導語：香(xiang)港(gang)特別行(xing)(xing)政區政府渠務署致力(li)協助(zhu)減(jian)緩全球氣候變(bian)化(hua)，多年來在(zai)下轄的(de)一些廠房安裝了節能(neng)及可再生能(neng)源設(she)施(shi)。隨著香(xiang)港(gang)“凈(jing)化(hua)海港(gang)計劃(hua)第二期甲(jia)”的(de)正式(shi)啟用(yong)，渠務署在(zai)昂船洲污(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠(全港(gang)處(chu)理(li)污(wu)水(shui)量最大的(de)污(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠)安裝了一套水(shui)力(li)渦輪發(fa)電(dian)系(xi)統，利(li)用(yong)流動污(wu)水(shui)的(de)液壓能(neng)量推動渦輪發(fa)電(dian)機，繼而(er)產生電(dian)力(li)供廠內設(she)施(shi)使(shi)用(yong)。對這套系(xi)統，包(bao)括推行(xing)(xing)相(xiang)關工程項目時遇到的(de)挑戰，系(xi)統設(she)計與施(shi)工的(de)考慮和特色，以(yi)及系(xi)統的(de)運作表現(xian)進行(xing)(xing)了介(jie)紹(shao)。該系(xi)統不僅有助(zhu)于節省電(dian)費(fei)開支，還利(li)用(yong)水(shui)力(li)減(jian)少了碳(tan)排放(fang)。

1 項(xiang)目簡(jian)介

“凈化(hua)(hua)(hua)海港(gang)計劃第二期(qi)甲”是香港(gang)特別(bie)行(xing)(xing)政(zheng)區政(zheng)府(fu)為改(gai)善維多利亞港(gang)水(shui)(shui)(shui)(shui)質而推行(xing)(xing)的(de)一項大型計劃，于(yu)2015年12月正式全面啟用，其(qi)工程范圍(wei)包括建造(zao)全長約(yue)21km及(ji)在地(di)面下(xia)163m的(de)深(shen)層污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)隧道，把(ba)港(gang)島(dao)北部(bu)和西南部(bu)產生(sheng)的(de)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)輸送往昂船洲(zhou)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處理廠，并把(ba)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)廠的(de)處理量提升至245×105m3/d，為約(yue)570萬市民提供污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處理服(fu)務(wu)。因土地(di)所(suo)限，昂船洲(zhou)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處理廠以46組雙(shuang)層沉淀池(chi)對污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)進行(xing)(xing)化(hua)(hua)(hua)學強(qiang)化(hua)(hua)(hua)一級(ji)處理，而每兩(liang)組沉淀池(chi)會共享一條(tiao)垂直(zhi)豎(shu)(shu)井 (即(ji)總共23條(tiao)豎(shu)(shu)井)，將已凈化(hua)(hua)(hua)的(de)污(wu)(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)送進地(di)下(xia)排水(shui)(shui)(shui)(shui)管進行(xing)(xing)最后消毒，繼而輾轉排出深(shen)海。

2 相關前期研(yan)發

鑒于(yu)昂船洲污(wu)(wu)水處(chu)理(li)廠每天處(chu)理(li)大量(liang)污(wu)(wu)水，加上(shang)其沉淀池的(de)獨特雙層設(she)計，可在(zai)排放已(yi)凈化污(wu)(wu)水的(de)同時，提供一定(ding)的(de)液壓能量(liang)，推動渦輪發(fa)電機發(fa)電。渠務(wu)署團隊(dui)遂(sui)于(yu)2008年進(jin)行相關(guan)的(de)可行性(xing)研(yan)究，并(bing)做了一系列的(de)實地試驗。這些(xie)前期(qi)研(yan)究結果確定(ding)了安裝(zhuang)渦輪發(fa)電機的(de)可行性(xing)。

