О новациях в сфере техники и технологий в ВКХ

ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» (ВИВ) около 20 лет работает в области инжиниринга, проектирования, поставок, производства, монтажа, пуско-наладки, сервиса и аренды оборудования в ВКХ и в водном секторе. Кроме того, компания проводит обучение студентов и специалистов водного профиля ВКХ и промышленности, а также хорошо известна профессиональными публикациями (имеет более 100 печатных работ, в том числе две книги1 ).

Модернизация насосных станций

Примером модернизации водопроводных насосных станций может послужить объект ОАО «Мосводоканал» (рис. 1). Суть модернизации энергохозяйства насосной станции 1 подъема Западной станции водоподготовки заключается в использовании погружного высоковольтного насосного оборудования. Смысл модернизации подсказывает практика. Погружные агрегаты востребованы в связи с износом собственно насосной станции и продлением ее работоспособности, вне зависимости от фактов затоплений машинного зала. Высоковольтные агрегаты востребованы сложившейся в России практикой энергоснабжения.

Параметры каждого из 2-х агрегатов Indar (северная Испания): Q =5000 м³/ч, Н = 80 м, Р = 1660 кВт, 6 кВ. Монтаж таковых агрегатов упрощен. Для примера, монтаж и центровка традиционных насосов 36В-12 с длинным вертикальным валом занимает не менее 2-х недель, монтаж же двух погружных агрегатов составляет 2 дня

Для случаев модернизации канализационных насосных станций данный вариант сохраняет актуальность, поскольку сточные воды более агрессивны и ресурс службы железобетонных сооружений практически исчерпан. Поэтому основные предлагаемые решения по замене морально устаревшего и изношенного оборудования связаны с установкой погружного насосного оборудования либо на фундаменты в машинный зал, либо — непосредственно в приемный резервуар

Весьма актуальным направлением модернизации КНС является их оборудование дробилками фрезерного типа Monster (рис. 2). Спрос на данное оборудование прирастает от года к году в разы, что не случайно. Традиционное оборудование насосных станций решетками буквально заставляет службы эксплуатации поддерживать их работу повышенным количеством штатного персонала. Использование «Монстров» с автоматизацией насосов позволяет закрыть насосные станции «на ключ».

Имеются аналогичные инженерные решения для комплектных и малых КНС, включая размещение дробилок в колодце перед насосной станцией.

Насосное оборудование для «Большой воды»

На явления катастрофических затоплений территорий (г. Крымск, Амурская область, г. Хабаровск, Благовещенск, Комсомольск-на-Амуре, Еврейская автономная область, г. Биробиджан) практически невозможно ответить молниеносно инженерными решениями. Следует учитывать, что в последние десятилетия наблюдается режимная тенденция роста количества осадков в средних и высоких широтах, что приводит к увеличению годового стока рек. Наблюдения за уровнем паводков последних лет в Европе, России и других странах мира подтверждают мнение ученых о том, что глобальный климат становится более экстремальным. Очевидно, что сами катастрофические затопления территорий предотвратить невозможно, но его разрушительные последствия можно сократить.

Использование насосного оборудования рассматривается в контексте разработки проектов, совершенствования технологий строительства, выбора соответствующих конструктивных и технологических решений4 (рис. 3).

В качестве примера приведем проект ливневых станций, как крупных водоотливов производительностью 40 000, 70 000, 100 000 м3/ч (рис. 4). Проект предусматривает водопропускные сетки, собирающие мусор и отбросы перед дробилками JWC Monster, а также специальные зоны для равномерного распределения потоков вод между агрегатами. Такое распределение позволяет устранить негативное взаимовлияние рабочих агрегатов друг на друга и воронкообразование при условии минимального конструктивного размера приемного резервуара. Это позволит достичь расчетных режимов при эксплуатации, способствует минимуму капитальных затрат и поддержанию приемного резервуара в чистоте.

Для реализации проекта указанного проекта фирмой Indar изготовлены насосные агрегаты в погружном исполнении. Параметры насосных агрегатов: Q = 15300 м3/ч, H = 18 м, Р = 1,1 МВт, КПД = 91,5 %, 10 кВ. Общее количество — 8 ед. Оборудование Indar отвечает требованиям: по производительности — до15 000 м3/ч и напорам — до 1200 м при установленной мощности двигателей до 2,5 МВт и выше в стандартной «линейке». Исполнение для напряжений 0,38; 0,66; 3; 6 и 10 кВ достаточно гибко соответствует потребностям объектов. Кроме того, при высоких мощностях переход на повышенное напряжение питания способствует уменьшению диаметра кабеля и его гибкости, что необходимо при работе с погружной техникой.

Примером ликвидации последствий наводнений и необходимостью локальной откачки из зон затоплений, подвалов, аварий на сетях водопровода, канализации, теплоснабжения, а также водопонижения (при комплектации иглофильтровальными установками) является набор инженерных решений, включающий мобильные насосные станции BBA (Голландия).

