Оптимизация энергии, основанная на комбинации эффективно регулируемых воздуходувок и комплектных аэрационных систем
Тезисы
В России 75-80 % энергетических затрат на городских очистных сооружениях водоотведения осуществляются воздуходувками. Источники для экономии энергии в биологической очистке, включая процесс аэрации: 1- ежесуточное и сезонное управление воздуходувным оборудованием; 2- увеличение базового КПД компрессора, связанного с типом оборудования; 3- внедрение современного биологического процесса удаления азота; 4- внедрение мелкопузырчатых аэрационных систем с полной раскладкой по площади днища аэротенка. Поэтому оптимизация энергообеспечения воздуходувок и аэрационных систем играет ключевую роль при строительстве новых и реконструкции старых очистных сооружений.
Энергоcсбережение за счет управления - регулирования системы аэрации определялось на основе математического моделирования с учетом динамики суточных колебаний параметров: расхода, БПК, азота и уставки КРК (концентрации растворенного кислорода) в аэротенках (GPS-X, Hydromantis). Основываясь на этих данных, может быть определена суточная неравномерность потребности в кислороде. Энергосбережение порядка 30% может быть получено только за счет суточного и сезонного управляющего воздействия. Экономия энергии не может быть достигнута только поставщиками воздуходувного оборудования. Чтобы иметь эффективную систему должно быть достигнуто взаимопонимание между заказчиками и поставщиками воздуходувного оборудования.
Ключевые Слова
Энергосбережение, управление, КПД водуходувки, биологическая очистка сточных вод.
Введение
Изучение Российских среднеразмерных сооружений очистки сточных вод используется нами, как пример для того, чтобы пояснять четыре различных уровня энергетической оптимизации:
1) Энергоэффективность (КПД) аэрационного оборудования при сравнении типов: объемные роторные воздуходувки, одноступенчатые и многоступенчатые компрессоры. Вычисления энергетической отдачи включали энергосбережения за счет управляемого воздействия и способности поддерживать высокий КПД при изменении проектного режима.
2) Управление аэрационным потоком согласно потребности, вызванной нагрузкой сточных вод, сравнивалось с реальной существующей ситуацией без управления, а также вариантами использования управляющего воздействия РЭП (регулируемый электропривод) или механическим воздействием-регулированием, которое позволяет задать требуемый воздушный поток в соответствие с уставками концентраций аммонийного азота и/или растворенного кислорода. Данные уставки являются вводными данными к воздуходувкам.
3) Управление аэрационным потоком в зависимости от изменения наружных температур (сезонного характера) с целью компенсации плотности воздуха, а также управления массовым эквивалентом вводимого кислорода (собственно кислорода, не воздуха).
4) Снижение воздушных потерь давления по воздухопроводным системам, путем понижения противодавления в системе, главным образом сосредотачиваясь на правильном подборе трубопроводов и клапанов.
Рассматривается метод управления воздуходувкой, который позволяет углы атаки лопастей направляющего аппарата на разгрузочной стороне рабочего колеса, чтобы изменить подачу воздуха от 100 % до 40 % производительности. Переменные лопатки входного направляющего аппарата, которыми управляет матрица в PLC локального пульта управления, оптимизирует вращение потока приточного воздуха, чтобы получить максимальную эффективность. Матрица лопастей реагирует на температуру окружающей среды, дифференциальное давление, и производительность машины, три переменные, которые воздействуют на эффективность.
Методы
Анализ результирующих величин для различных воздуходувок (или компрессоров) относится к стандартам:
- Качества ISO 9001 и ISO 14001,
- Замеру характеристик и приемо- сдаточные испытания в соответствие с ISO 5389. Величины параметров характеристик должны находиться в пределах погрешностей по изготовлению ±2% и замерам параметров ± 2%.
Процесс очистки сточных вод был математически обработан с исходными данными суточной неравномерности БПК, азота, КРК (модель ASM2d, использованная GPS-X) рис. 1. Модульная многоцелевая компьютерная программа для расчетов и математического моделирования городских и промышленных очистных сооружений канализации GPS-X (Canada, Hydromantis Inc.) включает последние разработки технологического моделирования, которые обеспечивают всестороннюю реалистичность расчетов. Исследования потенциальных величин энергосбережения, сопряженные с инструментальными замерами КРК, аммонийного азота, и их точных соотношений заключались в анализе величин исходных динамик притока. Общие исследования энергосбережения процессов очистки сточных вод выполнены с применением GPS-X:
- Использование величин энергии для определения стратегии энергосбережения в оперативных динамических условиях,
- Расчет наиболее сберегающих маневров для реконструкции (изменение размеров реактора, замена реактора, увеличение сооружений по обработке осадка и т.д.),
- Баланс стоимостей между обработкой осадка и вводом полимера для оптимизации дозы полимера,
- Расчет удаления биогенных элементов (азота и фосфора) влияют на эксплуатационные затраты.
Результаты и обсуждение
Энергоэффективность аэрационного оборудования определялась на основе выданных производителем величин мощности на валу для выбранных объемных роторных воздуходувок, одноступенчатых и многоступенчатых компрессоров.
Одноступенчатые турбокомпрессоры с двойным регулированием оказались наиболее энергосберегающим решением, в соответствие с их технологией изготовления, позволяющей сохранять высокий КПД (80-84 %) на полном диапазоне регулирования (в пределах 40-100 % их производительности), рис. 2.
