Энергосбережение - как критерий выбора воздуходувки
Современные воздуходувные станции предназначены для подачи сжатого воздуха к основным потребителям станций аэрации: аэротенкам, преаэраторам, смесителям, аэробным стабилизаторам ила, реагентному хозяйству, аэрируемым прудам и т.п. Суть пневматической системы аэрации предполагает распределение воздуха или кислородсодержащего газа под давлением по магистральным и воздухораспределительным трубопроводам к аэраторам-диспергаторам, установленным под слоем воды в аэротенках, рис. 1.
Выбор воздуходувных машин определяется количеством воздуха, потребляемого на станции аэрации, и давлением нагнетания, которое устанавливается при расчете системы воздуховодов. Аналогично насосной технике целесообразно определять «рабочую точку» подачи воздуха при параллельной работе рабочих воздуходувок и воздухопровода.
В соответствие с классификацией (рис. 2), для подачи воздуха нормального давления 0,16–0,17 МПа, но не более 0,185–0,19 МПа на крупных объектах обычно используют центробежные воздуходувки и нагнетатели (многоступенчатые и одноступенчатые). Примером крупного производства многоступенчатых агрегатов является сегодня ОАО «Завод Узбекхииммаш», выпускающий широкую гамму оборудования (марки от ТВ-42-1,4 до ТВ-300-1,6, производительностью 3600–18 000 м3/ч, мощностью 55–400 кВт), а также ОАО «Дальэнергомаш» (марки ЦНВ 300/1,6 и ЦНВ 300/1,8 до 18 600 м3/ч). Последний производитель имеет в своей производственной программе одноступенчатые высокооборотные (с зубчатой передачей) нагнетатели типа ЦНВ 80/1,85; ЦНВ 100/1,8; ЦНВ 130/1,85 и ЦНВ 160/1,8, диапазоном подач 4200 – 10 500 м3/ч, мощностью 120–262 кВт.
Для очистных установок малой производительности используют объемные агрегаты (винтовые и роторные). Достаточно редко используют низконапорную систему аэрации с вентиляторами высокого давления (2–8 кПа), ее мы не рассматриваем.
В контексте энергосбережения для станций аэрации с целью анализа выбраны системы пневматической аэрации (см. табл. 1), как обладающие наибольшей эффективностью. На сегодня современным решением является совместное использование центробежных воздухонагнетателей и мелкопузырчатых аэраторов.
Оптимальное проектирование воздухонагнетателей предполагает получение серьезного экономического эффекта от их внедрения за счет управления самым энергозатратным оборудованием станции аэрации. Выбранное оборудование должно удовлетворять трем условиям:
• иметь высокий базовый КПД,
• диапазон управления подачей воздуха должен быть достаточно широк,
• КПД в диапазоне подач воздуха должен сохранять высокие величины
Суть энергосбережения заключается в разницепотребляемойэлектроэнергиидляуправляемого и неуправляемого режимов подач воздуха в аэротенки (рис. 3). Предположим, проектировщик правильно назначил потребляемую электроэнергию для воздуходувного оборудования – 100 %, на базе КПД реальных воздуходувок (черная пунктирная линия).
При внедрении выбранного оборудования (нерегулируемые воздуходувки) в эксплуатацию характеристика потребляемой электроэнергии (синяя линия) в течение суток колеблется в зависимости от температуры (или плотности) исходного воздуха. Количество потребляемой электроэнергии в любые сутки года не должно превысить величину, определенную проектом (черную пунктирную линию).
При внедрении управляемых процессов в технологический проект проектировщику целесообразно подобрать управляемые воздуходувки в соответствии с принципами воздействия: 1 – использование преобразователей частота-ток в контуре регулирования, 2 – использование оборудования с механическим изменением поворота выходного и/или входного направляющего аппарата. Количество сэкономленной электроэнергии – разница между двумя кривыми, синей и красной.
График на рис. 3 является реальным и типичным для суточной неравномерности колебаний технологической нагрузки. Построить его достаточно просто при эксплуатации очистных сооружений при наличии на объекте: 1 – управляемых воздухонагнетателей, 2 – контрольных технологических датчиков, связанных с АСУ ТП. Пока не оговариваем, насколько проект АСУ ТП должен быть детально проработан, поскольку «сливки» энергосбережения можно получить, используя достаточно примитивные решения. Главный вопрос, как на стадии проекта предсказать величину энергосбережения? Ведь она изменяется посуточно и посезонно.
Величины плотности воздуха зависят от его температуры и давления. Суточные и сезонные колебания температуры воздуха определяют объемы воздуха, требуемые для биологической очистки на станциях аэрации. С другой стороны, величины плотности воздуха увеличиваются с повышением давления воздуха, следовательно, при проектировании аэрационных систем следует также учитывать барометрическое давление или высоту над уровнем моря. Масса воздуха, перекачиваемая компрессором в любую единицу времени зависит от объема, температуры и давления.
