Управление воздуходувками - эффективная мера энергосбережения в инфраструктуре водоотведения
С.Е. Березин, генеральный директор, МБА ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» (ЗАО «ВИВ»)
Электроэнергия на очистных сооружениях сточных вод в основном используется на аэрацию, отопление, освещение, обработку осадка, перекачку стоков и ила. На аэрацию приходится около 65 % энергопотребления (рис. 1).
В России не менее 80 % воздуха на очистных сооружениях подают многоступенчатые турбокомпрессоры.
Совершенствовать ли традиционное воздуходувное оборудование или принять дорогостоящие, но более эффективные меры по энергосбережению?
Действующие в ряде городов РФ тарифы за электроэнергию, приближающиеся к уровню цен США за кВт, требуют обращения к лучшему мировому опыту. Управление подачей воздуха в максимально широком диапазоне с минимальными энергетическими затратами – наиболее подходящая мера ввиду следующих обстоятельств.
1. Подавляющее количество установленных воздуходувок работают в недогрузке, на 30–40 % ниже реальной2 . Оборудование подбиралось под проектные мощности, а объемы водопотребления и водоотведения в большинстве городов РФ стали неуклонно снижаться. Требуется регулирование подачи воздуха в сторону уменьшения.
2. Плотность воздуха и концентрация растворенного в нем кислорода существенно зависят от температуры. Учет этого, а именно, настройка изменения подачи воздуха на аэрацию по температуре окружающей среды – мощный потенциал экономии.
3. Характер поступления хозяйственно-бытовых сточных вод на очистные сооружения по часам суток отличается существенной неравномерностью (рис. 2). В то время как подача многоступенчатых турбовоздуходувок – постоянна (на рис. 2 верхняя кривая). Зона между этими кривыми наглядно демонстрирует значительность ресурса энергосбережения, неиспользуемого традиционными воздуходувками.
Регулирование возможно с использованием дросселирования потока на всасывании, либо изменением скорости вращения вала двигателя. Оба способа ведут к снижению КПД. Первый – по причине возрастания потерь при прохождении воздуха через дроссельное устройство. Неэффективность второго обусловлена3 тем, что с понижением частоты турбокомпрессора резко падает гидростатическая составляющая напора, являющаяся диктующей в аэрационной системе. В результате, воздуха, доставляемого в аэротенк, может не хватить для биопроцесса.
Отсюда вывод: там, где высоки тарифы и (или) доля затрат на электроэнергию (по отношению к другим затратам) весома, традиционные многоступенчатые воздуходувки, ввиду невысоких КПД и неэффективности регулирования, резонно заменять.
Значительно большими величинами КПД (рис. 3) обладают одноступенчатые центробежные турбокомпрессоры с поворотными лопатками на входе/ выходе, а также турбокомпрессоры с валом на магнитных или «воздушных» подшипниках
Последние стали выпускаться относительно недавно фирмами ABS, Neuros, Siemens. Они отличаются сверхвысокими скоростями вращения (порядка 30 тыс. об/мин), весьма компактны, эргономичны (рис. 4) и почти бесшумны, правда, довольно дороги. Для их регулирования используются частотные приводы.
Одноступенчатые нагнетатели воздуха с поворотными лопатками (рис. 5) обладают наивысшими к.п.д. и способны сохранять его в широчайшем диапазоне регулирования – от 100 до 40–45 % по номиналу (рис. 3). Благодаря своей конструкции, они гораздо меньше многоступенчатых в размерах (рис. 6).
Вибрация, шум, характерные для традиционных турбонагнетателей, настолько минимизированы, что монета (рис. 7), поставленная ребром на корпус воздуходувки, работающей без замены деталей с 1991 г., не падает.
Основанием одноступенчатого турбокомпрессора служит массивный металлический тенк, наполненный машинным маслом (рис. 8). Благодаря этому воздуходувку можно монтировать без фундамента на пол с использованием компактных пят и клея (рис. 9).
Управление одноступенчатых турбомашин осуществляется поворотом лопаток на входе, а также и на выходе по датчикам кислорода в аэротенке и по температуре воздуха на всасывании. В результате такого тонкого регулирования характеристика подачи воздуха в точности следует неравномерности притока сточных вод, а за счет адаптации к изменению температур, обеспечивается дополнительная экономия 20–25 % (рис. 10).
С экономической точки зрения одноступенчатые воздуходувки с управляемыми лопатками, несмотря на относительную дороговизну, гораздо выгоднее многоступенчатых.
По свидетельству В. Fenske, директора станции аэрации Cape Coral, штат Флорида4 , одноступенчатая турбовоздуходувка потребляет в процессе работы примерно на 40 % меньше электроэнергии, чем многоступенчатая. Старая воздуходувка потребляла 5089,3 кВт/ч в сутки, а новая – всего 2928,6. Диаграмма (рис. 11) показывает посезонную и годовую экономию в деньгах (для мест с более холодной зимой, чем во Флориде эта экономия должна возрасти). Судя по приведенным данным, срок возврата инвестиций (ROI– Return on Investment) на регулируемые воздуходувки составляет 2–2,5 года.
Управляемые одноступенчатые воздуходувки быстро окупаются не только в богатых странах. В родном автору городе Бресте в 2008 г. на станции аэрации взамен двух высоковольтных многоступенчатых воздуходувок по 400 кВт установили две регулируемые одноступенчатые по 355 кВт, 380 В (рис. 12). Годовое потребление электроэнергии снизилось с 7,7 до 6,1 гВт5 . Срок возврата инвестиций составил 2 года
На «Горводоканале» Могилева годовой экономический эффект составляет 3 065 млн рублей в год, а срок окупаемости проекта – 2 года6 при замене многоступенчатых нагнетателей на два регулируемых одноступенчатых по 30 000 м3 /ч каждый.
Представляется, что в обширной инфраструктуре водоотведения не найти объектов более выгодного инвестирования (по ROI), чем воздуходувные установки.
Отметим также, что согласно Федеральному закону № 132-ФЗ от 07.06.2011 организации в отношении вновь вводимых объектов, имеющих высокую энергетическую эффективность или имеющих высокий класс энергетической эффективности, освобождаются от налога на имущество в течение трех лет со дня постановки на учет указанного имущества.
Выводы. Многоступенчатые традиционные воздуходувки ввиду невысоких КПД и неэффективности регулирования резонно заменять там, где высоки тарифы и (или) доля затрат на электроэнергию (по отношению к другим затратам) весома.
Управляемые одноступенчатые турбокомпрессоры обладают наибольшим потенциалом энергосбережения и, несмотря на дороговизну, окупаются быстрее других типов воздуходувок.
В инфраструктуре водоотведения трудно найти более эффективный по ROI объект капиталовложений, чем регулируемое воздуходувное оборудование.