошарову конструкцію її відстійника, вона може забезпечити певну кількість гідравлічної енергії під час скидання очищених стічних вод для приведення в дію турбогенератора для вироблення електроенергії. У 2008 році команда Департаменту дренажних послуг провела відповідне техніко-економічне обґрунтування та серію польових випробувань. Результати цих попередніх досліджень підтверджують доцільність встановлення турбогенераторів.
Місце встановлення: у шахті відстійника; Ефективний тиск води: 4,5~6 м (конкретна конструкція залежить від фактичних умов експлуатації в майбутньому та точного положення турбіни); Діапазон витрати: 1,1 ~ 1,25 м3/с; Максимальна вихідна потужність: 45~50 кВт; Обладнання та матеріали: Оскільки очищені стічні води все ще мають певну корозійну активність, вибрані матеріали та відповідне обладнання повинні мати належний захист та стійкість до корозії.
У зв'язку з цим Департамент дренажних послуг зарезервував місце для двох комплектів відстійників на очисній станції стічних вод для встановлення системи вироблення турбіни в рамках проекту розширення «Проекту очищення гавані, фаза II A».
3 Міркування та особливості проектування системи
3.1 Генерована потужність та ефективний тиск води
Зв'язок між електроенергією, що виробляється гідродинамічною енергією, та ефективним тиском води виглядає наступним чином: вироблена електроенергія (кВт) = [щільність очищених стічних вод ρ (кг/м3) × витрата води Q (м3/с) × ефективний тиск води H (м) × сила тяжіння g (9,807 м/с2)] ÷ 1000
× Загальний ККД системи (%). Ефективний тиск води – це різниця між максимально допустимим рівнем води в шахті та рівнем води в сусідній шахті у воді, що протікає.
Іншими словами, чим вища швидкість потоку та ефективний тиск води, тим більша генерована потужність. Тому, щоб генерувати більше потужності, однією з цілей проектування є забезпечення можливості турбінної системи отримувати найвищу швидкість потоку води та ефективний тиск води.
3.2 Ключові моменти проектування системи
Перш за все, з точки зору проектування, щойно встановлена турбінна система не повинна максимально впливати на нормальну роботу очисної станції. Наприклад, система повинна мати відповідні захисні пристрої, щоб запобігти переповненню відстійника вище за течією очищених стічних вод через неправильне керування системою. Робочі параметри, визначені під час проектування: витрата 1,06 ～ 1,50 м3/с, ефективний діапазон тиску води 24 ～ 52 кПа.
Крім того, оскільки стічні води, очищені відстійником, все ще містять деякі агресивні речовини, такі як сірководень та сіль, усі матеріали компонентів турбінної системи, що контактують з очищеними стічними водами, повинні бути стійкими до корозії (наприклад, дуплексні матеріали з нержавіючої сталі, які часто використовуються для обладнання для очищення стічних вод), щоб підвищити довговічність системи та зменшити кількість технічного обслуговування.
Що стосується проектування енергосистеми, оскільки виробництво енергії каналізаційною турбіною не є повністю стабільним з різних причин, вся система виробництва електроенергії підключається паралельно до мережі для забезпечення надійного електропостачання. Підключення до мережі має бути організовано відповідно до технічних інструкцій щодо підключення до мережі, виданих енергетичною компанією та Департаментом електротехнічних та механічних послуг уряду Спеціального адміністративного району Гонконг.
Щодо схеми прокладання трубопроводів, окрім існуючих обмежень на місці, також враховується необхідність технічного обслуговування та ремонту системи. У зв'язку з цим, початковий план встановлення гідравлічної турбіни у шахті відстійника, запропонований у науково-дослідному проекті, було змінено. Натомість очищені стічні води виводяться зі шахти через горловину та направляються до гідравлічної турбіни, що значно зменшує складність та час технічного обслуговування та зменшує вплив на нормальну роботу очисної споруди.
З огляду на те, що відстійник час від часу потребує зупинки для технічного обслуговування, горловина турбінної системи з'єднана з двома валами чотирьох комплектів двоярусних відстійників. Навіть якщо два комплекти відстійників зупиняться, два інші комплекти відстійників також можуть забезпечувати подачу очищених стічних вод, приводити в дію турбінну систему та продовжувати виробляти електроенергію. Крім того, поблизу шахти відстійника № 47/49 було зарезервовано місце для встановлення другої системи вироблення електроенергії гідравлічної турбіни в майбутньому, щоб за умови нормальної роботи чотирьох комплектів відстійників дві системи вироблення електроенергії турбін могли одночасно виробляти електроенергію, досягаючи максимальної потужності.
3.3 Вибір гідравлічної турбіни та генератора
Гідравлічна турбіна є ключовим обладнанням усієї системи виробництва електроенергії. Турбіни можна загалом розділити на дві категорії за принципом роботи: імпульсного типу та реактивного типу. Імпульсний тип полягає в тому, що рідина подається до лопаті турбіни з високою швидкістю через кілька сопел, а потім приводить у рух генератор для вироблення енергії. Реактивний тип проходить через лопатку турбіни через рідину та використовує тиск рівня води для приведення в дію генератора для вироблення енергії. У цій конструкції, виходячи з того факту, що очищені стічні води можуть забезпечити низький тиск води під час потоку, обрана турбіна Каплана, один з найбільш підходящих реактивних типів, оскільки ця турбіна має високий ККД при низькому тиску води та є відносно тонкою, що більше підходить для обмеженого простору на об'єкті.