Расчеты базируются на суточных изменениях технологических нагрузок по сезонам года [1, 2]. В соответствии с расчетным режимом, массовый расход можно переводить в объемный при заданной температуре, барометрическом давлении и влажности [3].
Энергопотребление центробежных воздухонагнетателей при аэрации можно рассчитать на основе воздушного потока, сжатия и внешних потерь. При проектировании воздухонагнетателей, а также при расчете энергопотребления необходимо учесть два условия:
• массовый расход воздуха,
• политропный напор
Удельный политропный напор – это напор, необходимый для политропного сжатия газа от общего давления и общей температуры на входе до общего давления на выходе [4].
Массовый расход и политропный напор определяют фактическую мощность, необходимую при конкретных условиях по давлению и температуре, за исключением потерь. Удельная работа воздухонагнетателя – это фактическая мощность, включающая потери от редуктора, двигателя, подшипников, частотно-регулируемых приводов, термической и вязкой диссипации. Отношение между фактической мощностью и политропным напором представляет собой политропный КПД.
Энергопотребление компрессора без внешних потерь можно рассчитать на основе политропного напора, массового расхода и КПД [5]. Объемный расход воздуха, удельный политропный напор и мощность воздуходувки зависят от сезонных изменений температуры воздуха. Представленные уравнения могут быть определены для любого из вариантов: нерегулируемое воздуходувное оборудование или управляемые воздухонагнетатели. Разница необходимой мощности воздуходувки в рассматриваемых вариантах выразит количество сэкономленной электроэнергии.
Массовый расход воздуха (для нормальных условий) в приведенной системе уравнений зависит от суточных колебаний технологической нагрузки: расходов, концентраций сточных вод. Также имеет значение содержание кислорода в подаваемом воздухе в соответствие с сезоном года.
Данные величины суточных изменений требуют предварительного определения. Оценка суточной неравномерности может быть выполнена в соответствие с произвольной логикой на основании экспериментальных данных, но обязательно с учетом статистически реального объекта за характерный период. Одним из примеров методики обработки данных может послужить математическое моделирование реального объекта с целью получения массового расхода [1,6].
Графический анализ взаимного влияния величин представлен в относительных единицах от проектных величин на рис. 4–5. Практический интерес, связанный с характером неравномерности колебаний технологических нагрузок, а также климатологией может представлять факт принадлежности исходных данных г. Саратову с населением 870 тыс. жителей. Расчеты базируются на использовании управляемых воздухонагнетателей фирмы Siemens TE (Дания) с политропным КПД 82 %.
Подробные исследования включали разработку методики оценки [1,2]:
Неравномерности суточного поступления количества и качества сточных вод
Качества сточных вод, как параметра вводных данных для математического моделирования
Исследования свидетельствуют о значительном снижении энергопотребления при регулировании скорости подачи воздуха в соответствии с суточными и сезонными колебаниями технологических нагрузок (по расходам и концентрациям), температуры и политропного напора.
Регулирование объема подачи воздуха позволяет регулировать интенсивность аэрации в соответствии с необходимостью. Без управления процессами аэрации объем подачи воздуха сохраняется постоянным, в то время как энергопотребление изменяется в соответствии с массовым расходом и политропным КПД. Максимальное расчетное энергопотребление наблюдалось у нерегулируемого воздухонагнетателя в зимний период, минимальное – у управляемого воздухонагнетателя в зимний период. Таким образом, снижение энергопотребления было максимальным в зимний период и минимальным – в летние месяцы.
Расчеты в соответствии с представленной методикой не зависят от способа управления воздуходувными агрегатами. Данный способ может быть реализован, например, с использованием частотного регулирования, тогда политропный напор следует корректировать вводом КПД регулируемого электропривода (97–98 %) и обязательно рассматривать область падения КПД в диапазоне регулирования частот, что может составить, например 92–98 %.
При проектировании реальных объектов с управляемым воздуходувным оборудованием (рис. 6) следует отчетливо представлять технически возможный диапазон их регулирования (рис. 7).
Анализ расчета суточного энергопотребления в течение четырех сезонов года для управляемого и нерегулируемого воздухонагнетателей (рис. 5 и 7) свидетельствует:
При управлении агрегатами требуется обеспечить минимальный диапазон глубины регулирования производительности 50–100 %. Это позволит реализовать общую стратегию управления агрегатами по принципу включения/выключения. Недостаток обозначенной глубины регулирования отражается на кривой (рис. 3) дополнительными энергозатратами или нереализованным энергосбережением. Повышенная глубина регулирования 40(45)–100 % создает комфортный для эксплуатации запас при переключении агрегатов. Из анализа рис. 7 можно сделать вывод, что три типа агрегатов (два типа одноступенчатых и роторные) обеспечивают минимальное требование к диапазону управления.
