Способы регулирования воздуходувок для аэрации сточных вод

Рассмотрены методы регулирования подачи воздуха для аэрации с помощью воздуходувок на очистных сооружениях канализации: дросселирование перед входным патрубком воздуходувки заслонкой; изменение скорости вращения вала частотно-регулируемым электроприводом; изменение угла атаки потока воздуха до и после рабочего колеса поворотными лопатками, смонтированными внутри воздуходувки.

Ключевые слова: аэрация сточных вод, воздуходувная установка, регулирование подачи воздуха, энергетическая эффективность.

Значительная неравномерность (сезонная и суточная) поступления сточных вод на очистку и колебания температуры воздуха, идущего на аэрацию, предопределяют огромную выгоду от регулирования подачи воздуха. Потенциал ее, с учетом повсеместной недостаточной нагрузки на очистные сооружения, достигает 50% и более. Поэтому управление подачей воздуха является экономически выгодным мероприятием и по энергосбережению, и по окупаемости инвестиций в сфере водоотведения [1]. Спрос на регулирование подачи воздуха способствовал созданию и совершенствованию установок, нагнетающих воздух в управляемом режиме. Обозначились разные подходы к системам и аппаратам регулирования. В пользу любого из них можно привести много доводов о технологичности, уникальности, эффективности, но предпочтение отдается той установке, которая наиболее соответствует особенностям системы и процесса

Рассмотрим процесс обработки сточных вод микроорганизмами, для жизнедеятельности которых в слой жидкости по системе трубопроводов через аэраторы подается воздух. Именно высотой этого слоя определяется напор воздуходувной установки, так как потери в воздуховодах практически отсутствуют из-за их большого сечения и незначительной протяженности. Поэтому на графике характеристика воздуховода описывается почти горизонтальной линией с постоянным значением по оси ординат, равным гидростатическому напору (давлению), требующемуся на преодоление столба жидкости в аэротенке.

Существуют три основных метода регулирования количества воздуха на аэрацию: дросселирование перед входным патрубком воздуходувки заслонкой; изменение скорости вращения вала частотно-регулируемым электроприводом; изменение угла атаки потока воздуха до и после рабочего колеса поворотными лопатками, смонтированными внутри воздуходувки. Данные методы используются на городских сооружениях очистки сточных вод применительно к центробежным воздуходувкам. Последний метод является наиболее предпочтительным для аэрации сточных вод.

Прямое дросселирование воздушного потока входным поворотным клапаном приводит к появлению неравномерности полей давления среды во всасывающей камере, наличию разрывного режима течения среды, возникновению больших градиентов скорости [2]. Это увеличивает переменно-пульсационную нагрузку на сис тему аэрации, тем самым снижая ее прочность и срок службы и нанося вред процессу. Таким способом регулируются отечественные воздуходувки ЦНВ. Характеристика отечественного агрегата ЦНВ представляет собой кривую (рис. 1) с восходящей и ниспадающей ветвями. При наложении на этот график характеристики воздуховода линии могут пересечься в двух точках Q1 и Q2. То есть воздуходувка войдет в режим переменной работы то с подачей Q1, то с подачей Q2 и попеременной нагрузки. Данный неустойчивый режим называется помпажем, и эксплуатировать машину в нем нельзя.

Метод с использованием частотно-регулируемого электропривода стал чаще применяться с появлением сверхскоростных воздуходувок на воздушных или магнитных подшипниках. Эти машины привлекают потребителя множеством запатентованных новинок, бесшумностью, эргономичностью, компактностью, плавным регулированием в широком диапазоне, а также экономичностью, обусловленной отсутствием трения между валом и подшипниками. Признавая уровень хай-тек за данными изделиями, нельзя не учитывать и следующие контраргументы.

На создание воздушного или магнитного слоя между валом и подшипником взамен масляной пленки требуется дополнительная энергия. Огромная скорость вращения вала (до 40 тыс. об/мин) предъявляет условия более тонкой очистки воздуха на фильтрах, которые забирают энергию и изнашиваются больше традиционных. В случае попадания в фильтр с засасываемым воздухом, например, фрагментов птицы может произойти проскок через фильтр в зазор (5–20 мкм) вокруг вала частиц, которые могут вызвать его дисбаланс и заклинивание. Частотный электропривод обладает собственными потерями, увеличивающимися (рис. 2) по мере понижения частоты [3]. Для подавления гармоник требуется электронный фильтр, который дросселирует входную мощность. Сверхскоростные воздуходувки пока не применимы при напряжении выше 660 В, а потому ограничены в производительности (до 16 тыс. м3 /ч) и нередко требуют трансформатора, понижающего напряжение и входную мощность.

Главным же ограничением метода с использованием частотно-регулируемого электропривода для аэрации является конфликт зависимостей гидравлических характеристик регулирования и характеристики системы (воздуховода). У первой превалирует изменение напора (давления), у второй – подача, а напор практически не меняется. Эта неадекватность вынуждает подбирать частотно-регулируемые воздуходувки с запасом по напору, точнее, к тому его значению, которое диктует система. Кроме того, характеристики воздуходувок данного типа имеют зону помпажа, что сужает диапазон регулирования производительности машин. Исследованиями в этой области, выполненными специалистами ОАО «НИИ ВОДГЕО» и ООО «Ягорба», установлена нецелесообразность использования регулируемого электропривода в воздуходувках, подающих воздух в аэротенки [4].

