Обострение энергоэффективности. Оцениваем размеры "бедствия" для очистных сооружений водоотведения

Баженов В. И., д. т. н., проф., член-корр. РАЕН, исполнительный директор, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», г. Москва

Для городских станций аэрации размер энергосбережения может составить величину до 70 %. Этот процент зависит от условий и обстоятельств, существующих на каждой конкретной станции. Но одно из мероприятий достоверно и очевидно — половину эффекта (35 %) определенно содержит акт внедрения управляемого воздуходувного оборудования.

ВВЕДЕНИЕ

Данная статья написана под впечатлением образцового анализа, выполненного А. В. Чигиневым [1] на страницах журнала «ЭнергоСовет» по программе энерго и ресурсосбережения в Автозаводском районе г. Тольятти. Анализ касался сокращения объемов холодного и горячего водоснабжения, а также потребления тепловой энергии в контексте внедрения средств приборного измерения, насосных станций с ЧРП, блочных автоматизированных ИТП, систем диспетчеризации. Анализ базировался на элементах суточного и сезонного регулирования систем и достигнутых за счет этого величинах энерго и ресурсосбережения.

Очистные сооружения водоотведения водопроводно-канализационного хозяйства (ВКХ) имеют аналогичный резерв и достаточно существенный, но, к сожалению, внедрение в практику не происходит столь оперативно. При этом способ решения проблемы идентичен — используй ресурсы в соответствии с потребностью!

Стандартный процесс очистки сточных вод муниципалитетов требует ориентировочных затрат электроэнергии, среди которых основная часть приходится на аэрацию иловой смеси (от 65 % и более для условий России), рис. 1.

Обозначим энергозатраты на процессы аэрации стандартного муниципального комплекса очистки как 100 %, тогда внедрение современных процессов, способов и оборудования позволит сократить энергозатраты на биологическую очистку в соответствии с графиком, рис. 2. 

Энергозатраты на процессы очистки и аэрации требуют оптимизации различными путями. Слагаемые энергосбережения комплексного предложения (рис. 2) включают в себя:

процессы удаления биогенных элементов — до 20 %;

мелкопузырчатую аэрацию с раскладкой по принципу 100 %-ного охвата ширины коридора и распределение количества аэраторов по «убывающему» принципу — до 15 %;

управляемые одноступенчатые турбокомпрессоры с двойным регулированием и контролем процесса очистки — до 35 %.

Упомянутая экономия энергии может быть достигнута при полном проектировании процессов для объектов очистки сточных вод. Величина возможного энергосбережения в области биологической очистки и аэрации колоссальна — до 70 %. Конечно же, данная величина определяется проектом реконструкции или нового строительства, который отражает все «тонкости», включая понятие минимальной интенсивности аэрации на конечных участках процесса. Но, вместе с тем, подход к проектированию современных объектов может обеспечить удельную подачу воздуха на минимальном уровне порядка 4 м3 / м3 сточных вод, при наличии в российской практике объектов с аналогичным показателем — 12 м3 / м3 и более, что составляет аналогичные 70 % сбережения в подаче воздуха

Для достижения энергосбережения в проекте биологической очистки сточных вод требуется выполнить следующее:

1. выбрать процесс биологической очистки сточных вод;
2. произвести расчет процесса;
3. выбрать аэраторы управляемого типа совместно с их раскладкой по длине и ширине коридора;
4. произвести расчет количества аэрационных систем
5. предложить принцип перемешивания с подбором оборудования;
6. выбрать тип энергосберегающего воздуходувного оборудования;
7. предложить систему автоматизации с использованием датчиков; 
8. укомплектовать проект управляемым насосным оборудованием с высоким КПД; 
9. выполнить общий проект.

Проектирование объекта требует определенного времени от 0,5 до 1,5 лет и существенных затрат. Как же реализовать резервы энергосбережения быстрее?

Переоснащение действующих воздуходувных станций посредством использования управляемых одноступенчатых турбокомпрессоров с двойным регулированием и контролем процесса очистки дадут ощутимый эффект более оперативно. Речь идет о тех самых 35 % энергосбережения, которые предполагается реализовать в соответствие с потребностью.

Предположим, что с целью энергосбережения данный тип воздухонагнетателей удалось внедрить на всех действующих станциях аэрации в России. Вопрос: какова будет величина сэкономленной электроэнергии?

