基于中空微型水輪機的污水發(fā)電可行性研究

Tomomi Uhiym*, Stoshi Hond, Tomoko Okym, Tomohiro Degw

aInstitute of Materials and Systems for Sustainability, Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan

bGraduate School of Information Science, Nagoya University, Nagoya 464-8601, Japan

cFaculty of Human Studies, Taisho University, Tokyo 170-8470, Japan

基于中空微型水輪機的污水發(fā)電可行性研究

Tomomi Uchiyamaa,*, Satoshi Hondab, Tomoko Okayamac, Tomohiro Degawaa

aInstitute of Materials and Systems for Sustainability, Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan

bGraduate School of Information Science, Nagoya University, Nagoya 464-8601, Japan

cFaculty of Human Studies, Taisho University, Tokyo 170-8470, Japan

a r t i c l e i n f o

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Received 21 May 2016

Revised 21 June 2016

Accepted 6 September 2016

Available online 6 December 2016

微型水輪機

污水

發(fā)電

連接點

水力勢能

本文利用微型水輪機技術，著重對污水管道水力發(fā)電的可行性進行了研究。首先，對日本豐川河流域排水系統(tǒng)兩連接點處的污水流量進行了一年以上的觀測，借此分析污水的水力勢能；其次，假定微型水輪機被安裝在污水管道的連接點位置，通過實驗室試驗研究微型水輪機的性能。研究表明：污水管道的連接點處蘊藏有可用于全年發(fā)電的水力勢能，同時，微型水輪機在該位置可以有效地進行污水水力發(fā)電。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 引言

污水由排放到下水道的雨水和人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的廢水所組成，排污管道里含有人類生活、辦公及工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢水和廢物。2011年，日本污水排放量約為1.45×1010m3[1]，因此，污水蘊藏著巨大的能量。據(jù)估計，污水污泥的沼氣發(fā)電量和污水的水力發(fā)電量分別約為3.6×109kW·h·a–1和4×107kW·h·a–1，污水所含熱能約為7800 Gcal·h–1(1 Gcal·h–1= 1.163 MW) [2]。日本政府意在將污水作為一種能源來加以利用，然而，污水的利用率卻很低；污水污泥的能源利用率約為13 %。目前，日本污水供熱設施有14個，小型水力發(fā)電廠有13個 [2]。

污水處理設施包括諸如污水管道的排水設施、處理廠的處理設施，以及泵站的輔助設施。前文預估的污水能源的水力勢能僅是指經(jīng)處理設施處理后的水所含的能量。2012年日本的污水管道總長約為4.5×105km [1]，其長度相當于繞地球赤道11圈，略長于總長達4×105km的灌溉渠道 [3]，可推測這種水力勢能分布在全國的污水管道中。因此，利用排水設施(污水管道)中的污水進行發(fā)電將有望實現(xiàn)小規(guī)模的分布式發(fā)電，這有利于當?shù)仉娏Φ淖援a(chǎn)自銷。然而，目前這種污水發(fā)電還沒有具體的實施案例，排水設施中所含的水力勢能仍有待進一步研究。

水電是一種極具前景的可再生能源，且不容易受天氣因素的影響，在日本受到了廣泛的關注。由于建設輸出功率達100 MW以上的大型水電站需要大壩和長距離

* Corresponding author.

E-mail address: uchiyama@is.nagoya-u.ac.jp輸水管道，而且要求這些水電站所在區(qū)域必須是發(fā)達地區(qū)，所以建設輸出功率在100 MW以下的小型水電站的需求就越發(fā)迫切。這種發(fā)電站利用小型水力發(fā)電機進行發(fā)電，而這些小型水力發(fā)電機又廣泛分布在日本的河流和灌溉渠道中。為此，研究人員已研發(fā)了數(shù)種微型水輪機 [4–9]，然而這些微型水輪機經(jīng)常被落葉、樹枝及垃圾等雜質(zhì)阻塞，偶爾會無法正常發(fā)電。安裝在微型水輪機上游的過濾器可以去除雜質(zhì)，但這種設備增加了微型水輪機的運營成本，筆者正在研發(fā)一種可以極大程度地使雜質(zhì)通過的微型水輪機 [10,11]。這種微型水輪機的轉輪在中心軸周圍有一個圓形中空部分，使得雜質(zhì)能夠通過轉輪。目前正在實驗室和河流的實地試驗中對這種中空微型水輪機的效率以及雜質(zhì)通過性能進行測試。污水中除了人們的生活垃圾外，還有浴室里的頭發(fā)、廚房的蔬菜殘渣等，污水發(fā)電成功的關鍵在于水輪機沒有被這些雜質(zhì)所阻塞，因而筆者正在研發(fā)的中空微型水輪機將有望解決污水發(fā)電的這一難題。