Управление изменением угла атаки поворотными лопатками лишено недостатков, свойственных частотному регулированию. Гидравлическая  характеристика одноступенчатой редукторной воздуходувки – это обусловленная углом поворота на входе/выходе лопаток серия кривых, почти вертикальных и переходящих в верхней зоне давлений в почти горизонтальную линию (рис. 3). Таким образом, изменение графика системы (горизонтальная линия постоянного давления) идеально соответствует характеристике воздуходувки.

Графическое сравнение (рис. 4) подобранных для одинаковых условий воздухонагнетателя с поворотными лопатками и сверхскоростной воздуходувки, управляемой частотным электроприводом, показывает вынужденный запас второй по давлению и границу ее помпажа. А из рис. 5 видно, что экономия энергии первой обеспечивается по всему диапазону регулирования и нарастает в зоне, где у частотно-управляемой машины наступает помпаж. В точке максимальной по проекту подачи 12 тыс. м3 /ч воздуходувка с поворотными лопатками оказалась экономичнее почти на 15%.

Аналогичный результат был получен и при сравнении (рис. 6) более производительных машин. Здесь экономия электроэнергии (рис. 7) за воздуходувкой с изменяемыми углами атаки потока на входе/выходе при подаче 47 500 м3 /ч составила 12,5%. Диапазон работы частотнорегулируемой воздуходувки ограничивается зоной помпажа

Заметная разница в эффективности объясняется, прежде всего, степенью адекватности (или конфликтности) характеристик регулирования сравниваемых воздуходувок с характеристикой воздуховода системы аэрации. Хотя и технические особенности турбонагнетателей с поворотными лопатками заслуживают внимания.

В комплект данных машин входят: воздуходувка, состоящая из направляющего лопаточного аппарата, вала с рабочим колесом, выходного лопаточного диффузора, повысительного редуктора, смазочной системы, вмонтированной в основание агрегата; стандартный асинхронный электродвигатель (3–4 тыс. об/мин), клапаны, микропроцессорная система управления, фильтр, глушители.

Поток воздуха, засасываемый из атмосферы через фильтр, проходит по концентрическому направляющему аппарату уменьшающегося сечения. По этому пути воздух (рис. 8) посредством радиально установленных лопаток, меняющих угол атаки, предварительно закручивается в сторону вращения ротора и, равномерно ускоряясь, поступает к рабочему колесу. Лопатки имеют ассиметричный аэродинамический профиль и монтируются внутри неподвижных прочных стенок направляющего аппарата втулками с двух сторон. Благодаря предвращению (закручиванию) и ускорению потока в сторону вращения рабочего колеса дросселирование и потери при прохождении лопаток минимизированы. После рабочего колеса воздух выходит через диффузор, на котором закреплены поворотные лопатки, регулирующие подачу воздуходувки. Масло в сис тему подается из встроенного в основание агрегата резервуара через радиатор воздушного или водяного охлаждения. Контакт металлических поверхностей вала и подшипников, благодаря масляной пленке между ними, отсутствует.

Внутренние потери в воздуходувных установках на воздушных подшипниках, управляемых частотным электроприводом, и в турбомашинах с поворотными лопатками, по данным измерений фирмы Siemens, выпускающей агрегаты обоих типов, сопоставимы и приведены в таблице.

Алгоритм микропроцессорного контроллера управляет поворотом двух независимых сис тем лопаток на входе и выходе в зависимости от изменений температуры на входе, расхода, перепада давлений на воздуховоде и концентрации кислорода в обрабатываемой жидкости. Таким образом, управление подачей воздуха, необходимого для процесса, осуществляется лопатками диффузора, а регулирование напора (давления) в зависимости от температуры воздуха и актуального давления на линии нагнетания – лопатками на входе. Благодаря этим двум независимым друг от друга сис темам, реагирующим на показания датчиков (рис. 9), производится поддержание напора и подачи в соответствии со специфическими условиями процесса [5]. Тем самым минимизируется энергопотребление при сохранении высших значений КПД воздуходувки в широком диапазоне регулирования производительности – от 100 до 40%. Управляемость и экономичность данных турбоагрегатов обеспечивает им, при замене традиционных менее дорогих машин, окупаемость всего за несколько лет на многих объектах, в том числе в Астане, Бресте, Могилеве (рис. 10), Сочи, Санкт-Петербурге, Якутске и других городах СНГ.

Выводы

Значительная суточная и сезонная неравномерность притока сточных вод и колебания температуры воздуха обусловливают целесообразность регулирования подачи воздуха на аэрацию. Среди применяемых методов регулирования – прямого дросселирования перед входом в воздуходувки, изменения частоты вращения вала нагнетателя, изменением углов атаки потока воздуха на входе и выходе турбомашины – последний наиболее адекватно подходит для системы аэрации

Постоянство величины напора (давления), свойственное Q–H характеристикам воздуховода и нагнетателя, регулируемого поворотными лопатками, обусловливает значительное превосходство данных установок по энергетической эффективности. Метод двойного управления потоком воздуха поворотными аэродинамическими лопатками на входе и выходе турбомашины обеспечивает регулирование подачи в диапазоне от 100 до 40% с сохранением более высоких, по сравнению с аналогами, значений КПД. Окупаемость воздуходувок с поворотными лопатками, достигнутая при замене ими менее дорогих традиционных установок, составляет всего несколько лет