Практика показывает, что удельное энергопотребление воздуходувными агрегатами в России на эквивалентного жителя находится в пределах 0,04–0,08 кВт·сут. / чел. Примем среднюю величину — 0,06 кВт·сут. / чел. Эффекты от внедрения указанного типа оборудования представлены в табл. 1. Срок окупаемости логично определить без учета затрат на проектирование и СМР, поскольку они требуются вне зависимости от качества заменяемого оборудования или наличия — отсутствия энергосберегающего эффекта. Ориентировочный срок окупаемости подобного воздуходувного оборудования при стоимости электроэнергии 1,5–2,5–4 руб. / кВт·ч составит соответственно 4,3–2,6–1,8 года.

УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДУХОДУВНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ

Выбранное оборудование должно удовлетворять основным условиям:

иметь высокий базовый КПД;

диапазон управления подачи 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. 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 преобразователя частоты тока (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 (рис. 3) 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 в другом — 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).

Таким образом, масса воздуха, перекачиваемая компрессором в любую единицу времени, 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 расход, (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:

где: – объемный расход воздуха, м3 / ч; his — удельный политропный напор, Дж / кг; P — мощность воздуходувки без внешних потерь, Вт; – массовый расход воздуха, кг / ч; ρn — плотность воздуха, кг / м3 , при 1 атм. 0° С, 0 % относительной влажности; Psat — давление насыщенного пара, бар; Rh — относительная влажность, %, Tin — температура воздуха на входе, °К; 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 [2].

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 [3].

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, ηis, за исключением тепловых потерь, при постоянной энтропии

где h0 — удельная работа [4].

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 , 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. ∆P между рассматриваемыми вариантами выразит количество сэкономленной электроэнергии.

Массовый расход воздуха (для нормальных условий) в приведенной системе уравнений зависит от суточных колебаний технологической нагрузки: расходов, концентраций сточных вод. Кроме того, он зависит от %-ного 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 [5, 6]. Поскольку данный параметр зависит  от времени, то общая система уравнений 3–5, включая , 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. 4 и 5), 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 с ηis = 82 %.

Подробные исследования включали в разработку следующие методики оценки [5, 6]: 

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 составляет 92–98 %.

При проектировании реальных объектов с управляемым воздуходувным оборудованием следует весьма отчетливо представлять технически возможный диапазон их регулирования. Таблица 2 комментирует данное положение в соответствии с рабочими характеристиками агрегатов.

Из таблицы следует, что одноступенчатые центробежные редукторные воздухонагнетатели обладают самым большим диапазоном производительностей по воздуху (2,0–130 тыс. м3 / ч) при напряжении питания 0,38–10 кВ. Это позволяет использовать их в условиях населенных мест с различной численностью населения. Кроме того, самый широкий диапазон регулирования производительности (55–60 %) служит основой для реализации технологического управления в условиях значительных колебаний притока сточных вод по расходам и концентрациям. Высокий КПД, сохраняемый в режиме управления (70–85 %), также определяет необходимость реализации подобного оборудования на объектах, где требуется энергосбережение.

Более подробно сравнительные особенности агрегатов рассмотрены в материалах [7, 8, 9, 10].

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 «желаемый» характер для заказчика: расходы воздуха могут быть несколько ниже, а потребляемая мощность чуть выше гарантированных величин.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ АЭРАЦИИ И ВОЗДУХОНАГНЕТАТЕЛЕЙ

При внедрении АСУТП за счет оперативности реагирования повышается общая эффективность систем до 10 %. Кроме того, автоматизация понижает трудовые ресурсы и оптимизирует процесс.

Проектирование в современных условиях предполагает использование регулируемого или управляемого воздуходувного оборудования, чтобы создать прецедент экономии электроэнергии, например, в периоды подач пониженных расходов воздуха. Щиты управления воздуходувным оборудованием, как правило, выполняются независимо от панелей управления работой аэрационных систем. Связующим звеном общей системы АСУ ТП является наличие датчиков давления Р (рис. 6). Регулирование управляющими задвижками аэрационных систем с помощью технологических датчиков концентраций приводит к изменению давления в технологической системе, которое регистрируется датчиками давления Р.

Зарегистрированные отклонения давления в системе — один из основных сигналов используемых воздуходувным оборудованием для компенсации характеристик их работы. Экономия энергии наиболее явно выражена, если воздуходувное оборудование способно: 1 — изменять подачу воздуха в широком диапазоне; 2 — сохранять повышенный КПД во всем диапазоне.

