索偉1 張德兵 2祁斌3
（1.濰坊上實(shí)環(huán)境污水處理有限公司2. 上實(shí)環(huán)境水務(wù)股份有限公司3.武漢漢西污水處理有限公司）
摘要：污水廠尾水發(fā)電機(jī)組利用尾水的水位落差，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，高效節(jié)能、環(huán)保無(wú)害、維護(hù)簡(jiǎn)便、適用范圍廣。廣泛應(yīng)用于城市污水處理廠、工業(yè)廢水處理廠等場(chǎng)所，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。是一種環(huán)保、高效、實(shí)用的發(fā)電裝置，適用于各種類型的污水處理廠。
關(guān)鍵詞：環(huán)保、高效、節(jié)能、綠色
隨著全球能源危機(jī)的加劇，尋找可持續(xù)的清潔能源已經(jīng)成為各國(guó)科研的熱點(diǎn)。利用污水處理廠尾水進(jìn)行發(fā)電，不僅可以有效地利用廢棄資源，同時(shí)也能為國(guó)家能源供應(yīng)提供重要保障。在環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)的今天，公眾對(duì)環(huán)保問(wèn)題的關(guān)注度也在不斷提高。污水處理廠尾水發(fā)電組的研發(fā)，既能滿足污水處理的要求，又能產(chǎn)生清潔能源，實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)保的雙重效益，是一項(xiàng)符合公眾利益的技術(shù)創(chuàng)新。
一、研究背景
能源短缺：隨著人口的不斷增加和工業(yè)化程度的提高，能源需求也不斷增長(zhǎng)。特別是在中國(guó)這樣的國(guó)家，由于能源消費(fèi)的增長(zhǎng)速度快于能源生產(chǎn)的增長(zhǎng)速度，能源短缺成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，尋求可再生能源，特別是風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等可再生能源，成為解決能源短缺問(wèn)題的關(guān)鍵。
環(huán)境保護(hù)：污水處理廠尾水發(fā)電機(jī)組不僅可以提供能源，還可以改善環(huán)境。例如，污水處理廠尾水發(fā)電項(xiàng)目，利用非飲用水的尾水發(fā)電，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展，降低碳排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。
二、設(shè)計(jì)原理
尾水發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)原理是利用污水處理廠尾水自然水位落差中蘊(yùn)含的能量，通過(guò)水力渦輪機(jī)將這些能量轉(zhuǎn)換成電能。水力渦輪機(jī)的工作過(guò)程與風(fēng)力渦輪機(jī)類似，只是它是通過(guò)水流而不是氣流來(lái)驅(qū)動(dòng)的。污水處理廠尾水的流速和流量可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足發(fā)電機(jī)組的功率需求。
污水處理廠尾水發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)理念在于充分利用現(xiàn)有的水資源和能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，也為能源供應(yīng)提供了新的解決方案。
尾水發(fā)電機(jī)組采用了高效的能量回收技術(shù)，最大限度地利用污水處理廠尾水中的能量。例如，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)水頭水量選取最優(yōu)的水輪機(jī)類型，設(shè)置合理的水輪機(jī)數(shù)量提高機(jī)組運(yùn)行效率；通過(guò)CFD流場(chǎng)分析技術(shù)分析水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)高效水輪機(jī)的水力模型，提高水輪機(jī)的水力效率；通過(guò)改進(jìn)發(fā)電機(jī)組的機(jī)械設(shè)計(jì)，減少摩擦阻力，提高機(jī)械效率效率。
三、國(guó)內(nèi)外研究背景
國(guó)外：針對(duì)污水處理廠尾水進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。例如，德國(guó)的研究人員設(shè)計(jì)了一種由電解池和水泵組成的污水處理廠尾水發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組可以利用電化學(xué)反應(yīng)和壓力差驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電，并且對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行有效處理。與此同時(shí)，日本福岡地區(qū)供水企業(yè)協(xié)會(huì)也宣布，將利用海水淡化后排出的高鹽度尾水進(jìn)行滲透發(fā)電。這些研究表明，對(duì)污水處理廠尾水進(jìn)行有效利用和回收，可以極大地減少對(duì)淡水資源的依賴和對(duì)環(huán)境的污染，為解決可持續(xù)發(fā)展的水資源問(wèn)題提供了新的思路。
國(guó)內(nèi)：在過(guò)去的幾年中，尾水發(fā)電技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用逐漸興起，許多水力發(fā)電站開(kāi)始采用這種技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年，我國(guó)已有多個(gè)尾水發(fā)電站投入運(yùn)行，總裝機(jī)容量達(dá)到數(shù)百兆瓦。這些尾水發(fā)電站主要分布在南方和西南地區(qū)，其中包括廣西、貴州、云南、廣東[2]等省份。此外，我國(guó)的研究機(jī)構(gòu)也在積極推動(dòng)尾水發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，并開(kāi)展了一系列相關(guān)的研究工作。例如，江蘇大學(xué)、中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)就在尾水發(fā)電技術(shù)方面取得了一些突破性的成果。這些研究成果為尾水發(fā)電技術(shù)在我國(guó)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供了有力支持。
四、產(chǎn)品介紹
污水處理廠的尾水的特點(diǎn)一般是低水頭、大流量。常用的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式有臥式貫流式、立式明渠軸流式等。
臥式貫流式水輪發(fā)電機(jī)組是臥式分體結(jié)構(gòu)，由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接而成。水輪機(jī)主要由三通管、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、主軸、傳動(dòng)部件、密封、軸承等組成。工作時(shí)水流在工作水頭的作用下，經(jīng)引水管至水輪機(jī)的進(jìn)口，流經(jīng)導(dǎo)葉沖擊轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。
臥式貫流式發(fā)電機(jī)組是臥式分體結(jié)構(gòu)，具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1.臥式結(jié)構(gòu)管路進(jìn)水、管路出水安裝、使用、檢修方便；
2.水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)分離，便于維修，更換易損件；
3.水輪機(jī)單獨(dú)3個(gè)軸承，發(fā)電機(jī)單獨(dú)2-3個(gè)軸承，結(jié)構(gòu)可靠；
4.水輪機(jī)具有獨(dú)立油潤(rùn)滑系統(tǒng)，軸承壽命更長(zhǎng)。