Одноступенчатые турбокомпрессоры с двойным регулированием является самыми эффективными. Никакой другой компрессор/воздуходувка не производит сжатый воздух в более низких издержках электроэнергии. Эти энергобрежения покроют стоимость технологических различий через 3-4 года. Низкие эксплуатационные расходы / длительное использование - подшипники, смазываемые маслом, и общее отличное качество минимизируют обслуживание и увеличивают срок службы.
Далее (по отношению к принципу энергосбережения) следуют многоступенчатые компрессора с использованием принципа РЭП при управлении. В расчетной точке КПД соответствовал данным поставщика, но в режиме ее смещения (режим управления) разница ощущалась более драматично: падение КПД до 63-73 % в пределах 65-100 % их производительности. Многоступенчатые имеют намного более высокие эксплуатационные (энергетические) затраты. Преобразование турбокомпрессоров из многоступенчатых в одноступенчатые экономит 20 - 30 % мощности.
Для объемных роторных компрессоров падение КПД составляет 45- 53% в диапазоне 45- 100% их производительности. Преобразование из роторной объемной воздуходувки в одноступенчатую центробежную экономит 30-35 % мощности.
Как принимать решение о использовании: одноступенчатая, многоступенчатая, или роторная объемная воздуходувка? У каждого типа существует себестоимость и совсем эффективность. Поэтому должен быть проведен анализ цикла срока службы (LCC), принимая оценку себестоимости и эксплуатационных расходов по 20-летнему циклу срока службы. А, эксплуатационные расходы должны быть оценены при средних условиях, не максимальных температурах.
Использование достойных управляющих средств автоматики приветствуется, поскольку повышает эффективность систем до 10 %. Кроме того, автоматизация понижает трудовые ресурсы и оптимизирует процесс.
Ежегодные энергетические сбережения для аэрации достигают 30 % для очистных сооружений сточных вод, и значительны, когда используются регулируемые одноступенчатые компрессоры (КПД 80-84 %) по сравнению многоступенчатыми компрессорами (КПД 63-73 %).
Наиболее энергозатратным узлом комплекса очистных сооружений водоотведения является воздуходувное оборудование, который для условий России требует порядка 75- 80% электроэнергии всех затрат комплекса. Энергосбережение в области биологической очистки и аэрации может составить колоссальную величину до 65%. Слагаемые энергосбережения данной технологии, рис. 3:
- Процессы удаления биогенных элементов - до 20 %,
- Мелкопузырчатая аэрация с раскладкой по принципу 100%-ного охвата ширины коридора - до 15 %,
- Управляемые одноступенчатые турбокомпрессора с двойным регулированием и контролем процесса очистки - до 30 %
Упомянутая экономия энергии может быть достигнута при полном проектировании процессов для объектов очистки сточных вод
С целью увеличения достоверности математического моделирования требуется определить качество вод по методике фракционированного ХПК, рис. 4. Растворенное ХПК: биоокисляемое (легкоокисляемое)- Xs и инертное- Xi. ХПК взвешенных веществ: биоокисляемое (медленноокисляемое, скорость определяется гидролизом)- Ss и инертноеSi. Требуется проводить респирометрические исследования активного ила существующих очистных сооружений для настройки коэффициентов модели, а в случае невозможности респирометрических исследований (новое строительство очистных сооружений) принимать коэффициенты, исходя из опыта близких соотношений Xs: Xi: Ss: Si. Описывать суточную неравномерность притока масс загрязнений на очистные сооружения (порядка 144 проб в сутки по основным показателям загрязнений).
Это определит величины энергосбережений достаточно близко к действительности. Таким образом, сочетание средств математического моделирования, подобных GPS-X, и технических возможностей организации реального технологического управления воздуходувками достигает яркого результата- предвидение величин энергосбережения.
Выводы:
Одноступенчатые турбокомпрессоры с двойным управлением обладают самым низким энергопотреблением, благодаря их технологии, основанной на способности поддерживать высокую производительность (80-84 %) в широком диапазоне управления (между 40-100 % производительности).
Ежегодные энергетические сбережения для аэрации достигают 30 % для очистных сооружений сточных вод, и значительны, когда используются регулируемые одноступенчатые компрессоры (КПД 80-84 %) по сравнению многоступенчатыми компрессорами (КПД 63-73 %).
Должен быть проведен анализ цикла срока службы (LCC), принимая оценку себестоимости и эксплуатационных расходов по 20-летнему периоду для того, чтобы вынести решение о типе воздуходувки: одноступенчатая, многоступенчатая, или роторная.
Проектирование процессов очистки для Российских условий может обеспечить величины энергосбережений до 65% посредством комплексных усовершенствований, основанных на внедрении: процессов удаления биогенных элементов, мелкопузырчатых систем аэрации с раскладкой по принципу 100%-ного охвата ширины коридора, управляемых одноступенчатых турбокомпрессоров с двойным регулированием и контролем процесса очистки.
Величины экономии энергии могут быть предсказаны посредством комбинации: математического моделирования (например, GPS-X) с учетом ежедневных/сезонных колебаний и реальной способностью некоторого воздуходувного оборудования (например, одноступенчатые турбокомпрессоры с двойным регулированием) обладать управляемой способностью в широком диапазоне характеристики.