此研究旨在探索一種利用管道污水進行水力發(fā)電的可行性方法。首先，針對日本中部地區(qū)愛知縣的豐川河流域排水系統(tǒng) [12]，通過測量兩個污水管道連接點處一年內(nèi)的污水流量來計算污水的水力勢能；其次，假定微型水輪機被安裝在污水管道的連接點處，通過實驗室試驗來研究中空微型水輪機的效率和雜質(zhì)通過性能。

2. 豐川河流域排水系統(tǒng)的流量變化和水力勢能

2.1. 豐川河流域排水系統(tǒng)概述

豐川河流域排水系統(tǒng)處理的污水來自日本愛知縣東部地區(qū)的四個城市(豐橋市、豐川市、蒲郡市和新城市) [12]，其總排污面積約46 km2，人口約20萬人，每日污水處理量達1.04×105m3(截至2015年4月1日)。豐川河流域排水系統(tǒng)有四條干線：豐橋線、東武線、西武線和水戶線，總長約36 km。經(jīng)豐川污水處理廠處理過的污水被排放到三河灣，圖1顯示了排水干線、污水處理廠與三河灣之間的位置關系。

豐川河流域的排水系統(tǒng)與這四個城市管理的公共排水系統(tǒng)相連，連接部分被稱為連接點。豐川河流域的排水系統(tǒng)共有27個連接點，如圖1所示，連接點用圓圈表示。在連接點處，污水管道是打開的，因此可以測量全年的污水流量。本研究測量了豐橋1和東武11-2兩連接點處的污水流量，根據(jù)實際流量來研究污水水力發(fā)電的可行性。豐橋1連接點處的污水管道和污水如圖2所示。

圖1. 日本豐川河流域排水干線及排水系統(tǒng)連接點示意圖。

圖2. 豐橋1連接點處的污水管道和污水。

2.2. 連接點處的污水流量變化

在建設水力發(fā)電站之前，需提前一年在施工現(xiàn)場測量日均污水流量，以準確估算發(fā)電出力。按日均污水流量降序排列，作出污水流量變化曲線圖。2013年度豐橋1和東武11-2兩連接點處的污水流量變化曲線如圖3所示，圖中第95天、185天、275天和355天的最大流量分別稱為高流量、正常流量、低流量和枯水流量，這些流量分別用Q1，Q2，Q3和Q4表示，并在表1中列出對應的流量大小。在豐橋1和東武11-2兩連接點處，高低流量之差 (Q1?Q3) 與正常流量Q2之比 (Q1?Q3) / Q2分別約為0.138和0.093，這表示年流量變化較小。在變化曲線中，Q2點處較小的梯度值也說明了這一點。

豐橋1連接點處的污水流量如圖4所示，圖中顯示了一年中每月污水的平均流量、最小流量和最大流量。平均流量和最小流量幾乎相同，且與正常流量Q2幾乎相當，但除了7月份、11月份、12月份和1月份外，每月的最大流量卻遠遠大于平均值，年變化量也大于平均流量和最小流量。由于豐川河流域排水系統(tǒng)是一個分流排污系統(tǒng)，理論上污水管道內(nèi)只有污水流動；然而，包括雨水在內(nèi)的一些“來源不明的水”也會同污水一起流入排水管道。圖4上部的柱狀圖顯示了豐橋市的月降水量，觀測點與連接點(豐橋1)之間的距離約為7 km，降水量高的月份污水流量也會增高，這一趨勢在9月份和10月份最為明顯。因此，最大污水流量遠高于平均值且波動明顯的原因在于雨水流入了污水管道。

圖3. 2013年度連接點處的污水流量變化曲線圖。(a)豐橋1；(b)東武11-2。

表1 豐橋1和東武11-2兩連接點處的污水流量

圖5顯示了東武11-2連接點處的污水流量變化以及豐橋市的月降水量。其中平均流量和最小流量幾乎相同，但是8月份、9月份和10月份的最大流量遠遠高于平均值，這種變化也是由于雨水流入污水管道造成的。

圖4. 豐橋1連接點處的月污水流量和豐橋市的月降水量。

圖5. 東武11-2連接點處的月污水流量和豐橋市的月降水量。

由圖4和圖5可知，9月份污水流量達到了最大值。9月份豐橋1和東武11-2兩連接點處的日平均污水流量和日降水量如圖6所示。9月16日當天的日降水量達到120 mm，日平均污水流量也達到最大值，這一觀察結果進一步證實了雨水增加了污水流量。

