Сравнение одноступенчатых и многоступенчатых турбовоздуходувок
Е.А.Мацина
В системах аэрации на очистных сооружениях водоотведения городов и поселков используются аэротенки глубиной от 1 до 7 м. Для создания соответствующих напоров и подач 3000-100000 м3 /ч чаще всего применяют центробежные воздуходувки низкого давления.
Принцип действия центробежного воздуходувного агрегата.
Засасываемый компрессором воздух (газ) попадает в рабочее колесо, где потоку передается кинетическая энергия вращающегося колеса, и поворачивает его в радиальном направлении. Рабочее колесо центробежного компрессора представляет собой диск или же сложное тело вращения, на котором установлены лопатки, расходящиеся от центра к краям диска. Высокую скорость потока и, соответственно, большую кинетическую энергию можно обеспечить двумя способами — либо большим радиусом рабочего колеса, либо высокой частотой его вращения.
Соответственно центробежные воздуходувки делятся на два типа:
-многоступенчатые (рис. 1) – включают несколько соосно насаженных на вал ротора вращающихся с частотой порядка 3000 об/мин рабочих колес. Степень повышения давления 1 рабочим колесом (ступенью) обычно не превышает 0,15 атм. Поэтому в воздуходувках данного типа и газодувках применяется от 1 до 4 ступеней, а при необходимости развивать большое избыточное давление — от 5 до 16 ступеней.
-одноступенчатые центробежные турбовоздуходувки (рис. 2) обеспечивают сжатие воздуха (газа) за счет высокой частоты вращения ротора, представляющего собой одноступенчатую повышающую мультиплексорную (шевронную) цилиндрическую зубчатую передачу (рис. 3). Одноступенчатые воздуходувки имеют значительно меньшие габариты и массу (рис.4), чем многоступенчатые и не требуют «замоноличивания» своего основания в бетон.
Принцип работы одноступенчатой воздуходувки.
На входе воздуходувки перед ротором (рис. 3) установлены направляющие лопатки (1), которые по показаниям датчиков растворенного кислорода, расположенным в аэробных зонах аэротенков (рис.5), меняют свой угол поворота и, соответственно, количество подаваемого воздуха в диапазоне от 40 до 100%. В качестве сигнала обратной связи, в автоматическом режиме управления могут использоваться любые другие датчики: давления, расхода, станции химического анализа и т.д. Двигатель воздуходувки работает с постоянным количеством оборотов — порядка 3000 об/мин.
Вал ротора воздуходувки, через мультиплексорную передачу поддерживает постоянные обороты: фиксированные скорости вращения 9000 об/мин и т.д. (зависит от параметров избыточного давления, производительности, типа воздуходувки). За счет того, что при постоянной скорости вращения двигателя на ротор воздуходувки поступает разное количество воздуха, энергопотребление воздуходувки колеблется соответственно в пределах от 40 до 100%, при сохранении высшего, по сравнению с аналогами, КПД 80-87%. Поток воздуха проходит через лопатки диффузора, установленного за ротором. Автоматически регулируемый угол наклона лопаток диффузора (устанавливается сервоприводом, смонтированным на обратной стороне диффузора) обеспечивает высокую линейность поддерживаемого избыточного давления и дополнительное тонкое регулирование потока воздуха.
В комплектность данных современных нагнетателей входят: собственно нагнетатель, состоящий из направляющего аппарата, ротора, выходного лопаточного диффузора, редуктора, блока смазочной системы (вмонтированного в несущую раму), обратного и противопомпажного клапана. В качестве привода используются стандартные асинхронные электродвигатели трехфазного переменного тока, с числом оборотов в минуту от 3000 до 4000 (в зависимости от модели) и микропроцессорная система управления производительностью и параметрами агрегата (рис.2)
Современные центробежные одноступенчатые турбовоздуходувные агрегаты являются наиболее высокотехнологичными и наименее энергоемкими машинами, в отличие от многоступенчатых воздуходувок, разработанных в 50-х годах прошлого века (например воздуходувки ТВ и ТГ завода «Узбекхиммаш», г. Чирчик, Gardner Denver, США).
Одноступенчатые центробежные воздуходувки с двойным регулированием (производитель-фирма Siemens) являются самыми эффективными. Энергопотребление одноступенчатых турбовоздуходувных машин на 20%-30% ниже, нежели многоступенчатых агрегатов при одинаковых параметрах. Это позволяет покрывать затраты на приобретение первых за 3-6 лет. Одноступенчатые турбовоздуходувки обеспечивают строго постоянное избыточное давление в системе аэрации в весьма широком диапазоне регулирования (40–100%), при возможности плавного регулирования производительности и сохранении полного и политропического КПД агрегата (рис.6). Политропический КПД позволяет оценивать стабильность перепада статического давления на входе выходе агрегата, скоростные характеристики потока, наличие турбулентных процессов и т.д.
Регулирующие устройства на входе/выходе работают с ротором одноступенчатой турбовоздуходувки как единая аэродинамическая система, обеспечивающая поддержание КПД на высоком уровне во всем диапазоне регулирования. Турбулентные пульсации здесь сводятся к минимуму, а выходной диффузор доводит диапазон регулирования до необходимой точности.
Регулирование производительности центробежной многоступенчатой воздуходувки с использованием входного поворотного клапана приводит к возникновению неравномерности полей давления среды во всасывающей камере, наличию разрывного режима течения среды, появлению больших градиентов скорости, и, в результате, к снижению КПД агрегата в целом, исходя из традиционного условия политропного процесса сжатия.
ВЫВОДЫ
1. Энергопотребление турбовоздуходувок одноступенчатых, по сравнению с многоступенчатыми, на 20-30% ниже при работе их в номинале, а при производительностях менее 60% от номинальной – на 50-55%.
2. Уменьшение политропического К.П.Д. многоступенчатой воздуходувки посредством дросселирования на входе приводит к значительному увеличению удельного расхода электроэнергии на единицу объема подаваемого воздуха (кВт•ч/1000 м3 )
3. Диапазон устойчивого регулирования подачи одноступенчатых воздуходувок (от 100 до 40%) значительно шире, чем у многоступенчатых (от 100 до 65%)
4. Учитывая растущие требования по энергосбережению, по качеству очищаемой сточной воды, жесткие требования к технологическому процессу на участке биологической очистки, по совершенствованию систем аэрации, включая автоматическое перераспределение и регулирование подачи воздуха в аэротенки, рассматривать многоступенчатые воздуходувки в качестве аналога одноступенчатым регулируемым на сегодняшний день не корректно.
