Cục Dịch vụ Thoát nước của Chính quyền Đặc khu Hành chính Hồng Kông cam kết giúp giảm thiểu biến đổi khí hậu toàn cầu. Trong những năm qua, các cơ sở tiết kiệm năng lượng và năng lượng tái tạo đã được lắp đặt tại một số nhà máy của cục. Với việc chính thức ra mắt “Kế hoạch Thanh lọc Cảng Giai đoạn II A” của Hồng Kông, Cục Dịch vụ Thoát nước đã lắp đặt hệ thống phát điện tuabin thủy lực tại Nhà máy Xử lý Nước thải Đảo Stonecutters (nhà máy xử lý nước thải có công suất xử lý nước thải lớn nhất Hồng Kông), sử dụng năng lượng thủy lực của nước thải chảy để dẫn động máy phát tuabin, sau đó tạo ra điện để sử dụng cho các cơ sở trong nhà máy. Bài báo này giới thiệu hệ thống, bao gồm những thách thức gặp phải trong quá trình triển khai các dự án có liên quan, các cân nhắc và đặc điểm của thiết kế và xây dựng hệ thống, cũng như hiệu suất vận hành của hệ thống. Hệ thống không chỉ giúp tiết kiệm chi phí điện mà còn sử dụng nước để giảm lượng khí thải carbon.
1 Giới thiệu dự án
Giai đoạn A thứ hai của “Kế hoạch thanh lọc cảng” là một kế hoạch quy mô lớn do Chính quyền Đặc khu hành chính Hồng Kông thực hiện để cải thiện chất lượng nước của Cảng Victoria. Nó đã chính thức được đưa vào sử dụng hoàn toàn vào tháng 12 năm 2015. Phạm vi công việc của nó bao gồm xây dựng một đường hầm thoát nước thải sâu có tổng chiều dài khoảng 21km và 163m dưới lòng đất, để vận chuyển nước thải phát sinh ở phía bắc và tây nam của đảo đến Nhà máy xử lý nước thải Đảo Stonecutters và tăng công suất xử lý của nhà máy xử lý nước thải lên 245 × 105m3/ngày, cung cấp dịch vụ xử lý nước thải cho khoảng 5,7 triệu người dân. Do hạn chế về đất đai, Nhà máy xử lý nước thải Đảo Stonecutters sử dụng 46 bộ bể lắng hai tầng để xử lý sơ cấp nước thải bằng hóa chất và cứ hai bộ bể lắng sẽ chia sẻ một trục thẳng đứng (tức là tổng cộng 23 trục) để đưa nước thải đã được làm sạch đến đường ống thoát nước ngầm để khử trùng cuối cùng, sau đó ra biển sâu.
2 Nghiên cứu và phát triển ban đầu có liên quan
Xét đến lượng nước thải lớn được Nhà máy xử lý nước thải Stonecutters Island xử lý mỗi ngày và thiết kế hai lớp độc đáo của bể lắng, nhà máy có thể cung cấp một lượng năng lượng thủy lực nhất định trong khi xả nước thải đã được làm sạch để chạy máy phát điện tua bin phát điện. Sau đó, nhóm Dịch vụ thoát nước đã tiến hành một nghiên cứu khả thi có liên quan vào năm 2008 và tiến hành một loạt các thử nghiệm thực địa. Kết quả của các nghiên cứu sơ bộ này xác nhận tính khả thi của việc lắp đặt máy phát điện tua bin.
Vị trí lắp đặt: trong trục bể lắng; Áp suất nước hiệu dụng: 4,5~6m (thiết kế cụ thể phụ thuộc vào điều kiện vận hành thực tế trong tương lai và vị trí chính xác của tuabin); Phạm vi lưu lượng: 1,1 ～ 1,25 m3/s; Công suất đầu ra tối đa: 45~50 kW; Thiết bị và vật liệu: Do nước thải đã qua xử lý vẫn có tính ăn mòn nhất định nên vật liệu và thiết bị liên quan được lựa chọn phải có khả năng bảo vệ và chống ăn mòn đầy đủ.
Về vấn đề này, Sở Dịch vụ thoát nước đã dành không gian cho hai bộ bể lắng tại nhà máy xử lý nước thải để lắp đặt hệ thống phát điện tuabin trong dự án mở rộng “Dự án lọc nước cảng giai đoạn II A”.
3 Cân nhắc và tính năng thiết kế hệ thống
3.1 Công suất tạo ra và áp lực nước hiệu quả
Mối quan hệ giữa điện năng được tạo ra bởi năng lượng thủy động và áp suất nước hiệu quả như sau: điện năng được tạo ra (kW) = [mật độ nước thải đã làm sạch ρ (kg/m3) × Lưu lượng nước Q (m3/s) × Áp suất nước hiệu quả H (m) × Hằng số trọng lực g (9,807 m/s2)] ÷ 1000
× Hiệu suất toàn bộ hệ thống (%). Áp suất nước hiệu dụng là sự chênh lệch giữa mức nước tối đa cho phép của trục và mức nước của trục liền kề trong dòng nước chảy.