2.3. 連接點處的水力勢能

流體以速度u流動的水力勢能P可表示為

其中，ρ為流體密度；Q為流量。

如圖2所示，豐橋1連接點處的污水管道直徑為1000 mm，污水并不總是流經(jīng)管道的整個橫截面，而是沿著管道的底部流動。假設污水占據(jù)管道橫截面積的10 %，則可以根據(jù)流量Q計算出流速u。當正常流量Q2對應的流速u為0.159 m3·s–1時，根據(jù)公式 (1)計算的水力勢能P約為328 W，其中ρ為水的密度。采用同樣的方法計算東武11-2連接點處的水力勢能P為222 W。

圖6. 9月份豐橋1和東武11-2兩連接點處的日平均污水流量和日降水量。

通過水輪機驅(qū)動發(fā)電機可以將上述水力勢能P轉換為電能，考慮到發(fā)電機和水輪機的效率，將電能定為0.2P。豐橋1和東武11-2兩連接點處的電能則分別為66 W和44 W。由圖3可知，污水流量變化很小，因此可假設各點的水力勢能全年保持不變；那么一個直徑約為250 mm的通風扇所消耗的電能約為25 W，而一盞亮度等同于60 W的熒光燈的LED燈泡所消耗的電能約為10 W。因此，污水發(fā)電可用于連接點處當?shù)氐耐L和照明。

3. 中空微型水輪機

在豐橋1和東武11-2兩連接點處各需要一個水輪機來將水力勢能轉換為電能。污水中除了人們的生活垃圾外，還含有浴室里的頭發(fā)、廚房的蔬菜殘渣等。因此急需這種不會被雜質(zhì)阻塞的水輪機。

微型水輪機可以被安裝在河流和灌溉渠道中進行發(fā)電，但常常會被落葉、樹枝和垃圾等雜質(zhì)阻塞，由于這種阻塞會使水輪機的性能降低，因此開發(fā)一種能夠最大限度地使雜質(zhì)從轉輪中通過的微型水輪機變得越發(fā)迫切。筆者潛心研發(fā)了一種微型水輪機 [10,11]，這種微型水輪機的轉輪在中心軸線處有一個圓形中空部分，雜質(zhì)在通過水輪機時不會造成阻塞，這種中空微型水輪機適用于污水水力發(fā)電。本文通過實驗室試驗對其適用性進行研究。

中空微型水輪機的橫截面如圖7所示。在兩個固定管之間插入圓形管(圖中用紅色陰影表示)，它們的軸線處于一條直線上。插入的圓形管由兩個軸承支撐，從而使其能夠繞中心軸旋轉，轉輪(圖中以藍色表示)嵌進被插入的圓形管內(nèi)，當水流經(jīng)過時，轉輪連同圓形管圍繞軸線整體旋轉。固定管和圓形管的內(nèi)徑為80 mm，圓形管的軸向長度為195 mm，導向葉片(綠色部分)被安裝在固定管的一邊，剛好在圓形管的上游方向。

圖7. 中空微型水輪機的橫截面圖。

轉輪示意圖見圖8，它有四個葉片，圍繞旋轉(中心)軸有一個圓形中空部分，用來使水中的雜質(zhì)從轉輪中通過，中空直徑D2與管道直徑D1(80 mm)之比為中空率ε，ε= D2/ D1。圖8所示轉輪的中空率ε為0.375。

圖8. 轉輪 (ε=0.375)

轉輪由平板葉柵構成，轉輪葉片的二維展開圖如圖9所示，葉片規(guī)格參數(shù)見表2。葉片寬度B為23 mm、厚度t為5 mm，入口角度和出口角度分別是α1和α2，都是70°。本次研究采用新型試驗來檢測微型水輪機的雜質(zhì)通過性能，對試驗中的轉輪只進行了初步的設計，后期可通過修改規(guī)格參數(shù)來提高其性能。

圖10為導葉示意圖，同樣在中心軸周圍有一個中空部分，導葉直徑與轉輪直徑相同。

圖9. 轉輪葉片二維展開圖。

表2 葉片規(guī)格參數(shù)

