Выбор способа регулирования воздуходувок для аэрации сточных вод

Значительная неравномерность 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 и пр., но предпочтение за той установкой, которая наиболее соответствует особенностям системы и процесса.

Для жизнедеятельности микроорганизмов в процессе обработки сточных вод 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 графически 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, в силу нижеизложенных причин, является наиболее предпочтительным для аэрации сточных вод.

Прямое дросселирование воздушного потока входным поворотным клапаном приводит к возникновению неравномерности полей давления среды во всасывающей камере, наличию разрывного режима течения среды, возникновению больших градиентов скорости [2]. Это увеличивает переменно-пульсационную нагрузку на систему аэрации, снижая тем самым срок ее службы и эффективность. 

Метод с использованием частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) стал чаще применяться с появлением сверхскоростных воздуходувок (рис. 1) на воздушных или магнитных подшипниках (выпускаются фирмами: ABS/Sulzer, Neuros, Siemens и др.). 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 хайтек за данными изделиями, нельзя не учитывать и следующие контраргументы.

На создание, взамен масляной пленки, воздушного или магнитного слоя между валом и подшипником необходима дополнительная энергия. Огромная скорость вращения вала (до 40 тыс. об/мин) предъявляет требование более тонкой очистки воздуха на фильтрах, износ которых и потери больше, чем традиционных. В случае попадания в фильтр с засасываемым воздухом, например, фрагментов птицы не исключен 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]. Требуется установка как выходных фильтров для защиты изоляции двигателя, снижения его акустического шума, снижения  высокочастотных помех в кабеле, так и входных фильтров для защиты питающей сети от проникновения высших гармоник. Частотные преобразователи чувствительны к колебаниям напряжения в сети питания (±10%). Сверхскоростные воздуходувки (СВД) применимы только при напряжении 0,4 кВ, и для их питания, как правило, требуется увеличение трансформаторной мощности, связанное с дополнительными затратами и потерями в сети.

Срок службы электронных устройств, в том числе ЧРП, редко превышает 10-12 лет, в то время как воздуходувки служат вдвое дольше. Почти все компоненты (96-98%) СВД должны закупаться у изготовителя и не могут ремонтироваться и приобретаться в России.

Главным же ограничением метода с использованием частотнорегулируемого электропривода для аэрации является конфликт зависимостей гидравлических характеристик регулирования и характеристики системы (воздуховода). У первой превалирует изменение напора (давления), у второй – подача, при практически неизменном напоре. 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 [4] в реальных условиях, выполненными под руководством д.т.н. Б.С. Лезнова (рис. 3), четверть века возглавлявшего лабораторию НИИ ВОДГЕО, установлено, что «экономия энергии, получаемая при изменении частоты ротора турбовоздуходувки, незначительна (4-5%)», и что для мощных высоковольтных агрегатов «регулируемый электропривод в воздуходувных установках станций аэрации не окупается в приемлемые сроки»

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. 4). Таким образом, изменение графика системы (горизонтальная линия постоянного давления) идеально соответствует характеристике воздуходувки.

Графическое сравнение (рис. 5) воздухонагнетателя с поворотными лопатками и сверхскоростной воздуходувки, управляемой частотным электроприводом, показывает вынужденный запас второй по давлению и границу ее помпажа. 

А из рис. 6 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. 7) более производительных машин. Здесь экономия электроэнергии (рис. 8) за воздуходувкой с изменяемыми углами атаки потока на входе/выходе при подаче 47 500 м3 /ч составила 12,5%. Диапазон работы частотно-регулируемой воздуходувки ограничивается также зоной помпажа.

В странах, где энергоресурсы стоят дорого, поворотно-лопастные воздуходувки пользуются подавляющим спросом. Так, в Германии, по статистике фирмы Siemens, они применяются на почти 400 станциях аэрации 145 городов. В России, где 297 городов с населением более 50 тыс. чел., спрос на поворотнолопастные нагнетатели с ростом тарифов на электроэнергию также обозначился (табл. 1). Ещё активнее данные машины внедряются в Беларуси.

Одноступенчатые поворотнолопастные турбовоздуходувные агрегаты включают: стандартный электродвигатель на 1500-3000 об/мин; корпус, состоящий из рабочего колесатурбины, входного направляющего лопаточного аппарата и выходного лопаточного диффузора; соединенный с валом двигателя шестеренчатый мультипликатор, повышающий через короткий вал скорость вращения компактной, алюминиевого сплава турбины до 8-10 тыс. об/мин; систему смазки с механическим плюс электрическим насосами и с массивным металлическим тенком, служащим основанием и поглотителем вибрации агрегата; фильтр, глушители, арматуру и микропроцессорную систему управления. 

Поток воздуха, засасываемый из атмосферы через фильтр, проходит по концентрическому направляющему аппарату уменьшающегося сечения. По этому пути воздух (рис. 9) посредством радиально установленных лопаток (1), меняющих угол атаки, предварительно закручивается в сторону вращения ротора и, равномерно ускоряясь, поступает к рабочему колесу (3). Лопатки имеют ассиметричный аэродинамический профиль и монтируются внутри неподвижных прочных стенок направляющего аппарата втулками с двух сторон. Благодаря 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 (2), регулирующие подачу воздуходувки. 

Масло в систему 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 таб. 2.

Около 50% компонентов поворотно-лопастных турбоагрегатов, включая двигатель, ремонтнопригодны и могут приобретаться в России. Остальные 50% частей, практически, не выходят из строя, и служат более 20-и лет.

Алгоритм микропроцессорного контроллера управляет поворотом двух систем лопаток на входе и выходе в зависимости от изменений температуры на входе, расхода, перепада давлений на воздуховоде, и концентрации кислорода в обрабатываемой жидкости. Благодаря этим двум независимым друг от друга системам, реагирующим на показания датчиков (рис. 10), осуществляется регулирование производительности в диапазоне – от 100 до 40% при сохранении высших значений КПД [5].

Выводы

Значительная суточная и сезонная неравномерность притока сточных вод и колебания температуры воздуха обусловливают целесообразность регулирования подачи воздуха на аэрацию. Среди применяемых методов  регулирования – дросселированием перед входом в воздуходувки, изменением частоты вращения вала нагнетателя и изменением углов входа/выхода потока перед/за турбиной воздуходувки – последний для аэрации наиболее эффективен.