摘要: 香港特別行政區政府渠務署致力協助減緩全球氣候變化，多年來在轄下的一些廠房安裝節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電系統，利用流動污水的液壓能量推動渦輪發電機，繼而產生電力供廠內設施使用。本文將介紹這套系統，包括推行相關工程項目時遇到的挑戰，系統設計與施工的考慮和特色，以及系統的運作表現。這系統不僅有助于節省電費開支，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政府為改善維多利亞港水質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，繼而輾轉排出深海。
02.相關前期研發
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，推動渦輪發電機，繼而發電。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電機的可行性。有關的系統設計參數及考慮因素見表1。
前期研究建議的水力渦輪發電系統見圖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其中兩組沉淀池預留空間，以安裝渦輪發電系統。
03.系統設計考慮和特色
3.1 可產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生的電力與有效水壓力的關系，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 g (9.807 m/s2)]÷1000 x 整體系統效率(%)
換句話說，愈高的水流流速及愈高的有效水壓力，可產生的電力愈大。因此，為了產生更大的電力，其中的一個設計目標是令渦輪系統可接收最高的水流速度和有效水壓力。
3.2系統設計重點
首先，在設計方面，新安裝的渦輪系統必須盡量不影響污水處理廠的正常運作。例如，系統必須具備合適的保護裝置，以防止上游的沉淀池，因為錯誤的系統控制而溢出已凈化的污水。在設計時確定的運行參數：流速為1.06～1.50m3/s，有效水壓范圍24～52kPa。
除此以外，由于經沉淀池凈化的污水仍含有一些腐蝕性的物質，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部件材料必須耐腐蝕(例如經常用于污水處理設備的雙相不銹鋼物料)，從而提升系統的耐用性和減低維修次數。
在電力系統設計方面，鑒于污水渦輪的發電量會因種種原因而不完全穩定，因此，整個產電系統與電網并聯，以維持可靠的電力供應。電網并聯之安排按照電力公司及香港特別行政區政府機電工程署發出的電網接駁技術指引進行。
在喉管布置上，除了考慮現有場地限制，亦考慮系統維修和保養的需要。就此，改變了原先在研發項目中提出的將水力渦輪安裝在沉淀池的豎井內的方案，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，繼續產生電力。（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臺水力渦輪發電系統，以使4組沉淀池正常運作時，能讓2臺渦輪發電系統同時發電，達至最高電力產能
3.3 水力渦輪機和發電機的選擇
水力渦輪機是整個發電系統的關鍵設備，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，繼而驅動發電機產生能量。 反作用型則透過流體通過渦輪葉片，利用水位壓力驅動發電機而產生能量。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，更能適合現場的有限空間。
在發電機方面，選擇了定速水力渦輪驅動的永磁同步發電機，此發電機比異步發電機較能輸出穩定的電壓及頻率，故可提高供電質量，使并聯電網更為簡單，而且需要較少維修保養。
04.施工和操作特色
4.1 電網并聯安排
正如前述，電網并聯是依照電力公司及香港特別行政區政府機電工程署發出的電網接駁技術指引進行。根據指引，可再生能源發電系統須加入防孤島保護功能，其作用是當電網不論因為何種原因而停止供電時，能自動把相關的可再生能源發電系統與配電系統分離，從而令可再生能源發電系統不能繼續為配電系統供電，以保障在電網或配電系統上施工的電業工程人員的安全。
在供電同步操作方面，可再生能源發電系統與配電系統，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才可同步。發電系統與配電系統接駁的示意圖見圖5。
4.2 控制與保護
水力渦輪發電系統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，控制系統便會根據默認數據，啟動不同的控制閥門，選擇使用最合適的沉淀池，從而優化水力渦輪發電。此外，控制閥會自動調節上游污水水位，以使沉淀池不會出現溢出凈化污水的情況，從而把發電功率提升至最高水平。渦輪發電系統可以在主控制室或現場調控。系統控制板面見圖6。
在保護控制方面，如果渦輪系統的供電制箱或控制閥出現故障或水位超過最高容許水位，水力渦輪發電系統亦會自動停止運作及將已凈化的污水經旁通管道排走，以避免上游的沉淀池因為系統故障而溢出已凈化的污水。
05.系統運作的表現
這套水力渦輪發電系統于2018年尾投產，平均每月可產電量超過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電系統的有效水壓力也隨時間變化。為了使渦輪系統產生最大的電力，渠務署設計了一套控制系統，使渦輪運作扭力根據日常污水流量自動調節，從而提高電力生產效率。圖7顯示發電系統跟水流量關系，當水流量超過設定水平，系統會自動運作，產生電力。
06.挑戰及克服方案
正如前述，渠務署在推行相關工程項目時遇到不少挑戰，針對這些挑戰，訂定了相應的方案，如表2所示。
07.結語
總括而言，盡管種種挑戰，這套水力渦輪發電系統于2018年尾成功投產。系統平均每月可產系統平均每月可產電量超過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發展”，并同時推展保護環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生可再生能源。在過去幾年，渠務署平均每年生產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
（香港特別行政區政府渠務署，香港）