圖10. 導葉 (ε=0.25)。

中空微型水輪機的三維切割模型如圖11所示，其中轉輪與外管道一起繞著軸線旋轉，通過皮帶傳動來帶動發(fā)電機或扭矩儀工作。

圖11. 中空微型水輪機三維切割模型。

4. 中空微型水輪機的實驗室試驗

4.1. 試驗方法和試驗條件

為了研究微型水輪機的性能，采用如圖12所示的閉環(huán)測試平臺進行實驗室試驗。蓄水池中的水通過水泵進行循環(huán)，循環(huán)中的水又驅(qū)動微型水輪機轉動。微型水輪機上游和下游的管道采用透明的丙烯酸樹脂制成，由此可清晰看到進入環(huán)路的雜質(zhì)狀態(tài)。在上游導管320 mm處和下游導管183 mm處可測量微型水輪機的水壓，水流量則可用螺旋槳式流量計測量，這一裝置被安裝在微型水輪機上游的旁通管上。為了測量出水輪機的輸出功率，可使用以水輪機驅(qū)動的扭矩儀來測量扭矩。水輪機的轉速也可通過扭矩儀來測量，該值由與扭矩儀相連的磁粉制動器所控制。

圖12. 實驗室閉環(huán)測試平臺。

微型水輪機的效率η可表示為

其中，T表示扭矩；ω表示角速度；Q表示流量；P1和P2分別表示水輪機上游和下游的壓力值。

圖13是本研究所采用的轉輪。轉輪1曾被用于之前的試驗 [10,11]，轉輪2是改進后的，轉輪2的葉片前緣是半徑為15 mm的圓形，因此在運行時不會鉤住雜質(zhì)。

圖13. (a)轉輪1；(b)轉輪2。(D1= 80 mm, ε = 0.25)

圖14是本試驗所用的導葉。導葉1有8個導葉片，曾被用于先前的試驗 [10,11]；導葉2有8個錐角為30°的錐形導葉片；導葉3與導葉1所用的導葉片形狀相同，但數(shù)量減少了一半。

圖14. (a)導葉1；(b)導葉2；(c)導葉3。(D1=80 mm, ε=0.25)

對微型水輪機性能的研究以表3所示的轉輪和導葉的4種組合而展開，流量Q為0.01 m3·s–1。

表3 4種工況

為了研究安裝在污水管道內(nèi)微型水輪機的性能，在實驗室條件下，污水中含有的雜質(zhì)用一些易于控制的物質(zhì)來代替。1 m3生活污水中含有大約0.2 kg的固體雜質(zhì)，而且人體排泄物中97 %的成分被認為是水分，因此，污水幾乎可被認定為水。因為在污水的排放中毛發(fā)和纖維垃圾不易被分解，它們會順著污水管道向下流動，因而容易出現(xiàn)微型水輪機被頭發(fā)和廢料阻塞的情況。為此，實驗室試驗采用聚酯纖維來模擬污水管道中的雜質(zhì)。圖15所示為聚酯纖維，每個球形纖維的直徑約為20 mm、質(zhì)量約為0.2 g，這些纖維經(jīng)過蓄水池的出口管被釋放到水中，出口管位于微型水輪機的上游，每次釋放的時間間隔為3 min。

4.2. 無纖維條件下微型水輪機的效率

圖15. 聚酯纖維。

首先，微型水輪機的效率η是在聚酯纖維被釋放到水中之前測量得到的，在之前的研究 [10,11]中，我們已經(jīng)測出了工況1中的η值。圖16表明了在工況1中，中空率ε對轉速N和效率η之間關系的影響。每個中空率所對應的試驗數(shù)據(jù)都由三組測量數(shù)據(jù)組成，當轉輪為實心(ε=0)時，η的最大值ηmax是0.186，轉速N在η達到最大值ηmax時也達到最大值Nmax，且Nmax= 496 r·min–1。當轉輪中空率ε = 0.25時，ηmax和Nmax都略微減小，但減小幅度并不明顯。當中空率ε增加到0.375和0.5時，ηmax大幅減小，并且轉速最大值Nmax也明顯減小，這是由葉片的面積變小所造成的；因此，水的能量并沒有被完全轉化到微型水輪機上。基于上述結果，在測試微型水輪機性能時，工況2、3、4試驗中的中空率ε=0.25，因為此時的中空率并沒有對水輪機的性能造成顯著影響。