Системы, требующие выполнения множества математических и последовательных операций, проще реализовать при использовании программируемых логических контроллеров (ПЛК) (рис. 6). ПЛК обладают возможностью ввода управляющих зависимостей и необходимостью настройки ряда встроенных ПИД регуляторов

Из анализа рис. 6 видно, что все задействованные в системе управления ПЛК многофункциональны, поскольку содержат ряд уставок sp и / или логические связи, которые требуют математической обработки.

В целом, приборная база (ПЛК и др.) должна быть самодостаточной для поддержания процессов управления и не зависеть от работы компьютеров, вирусных атаки состояния средств связи. Приборы выполняют локальную задачу управления. Система управления должна решать задачи управления, сбора и передачи данных, расчетов и оптимизации. Программы оптимизации служат для получения «уставок», которые передаются для коррекции технологических параметров в приборы.

Для того чтобы обеспечить срочный энергосберегающий эффект от управляемых воздухонагнетателей, проект АСУТП может быть реализован достаточно быстро с сохранением порядка 90 % эффективности по упрощенной схеме. В этом случае следует выбрать контрольный аэротенк (или ряд аэротенков) с усредненным технологическим оснащением и средневзвешенными показателями параметров очистки. Далее разместить в нем контрольные датчики. После обработки сигналов с датчиков АСУТП в соответствие с заложенной логикой воздействует на электропривод М главной задвижки воздуховода (или ряд заданных задвижек). Все остальное решается просто — регулирование воздухонагнетателей произойдет в автоматическом режиме по измерению давления в воздуховоде Р.

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ РЕЗЕРВ ДЕНИТРИФИКАЦИИ

В соответствии с рис. 2 другими технологическими решениями являются внедрение процессов удаления биогенных элементов и специальной раскладки мелкопузырчатых аэраторов.

Кислород в процессе биохимического окисления необходим на утилизацию органических загрязнений для клеточного синтеза, эндогенное дыхание и нитрификацию. Исходные органические загрязнения и аммонийный азот окисляются частью сообщества активного ила — нитрификаторами. Потребление кислорода носит двухстадийный характер. На первой стадии окисляются углеродсодержащие органические вещества и продукты эндогенного распада (БПК), на второй — азотсодержащие до нитритов и нитратов (потребность аммония сопровождается реакцией нитрификации).

Современные процессы биологической очистки содержат аноксидные зоны для обеспечения удаления азота или денитрификации, что обеспечивает возврат кислорода через связанные формы азота (NO2 , NO3 ). В зависимости от продолжительности денитрификации, можно восстановить до 63 % кислорода из 100 % потребленного кислорода для окисления исходного аммония (табл. 3).

Процессы биологического удаления фосфора не включают в себя какой-либо дополнительной потребности в кислороде, а также не обеспечивают возврата каких-либо «кислородных избытков» в процесс. Биологические процессы совместного удаления биогенных элементов (азот, фосфор) включают операции по потреблению кислорода и его возврата, но общий КПД ниже заявленного, поскольку диктуется необходимостью оптимизации трех параллельно протекающих процессов: нитрификации, денитрификации и дефосфатации.

В российских условиях понижения технологической нагрузки на очистные сооружения [1] создаются условия для достаточно глубокой нитрификации, что разумно было бы использовать с целью достижения двойного эффекта: экологического (способом денитрификации) и экономического (энергосберегающий эффект).

Некоторая часть кислорода, потраченная на нитрификацию, может быть восстановлена путем внедрения в схему очистки аноксидной зоны в голове аэротенка для цели денитрификации возвратного активного ила (ВИ). Дополнительный возврат кислородного эквивалента денитрификацией обеспечивается проектированием процесса для достижения полного удаления азота, где используется внутренний рецикл иловой смеси (ВР). Теоретический вклад потоков ВИ и ВР на возврат кислородного эквивалента денитрификацией отражен на рис. 7.

Практика существенно корректирует теоретические условия. Потребление кислорода при нитриденитрификации часто протекает в присутствии ингибиторов, температурные условия, щелочность и возраст ила непрерывно изменяются или находятся вне зоны оптимума. Времена пребывания в технологических зонах изначально не рассчитываются на глубокое обеспечение процессов (это правильно с точки зрения их оптимизации). Кроме того, находясь в прямой пропорции с расходами исходных сточных вод, они переменчивы.