安裝地點：沉淀(dian)池的(de)豎井(jing)內；有(you)效水壓：預計(ji)4.5～6m(具(ju)體(ti)設(she)計(ji)取決(jue)于將(jiang)來實際運行條件(jian)和(he)渦輪(lun)的(de)確實位置)；流量范(fan)圍：1.1～1.25 m3/s；最大(da)輸出電力：45～50 kW；設(she)備物料(liao)：由于已(yi)凈化的(de)污(wu)水仍帶有(you)一定的(de)腐蝕性，因此所選擇之物料(liao)和(he)相關(guan)的(de)設(she)備都必須有(you)足夠的(de)保護及耐(nai)腐蝕性。

前(qian)期研究建議的水力渦(wo)輪發電系統(tong)見(jian)圖1。

就此(ci)，在“凈(jing)化(hua)海港計劃第二(er)期甲”的擴建工程中(zhong)，渠務署在污水處理廠內兩組沉淀池預留空間，以(yi)安裝渦輪發(fa)電系(xi)統。

3 系統(tong)設計考慮和特色

3.1 可產生的電(dian)力(li)和(he)有效水壓

流體動力(li)(li)(li)能量產(chan)生的電(dian)力(li)(li)(li)與有(you)效(xiao)水(shui)(shui)壓(ya)力(li)(li)(li)的關系如下：產(chan)生的電(dian)力(li)(li)(li)(kW) = [已凈化污水(shui)(shui)密度(du)ρ (kg/m3) ×水(shui)(shui)流速度(du)Q (m3/s) ×有(you)效(xiao)水(shui)(shui)壓(ya)力(li)(li)(li)H (m) ×重力(li)(li)(li)常(chang)數g (9.807 m/s2)]÷1000

×整體系統(tong)效(xiao)率(%)。有效(xiao)水壓力是豎井(jing)最高容許水位與流(liu)水中鄰(lin)近(jin)豎井(jing)的水位差(cha)異。

設計水力渦輪發電系統見圖2。

換句話(hua)說，水流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)速(su)越高(gao)、有效(xiao)水壓(ya)越高(gao)，可產生(sheng)的(de)電(dian)力(li)愈大(da)。因此，為了產生(sheng)更大(da)的(de)電(dian)力(li)，其(qi)中的(de)一(yi)個(ge)設(she)計目標(biao)是(shi)令(ling)渦(wo)輪系統可接(jie)收(shou)最高(gao)的(de)水流(liu)(liu)(liu)速(su)度和有效(xiao)水壓(ya)力(li)。

3.2 系(xi)統設計重點

首先，在設計(ji)方面，新安裝的渦輪系(xi)(xi)統(tong)必須盡量不影響污(wu)水(shui)處理廠的正常運作。例如(ru)，系(xi)(xi)統(tong)必須具備合適的保護裝置，以(yi)防止上游的沉淀池(chi)，因(yin)為(wei)錯(cuo)誤的系(xi)(xi)統(tong)控制(zhi)而溢出已(yi)凈化(hua)的污(wu)水(shui)。在設計(ji)時確定(ding)的運行(xing)參(can)數：流速為(wei)1.06～1.50m3/s，有效水(shui)壓范(fan)圍(wei)24～52kPa。

除此以外，由于(yu)(yu)經(jing)沉淀(dian)池凈化的(de)污(wu)水(shui)(shui)仍(reng)含有(you)一些腐(fu)蝕性(xing)的(de)物質，例如硫化氫和鹽分，因此所有(you)與已凈化污(wu)水(shui)(shui)接觸的(de)渦(wo)輪系統(tong)部(bu)件材料必須耐(nai)腐(fu)蝕(例如經(jing)常(chang)用于(yu)(yu)污(wu)水(shui)(shui)處理設備的(de)雙相不銹鋼物料)，從而提升系統(tong)的(de)耐(nai)用性(xing)和減低維修次數。

在電力(li)系(xi)統(tong)設(she)計方面，鑒(jian)于(yu)污水(shui)渦輪的(de)發電量會因種種原因而(er)不完全穩定，因此，整(zheng)個產電系(xi)統(tong)與電網并(bing)聯，以維持可(ke)靠的(de)電力(li)供應。電網并(bing)聯之安排(pai)按照(zhao)電力(li)公司及香港特別行政(zheng)區政(zheng)府機電工程署發出的(de)電網接(jie)駁技術指引進行。

