Окупаемость регулированием. Оптимальное проектирование воздуходувок может дать экономию порядка 30% потребляемой мощности.

Применяемое на станциях аэрации воздуходувное оборудование может и должно быть высокоэффективным с точки зрения окупаемости. За счет сезонного и суточного управления подачей воздуха в аэротенки возможно сэкономить порядка 30% мощности, что достигается использованием воздуходувок с диапазоном регулирования производительности более 50-100%. Из центробежных агрегатов наиболее предпочтительными являются одноступенчатые воздухонагнетатели с двойным регулируемым направляющим аппаратом.

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

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 соответствии с классификацией (рис. 1) 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 (много и одноступенчатые). Примером крупного производства многоступенчатых агрегатов является сегодня ОАО «Завод Узбекхиммаш», выпускающее широкую гамму оборудования (марки от ТВ-42-1,4 до ТВ-300- 1,6, производительностью 3600 - 18 000 м3 /час, мощностью 55 - 400 кВт), а также ОАО «Дальэнергомаш» (марки ЦНВ 300/1,6 и ЦНВ 300/1,8 до 18 600 м3 /час). 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 применяется низконапорная система аэрации с вентиляторами высокого давления (2 - 8 кПа), поэтому мы ее не рассматриваем.

В контексте энергосбережения для станций аэрации с целью анализа нами выбраны системы пневматической аэрации (таблица 1), как обладающие наибольшей эффективностью. Самым современным сочетанием сегодня 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 разнице потребляемой электроэнергии для управляемого и неуправляемого режимов подач воздуха в аэротенки (рис. 2). Предположим,проектировщик правильно назначил потребляемую электроэнергию для воздуходувного оборудования - 100%, на базе КПД реальных воздуходувок (черная пунктирная линия). При внедрении выбранного оборудования в эксплуатацию (нерегулируемые воздуходувки) 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 ПЧТ в контуре регулирования, 2 - использование оборудования с механическим изменением поворота выходного и/или входного направляющего аппарата. Количество сэкономленной электроэнергии есть разница между двумя «кривыми» — синей и красной. 

График на рис. 2 является реальным и типичным для суточной неравномерности колебаний технологической нагрузки. Получить его достаточно просто при эксплуатации очистных сооружений, в условиях наличия на объекте: 1 - управляемых воздухонагнетателей, 2 - контрольных технологических датчиков, связанных с АСУ ТП. Мы пока не оговариваем, насколько проект АСУ ТП должен быть детально проработан, поскольку «сливки» энергосбережения можно получить, используя достаточно примитивные решения. Главный вопрос состоит в том, 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 воздействуют на 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. 

Закон идеального газа соотносит изменения плотности воздуха с изменениями температуры и давления:

где: p - давление воздуха (Па), V - объем воздуха (м3 ), n - количество молей газа (мол), R - универсальная газовая постоянная (Дж/(кг· К)), и T - температура (К). 

Масса воздуха, перекачиваемая компрессором в любую единицу времени, таким образом, зависит от объема, температуры и давления. 

Плотность воздуха, ρ (кг/м3 ) - это масса воздуха,⎯m (кг), на единицу объема, V (м3 ), или массовый расход (кг/ч), поделенный на объемный рас ход,⎯V (м3 / ч).

Величина энергосбережения может быть представлена в проекте. Расчеты базируются на суточных изменениях технологических нагрузок по сезонам года [1,2], с описанием расчетных зависимостей системой уравнений:

cp - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг·К), p1 и p2 - давление на входе и выходе; k - отношение между удельной теплоемкостью при постоянном давлении и удельной теплоемкостью при постоянном объеме;

ηis - политропный КПД для центробежного сжатия (характеристика принятого воздухонагнетателя).

В соответствии с расчетным режимом массовый расход можно переводить в объемный (3) 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 и политропный напор.

Удельный политропный напор (4), ηis (Дж/кг) - 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, частотн-орегулируемых приводов, термической и вязкой диссипации. Отношение между фактической мощностью и политропным напором представляет собой политропный КПД, ηis, за исключением тепловых потерь, при постоянной энтропии.

h0 где - удельная работа [5].

Энергопотребление компрессора без внешних потерь можно рассчитать на основе политропного напора, массового расхода и КПД (5).