Доминирующая область управления воздухонагнетателями – это зона повышенной активности работы агрегатов. Наибольшее время работы сосредотачивается именно в этой области, поэтому здесь важно регулярно сохранять максимально достижимые КПД. И наоборот, падание КПД в этой зоне приводит к повышению энергозатрат.
В табл. 2 представлены рабочие характеристики воздухонагнетателей, иллюстрирующие рис. 7.
На величины гарантированных отклонений от заявленных параметров (или допусков на изготовление оборудования) также следует обращать внимание. Тенденция изменения рабочих характеристик оборудования после его производства не всегда носит желательный для заказчика характер: расходы воздуха могут быть несколько ниже, а потребляемая мощность чуть выше гарантированных величин.
Роторные воздухонагнетатели (рис. 7) обладают отличной управляемостью (с помощью частотного регулируемого электропривода РЭП: 45–100 %), кроме того широко используются на станциях аэрации малой производительности. Они просты в конструктивном отношении, что часто поддерживается службой эксплуатации именно небольших объектов. Но, поскольку ничего универсального не бывает, данное оборудование обладает недостатком – низким базовым КПД (50–61 %).
КПД многоступенчатых центробежных нагнетателей заметно выше: 51–73 %. Производителей этих агрегатов много, для российского потребителя достаточно лишь заметить, что к этому типу относятся воздухонагнетатели ТВ, выпускаемые ОАО «Завод Узбекхииммаш». Относительно регулирования данных воздухонагнетателей выдающийся специалист в области регулирования д.т.н. Б.С. Лезнов, выполнил заключение «Применение РЭП для воздуходувных агрегатов станций аэрации не целесообразно, потому что они работают с низкой динамической и большой статической составляющей напора, обусловленными уровнем сточной жидкости в аэротенках» [7].
С этим необходимо согласиться, так как кривую многоступенчатых агрегатов (рис. 7) требуется очень точно подобрать «под объект», что в российских условиях реализуется с некоторой условностью. В результате область регулирования на практике значительно сужается. На практике регулированию в большей степени подвергаются напоры. В результате взамен регулирования «по подаче воздуха» реализуется процесс недостаточности напора, т.е. воздух в аэротенки перестает подаваться, а воздухонагнетатели продолжают работать.
Регулирование производительности центробежных многоступенчатых воздухонагнетателей возможно также осуществить путем прямого дросселирования воздушного потока регулирующим клапаном на входе воздуходувного агрегата. Это приводит к возникновению неравномерности полей давления среды на всасывающем патрубке (всасе), снижению диапазона регулирования, появлению значительных градиентов скорости, что крайне нежелательно, поскольку снижает политропический КПД агрегата в целом. Характеристика центробежного нагнетателя при этом перестраивается, а относительный расход электроэнергии, (кВт.ч)/1000м3, возрастает ориентировочно на 25 %. Поэтому дросселирование на всасе -малоэкономичный способ регулирования производительности агрегата.
Широко распространенные на практике многоступенчатые центробежные нагнетатели с РЭП не реализуют в достаточной степени стратегию управления для выделенных областей и диапазонов регулирования (рис. 7).
Воздуходувные агрегаты с прямым приводом и частотным регулированием РЭП относятся к категории высокоскоростных воздухонагнетателей (15–40 тыс. об/мин) с диапазоном подачи до 12 тыс. м3/мин. Они снабжаются воздушными подшипниками и относятся к инновационной технике, пока еще не прошедшей широкомасштабную проверку. КПД достаточно высок:74–79 %. Однако, как и многоступенчатые агрегаты, они не реализуют в достаточной степени стратегию управления для выделенных областей и диапазонов регулирования.
Высокоскоростные воздухонагнетатели предлагают современную альтернативу роторным объемным агрегатам с пониженным КПД для объектов малой/средней производительности, реализуя главную цель – энергосбережение. Поскольку малых объектов в количественном отношении множество и сектор бизнеса значителен, то и достаточно большое количество фирм- производителей пытаются освоить этот рынок (рис. 8).
Все из представленных агрегатов компактно выполнены в шумопоглощающих кожухах (65–85 дБ), снабжены средствами частотного регулирования, а высокая скорость оборотов реализуется с помощью магнитных или воздушных подшипников. Siemens TE (STC-DO) - единственный из представленных агрегатов обладает многофункциональной способностью к частотному управлению в сочетании с двойным регулированием направляющего аппарата. Это позволяет поддерживать повышенные КПД (до 84 %) в управляемом диапазоне по сравнению с представленными на рис. 7 характеристиками.
