香港首套透過(guò)污水流動(dòng)發(fā)電的水力渦輪系統(tǒng)
01.簡(jiǎn)介
“凈化海港計(jì)劃”第二期甲是香港特別行政區(qū)政府為改善維多利亞港水質(zhì)而推行的一項(xiàng)大型計(jì)劃，于2015年12月正式全面啟用，其工程范圍包括建造全長(zhǎng)約21km及在地面下163m的深層污水隧道，把港島北部和西南部產(chǎn)生的污水輸送往昂船洲污水處理廠，進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理，并把污水廠的處理量提升至245x105m3/d，為約570萬(wàn)市民提供污水處理服務(wù)。因土地所限，昂船洲污水處理廠以46組雙層式設(shè)計(jì)的沉淀池為污水進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理，而每?jī)山M的沉淀池會(huì)共享一條垂直豎井 (即總共23條豎井)，將已凈化的污水送進(jìn)地下排水管進(jìn)行最后消毒，繼而輾轉(zhuǎn)排出深海。
02.相關(guān)前期研發(fā)
鑒于昂船洲污水處理廠每天處理大量污水，加上其沉淀池的獨(dú)特雙層設(shè)計(jì)，可在排放已凈化的污水的同時(shí)，提供一定的液壓能量，推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)，繼而發(fā)電。渠務(wù)署團(tuán)隊(duì)遂于2008年進(jìn)行相關(guān)的可行性研究，并做了一系列的實(shí)地試驗(yàn)。這些前期研究結(jié)果確定了安裝渦輪發(fā)電機(jī)的可行性。有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及考慮因素見表1。
表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及考慮因素
圖1 前期研發(fā)建議的水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)
就此，在＂凈化海港計(jì)劃＂第二期甲的擴(kuò)建工程中，渠務(wù)署在污水處理廠內(nèi)其中兩組沉淀池預(yù)留空間，以安裝渦輪發(fā)電系統(tǒng)。03.系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮和特色
3.1 可產(chǎn)生的電力和有效水壓力
以下的方程式闡述流體動(dòng)力能量產(chǎn)生的電力與有效水壓力的關(guān)系，具體見圖2有效水壓力是豎井最高容許水位與流水中鄰近豎井的水位差異。
產(chǎn)生的電力(千瓦) = [已凈化污水密度 ρ (kg/m3) x 水流速度 Q (m3/s) x 有效水壓力 H (m) x 重力常數(shù) g (9.807 m/s2)]÷1000 x 整體系統(tǒng)效率(%)
圖2 水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)
換句話說(shuō)，愈高的水流流速及愈高的有效水壓力，可產(chǎn)生的電力愈大。因此，為了產(chǎn)生更大的電力，其中的一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是令渦輪系統(tǒng)可接收最高的水流速度和有效水壓力。3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)
首先，在設(shè)計(jì)方面，新安裝的渦輪系統(tǒng)必須盡量不影響污水處理廠的正常運(yùn)作。例如，系統(tǒng)必須具備合適的保護(hù)裝置，以防止上游的沉淀池，因?yàn)殄e(cuò)誤的系統(tǒng)控制而溢出已凈化的污水。在設(shè)計(jì)時(shí)確定的運(yùn)行參數(shù)：流速為1.06～1.50m3/s，有效水壓范圍24～52kPa。
除此以外，由于經(jīng)沉淀池凈化的污水仍含有一些腐蝕性的物質(zhì)，例如硫化氫和鹽分，因此所有與已凈化污水接觸的渦輪系統(tǒng)部件材料必須耐腐蝕(例如經(jīng)常用于污水處理設(shè)備的雙相不銹鋼物料)，從而提升系統(tǒng)的耐用性和減低維修次數(shù)。
在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，鑒于污水渦輪的發(fā)電量會(huì)因種種原因而不完全穩(wěn)定，因此，整個(gè)產(chǎn)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)，以維持可靠的電力供應(yīng)。電網(wǎng)并聯(lián)之安排按照電力公司及香港特別行政區(qū)政府機(jī)電工程署發(fā)出的電網(wǎng)接駁技術(shù)指引進(jìn)行。
在喉管布置上，除了考慮現(xiàn)有場(chǎng)地限制，亦考慮系統(tǒng)維修和保養(yǎng)的需要。就此，改變了原先在研發(fā)項(xiàng)目中提出的將水力渦輪安裝在沉淀池的豎井內(nèi)的方案，改用喉管把已凈化的污水引出豎井外，再送往水力渦輪機(jī)，此舉大大減少了維修難度和時(shí)間，并降低了對(duì)污水處理廠正常運(yùn)作的影響（見圖3）。
圖3 水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)外觀
鑒于沉淀池偶爾需要暫停運(yùn)作，以便維修，因此，渦輪系統(tǒng)的喉管駁通了4組雙層沉淀池的兩條豎井，即使其中兩組沉淀池停止運(yùn)作，另外兩組沉淀池也可提供已凈化的污水，推動(dòng)渦輪系統(tǒng)，繼續(xù)產(chǎn)生電力。（見圖4）此外，已在47/49號(hào)沉淀池豎井附近占位符，用于將來(lái)安裝第2臺(tái)水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)，以使4組沉淀池正常運(yùn)作時(shí)，能讓2臺(tái)渦輪發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)發(fā)電，達(dá)至最高電力產(chǎn)能
圖4 連接兩對(duì)沉淀池的喉管接駁
3.3 水力渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的選擇水力渦輪機(jī)是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，渦輪機(jī)一般可按運(yùn)作原理分為兩大類型：脈沖型和 反作用型。脈沖型是流體通過(guò)多個(gè)噴嘴以高速射向渦輪葉片，繼而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生能量。 反作用型則透過(guò)流體通過(guò)渦輪葉片，利用水位壓力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)而產(chǎn)生能量。就此設(shè)計(jì)，基于已凈化的污水在流動(dòng)時(shí)可提供的水壓較低，選擇了較合適的反作用型其中一款渦輪機(jī) ? 螺旋槳（Kaplan）渦輪機(jī)，因?yàn)榇丝顪u輪機(jī)在低水壓力時(shí)有較高的效能，而且體積相對(duì)較細(xì)，更能適合現(xiàn)場(chǎng)的有限空間。