在(zai)喉(hou)管(guan)布置(zhi)上(shang)，除了考(kao)慮現(xian)有(you)場地限制，亦考(kao)慮系(xi)統維修和(he)保養的(de)需要。就此，改(gai)變了原先在(zai)研(yan)發項目中提出的(de)將水(shui)(shui)力渦輪安(an)裝在(zai)沉淀池豎井內(nei)的(de)方案，改(gai)用喉(hou)管(guan)把已凈化的(de)污(wu)水(shui)(shui)引(yin)出豎井外，再(zai)送往水(shui)(shui)力渦輪機(ji)，此舉大(da)(da)大(da)(da)減少(shao)了維修難(nan)度和(he)時(shi)間，并降低了對污(wu)水(shui)(shui)處(chu)理廠(chang)正常運行的(de)影響（見圖3）。

鑒(jian)于沉(chen)淀(dian)(dian)池(chi)(chi)偶爾需要(yao)暫停(ting)運作，以便(bian)維修，因此(ci)，渦(wo)輪(lun)系統的(de)喉管駁通了4組(zu)雙層沉(chen)淀(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)2條豎井(jing)，即使其(qi)中2組(zu)沉(chen)淀(dian)(dian)池(chi)(chi)停(ting)止運作，另外2組(zu)沉(chen)淀(dian)(dian)池(chi)(chi)也可提(ti)供已凈(jing)化的(de)污(wu)水，推(tui)動渦(wo)輪(lun)系統，繼續(xu)產(chan)生(sheng)電力(li)。此(ci)外，已在47/49#沉(chen)淀(dian)(dian)池(chi)(chi)豎井(jing)附(fu)近預(yu)留位置，用(yong)于將來(lai)安裝第(di)2臺(tai)水力(li)渦(wo)輪(lun)發(fa)電系統，以使4組(zu)沉(chen)淀(dian)(dian)池(chi)(chi)正常(chang)運行時，能讓2臺(tai)渦(wo)輪(lun)發(fa)電系統同時發(fa)電，達到最高電力(li)產(chan)能（見圖4）。

3.3 水力(li)渦輪機和發電機的選擇(ze)

水(shui)(shui)力渦(wo)輪(lun)機(ji)(ji)是(shi)整(zheng)個(ge)發電(dian)系統的(de)關鍵設(she)備，渦(wo)輪(lun)機(ji)(ji)一般(ban)可按運作原理分為兩大類：脈沖型(xing)(xing)和(he)反作用(yong)型(xing)(xing)。脈沖型(xing)(xing)是(shi)流(liu)體通過多個(ge)噴嘴以高速(su)射(she)向(xiang)渦(wo)輪(lun)葉片(pian)，繼而(er)驅(qu)動發電(dian)機(ji)(ji)產生能(neng)量(liang)(liang)。反作用(yong)型(xing)(xing)則(ze)透過流(liu)體通過渦(wo)輪(lun)葉片(pian)，利用(yong)水(shui)(shui)位壓力驅(qu)動發電(dian)機(ji)(ji)而(er)產生能(neng)量(liang)(liang)。就此設(she)計，基于(yu)已(yi)凈化(hua)的(de)污水(shui)(shui)在流(liu)動時可提(ti)供的(de)水(shui)(shui)壓較(jiao)低，選擇了較(jiao)合適的(de)反作用(yong)型(xing)(xing)中的(de)一款渦(wo)輪(lun)機(ji)(ji)-螺旋槳（Kaplan）渦(wo)輪(lun)機(ji)(ji)，因為此款渦(wo)輪(lun)機(ji)(ji)在低水(shui)(shui)壓力時有較(jiao)高的(de)效(xiao)能(neng)，而(er)且體積相對較(jiao)細，更能(neng)適合現場的(de)有限空間。

