摘要: 香港特別行政區(qū)政府渠務署致力協(xié)助減緩全球氣候變化,多年來在轄下的一些廠房安裝節(jié)能及可再新能源設施。隨著香港凈化海港計劃第二期甲的正式啟用,渠務署在昂船洲污水處理廠(全港處理污水量最大的污水處理廠)安裝了一套水力渦輪發(fā)電系統(tǒng),利用流動污水的液壓能量推動渦輪發(fā)電機,繼而產(chǎn)生電力供廠內(nèi)設施使用。本文將介紹這套系統(tǒng),包括推行相關(guān)工程項目時遇到的挑戰(zhàn),系統(tǒng)設計與施工的考慮和特色,以及系統(tǒng)的運作表現(xiàn)。這系統(tǒng)不僅有助于節(jié)省電費開支,還利用水力減少了碳排放。
01.簡介
“凈化海港計劃”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)而推行的一項大型計劃,于2015年12月正式全面啟用,其工程范圍包括建造全長約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,進行化學強化一級處理,并把污水廠的處理量提升至245x105m3/d,為約570萬市民提供污水處理服務。因土地所限,昂船洲污水處理廠以46組雙層式設計的沉淀池為污水進行化學強化一級處理,而每兩組的沉淀池會共享一條垂直豎井 (即總共23條豎井),將已凈化的污水送進地下排水管進行最后消毒,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,加上其沉淀池的獨特雙層設計,可在排放已凈化的污水的同時,提供一定的液壓能量,推動渦輪發(fā)電機,繼而發(fā)電。渠務署團隊遂于2008年進行相關(guān)的可行性研究,并做了一系列的實地試驗。這些前期研究結(jié)果確定了安裝渦輪發(fā)電機的可行性。有關(guān)的系統(tǒng)設計參數(shù)及考慮因素見表1。

前期研究建議的水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)見圖1。

就此,在"凈化海港計劃"第二期甲的擴建工程中,渠務署在污水處理廠內(nèi)其中兩組沉淀池預留空間,以安裝渦輪發(fā)電系統(tǒng)。
03.系統(tǒng)設計考慮和特色
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(%)

換句話說,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,其中的一個設計目標是令渦輪系統(tǒng)可接收最高的水流速度和有效水壓力。
3.2系統(tǒng)設計重點
首先,在設計方面,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作。例如,系統(tǒng)必須具備合適的保護裝置,以防止上游的沉淀池,因為錯誤的系統(tǒng)控制而溢出已凈化的污水。在設計時確定的運行參數(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)設計方面,鑒于污水渦輪的發(fā)電量會因種種原因而不完全穩(wěn)定,因此,整個產(chǎn)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián),以維持可靠的電力供應。電網(wǎng)并聯(lián)之安排按照電力公司及香港特別行政區(qū)政府機電工程署發(fā)出的電網(wǎng)接駁技術(shù)指引進行。
在喉管布置上,除了考慮現(xiàn)有場地限制,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,此舉大大減少了維修難度和時間,并降低了對污水處理廠正常運作的影響(見圖3)。

鑒于沉淀池偶爾需要暫停運作,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作,另外兩組沉淀池也可提供已凈化的污水,推動渦輪系統(tǒng),繼續(xù)產(chǎn)生電力。(見圖4)此外,已在47/49號沉淀池豎井附近占位符,用于將來安裝第2臺水力渦輪發(fā)電系統(tǒng),以使4組沉淀池正常運作時,能讓2臺渦輪發(fā)電系統(tǒng)同時發(fā)電,達至最高電力產(chǎn)能

3.3 水力渦輪機和發(fā)電機的選擇
水力渦輪機是整個發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設備,渦輪機一般可按運作原理分為兩大類型:脈沖型和 反作用型。脈沖型是流體通過多個噴嘴以高速射向渦輪葉片,繼而驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生能量。 反作用型則透過流體通過渦輪葉片,利用水位壓力驅(qū)動發(fā)電機而產(chǎn)生能量。就此設計,基于已凈化的污水在流動時可提供的水壓較低,選擇了較合適的反作用型其中一款渦輪機 ? 螺旋槳(Kaplan)渦輪機,因為此款渦輪機在低水壓力時有較高的效能,而且體積相對較細,更能適合現(xiàn)場的有限空間。
在發(fā)電機方面,選擇了定速水力渦輪驅(qū)動的永磁同步發(fā)電機,此發(fā)電機比異步發(fā)電機較能輸出穩(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)政府機電工程署發(fā)出的電網(wǎng)接駁技術(shù)指引進行。根據(jù)指引,可再生能源發(fā)電系統(tǒng)須加入防孤島保護功能,其作用是當電網(wǎng)不論因為何種原因而停止供電時,能自動把相關(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),無論在電壓強度、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。

4.2 控制與保護
水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)的控制可采用自動或手動模式。在自動模式下,沉淀池47/49 號或 51/53號的豎井均可作為液壓能量的來源,控制系統(tǒng)便會根據(jù)默認數(shù)據(jù),啟動不同的控制閥門,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,控制閥會自動調(diào)節(jié)上游污水水位,以使沉淀池不會出現(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)場調(diào)控。系統(tǒng)控制板面見圖6。

在保護控制方面,如果渦輪系統(tǒng)的供電制箱或控制閥出現(xiàn)故障或水位超過最高容許水位,水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)亦會自動停止運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為系統(tǒng)故障而溢出已凈化的污水。
05.系統(tǒng)運作的表現(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1萬kW·h。由于污水處理廠每天收集和需要處理的污水流量時高時低,所以可驅(qū)動水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)的有效水壓力也隨時間變化。為了使渦輪系統(tǒng)產(chǎn)生最大的電力,渠務署設計了一套控制系統(tǒng),使渦輪運作扭力根據(jù)日常污水流量自動調(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,當水流量超過設定水平,系統(tǒng)會自動運作,產(chǎn)生電力。

06.挑戰(zhàn)及克服方案
正如前述,渠務署在推行相關(guān)工程項目時遇到不少挑戰(zhàn),針對這些挑戰(zhàn),訂定了相應的方案,如表2所示。

07.結(jié)語
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1萬kW·h,相等于約25個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)。渠務署致力于”提供世界級的污水和雨水處理排放服務,以促進香港的可持續(xù)發(fā)展”,并同時推展保護環(huán)境和應對氣候變化項目。在應用可再生能源方面,渠務署利用生物氣、太陽能和已凈化的污水流動的能量等產(chǎn)生可再生能源。在過去幾年,渠務署平均每年生產(chǎn)的可再生能源相等于約2700萬kW·h,可應付約9%渠務署的能源需要。渠務署會繼續(xù)努力,加強和促進可再生能源的應用。
胡國釗,杜鈞明,李宗良
(香港特別行政區(qū)政府渠務署,香港)