Проекты предусматривают использование высокопроизводительных агрегатов в комплектации автономными источниками электроэнергии, а также без них (рис. 5). Мобильные насосные станции характеризуются следующими рабочими параметрами: Q до 9 000 м3/ч, H до 130 м. Дизельные или бензиновые приводы обеспечивают работоспособность в условиях отсутствия электроснабжения.

Принцип насосной перекачки данных агрегатов — самовсасывающий, не требующий их заливки перед пуском, в значительной степени упрощает их использование в чрезвычайных ситуациях. Основные достоинства мобильной техники — независимость от стационарных источников электропитания, позволяют применять ее также при решении задач, не связанных с природными явлениями (откачка воды при авариях на объектах ЖКХ, устройство временных насосных станций при ремонтных работах, пожаротушение) и имеют высокий арендный потенциал для владельца техники.

Модернизация воздуходувных станций

Профессионалам однозначно понятно, что затраты на аэрацию связаны с потреблением энергии воздуходувными станциями. Специалисты смежной профессии — «тепловики» уже освоили внедрение автоматизированных ИТП, достигая за счет этого серьезной экономии энергоресурсов посредством суточного и сезонного регулирования систем. Управление подачей воздуха является выгоднейшим среди мероприятий и по энергосбережению, и по окупаемости инвестиций в сфере очистки сточных вод 5. 

Заметим, что оценка величины энергоэффективности модернизированной воздуходувной станции достигается на базе имитационного моделирования процессов очистки сточных вод 6. 

Основная задача моделирования — определить суточный расход воздуха для управляемых воздухонагнетателей (рис. 6). Учет стандартных условий (Т = 20 °С, влажность 50 %, атмосферное давление 1,013 бар) крайне необходим для дальнейшего пересчета подач воздуха в условиях сезонов года (колебаний температуры, влажности, плотностей воздуха).

Дальнейший этап проектирования предполагает подбор оборудования, определение характера его работы и расчет величин энергоэффективности на базе пересчета из стандартных условий к реальным. Учет колебаний температуры, влажности и плотностей воздуха позволяет обеспечить параметры сезонной и суточной потребностей воздуха, а также потребляемую мощность оборудования (рис. 7).

Таким образом, создаются условия обоснования инвестиционного проекта для энергосервисной компании7. 

Автоматизация процессов перекачки и очистки сточных вод

Рекомендуемая на перспективу стратегия АСУТП для процессов очистки сточных вод заключается в блочно-модульном исполнении систем управления по отдельным технологическим задачам. Это позволяет внедрять процессы АСУТП поэтапно, в соответствии с планами реконструкции технологической части проекта. 

Блочно-модульная система управления совместно со SCADA (рис. 8) наиболее надежно функционируют. Так, при сбое работы одного программируемого логического контроллера (ПЛК), система остается вполне работоспособной (за исключением малого локального узла, например, одного рециркуляционного насоса на единичном аэротенке). В поддержку данного подхода обозначим, что любой другой узел очистки сточных вод и обработки осадка содержит локальные системы АСУТП при поставке технологического оборудования, кроме узла биоочистки.

Основываясь на многолетнем опыте проектирования, монтажа и ввода в эксплуатацию систем автоматического управления насосных станций, компанией «ВИВ» разработан универсальный модуль (РМ33) мониторинга, защиты и автоматического управления для насосных агрегатов различного назначения. 

Устройство представляет собой полностью законченный автономный блок на базе логического контроллера и имеет следующие основные возможности: 

1. Самодиагностика устройства (рис. 9 а).

2. Контроль датчиков различного принципа действия, встроенных в насосные агрегаты.

3. Защита агрегатов при возникновении аварийной ситуации.

4. Выбор режима управления агрегатом (автоматический/дистанционный/местный).

5. Совместимость с любыми устройствами пуска асинхронных электродвигателей, в том числе высоковольтных.

6. Работа в режиме Slave, под управлением контроллера для группы агрегатов.

7. Управление и опрос по протоколу Modbus RTU частотных преобразователей и устройств плавного пуска любого производителя (рис. 9 б).

8. Хранение в памяти архива событий.

9. Передача данных в АСУТП верхнего уровня.

10. Наличие аналогового входа для контроля датчика давления (уровня) и поддержания параметра технологического процесса по закону ПИД-регулирования.

Устройство РМ33 имеет 4х дюймовую сенсорную панель оператора с понятным графическим пользовательским интерфейсом.

Преимуществом данного устройства является то, что его можно использовать не только для насосного оборудования, но и для компрессоров, вентиляторов и другого оборудования, имеющего в качестве привода асинхронный электродвигатель переменного тока.

Имитационное моделирование процессов очистки сточных вод

Время настоятельно диктует необходимость ускоренной разработки проектов нового строительства и/или реконструкции сооружений водоотведения. Новый свод правил 8 рекомендует использовать современный метод математического (или имитационного) моделирования при проектировании очистных сооружений.

Современное развитие компьютерной техники и программного обеспечения (ПО) демонстрирует возможности использования расчетных комплексов математического моделирования процессов и технологий очистки сточных вод для решения задач проектирования и эксплуатации. ПО позволяет реализовать достаточно сложные и комплексные математические модели для увеличения достоверности расчетов и их натурализации.