在(zai)發(fa)電(dian)(dian)機(ji)方面，選擇了(le)定速水力渦輪驅(qu)動(dong)的永磁(ci)同步(bu)發(fa)電(dian)(dian)機(ji)，此發(fa)電(dian)(dian)機(ji)比異步(bu)發(fa)電(dian)(dian)機(ji)較(jiao)能輸出穩定的電(dian)(dian)壓及頻率，故可提高(gao)供電(dian)(dian)質量(liang)，使并聯電(dian)(dian)網更為簡單，而(er)且需要較(jiao)少維修保養。

4 施工和操作特(te)色

4.1 電網并(bing)聯安排

電(dian)(dian)網(wang)并(bing)聯(lian)依照電(dian)(dian)力公司及(ji)香港特別行(xing)政區(qu)政府機電(dian)(dian)工(gong)(gong)程署發(fa)出的(de)(de)電(dian)(dian)網(wang)接駁技術指(zhi)引(yin)進(jin)行(xing)。根據指(zhi)引(yin)，可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源發(fa)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)須加入防孤島保(bao)護功能(neng)，其作用是當電(dian)(dian)網(wang)不論(lun)因為何種原因而停(ting)止供電(dian)(dian)時，能(neng)自動將(jiang)相關(guan)的(de)(de)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源發(fa)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)與配(pei)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)分離，從而令可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源發(fa)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)不能(neng)繼續為配(pei)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)供電(dian)(dian)，以保(bao)障(zhang)在電(dian)(dian)網(wang)或(huo)配(pei)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)上施工(gong)(gong)的(de)(de)電(dian)(dian)業工(gong)(gong)程人員(yuan)的(de)(de)安全。

在供電(dian)(dian)同步操作方面(mian)，可再生能源發電(dian)(dian)系(xi)統(tong)與(yu)配電(dian)(dian)系(xi)統(tong)，無論在電(dian)(dian)壓(ya)強度、相角或頻率(lv)差異，均控(kong)制在可接(jie)受限值以(yi)內才可同步。發電(dian)(dian)系(xi)統(tong)與(yu)配電(dian)(dian)系(xi)統(tong)接(jie)駁的示意圖見(jian)圖5。

4.2 控制與保(bao)護

水(shui)力渦(wo)輪(lun)(lun)發(fa)(fa)電(dian)系統(tong)的(de)(de)控制(zhi)(zhi)可(ke)(ke)采用(yong)(yong)自(zi)動(dong)(dong)或(huo)(huo)手動(dong)(dong)模(mo)式(shi)。在自(zi)動(dong)(dong)模(mo)式(shi)下，沉(chen)淀(dian)(dian)池(chi)47/49 #或(huo)(huo) 51/53#的(de)(de)豎井均可(ke)(ke)作(zuo)為液壓能(neng)量的(de)(de)來源，控制(zhi)(zhi)系統(tong)便會根據(ju)(ju)默認數據(ju)(ju)，啟動(dong)(dong)不(bu)同的(de)(de)控制(zhi)(zhi)閥(fa)門，選擇使(shi)用(yong)(yong)最合(he)適的(de)(de)沉(chen)淀(dian)(dian)池(chi)，從而(er)優化水(shui)力渦(wo)輪(lun)(lun)發(fa)(fa)電(dian)。此外，控制(zhi)(zhi)閥(fa)會自(zi)動(dong)(dong)調節上游(you)污(wu)水(shui)水(shui)位，以使(shi)沉(chen)淀(dian)(dian)池(chi)不(bu)會出現溢出凈化污(wu)水(shui)的(de)(de)情況，從而(er)將(jiang)發(fa)(fa)電(dian)功(gong)率(lv)提升(sheng)至(zhi)最高(gao)水(shui)平。渦(wo)輪(lun)(lun)發(fa)(fa)電(dian)系統(tong)可(ke)(ke)在主(zhu)控制(zhi)(zhi)室(shi)或(huo)(huo)現場調控。系統(tong)控制(zhi)(zhi)面板見圖6。