На практике при реализации схем с ВИ и ВР удается надежно восстановить порядка 20 % энергии.

 

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ РЕЗЕРВ ОТ РАСКЛАДКИ СИСТЕМ АЭРАЦИИ

Чрезмерная аэрация представляет собой прямые потери энергии, ее понижение возможно только путем оптимизации подачи воздуха в соответствии с его потребным количеством. Это касается двух параллельных процессов распределения воздуха: по длине и ширине реактора-вытеснителя, а также по времени (сутки, сезон года). При этом в части распределения воздуха по времени мы уже рассмотрели (рис. 3, 4, 5, 6). Целесообразно остановиться на энергосберегающих принципах проектирования (распределение аэраторов по длине и ширине реактора-вытеснителя).

Для того чтобы привести в соответствие факт понижения потребности в кислороде по длине аэротенка, рекомендуется его пропорционально компенсировать пониженным количеством диффузоров в зонах аэрации (рис. 8) [11].

Раскладка систем аэрации с понижением количества диффузоров по длине аэротенка-вытеснителя это главный шаг, который перераспределяет кислород воздуха без увеличения давления в системе воздуходувками, что влечет за собой увеличение затрат на аэрацию. Требуется повышенная внимательность и осторожность при проектировании раскладки систем аэрации, поскольку конечные зоны аэротенков-вытеснителей следует проверять не только на достижение потребной концентрации растворенного кислорода КРК, но и на поддержание условий перемешивания иловой смеси.

 

Энергосберегающей раскладкой является также распределение аэраторов по принципу полного покрытия ширины дна аэрационного коридора. Этот вариант в отличие от продольного расположения аэраторов, покрывающих 5 % ширины коридора, вызывает снижение удельного расхода воздуха на 72 % (см. п. 6.151, коэффициент К1 , СНиП 2.04.03–85). Это происходит за счет увеличения времени контакта с газовой фазой приблизительно в 3 раза. Под полным покрытием дна коридора следует понимать плотность раскладки аэрационной плети, соответствующую расстоянию между диффузорами не более 1,2 м в любом направлении. В противном случае эрлифтный эффект аэратора вызовет циркуляцию иловой смеси к днищу аэротенка.

Устройство мелкопузырчатых систем аэрации по принципу полного покрытия дна усугубляет гидродинамическую характеристику реактора как вытеснителя, что способствует улучшению качества очистки от растворенных загрязнений.

Проектирование систем аэрации с учетом правильной раскладки по длине и ширине аэротенка-вытеснителя реализует следующие задачи:

повышает КПД системы аэрации и общий КПД процесса очистки в целом;

снижает общее количество воздуха и общие энергозатраты станции аэрации ориентировочно на 15 %;

упрощает систему автоматизации сокращением количества исполнительных механизмов (задвижек с электроприводами).

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ РЕЗЕРВ, СВЯЗАННЫЙ С ПОДБОРОМ МЕШАЛОК

Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии обычно устанавливаются электромеханические мешалки. Двигатели мешалок могут быть исполнены в соответствии с защитой IP54 или IP68.

IP54 предполагает, что двигатель не погружной, но в достаточной степени противостоит пыли и любому дождю. Мешалки на базе такого двигателя, как правило, с длинным вертикальным валом. Перемешивающие потоки обычно направлены вертикально к днищу. Для установки единичного оборудования требуется обеспечить условие соотношения L / B ≤ 2 / 1.

IP68 — двигатель погружной, поэтому обычно этот вариант называют «погружными мешалками». Вал при этом короткий, потоки перемешивания в большинстве случаев горизонтальные. Этот вариант заслужил в России наибольшую популярность. Два гидродинамических принципа перемешивания могут быть реализованы в аэротенках, назовем их условно: «зонный» и «карусельный». 

Зонный предполагает, что одна мешалка не способна обслужить длинный коридор аэротенка, а ограничена максимально возможной длиной зоны перемешивания: L~ 2,5*(B-D), где В — ширина или глубина (большая величина), D — диаметр лопасти мешалки. Как видите, неспособность обслуживания длинных сооружений вызвана геометрией поперечного сечения аэротенка. Естественное желание любого технолога «поставить мешалку помощнее и перемешать подлиннее», к сожалению, ограничено рамками обозначенной зависимости.