Nói cách khác, tốc độ dòng chảy và áp suất nước hiệu dụng càng cao thì công suất tạo ra càng lớn. Do đó, để tạo ra nhiều công suất hơn, một trong những mục tiêu thiết kế là cho phép hệ thống tua bin tiếp nhận tốc độ dòng chảy và áp suất nước hiệu dụng cao nhất.
3.2 Các điểm chính của thiết kế hệ thống
Trước hết, về mặt thiết kế, hệ thống tua bin mới lắp đặt không được ảnh hưởng nhiều nhất có thể đến hoạt động bình thường của nhà máy xử lý nước thải. Ví dụ, hệ thống phải có các thiết bị bảo vệ thích hợp để ngăn chặn bể lắng thượng nguồn tràn nước thải đã được làm sạch do điều khiển hệ thống không đúng cách. Các thông số vận hành được xác định trong quá trình thiết kế: lưu lượng 1,06 ～ 1,50m3/giây, phạm vi áp suất nước hiệu dụng 24 ～ 52kPa.
Ngoài ra, do nước thải được làm sạch bằng bể lắng vẫn chứa một số chất ăn mòn như hydro sunfua và muối nên tất cả các vật liệu cấu thành hệ thống tua bin tiếp xúc với nước thải đã làm sạch phải có khả năng chống ăn mòn (như vật liệu thép không gỉ kép thường dùng cho thiết bị xử lý nước thải) để nâng cao độ bền của hệ thống và giảm số lần bảo trì.
Về mặt thiết kế hệ thống điện, do phát điện của tua bin nước thải không hoàn toàn ổn định vì nhiều lý do, toàn bộ hệ thống phát điện được kết nối song song với lưới điện để duy trì nguồn cung cấp điện đáng tin cậy. Kết nối lưới điện sẽ được sắp xếp theo hướng dẫn kỹ thuật về kết nối lưới điện do công ty điện lực và Sở dịch vụ cơ điện của Chính quyền Đặc khu hành chính Hồng Kông ban hành.
Về mặt bố trí đường ống, ngoài những hạn chế về mặt bằng hiện có, nhu cầu bảo trì và sửa chữa hệ thống cũng được xem xét. Về vấn đề này, kế hoạch ban đầu lắp đặt tua bin thủy lực trong trục bể lắng được đề xuất trong dự án R&D đã được thay đổi. Thay vào đó, nước thải đã được làm sạch được dẫn ra khỏi trục bằng một họng và được đưa đến tua bin thủy lực, giúp giảm đáng kể độ khó và thời gian bảo trì, đồng thời giảm tác động đến hoạt động bình thường của nhà máy xử lý nước thải.
Do bể lắng thỉnh thoảng cần phải treo để bảo dưỡng nên họng của hệ thống tua bin được kết nối với hai trục của bốn bộ bể lắng hai tầng. Ngay cả khi hai bộ bể lắng ngừng hoạt động, hai bộ bể lắng còn lại cũng có thể cung cấp nước thải đã được làm sạch, dẫn động hệ thống tua bin và tiếp tục phát điện. Ngoài ra, một vị trí đã được dành gần trục của bể lắng 47/49 # để lắp đặt hệ thống phát điện tua bin thủy lực thứ hai trong tương lai, để khi bốn bộ bể lắng hoạt động bình thường, hai hệ thống phát điện tua bin có thể phát điện cùng một lúc, đạt công suất điện tối đa.
3.3 Lựa chọn tua bin thủy lực và máy phát điện
Tua bin thủy lực là thiết bị chính của toàn bộ hệ thống phát điện. Tua bin nói chung có thể được chia thành hai loại theo nguyên lý hoạt động: loại xung và loại phản ứng. Loại xung là chất lỏng bắn vào cánh tua bin với tốc độ cao thông qua nhiều vòi phun, sau đó dẫn động máy phát điện để tạo ra năng lượng. Loại phản ứng đi qua cánh tua bin qua chất lỏng và sử dụng áp suất mực nước để dẫn động máy phát điện để tạo ra năng lượng. Trong thiết kế này, dựa trên thực tế là nước thải đã được làm sạch có thể cung cấp áp suất nước thấp khi chảy, tuabin Kaplan, một trong những loại phản ứng phù hợp hơn, được lựa chọn, vì tuabin này có hiệu suất cao ở áp suất nước thấp và tương đối mỏng, phù hợp hơn với không gian hạn chế tại chỗ.
Về máy phát điện, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được dẫn động bằng tua bin thủy lực tốc độ không đổi được lựa chọn. Máy phát điện này có thể tạo ra điện áp và tần số ổn định hơn máy phát điện không đồng bộ, do đó có thể cải thiện chất lượng cung cấp điện, làm cho lưới điện song song đơn giản hơn và yêu cầu bảo trì ít hơn.