Що стосується генератора, то було обрано синхронний генератор з постійними магнітами, що приводиться в дію гідравлічною турбіною постійної швидкості. Цей генератор може видавати стабільнішу напругу та частоту, ніж асинхронний генератор, що покращує якість електропостачання, спрощує паралельну мережу та вимагає менше обслуговування.
4 Конструктивні та експлуатаційні особливості
4.1 Паралельне розташування сітки
Підключення до мережі має здійснюватися відповідно до технічних інструкцій щодо підключення до мережі, виданих енергетичною компанією та Департаментом електротехнічних та механічних послуг уряду Спеціального адміністративного району Гонконг. Згідно з інструкціями, система виробництва електроенергії з відновлюваних джерел енергії повинна бути оснащена функцією захисту від островування, яка може автоматично відокремити відповідну систему виробництва електроенергії з відновлюваних джерел енергії від розподільчої системи, коли електромережа з будь-якої причини припиняє постачати електроенергію, щоб система виробництва електроенергії з відновлюваних джерел енергії не могла продовжувати постачати електроенергію до розподільчої системи, з метою забезпечення безпеки електротехнічного персоналу, який працює в мережі або розподільчій системі.
З точки зору синхронної роботи електропостачання, система виробництва електроенергії з відновлюваних джерел енергії та система розподілу можуть бути синхронізовані лише тоді, коли сила напруги, фазовий кут або різниця частот контролюються в допустимих межах.
4.2 Контроль та захист
Системою вироблення енергії гідравлічною турбіною можна керувати в автоматичному або ручному режимі. В автоматичному режимі вали відстійника 47/49 # або 51/53 # можуть використовуватися як джерело гідравлічної енергії, а система керування запускатиме різні регулювальні клапани відповідно до даних за замовчуванням, щоб вибрати найбільш підходящий відстійник, з метою оптимізації вироблення енергії гідравлічною турбіною. Крім того, регулювальний клапан автоматично регулюватиме рівень стічних вод вище за течією, щоб відстійник не переповнювався очищеними стічними водами, тим самим збільшуючи вироблення енергії до найвищого рівня. Систему турбогенератора можна регулювати в головній диспетчерській або на місці.
Що стосується захисту та керування, то якщо блок живлення або регулювальний клапан турбінної системи вийде з ладу, або рівень води перевищить максимально допустимий рівень води, система вироблення енергії гідравлічної турбіни також автоматично зупинить роботу та скине очищені стічні води через обхідну трубу, щоб запобігти переповненню відстійника вище за течією через несправність системи.
5 Продуктивність роботи системи
Цю систему виробництва електроенергії з гідравлічною турбіною було введено в експлуатацію наприкінці 2018 року, із середньомісячною потужністю понад 10000 кВт·год. Ефективний тиск води, який може приводити в дію систему виробництва електроенергії з гідравлічною турбіною, також змінюється з часом через високий та низький потік стічних вод, що збираються та очищуються очисними спорудами щодня. Щоб максимізувати потужність, що виробляється турбінною системою, Департамент дренажних послуг розробив систему керування для автоматичного регулювання крутного моменту турбіни відповідно до добового потоку стічних вод, тим самим підвищуючи ефективність виробництва електроенергії. На рисунку 7 показано взаємозв'язок між системою виробництва електроенергії та потоком води. Коли потік води перевищує встановлений рівень, система автоматично починає виробляти електроенергію.
6 проблем та рішень
Департамент водовідвідних послуг зіткнувся з багатьма труднощами під час реалізації відповідних проектів і розробив відповідні плани у відповідь на ці виклики.
7 Висновок
Незважаючи на різні труднощі, цей комплекс систем виробництва енергії з гідравлічними турбінами був успішно введений в експлуатацію наприкінці 2018 року. Середньомісячна вихідна потужність системи становить понад 10000 кВт·год, що еквівалентно середньомісячному споживанню електроенергії приблизно 25 домогосподарствами Гонконгу (середньомісячне споживання електроенергії кожним домогосподарством Гонконгу у 2018 році становило близько 390 кВт·год). Департамент дренажних послуг прагне «надавати послуги світового класу з очищення стічних вод та дощової води, а також дренажу для сприяння сталому розвитку Гонконгу», одночасно сприяючи проектам з охорони навколишнього середовища та боротьби зі зміною клімату. У сфері застосування відновлюваної енергії Департамент дренажних послуг використовує біогаз, сонячну енергію та енергію потоку очищених стічних вод для виробництва відновлюваної енергії. За останні кілька років середньорічне виробництво відновлюваної енергії Департаментом дренажних послуг становило близько 27 мільйонів кВт·год, що може задовольнити енергетичні потреби близько 9% Департаменту дренажних послуг. Департамент дренажних послуг продовжуватиме свої зусилля щодо зміцнення та просування застосування відновлюваної енергії.
Час публікації: 22 листопада 2022 р.