Анализируя уравнения 3-5, легко заметить, что объемный расход воздуха ⎯V, удельный политропный напор ηis и мощность воздуходувки P зависят от сезонных изменений температуры воздуха Tin. Представленные уравнения могут быть определены для любого из вариантов: нерегулируемое воздуходувное оборудование или управляемые воздухонагнетатели. ΔP между рассматриваемыми вариантами выразит количество сэкономленной электроэнергии.

Массовый расход воздуха ⎯m (для нормальных условий) в приведенной системе уравнений зависит от суточных колебаний технологической нагрузки: расходов, концентраций сточных вод. Кроме того, он зависит от %- го содержания кислорода в подаваемом воздухе в соответствии с сезоном года.

Данные величины суточных изменений требуют предварительного определения. Оценка суточной неравномерности может быть выполнена в соответствии с произвольной логикой на основании экспериментальных данных, но обязательно с учетом статистических данных реального объекта за характерный период. Одним из примеров методики обработки данных может послужить математическое моделирование реального объекта с целью получения массового расхода ⎯m [1, 6]. Поскольку данный параметр зависит от времени, то общая система уравнений 3-5, включая ⎯m, может быть выражена в частных производных по времени.

Описанные взаимные влияния величин трудно представить без конкретного анализа. Графический анализ представлен в относительных единицах от проектных величин (рис. 3 и 4), и с целью разработки обобщающей методики расчетно-графических зависимостей. Практический интерес, связанный с характером неравномерности колебаний технологических нагрузок, а также климатологией, может представлять факт принадлежности исходных данных к г. Саратову с населением 0,87 млн. жителей. Кроме того, расчеты базируются на использовании управляемых воздухонагнетателей фирмы Siemens TE (Дания) ηis = 82%.

Подробные исследования включали разработку следующих методик 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. 

Представленные уравнения 3-5 не зависят от способа управления воздуходувными агрегатами. Данный способ может быть реализован, например, с использованием частотного регулирования, тогда ηis следует корректировать вводом КПД регулируемого электропривода (порядка 97-98%) и обязательно рассматривать область падения КПД в диапазоне регулирования частот, что может составить, например, 92-98%. 

При проектировании реальных объектов следует весьма отчетливо представлять технически возможный диапазон регулирования воздуходувным оборудованием (рис. 5). 

Анализ рис. 5 свидетельствует: 

1. 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. 2) дополнительными энергозатратами или нереализованным энергосбережением. Повышенная глубина регулирования 40(45)-100% создает некоторый комфортный для эксплуатации запас при переключении агрегатов.

2. 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.

3. Минимальное требование к диапазону управления обеспечивают три типа агрегатов.

Роторные воздухонагнетатели (рис. 5) обладают отличной управляемостью (с помощью частотного регулируемого электропривода РЭП: 45- 100%), кроме того, широко используются на станциях аэрации малых производительностей. Они просты в конструктивном отношении, что часто поддерживается службой эксплуатации именно малых объектов. Но, поскольку ничего универсального не бывает, данное оборудование обладает недостатком - низким базовым КПД (50-61%).

КПД многоступенчатых центробежных нагнетателей заметно выше 51-73%. У этих агрегатов много производителей, для российского потребителя достаточно лишь заметить, что к этому типу относятся воздухонагнетатели ТВ, ОАО «Завод Узбекхиммаш». Относительно регулирования данных воздухонагнетателей д.т.н. Б.С. Лезнов, выдающийся специалист в области регулирования, выполнил [7] заключение «Применение РЭП для воздуходувных агрегатов станций аэрации нецелесообразно, потому что они работают с низкой динамической и большой статической составляющей напора, обусловленными уровнем сточной жидкости в аэротенках». 

Это абсолютно верно, ведь «кривую многоступенчатых агрегатов» (рис. 5) требуется очень точно подобрать «под объект», что в российских условиях реализуется с некоторой условностью. В результате область регулирования на практике значительно сужается. А технолог, приводящий аргумент «с целью регулирования многоступенчатого агрегата принимаем к устройству РЭП», часто ошибается, т.к. он имеет в виду регулирование производительности, а на практике регулированию в большей степени подвергаются давления. В результате вместо регулирования «по подаче воздуха» реализуется процесс недостаточности давления, т.е. воздух в аэротенки перестает подаваться, а воздухонагнетатели продолжают работать.

