一文了解香港首套通過污水流動發(fā)電的水力渦輪系統(tǒng)

導語：香港特別行政區(qū)政府渠務署致力協(xié)助減緩氣候變化，多年來在下轄的一些廠房安裝了節(jié)能及可再生能源設施。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。對這套系統(tǒng)，包括推行相關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)進行了介紹。該系統(tǒng)不僅有助于節(jié)省電費開支，還利用水力減少了碳排放。

1 項目簡介

“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，并把污水廠的處理量提升至245×105m3/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組雙層沉淀池對污水進行化學強化一級處理，而每兩組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，繼而輾轉排出深海。

2 相關前期研發(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*雙層設計，可在排放已凈化污水的同時，提供一定的液壓能量，推動渦輪發(fā)電機發(fā)電。渠務署團隊遂于2008年進行相關的可行性研究，并做了一系列的實地試驗。這些前期研究結果確定了安裝渦輪發(fā)電機的可行性。

安裝地點：沉淀池的豎井內(nèi)；有效水壓：預計4.5～6m(具體設計取決于將來實際運行條件和渦輪的確實位置)；流量范圍：1.1～1.25 m3/s；輸出電力：45～50 kW；設備物料：由于已凈化的污水仍帶有一定的腐蝕性，因此所選擇之物料和相關的設備都必須有足夠的保護及耐腐蝕性。

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)兩組沉淀池預留空間，以安裝渦輪發(fā)電系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設計考慮和特色

3.1 可產(chǎn)生的電力和有效水壓

流體動力能量產(chǎn)生的電力與有效水壓力的關系如下：產(chǎn)生的電力(kW) = [已凈化污水密度ρ (kg/m3) ×水流速度Q (m3/s) ×有效水壓力H (m) ×重力常數(shù)g (9.807 m/s2)]÷1000

×整體系統(tǒng)效率(%)。有效水壓力是豎井容許水位與流水中鄰近豎井的水位差異。

設計水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)見圖2。

換句話說，水流流速越高、有效水壓越高，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*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行的影響（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2條豎井，即使其中2組沉淀池停止運作，另外2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。此外，已在47/49#沉淀池豎井附近預留位置，用于將來安裝第2臺水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)，以使4組沉淀池正常運行時，能讓2臺渦輪發(fā)電系統(tǒng)同時發(fā)電，達到電力產(chǎn)能（見圖4）。

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)的關鍵設備，渦輪機一般可按運作原理分為兩大類：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中的一款渦輪機-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)。

4 施工和操作特色

4.1 電網(wǎng)并聯(lián)安排

電網(wǎng)并聯(lián)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，能自動將相關的可再生能源發(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 #或 51/53#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，從而將發(fā)電功率提升至。渦輪發(fā)電系統(tǒng)可在主控制室或現(xiàn)場調(diào)控。系統(tǒng)控制面板見圖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)故障或水位超過容許水位，水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)亦會自動停止運行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。

5 系統(tǒng)運行的表現(xiàn)

這套水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)于2018年末投產(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，所以可驅動水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)的有效水壓也隨時間變化。為了使渦輪系統(tǒng)產(chǎn)生的電力，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)跟水流量關系，當水流量超過設定水平，系統(tǒng)會自動運作，產(chǎn)生電力。

6 挑戰(zhàn)及克服方案

渠務署在推行相關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，見表1。

7 結語

盡管面臨種種挑戰(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。