4 Đặc điểm xây dựng và vận hành
4.1 Bố trí song song lưới
Kết nối lưới điện phải được thực hiện theo hướng dẫn kỹ thuật về kết nối lưới điện do công ty điện lực và Sở dịch vụ cơ điện của Chính quyền Đặc khu hành chính Hồng Kông ban hành. Theo hướng dẫn, hệ thống phát điện năng lượng tái tạo phải được trang bị chức năng bảo vệ chống đảo, có thể tự động tách hệ thống phát điện năng lượng tái tạo có liên quan khỏi hệ thống phân phối khi lưới điện ngừng cung cấp điện vì bất kỳ lý do nào, để hệ thống phát điện năng lượng tái tạo không thể tiếp tục cung cấp điện cho hệ thống phân phối, để đảm bảo an toàn cho nhân viên kỹ thuật điện làm việc trên lưới điện hoặc hệ thống phân phối.
Về vận hành đồng bộ nguồn điện, hệ thống phát điện và phân phối điện năng lượng tái tạo chỉ có thể đồng bộ khi cường độ điện áp, góc pha hoặc độ lệch tần số được kiểm soát trong giới hạn cho phép.
4.2 Kiểm soát và bảo vệ
Hệ thống phát điện tuabin thủy lực có thể được điều khiển ở chế độ tự động hoặc thủ công. Ở chế độ tự động, trục của bể lắng 47/49 # hoặc 51/53 # có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng thủy lực và hệ thống điều khiển sẽ khởi động các van điều khiển khác nhau theo dữ liệu mặc định để chọn bể lắng phù hợp nhất, để tối ưu hóa việc phát điện tuabin thủy lực. Ngoài ra, van điều khiển sẽ tự động điều chỉnh mức nước thải thượng nguồn để bể lắng không tràn nước thải đã được làm sạch, do đó tăng sản lượng điện lên mức cao nhất. Hệ thống máy phát tuabin có thể được điều chỉnh trong phòng điều khiển chính hoặc tại chỗ.
Về mặt bảo vệ và kiểm soát, nếu hộp cấp điện hoặc van điều khiển của hệ thống tua bin bị hỏng hoặc mực nước vượt quá mực nước tối đa cho phép, hệ thống phát điện tua bin thủy lực cũng sẽ tự động dừng hoạt động và xả nước thải đã được làm sạch qua đường ống phụ, để ngăn chặn bể lắng thượng nguồn tràn nước thải đã được làm sạch do hệ thống bị hỏng.
5 Hiệu suất hoạt động của hệ thống
Hệ thống phát điện tuabin thủy lực này được đưa vào vận hành vào cuối năm 2018, với sản lượng trung bình hàng tháng hơn 10000 kW · h. Áp suất nước hiệu dụng có thể dẫn động hệ thống phát điện tuabin thủy lực cũng thay đổi theo thời gian do lưu lượng nước thải cao và thấp được nhà máy xử lý nước thải thu gom và xử lý hàng ngày. Để tối đa hóa công suất phát điện của hệ thống tuabin, Phòng Dịch vụ Thoát nước đã thiết kế hệ thống điều khiển để tự động điều chỉnh mô-men xoắn hoạt động của tuabin theo lưu lượng nước thải hàng ngày, qua đó nâng cao hiệu suất sản xuất điện. Hình 7 thể hiện mối quan hệ giữa hệ thống phát điện và lưu lượng nước. Khi lưu lượng nước vượt quá mức cài đặt, hệ thống sẽ tự động vận hành để phát điện.
6 Thách thức và Giải pháp
Sở Dịch vụ Thoát nước đã gặp phải nhiều thách thức trong việc thực hiện các dự án có liên quan và đã xây dựng các kế hoạch tương ứng để ứng phó với những thách thức này,
7 Kết luận
Bất chấp nhiều thách thức, bộ hệ thống phát điện tuabin thủy lực này đã được đưa vào vận hành thành công vào cuối năm 2018. Sản lượng điện trung bình hàng tháng của hệ thống là hơn 10.000 kW · h, tương đương với mức tiêu thụ điện trung bình hàng tháng của khoảng 25 hộ gia đình Hồng Kông (mức tiêu thụ điện trung bình hàng tháng của mỗi hộ gia đình Hồng Kông năm 2018 là khoảng 390 kW · h). Cục Dịch vụ Thoát nước cam kết “cung cấp dịch vụ xử lý nước thải và nước mưa và thoát nước đẳng cấp thế giới để thúc đẩy sự phát triển bền vững của Hồng Kông”, đồng thời thúc đẩy các dự án bảo vệ môi trường và biến đổi khí hậu. Trong ứng dụng năng lượng tái tạo, Cục Dịch vụ Thoát nước sử dụng khí sinh học, năng lượng mặt trời và năng lượng từ dòng nước thải đã qua xử lý để tạo ra năng lượng tái tạo. Trong vài năm qua, năng lượng tái tạo trung bình hàng năm do Cục Dịch vụ Thoát nước sản xuất là khoảng 27 triệu kW · h, có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của khoảng 9% Cục Dịch vụ Thoát nước. Cục Dịch vụ Thoát nước sẽ tiếp tục nỗ lực tăng cường và thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo.
Thời gian đăng: 22-11-2022