在保(bao)護(hu)控(kong)制方(fang)面，如(ru)果渦輪(lun)系(xi)統的(de)供電制箱(xiang)或(huo)(huo)控(kong)制閥出現故障或(huo)(huo)水位(wei)(wei)超過最高容許水位(wei)(wei)，水力(li)渦輪(lun)發電系(xi)統亦會(hui)自動(dong)停止運行及將已(yi)(yi)凈化的(de)污水經旁通管道(dao)排走，以避免上游的(de)沉淀池因為系(xi)統故障而溢出已(yi)(yi)凈化的(de)污水。

5 系統運(yun)行的表(biao)現

這套(tao)水(shui)(shui)力(li)(li)(li)渦(wo)(wo)輪發電(dian)系統于2018年末投產(chan)，平均(jun)每(mei)月(yue)可產(chan)電(dian)量超過1萬kW·h。由于污(wu)水(shui)(shui)處理(li)廠每(mei)天收集和需(xu)要處理(li)的(de)(de)污(wu)水(shui)(shui)流(liu)(liu)量時(shi)高時(shi)低，所以可驅動水(shui)(shui)力(li)(li)(li)渦(wo)(wo)輪發電(dian)系統的(de)(de)有效水(shui)(shui)壓也隨時(shi)間變化。為了使(shi)渦(wo)(wo)輪系統產(chan)生最大(da)的(de)(de)電(dian)力(li)(li)(li)，渠務署設計了一套(tao)控制系統，使(shi)渦(wo)(wo)輪運作扭(niu)力(li)(li)(li)根據日常污(wu)水(shui)(shui)流(liu)(liu)量自動調(diao)節，從而提(ti)高電(dian)力(li)(li)(li)生產(chan)效率。圖7顯示發電(dian)系統跟(gen)水(shui)(shui)流(liu)(liu)量關系，當水(shui)(shui)流(liu)(liu)量超過設定水(shui)(shui)平，系統會自動運作，產(chan)生電(dian)力(li)(li)(li)。

6 挑戰(zhan)及(ji)克服方案

渠務署在推行相關(guan)工程項目(mu)時遇(yu)到不少挑戰，針對這些挑戰，訂定了相應的方案，見表1。

7 結語

盡管(guan)面(mian)臨(lin)種(zhong)種(zhong)挑戰，這套水力渦輪發(fa)(fa)電系(xi)統(tong)于(yu)2018年(nian)尾成功(gong)投產。系(xi)統(tong)平(ping)均每(mei)月(yue)(yue)可(ke)產系(xi)統(tong)平(ping)均每(mei)月(yue)(yue)可(ke)產電量超過(guo)(guo)1萬kW·h，相等于(yu)約(yue)(yue)25個香港家庭每(mei)月(yue)(yue)平(ping)均用(yong)電量(2018年(nian)香港每(mei)戶每(mei)月(yue)(yue)平(ping)均的用(yong)電量約(yue)(yue)為(wei)390kW·h)。渠(qu)務署(shu)(shu)(shu)(shu)致力于(yu)“提供世界(jie)級(ji)的污(wu)水和雨水處理排放服務，以促進香港的可(ke)持續發(fa)(fa)展(zhan)”，并同(tong)時推展(zhan)保(bao)護(hu)環境和應(ying)對氣候變化(hua)項目。在應(ying)用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)方面(mian)，渠(qu)務署(shu)(shu)(shu)(shu)利用(yong)生(sheng)(sheng)物氣、太陽能(neng)(neng)(neng)和已(yi)凈化(hua)的污(wu)水流動的能(neng)(neng)(neng)量等產生(sheng)(sheng)可(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)。在過(guo)(guo)去幾年(nian)，渠(qu)務署(shu)(shu)(shu)(shu)平(ping)均每(mei)年(nian)生(sheng)(sheng)產的可(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)相等于(yu)約(yue)(yue)2700萬kW·h，可(ke)應(ying)付(fu)約(yue)(yue)9%渠(qu)務署(shu)(shu)(shu)(shu)的能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)需要。渠(qu)務署(shu)(shu)(shu)(shu)會繼(ji)續努力，加強和促進可(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)的應(ying)用(yong)。