Управление воздуходувками - действенная мера энергосбережения в инфраструктуре водоотведения
В инфраструктуре водоотведения наиболее эффективным объектом капитало вложений по возврату инвестиций является регулируемое воздуходувное оборудование. В городах при высоких тарифах и затратах на электроэнергию рекомендуется заменять традиционные многоступенчатые воздуходувки, ввиду невысоких КПД и неэффективности регулирования, управляемыми одноступенчатыми турбокомпрессорами, которые обладают наибольшим потенциалом энергосбережения. Несмотря на относительно высокую стоимость, они окупаются быстрее других воздуходувок.
Ключевые слова: хозяйственно-бытовые сточные воды, очистные сооружения, водоотведение, воздуходувка, регулирование, аэрация, энергосбережение.
Электроэнергия на канализационных очистных сооружениях в основном используется на отопление, освещение, перекачку сточных вод и ила, аэрацию, обработку осадка. Затраты энергии на аэрацию составляют около 65% общего энергопотребления (рис. 1). В России на очистных сооружениях не менее 80% воздуха подается многоступенчатыми турбокомпрессорами. Во многих российских городах тарифы на электроэнергию приближаются к уровню цен в США. В связи с этим управление подачей воздуха в максимально широком диапазоне с минимальными энергетическими затратами является наиболее эффективной мерой экономии электроэнергии.
Большое количество установленных на очистных сооружениях воздуходувок недогружено на 30–40%, поскольку оборудование часто подбиралось с учетом перспективы, а объем водопотребления и водоотведения в большинстве городов РФ неуклонно снижается. В этой ситуации требуется регулирование подачи воздуха в сторону уменьшения [1]. Плотность воздуха и содержание в нем кислорода существенно зависят от температуры, поэтому изменение подачи воздуха на аэрацию с учетом температуры воздуха – существенный потенциал экономии энергии.
В течение суток хозяйственно-бытовые сточные воды поступают на очистные сооружения неравномерно, в то время как подача воздуха многоступенчатыми турбовоздуходувками постоянна. При использовании традиционных воздуходувок регулирование подачи воздуха можно реализовать дросселированием потока на всасывании либо изменением скорости вращения вала двигателя. Оба способа приводят к снижению КПД. Первый – по причине возрастания потерь при прохождении воздуха через дросселирующее устройство. Неэффективность второго обусловлена тем, что со снижением частоты вращения турбокомпрессора резко падает гидростатическая составляющая напора, которая является диктующей в аэрационной системе [2]. Поэтому при высоких тарифах и (или) высокой доле затрат на электроэнергию (по отношению к другим затратам) традиционные многоступенчатые воздуходувки не эффективны.
Значительно более высоким КПД обладают одноступенчатые центробежные турбокомпрессоры с поворотными лопатками на входе и выходе, а также с валом на магнитных или «воздушных» подшипниках (рис. 2). Вторые стали выпускаться относительно недавно фирмами «ABS», «Neuros», «Siemens». Они отличаются сверхвысокой скоростью вращения (порядка 30 тыс. об/мин), компактностью, эргономичностью, почти бесшумны, однако довольно дороги. Для их регулирования используются частотные электроприводы.
Одноступенчатые нагнетатели воздуха с поворотными лопатками (рис. 3) обладают наивысшим КПД и способны сохранять его в широком диапазоне регулирования – от 100 до 40–45% по номиналу (рис. 2), имеют гораздо меньшие размеры по сравнению с многоступенчатыми нагнетателями (рис. 4). Вибрация и шум, характерные для традиционных турбонагнетателей, минимизированы. В качестве основания одноступенчатого турбокомпрессора служит массивный металлический резервуар, наполненный машинным маслом (рис. 5). Благодаря этому воздуходувку можно монтировать на пол (без фундамента) с помощью компактных пят и клея (рис. 6).
Управление одноступенчатыми турбомашинами осуществляется поворотом лопаток на входе и выходе по датчикам кислорода в аэротенке и температуре воздуха на всасывании. В результате такого тонкого регулирования подача воздуха может полностью соответствовать неравномерности притока сточных вод, а за счет адаптации к изменению температуры воздуха обеспечивается дополнительная экономия порядка 20–25% (рис. 7). Одноступенчатые воздуходувки с управляемыми лопатками, несмотря на относительно высокую стоимость, гораздо выгоднее многоступенчатых.
По данным работы [3], при параллельных испытаниях одноступенчатая воздуходувка потребляла примерно на 40% меньше электроэнергии, чем многоступенчатая. На станции аэрации Cape Coral (штат Флорида, США) многоступенчатая воздуходувка потребляла 5089 кВт·ч/сут, а одноступенчатая – всего 2928,6 кВт·ч/сут. На диаграмме (рис. 8) показана сезонная и годовая экономия затрат (для мест с более холодной зимой, чем во Флориде, эта экономия должна возрасти). Согласно приведенным данным, срок возврата инвестиций (Return on Investment – ROI) на регулируемые воздуходувки составил 2–2,5 года.
В 2008 г. в Бресте (Белоруссия) на станции аэрации взамен двух высоковольтных многоступенчатых воздуходувок мощностью 400 кВт каждая установили две регулируемые одноступенчатые установки мощностью 355 кВт (380 В) каждая (рис. 9). Годовое потребление электроэнергии снизилось с 7,7 до 6,1 ГВт. Срок возврата инвестиций составил 2 года [4].
По данным [5], при замене многоступенчатых нагнетателей двумя регулируемыми одноступенчатыми агрегатами производительностью 30 тыс. м3 /ч (Горводоканал г. Могилева, Белоруссия) годовой экономический эффект составил 3,065 млн. руб, а срок окупаемости – 2 года
Таким образом, в инфраструктуре водоотведения наиболее выгодным объектом инвестиций (по финансовому коэффициенту ROI) являются именно воздуходувные установки. К тому же, согласно Федеральному закону от 7 июня 2011 г. № 132-ФЗ «О внесении изменений в статью 95 части первой, часть вторую Налогового кодекса Российской Федерации…», организации или вновь вводимые объекты, имеющие высокий класс энергетической эффективности, освобождаются от налога на имущество в течение трех лет со дня постановки на учет
Выводы
При высоких тарифах и затратах на электроэнергию на канализационных очистных сооружениях взамен традиционных многоступенчатых воздуходувок, ввиду их невысоких КПД и неэффективности регулирования, рекомендуется устанавливать управляемые одноступенчатые турбокомпрессоры. Они обладают наибольшим потенциалом энергосбережения и, несмотря на относительно высокую стоимость, окупаются быстрее других воздуходувок.