圖16. 無纖維條件下水輪機轉速、效率與中空率的相關性。

圖17比較了當微型水輪機中空率ε為0.25，且樹脂纖維沒有被釋放到水中時，在試驗工況1、2、3、4中微型水輪機的效率。工況1中的η值最大。對于工況2來說，使用帶錐形導葉片的導葉(導葉2)會降低η值，這是因為其導葉片面積比工況1中所使用的導葉片面積小，因此水流不能被完全徑直噴射出去。工況3中的η 值比工況2中的更低，盡管在工況3中使用了和工況1、2相同的轉輪，但其導葉(導葉3)只有4個導葉片，因此，流向轉輪上游的水流并沒有被完全徑直噴射出去。工況4中的η值最低，盡管轉輪(轉輪2)使用的導葉與工況3的相同，但導葉片前緣是半徑r = 15 mm的圓形，除此之外，其導葉片較轉輪1的導葉片小，導葉片面積的減小降低了水輪機的性能。

圖17. 無纖維且中空率為0.25時水輪機的效率。

4.3. 夾帶纖維引起的效率變化

圖18表明了微型水輪機的效率η與釋放到水中的纖維質(zhì)量mf的關系。在轉速N達到最大值Nmax時釋放纖維，此時η在無纖維的條件下達到了最大值ηmax，因此，η在mf=0 g的情況下所對應的效率是最大值ηmax，水中釋放出的纖維會引起效率η的降低。在mf＞ 1.5 g時，采用帶錐形導葉片的導葉的工況2的η值要高于工況1，這是因為纖維對導葉的附著力受到了抑制，見后文。對比工況3和工況4的η 值，當mf＞ 1.8 g時，采用圓形葉片的轉輪的工況4的η值要大于工況3，纖維對轉輪的附著力同樣受到了抑制，正如后文所述。

圖18. 夾帶纖維引起的水輪機效率的變化。

圖19對比了工況1、2、3中微型水輪機的效率，此時η被ηmax歸一化。工況1與工況3的η/ηmax值幾乎完全相同，但工況2的η/ηmax值要更高一些。因此，工況2中的導葉(導葉2)具有優(yōu)良的纖維通過性能。

圖19. 工況1、2、3中由夾帶纖維引起的水輪機歸一化效率的變化。

圖20是工況1、2、3試驗結束后的導葉圖。工況1中，纖維附著在導葉片前緣，工況3的導葉片進口處部分位置被纖維阻塞。相比之下，工況2的導葉片上幾乎觀察不到纖維。附著在工況1、2、3中導葉片上的纖維的質(zhì)量分別是0.312 g、0.027 g和0.170 g。錐形導葉(導葉2)在抑制纖維附著方面更加占優(yōu)勢。

圖20. 工況1、2、3的導葉圖。

工況3和4的效率比較見圖21。兩種工況都使用了導葉3，但工況4的η/ηmax值的減幅要小于工況3，所以可以認為帶有圓形葉片的轉輪(轉輪2)具有優(yōu)良的纖維通過性能。

工況3和4試驗后的轉輪圖見圖22。在工況3中，纖維附著在了轉輪葉片的前緣上，這是由于葉片前緣較鋒利，從而鉤住了纖維；而在工況4的轉輪中沒有發(fā)現(xiàn)任何纖維殘余。在工況3和4中附著在轉輪上的纖維的質(zhì)量分別是0.06 g和0 g。研究表明，圓形葉片(轉輪2)的使用對改善纖維通過性能有極大幫助。

圖21. 工況3和4中由纖維引起的水輪機歸一化效率變化。

圖22. 工況3和4的轉輪圖。

如圖23所示，微型水輪機可以被安裝在污水管道內(nèi)的連接點處。為了便于設備的維護，該裝置被設計成可由起重機懸掛的微型水輪機。

5. 結論

為探究利用管道污水進行微型水力發(fā)電的可能性，對日本豐川河流域排水系統(tǒng)兩連接點處的污水流量變化進行了研究，并估算了污水的水力勢能。研究表明，豐橋1和東武11-2兩連接點處蘊藏可用于全年發(fā)電的水力勢能。

假定微型水輪機被安裝在污水管道的連接點處，通過實驗室試驗研究中空微型水輪機的效率及其雜質(zhì)通過性能。試驗表明，帶有圓形葉片的轉輪和帶有錐形導葉片的導葉可以抑制纖維在微型水輪機上的附著力，從而提高水輪機的工作效率，因此中空微型水輪機可用于管道污水發(fā)電。

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Tomomi Uchiyama, Satoshi Honda, Tomoko Okayama, and Tomohiro Degawa declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

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英文原文: Engineering 2016, 2(4): 510—517

Tomomi Uchiyama, Satoshi Honda, Tomoko Okayama, Tomohiro Degawa. A Feasibility Study of Power Generation from Sewage Using a Hollowed Pico-Hydraulic Turbine. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.007