Регулирование производительности центробежных многоступенчатых воздухонагнетателей возможно также путем прямого дросселирования воздушного потока регулирующим клапаном на входе воздуходувного агрегата. Это приводит к возникновению неравномерности полей давления среды на 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. 5). 

Воздуходувные агрегаты с прямым приводом и частотным регулированием РЭП относятся к категории высокоскоростных воздухонагнетателей (15-40 тыс. об./мин.) с диапазоном подач до 16 тыс. м3 /мин. Они снабжаются воздушными подшипниками и относятся к инновационной технике, пока еще не прошедшей широкомасштабную проверку. КПД довольно высок - 74-79%, но, как и многоступенчатые агрегаты, они не реализуют в достаточной степени стратегию управления для выделенных областей и диапазонов регулирования (рис. 5).

«Верхние кривые» (рис. 5) относятся к одноступенчатым центробежным воздухонагнетателям. Причем способ их регулирования отличается принципиально устройством регулируемого направляющего аппарата на «всасе» и на «напоре» (рис. 6). 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 ее воздушной заслонкой. (Примечание: управление этой воздушной заслонкой носит технологический характер, например, в зависимости от концентрации растворенного кислорода (и др.) в аэротенках).

Одноступенчатые турбокомпрессоры с двойным регулированием являются наиболее энергосберегающим решением в соответствии с технологией их изготовления, позволяющей сохранять высокий КПД - порядка 80-84% (до 86%) на полном диапазоне регулирования (в пределах 40- 100% их производительности). Подобные воздухонагнетатели обладают минимальным сроком окупаемости вследствие высоких КПД, реализации стратегии управления в выделенных областях и диапазонах регулирования. Низкие эксплуатационные расходы/длительное использование  подшипники, смазываемые маслом, и общее отличное качество минимизируют обслуживание и увеличивают срок службы. Только за счет сезонного и суточного регулирования ежегодные энергетические сбережения для станций аэрации достигают 30%.

Рабочий орган - турбина - при производстве фрезеруется из цельного высокосортного сплава, используемого при производстве турбин самолетов (рис. 7). Для его 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.

Компании производители воздухонагнетателей, изображенных на рис. 1, представлены в таблице 2.

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 в соответствии с рис. 1 следует на основе производительности объекта, цены оборудования и совокупной стоимости его владения (LCC).

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 условия соответствия температурным режимам года, влажности. Каталожные данные воздухонагнетателей, как правило, соответствуют стандартным условиям;

- референслист агрегатов подобной прозводительности, в качестве подтверждения опыта эксплуатации; 

- материалы, конструктивные особенности, скорость вращения, обеспечение заводских тестовых испытаний.

Итак, рассчитаем пользу от внедрения наиболее энергосберегающего оборудования, например, центробежных одноступенчатых агрегатов с повышающим редуктором. Характеристики: диапазон регулирования - 40-100%, изменения КПД - 82-84%. Предположим, что с целью энергосбережения данный тип воздухонагнетателей удалось внедрить на действующих станциях аэрации в России. Какова будет величина сэкономленной электроэнергии?

В России порядка 96,3 млн. жителей (~66% из 141,8 млн.) охвачено полноценными системами канализования с устройством биологической ступени очистки. Годовая экономия энергии для города «миллионника» при условии 35% энергосбережения (25% - только за счет суточной неравномерности, 10% - за счет высокого КПД) составляет порядка 6670 МВт/год. То есть общероссийское энергосбережение составит 642 ГигаВт/год. Данная величина эквивалентна Рыбинской ГЭС. А какой экологический эффект несет энергосбережение 642 ГВт/год, если принять за альтернативу сжигание топлива? Данная величина эквивалентна сокращению выбросу СО2 в размере 2,7 Мтонн/год, что эквивалентно выбросам от 710 тыс. автомобилей.

Выводы

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%, сохраняет высокие величины  80-84% (до 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 частотнорегулиремым приводом распределяются в соответствии с убыванием КПД в последовательности: 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.