Карусельный — мощную межкоридорную рециркуляцию иловой смеси, организованную мешалкой / ами: Qрец ~ (40 ÷ 100) * Qисх, где мешалка обретает способность обслуживания смежных коридоров. В качестве технического аналога вспомним работу циркуляционного насоса, напорная часть которого с целью обслуживания протяженных и многофункциональных участков сети обязательно подключена к его всасывающему патрубку.

Погружные мешалки в классическом выражении подразделяются на:

безредукторные, что обеспечивается прямым приводом на вал и высокой скоростью вращения ~ 360–1400 об / мин. в зависимости от диаметра рабочего колеса (~ 0,8–0,2 м) и мощности двигателя (~ 0,5–30 кВт);

редукторные с широким спектром технических характеристик, но все же постараемся обозначить их, используя характерные предназначения, связанные с обслуживанием размаха (или диаметра) лопастей крупного размера 1,4–2,75 м, при скорости вращения ~ 17–60 об / мин., и мощности двигателя ~ 0,5–7,5 кВт

Рассмотрим варианты внедрения данных типов оборудования для выполнения работы величиной силы тяги 6400 Ньютонов. Так, оборудование от лучших мировых производителей в случае редукторного исполнения потребует удельной мощности 919 Н / кВт, а в случае безредукторного прямого привода — 258 Н / кВт. Т. е. для выполнения аналогичной работы безредукторные мешалки потребовали увеличения мощности (т. е. энергозатратности) на 256 %! Не думаем, что ошибемся значительно, оценив размер «бедствия» при единовременной закупке оборудования как увеличение стоимости для редукторного оборудования величиной в 30 %.

Для наглядности представим пример традиционной реализации процессов перемешивания в типовых коридорных аэротенках, которые требуют современной модернизации, табл. 4. Подбор оборудования для указанной конфигурации произведен по рекомендациям ведущих фирм-производителей.

Вариант 1 (L / B= 1,9 / 1) — самый энергозатратный, поскольку при устройстве вертикального вала ориентация потоков отвечает удобству конструирования мешалок, а не реальной конфигурации горизонтального коридора аэротенка. Энергия гасится.

Вариант 2 — при использовании погружных мешалок обычно комплектуется безредукторными мешалками прямого привода. Длина «боя» единичной мешалки ограничена геометрическими размерами поперечного сечения коридора L= 14,3 м, поэтому количество мешалок 16 ед. на 2 коридора. Мощность мешалки меньше, чем в предыдущем варианте на 92,3 %, поскольку поток горизонтальный.

Вариант 3 подкрепим рис. 9, отображающим «карусельный» принцип. Как видите, это самый энергоэффективный вариант — 478 % и 10 111 % сбережений (относительно вариантов 2 и 1). Появились условия для формирования длинных замкнутых рециркуляционных потоков.

Автора иногда обвиняют за приверженность к «карусельному» принципу. Спешу огорчить оппонентов: в проектах реконструкции очистных сооружений, пожалуй, в большей степени, пользуюсь соображениями «минимальных переделок» существующих емкостных сооружений, а также пожеланиями заказчика. Впрочем, последнее всегда и однозначно определяет. А разработка сравнений, аналогичных табл. 4, для заказчика служит отличной информационной подосновой к принятию окончательных решений.

Гидродинамическая структура по принципу продольной рециркуляции иловой смеси с зонной пневматической аэрацией (рис. 9) сочетает разделение функциональных обязанностей оборудования: ввод кислорода осуществляется аэраторами, перемешивание — мешалками. Данное решение экономит энергозатраты на аэрацию иловой смеси, а это самая затратная статья расходов по городским сооружениям очистки сточных вод:

за счет зонной раскладки аэрационной системы во всю ширину коридора аэротенка;

за счет увеличения эффекта массопереноса при воздействии энергии горизонтального потока на зонную раскладку плети аэраторов.

Принципы расстановки мешалок в сооружениях различных конфигураций и их ориентация — это отдельная тема, требующая глубокого анализа. Компании производители, как правило, справляются с этим заданием. Проектировщикам рекомендуется знать следующее:

исходными данными для подбора являются геометрические размеры зон или резервуаров для перемешивания, концентрация иловой смеси, сведения о предварительной механической очистке; 

компании-производители не имеют унифицированного, общего для всех способа оценки сопротивлений динамике потоков при перемешивании, кромеочень сложного для регулярных расчетов метода CFD-анализа;

в качестве результата компании-производители предлагают количество, марку мешалок с техническим описанием (размеры, мощность и т. п.) и набор установочных аксессуаров с подъемным устройством или без него. Но этого мало, следует потребовать схему размещения мешалок в резервуаре с размерами и углами установки мешалки по отношению к стенкам резервуара. Это очень важно, поскольку выбранная марка обязательно соответствует схеме ее размещения в резервуаре!; 

мешалки из каталогов производителей подбираются по показателю Тяга (Thrust), Ньютон.