Современное ПО как правило обеспечивает наиболее полное представление о поведении объекта в нестационарно-динамических условиях, т.е. во времени. При этом реализуется возможность рассматривать состояние объектов в статических условиях, но в условиях анализа другой переменной, например по длине или глубине сооружений. Это очень важно, поскольку позволяет учитывает гидродинамические параметры реакторов или сооружений, посредством описания ячеистыми моделями.

Метод, освоенный ЗАО «ВИВ» позволяет сократить в разы время, а также затраты на разработку проектов сооружений очистки сточных вод и включает следующие стадии (для одной очереди):

Отбор на месте не менее 25 лабораторных проб для определения 144 показателей: фракционный состав ХПК, взвешенные вещества, ХПК, N-NH4, P-PO4. Отбор проб производится совместно с одновременным определением неравномерности притока сточных вод — 12 замеров. Дальнейшая обработка проб и замеров.

Данные фракционного состава ХПК анализируются отдельно с точки зрения биоокисляемости. Они являются более достоверным аналогом БПК.

Проведение респирометрических исследований на реальных пробах иловой смеси из аэротенков. Общее количество исходных данных поступающих с респирометра в переносной компьютер составляет порядка 1 млн. Специальное программное обеспечение позволяет статистически обрабатывать огромное количество данных по мере их поступления, руководствуясь их выборками (порядок — тысячи).

Собственно респирометрический анализ выборки позволяет определять характер изменения скорости дыхания ила и кинетические коэффициенты по длине сооружений (аэротенков) в особых условиях (характера нагрузки, токсических воздействий, ингибирования и т.д.), типичных для данного конкретного объекта.

Сбор данных с объекта о технологических нагрузках (расходы, ХПК, БПК, взвешенные вещества, N-NH4, P-PO4) для точек «вход» и «выход» для проведения статистического анализа с целью назначения расчетных величин. Количество данных определяется представлениями о характерном периоде времени, типичном для работы объекта в целом. При статистической обработке данных могут учитываться данные развития генплана города.

Проведение такого вида НИР требуется для выполнения проектных работ, которые включают техническое задание заказчика. Приведем пример:

 

Построение управляемой по колебаниям притока и концентраций математической модели, включающей все стадии очистки: механическую, биологическую с удалением биогенов, обеззараживание и обработку осадка с рекуперацией газов.

Подбор оправданного по затратам оборудования, способного автоматически изменять характеристики адекватно колебаниям потоков и концентраций в увязке со своей цепочкой сооружений.

Сравнение вариантов технологических схем, оптимизация процессов и сооружений очистки.

Автоматизация процессов на базе имитационного математического предсказания. В 2014 году появятся результаты работы новой версии GPS-X 6.39 со встроенными модулями оптимизации и анализа, которые значительно упрощают работу (сокращают время и усилия). 

Модуль оптимизации обеспечивает:

Калибровку модели: применяется для автоматического поиска параметрических величин (например, кинетических коэффициентов, параметров осаждения и т.д.), что уменьшает различие между лабораторными данными измерений и смоделированным результатом.

Управление процессом оптимизации: используется для поиска лучшей конфигурации величин параметров (например, размеров резервуара, расходов рециклов и т.д.). Модуль самостоятельно выполняет рутинную работу по анализу возможных конфигураций процессов и автоматически оптимизирует множество переменных

Важность калибровки модели очевидна. Например, если лабораторные данные относятся к показателю биоокисляемой части ХПК во времени, а модуль оптимизации автоматически подбирает соответствующие им: удельную скорость роста гетеротрофов и величины коэффициентов полунасыщения. Или другой пример — по лабораторным результатам аммонийного азота на выпуске из сооружения автоматически определяется удельная скорость нитрификации.

Управление процессом оптимизации используется для поиска подходящих методов управления с целью улучшения качества очистки. В качестве примера приведем имитацию реальных процессов очистки с натуральным обеспечением качества 10 мг/л по общему азоту. В данном случае оптимизатор был использован для изменения настройки расхода возвратного активного ила (ВАИ), изменения расхода избыточного ила (ИАИ) и внутреннего рецикла (ВР) для соблюдения допустимого (или требуемого) содержания общего азота на выходе 7,0 мг/л (см. табл.). Цель этой оптимизации — уменьшить содержание общего азота в очищенной воде, автоматически отыскав лучшую комбинацию из трех расходов (ВАИ, ИАИ, ВР), не нарушив предельную производительность существующего на объекте насосного оборудования.

Для оптимизации потребовалось 70 итераций. Регулировка производительности насосов в соответствии с табличными данными обеспечит повышение качества очистки на объекте.

Модуль анализа попутно с расчетами выдает справки. Например, как уставки возраста ила, КРК, температуры влияют на различные характеристики очистных сооружений или определение зависимости «скорость нитрификации — температура» или анализ «концентрация активного ила — содержание аммонийного азота на выходе» и т.д. Вплоть до определения критических (или экстремальных) параметров калибровки модели. 

Представленные в статье инженерные решения соответствуют целям Федеральной целевой программы «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012–2020 годах» и направлены на снижение совокупных затрат использования техники и технологий в ВКХ.