Способ регулирования одноступенчатых центробежных воздухонагнетателей (верхние кривые на рис. 7) принципиально отличается устройством регулируемого направляющего аппарата на всасе и на напоре (рис. 9). На практике встречаются агрегаты как с двойным регулированием, так и с одинарным (со стороны всаса). При регулировании характеристики центробежного агрегата перестраиваются, зона устойчивой работы резко увеличивается, потребляемая мощность уменьшается.
Положение направляющего аппарата или «аэродинамических лопаток» регулируется в зависимости от потребности в воздухе и по сигналам панели управления. Эти сигналы, как правило, ориентированы на показания датчика давления в воздушной магистрали, изменяющиеся вследствие управления воздушной заслонкой. Управление заслонкой носит технологический характер, например, в зависимости от концентрации растворенного кислорода и др. в аэротенках
Одноступенчатые турбокомпрессоры с двойным регулированием - наиболее энергосберегающее решение, позволяющее сохранять высокий КПД 80–86 % на полном диапазоне регулирования (40-100 % производительности). Подобные воздухонагнетатели обладают минимальным сроком окупаемости вследствие высоких КПД, реализации стратегии управления в выделенных областях и диапазонах регулирования. Низкие эксплуатационные расходы/длительное использование обеспечивается за счет подшипников, смазываемых маслом, и отличного качества. Только за счет сезонного и суточного регулирования ежегодное энергосбережение достигает 30 %.
Рабочий орган – турбина фрезеруется из цельного высокосортного сплава, используемого при производстве турбин самолетов (рис. 10). Для производства используются цифровые станки с многопозиционной ориентацией фрезера. Форма турбины, как правило, хранится в компьютерной базе данных, при этом сама турбина уже прошла испытания в реальных условиях. Новые формы турбин сочетают все достоинства предшествующих вариантов изготовления, поэтому улучшение технических характеристик связано с увеличением КПД
Заводы-изготовители воздухонагнетателей представлены в табл. 3.
Если заказчик на своем объекте предполагает реализацию эффекта энергосбережения, требуется выбор управляемого воздуходувного оборудования. Использование управляющих технологических средств автоматики приветствуется, поскольку за счет оперативности реагирования повышается общая эффективность систем до 10 %. Кроме того, автоматизация понижает трудовые ресурсы и оптимизирует процесс.
Принимать решение об использовании определенного типа воздухонагнетателей следует, исходя из производительности объекта, цены оборудования и совокупной стоимости его владения.
При выборе воздухонагнетателей также важно учитывать:
• Напряжение сети 0,38, 0,66, 6, 10 кВ
• Величину падения КПД за счет использования РЭП, это снижает общий КПД системы
• Величины допустимых отклонений от заявленных производителем параметров (производительности, давления, мощности). Эти величины могут достигать ±5 %, при этом производитель гарантирует сохранение рабочих характеристик не только в сторону увеличения, но, к сожалению, и уменьшения
• Корректность проведенных расчетов на соответствие температурным режимам года, влажности. Каталожные данные воздухонагнетателей, как правило, соответствуют стандартным условиям
• Референс-лист агрегатов подобной производительности, в качестве подтверждения опыта эксплуатации
• Материалы, конструктивные особенности, скорость вращения, обеспечение заводских тестовых испытаний.
Выводы
Расчетная методика оценки энергосберегающего эффекта при управлении воздуходувным оборудованием позволяет оценивать энергосберегающие эффекты в процессах суточного и сезонного регулирования
За счет сезонного и суточного управления подачей воздуха в аэротенки возможно сэкономить порядка 30 % потребляемой мощности, что становится достижимым при использовании воздухонагнетателей с диапазоном регулирования производительности 50–100 %.
Из центробежных агрегатов целесообразно отдать техническое предпочтение одноступенчатым воздухонагнетателям с двойным (всас + напор) регулируемым направляющим аппаратом. Диапазон регулирования по воздуху максимален 40– 100 %, а КПД в этом диапазоне падает всего на 4 %, сохраняя высокие величины 80–86 %. Экономия в основном обусловливается технологической возможностью регулирования скорости подачи воздуха компрессорами с одновременным поддержанием КПД на высоком уровне. Одноступенчатые агрегаты с регулируемым всасом также экономичны, при аналогичном диапазоне регулирования КПД изменяется на 13 % (70–83 %).
Воздухонагнетатели с частотно – регулируемым приводом распределяются в соответствии с убыванием КПД: с прямым приводом высокоскоростные (74–79 %), многоступенчатые центробежные (51–73 %), роторные (50–61 %).
Агрегаты с прямым приводом высокоскоростные и многоступенчатые центробежные не реализуют в достаточной степени стратегию управления для выделенных областей и диапазонов регулирования.