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ РЕЗЕРВ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Высокопроизводительные рециркуляционные насосы устраиваются на станциях аэрации для обеспечения мощных технологических расходов между сооружениями или внутренними зонами.

Нитратный рецикл существенно стабилизирует и понижает концентрации нитратного азота на выходе из аноксидной зоны. Улучшение обоих показателей достигается в пределе до 6 раз (рис. 10). Потребность в технологическом управлении носит оперативный (суточный, сезонный) характер при обеспечении глубокого регулирования. При устройстве ПЧТ в цепи питания электропривода насоса экономия может составлять до 50 %.

Фосфатный рецикл защищает анаэробную зону от избыточного влияния нитратов. Предел регулирования не столь глубок, как в предыдущем случае при грамотном подборе базового насосного оборудования. Регулирование носит скорее настроечный или сезонный характер. При устройстве ПЧТ в цепи питания электропривода насоса экономия может составлять до 10 %, если мощность оборудования выбрана проектировщиком правильно. В противном случае, во время наладки системы очистки обязательно потребуется оптимизация рецикла с понижением его мощности (проектировщики часто «перестраховываются» в сторону завышения). Величина проектного «запаса мощности» за период эксплуатации при учете общего КПД (насос + ПЧТ) составляет дополнительную величину энергосбережения.

Рецикл возвратного активного ила регулируют редко, но с целью точной технологической настройки иногда снабжают ПЧТ, порядок энергосбережения при этом не значительный 2–5 %, хотя зависит аналогичным образом от ошибки проектировщика

Насосы избыточного активного ила, как правило, регулируются дискретно (вкл. / выкл.), поддерживая заданный возраст ила. Параметр технологически важен, но обоснованных величин энергосбережения не наблюдается

Как обосновать инвестиционный проект для энергосервисной компании?

Здесь нам потребуется инструмент, который бы обладал способностью предвидеть будущее, конечно же, не без помощи человека. Часто от руководителей ВКХ слышишь о том, что «именно в нашей отечественной канализации творится нечто особенное, не поддающееся описанию… притоки, концентрации изменяются, и их не предскажешь,… а на прошлой неделе вообще приплыло «то, чего не может быть». 

Трудности понятны, но они существуют в любой профессии. Ярким и коротким способом борьбы с трудностями является жанр — анекдот. Профессионал найдет в нем множество примеров в рамках любой специализации. Канализация как специальность не является особенной. Если задаться целью, то обосновать проект инвестиций возможно на высоком уровне достоверности и в срочном режиме.

Для этого нам потребуется методика [6]. Методика предполагает использование стандартного математического комплекса GPS-X для технологических расчетов очистных сооружений водоотведения. При этом новый свод правил [12] рекомендует использовать метод математического моделирования при проектировании очистных сооружений.

Особенности условий каждого конкретного типа очистных сооружений могут быть учтены при разработке индивидуальной математической модели. Методика содержит сбор характерных данных, которые косвенным образом отражают особенности качества исходных сточных вод. Например, долю коммунальных, промышленных и ливневых загрязнений в составе общего стока, а также неравномерность их поступления по часам суток. Сбор статистических данных с объекта за характерный период времени и сведения о перспективах развития генплана города послужат отличной основой для обозначения расчетных технологических нагрузок (максимальных, минимальных и средних).

Особо чувствительный способ биологической очистки, функционирующий в рамках экстремального антропогенного воздействия, токсических элементов, ингибиторов и т. д., реализуется при математическом моделировании с учетом респирометрических экспериментальных данных. Порядка миллиона таковых данных поступают в десятках целенаправленных экспериментов на компьютер и обрабатываются статистически. Таким образом, опыт действующих очистных сооружений переносится на перспективу внедрения современных процессов при предполагаемой реконструкции объекта или его нового строительства.

Итак, мы позволили себе произнести слова «перспектива внедрения современных процессов». Это и есть не что иное, как способность предвидеть будущее. Конечно же, фраза содержит элемент шутки, но «в каждой шутке есть доля правды».