在發(fā)電機(jī)方面，選擇了定速水力渦輪驅(qū)動(dòng)的永磁同步發(fā)電機(jī)，此發(fā)電機(jī)比異步發(fā)電機(jī)較能輸出穩(wěn)定的電壓及頻率，故可提高供電質(zhì)量，使并聯(lián)電網(wǎng)更為簡(jiǎn)單，而且需要較少維修保養(yǎng)。
04.施工和操作特色
4.1 電網(wǎng)并聯(lián)安排
正如前述，電網(wǎng)并聯(lián)是依照電力公司及香港特別行政區(qū)政府機(jī)電工程署發(fā)出的電網(wǎng)接駁技術(shù)指引進(jìn)行。根據(jù)指引，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)須加入防孤島保護(hù)功能，其作用是當(dāng)電網(wǎng)不論因?yàn)楹畏N原因而停止供電時(shí)，能自動(dòng)把相關(guān)的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與配電系統(tǒng)分離，從而令可再生能源發(fā)電系統(tǒng)不能繼續(xù)為配電系統(tǒng)供電，以保障在電網(wǎng)或配電系統(tǒng)上施工的電業(yè)工程人員的安全。
在供電同步操作方面，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與配電系統(tǒng)，無(wú)論在電壓強(qiáng)度、相角或頻率差異，均控制在可接受限值以內(nèi)才可同步。發(fā)電系統(tǒng)與配電系統(tǒng)接駁的示意圖見圖5。
圖5 發(fā)電系統(tǒng)與配電系統(tǒng)的接駁
4.2 控制與保護(hù)水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)的控制可采用自動(dòng)或手動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下，沉淀池47/49 號(hào)或 51/53號(hào)的豎井均可作為液壓能量的來(lái)源，控制系統(tǒng)便會(huì)根據(jù)默認(rèn)數(shù)據(jù)，啟動(dòng)不同的控制閥門，選擇使用最合適的沉淀池，從而優(yōu)化水力渦輪發(fā)電。此外，控制閥會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)上游污水水位，以使沉淀池不會(huì)出現(xiàn)溢出凈化污水的情況，從而把發(fā)電功率提升至最高水平。渦輪發(fā)電系統(tǒng)可以在主控制室或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控。系統(tǒng)控制板面見圖6。
圖6 水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)控制面板
在保護(hù)控制方面，如果渦輪系統(tǒng)的供電制箱或控制閥出現(xiàn)故障或水位超過(guò)最高容許水位，水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)亦會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)作及將已凈化的污水經(jīng)旁通管道排走，以避免上游的沉淀池因?yàn)橄到y(tǒng)故障而溢出已凈化的污水。05.系統(tǒng)運(yùn)作的表現(xiàn)
這套水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)于2018年尾投產(chǎn)，平均每月可產(chǎn)電量超過(guò)1萬(wàn)kW·h。由于污水處理廠每天收集和需要處理的污水流量時(shí)高時(shí)低，所以可驅(qū)動(dòng)水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)的有效水壓力也隨時(shí)間變化。為了使渦輪系統(tǒng)產(chǎn)生最大的電力，渠務(wù)署設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)，使渦輪運(yùn)作扭力根據(jù)日常污水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而提高電力生產(chǎn)效率。圖7顯示發(fā)電系統(tǒng)跟水流量關(guān)系，當(dāng)水流量超過(guò)設(shè)定水平，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)作，產(chǎn)生電力。
圖7 水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行與沉淀池水位及水流速的關(guān)系
06.挑戰(zhàn)及克服方案正如前述，渠務(wù)署在推行相關(guān)工程項(xiàng)目時(shí)遇到不少挑戰(zhàn)，針對(duì)這些挑戰(zhàn)，訂定了相應(yīng)的方案，如表2所示。
表2 工程遇到的挑戰(zhàn)和克服方案
總括而言，盡管種種挑戰(zhàn)，這套水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)于2018年尾成功投產(chǎn)。系統(tǒng)平均每月可產(chǎn)系統(tǒng)平均每月可產(chǎn)電量超過(guò)1萬(wàn)kW·h，相等于約25個(gè)香港家庭每月平均用電量(2018年香港每戶每月平均的用電量約為390kW·h)。渠務(wù)署致力于”提供世界級(jí)的污水和雨水處理排放服務(wù)，以促進(jìn)香港的可持續(xù)發(fā)展”，并同時(shí)推展保護(hù)環(huán)境和應(yīng)對(duì)氣候變化項(xiàng)目。在應(yīng)用可再生能源方面，渠務(wù)署利用生物氣、太陽(yáng)能和已凈化的污水流動(dòng)的能量等產(chǎn)生可再生能源。在過(guò)去幾年，渠務(wù)署平均每年生產(chǎn)的可再生能源相等于約2700萬(wàn)kW·h，可應(yīng)付約9％渠務(wù)署的能源需要。渠務(wù)署會(huì)繼續(xù)努力，加強(qiáng)和促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用。
胡國(guó)釗，杜鈞明，李宗良
?。ㄏ愀厶貏e行政區(qū)政府渠務(wù)署，香港）
來(lái)源： 中國(guó)給水排水