Наглядный пример, рис. 11 включает в рассмотрение современную схему очистных сооружений водоотведения с доочисткой и обработкой осадка сточных вод. Контроллеры межзонных потоков (или рециркуляций) могут быть настроены на оптимальное качество очистки. Результат виртуальных воздействий отображается достаточно оперативно. При этом математическая модель может содержать виртуальное внедрение в схему очистки сточных вод средств АСУТП (датчики и исполнительные устройства). Не следует забывать при этом, что модель работает в условиях динамически изменяющихся нагрузок (по расходам и концентрациям), что определяет качество очищенных вод как неравномерное на протяжении суток и сезонов. Совсем как в натуре!

И, наконец, самое главное. В режиме виртуального управления станцией очистки сточных вод, «построенной» с учетом вышеобозначенных мероприятий, собираются достоверные технологические сведения о размере энергосберегающего эффекта. Конечно же, не модель, а человек «закладывает» в схему очистки энергосберегающий маневр. Он же получает технологический результат, который после обработки умножает на стоимость электроэнергии (или аналогового ресурса) в регионе.

Таким образом, создаются условия обоснования инвестиционного проекта для энергосервисной компании. Методика опробована на десятках очистных сооружений, включая города-миллионники. На данный момент суммарная производительность апробаций составляет порядка 5,5 млн. м3 / сут.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Человеку свойственно «поговорить», эта черта выделяет его из животного мира. Поговорить и обсудить — достаточно приятные занятия, когда существуют уровни компетенции и необходимость согласования с различными инстанциями. Можно даже придумать поправки к закону (например, к ФЗ-261) или написать новый. А кто-то непременно заметит: «А зачем все это нужно? Все равно через год после внедрения энергосберегающей технологии РЭК урежет тариф!» Кстати, совсем не смешно, если отрасль ВКХ на местах находится в некоторой зависимости от энергетических компаний, которым сбыт важнее сбережений.

Приятно поиграть в энергосберегающие маневры, ежедневно демонстрируя бесконечные возможности в отсутствии действий? «… Сказано: погоди, — ну и годи, значит. Победить в себе всякое буйство духа. Жить — вот и все. Удивлять мир отсутствием поступков и опрятностью чувств…» (Балалайкин и Со).

Да, приятно, но время проходит, и его жаль. «Тепловики» уже вовсю реализуют аналогичный резерв — расходуй ресурсы по потребностям, как будто у них нет опции тендерных закупок. По количеству внедрений белорусы опередили россиян в области управляемого воздуходувного оборудования (неужели валютный курс крепче?) Видимо, наши водоканальцы слишком усердно и слишком ответственно готовятся к сокрушительному и решающему штурму самых энергозатратных оплотов ВКХ.

ВЫВОДЫ

Для условий очистки городских сточных вод самым энергоэффективным мероприятием является управление подачей воздуха. Значительные суточные и сезонные неравномерности притока сточных вод и температур воздуха обусловливают целесообразность регулирования подачи воздуха на аэрацию. Мероприятие обеспечивается первоочередным внедрением управляемых (или регулируемых) воздухонагнетателей.

Энергосберегающий эффект в размере 35 % может быть достигнут при внедрении одноступенчатых воздухонагнетателей с двойным регулированием направляющего аппарата механическим способом и контролем процесса очистки. Автоматизация контроля может быть выполнена по упрощенной схеме.

При необходимости проведения проектных работ (реконструкция или новое строительство) должен быть обеспечен комплекс энергосберегающих мероприятий. Внедрение современных процессов удаления азота позволяет экономить до 20 % энергии. Раскладку систем аэрации целесообразно производить по принципу полного покрытия ширины аэрационного коридора и убыванию количества аэраторов по длине аэротенка, что позволяет экономить порядка 15 % энергии. 

С точки зрения эффекта энергосбережения устройство погружных редукторных мешалок с крупным размахом лопастей 1,4–2,75 м и модификация сооружений коридорного типа по «карусельному» гидродинамическому принципу — наиболее привлекательное решение. Для насосного оборудования энергоэффективным решением (до 50 % экономии) является оперативное частотное регулирование нитратного рецикла.

В качестве технологического обоснования инвестиционного проекта для энергосервисной компании предлагается способ математического моделирования объекта очистки сточных вод на базе стандартного расчетного комплекса GPS-X.