Обоснование выбора технологического оборудования по очистке сточных вод
Березин С.Е., Баженов В.И., Черненко А.В., ЗАО «Водоснабжение и водоотведение»
Оборудование для процессов очистки сточных вод требуется для переустройства систем и сооружений ВКХ при капитальном ремонте, расширении, техническом перевооружении и реконструкции. Последние два вида переустройства связаны с повышением их технического уровня на основе внедрения новой техники и технологий. Это требует, главным образом, обновления активной части основных фондов (оборудование, машины, механизмы, технологические линии и т.п.), поэтому водоканалам необходимо обосновать свой выбор при проведении закупок.
Конкурсный механизм при регулировании государственных и муниципальных закупок предусматривает проведение тендерной процедуры на основе Федерального закона № 44-ФЗ [1]. Основная масса федеральных, муниципальных и региональных госзаказов переведена на электронные торги и размещается на электронных торговых площадках.
Материалы данной публикации представляют примеры сравнительных таблиц оборудования с его техническими характеристиками без «привязки» к конкретным объектам и ценам производителей. Поскольку цель и задачи на каждом конкретном объекте носят локально – проектный характер, то выборки оборудования должны соответствовать рабочим диапазонам и условиям его использования. Представленные сводные табличные данные в практической работе следует рассматривать в тесной связи с обоснованием выбранных решений, включая комментарии рабочих параметров. Номенклатура продукции фирм – поставщиков широка и находится в процессе постоянного совершенствования, поэтому публикуемые данные являются лишь примерами оформления обоснования выбора. Авторы предлагают производителям и поставщикам по возможности направлять им недостающие данные и комментарии.
Обоснование выбора технологического оборудования по очистке сточных вод востребовано водоканалами не только как средство обеспечения тендерной процедуры, а также как принцип обеспечения НДТ.
Системы аэрации
Появление мембранных мелкопузырчатых аэраторов позволило значительно увеличить управляемость процесса и снизить засорение аэрационных систем. В настоящее время мелкопузырчатые аэраторы с использованием мембран являются основным оборудованием для систем аэрации, особенно на современных сооружениях с применением процессов удаления азота и фосфора, а также автоматизированным регулированием подачи воздуха. Необходимость регулирования вызвана неравномерностью исходной технологической нагрузки.
Классическими материалами для производства мембран являются следующие полимеры:
EPDM – этилен пропилен диен мономер.
Полиуретан – в основном полиэфир, реже полиэстер.
Силикон – существенно отличается от других полимеров тем, что химические связи углерод-углерод замещены связями углеродкремний-кислород (полиорганосилоксан).
Как правило, материал EPDM дешевле в ценовом отношении (при полном соответствии хозяйственно-бытовым сточным водам), но не всегда. В табл. 1 представлен ряд производителей, которые предлагают материал силикон (предполагает химическую стойкость к маслам и углеводородам) в той же ценовой категории.
В международной практике при выборе аэратора обычно учитывают его массообменные характеристики SOTE2 (эффективность использования кислорода в стандартных условиях, %,), площадь, обслуживаемую одним аэратором, которая зависит от площади мембраны и формы аэратора, удобство монтажа, цену, затраты по замене, обслуживанию и пр.
Количество подаваемого в аэрационную систему воздуха пропорционально степени использования кислорода воздуха SOTE для выбранного типа аэраторов.
Данные табл. 1 целесообразно рассматривать совместно с конструкцией и материалами распределительной системы, а также ее креплений к днищу аэротенка. Существуют различные варианты сборки распределительной системы: сварка, защелкивающиеся замки, резьбовые, софт-коннекторы. Среди материалов распределительных систем, на наш взгляд, следует отдать предпочтение ПВХ или нержавеющей стали, по сравнению с ПНД. Удобство замены мембраны аэратора в процессе эксплуатации – важный фактор, способствующий увеличению скорости переоснащения аэротенков. Опорный элемент мембраны должен быть прочным, поэтому применяют ПВХ, иногда алюминий (фирма U&D).
Цену за единичный аэратор (дисковый, пластинчатый, трубчатый) целесообразно соотносить к стоимости распределительной системы с креплениями. Так, более крупные аэраторы требуют существенно меньших затрат на приобретение разводящих систем и их монтаж.
Данные о современных мембранных аэраторах представлены в табл. 1.
Мешалки
Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии обычно устанавливаются электромеханические мешалки. Двигатели мешалок могут быть исполнены в соответствии со степенью защиты IP54 или IP68 (используется 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.
Погружные мешалки в классическом выражении подразделяются следующим образом:
• Высокооборотные безредукторные, что обеспечивается прямым приводом на вал и высокой скоростью вращения ~360– 1400 об/мин в зависимости от диаметра рабочего колеса (~0,8–0,14 м) и мощности двигателя (~0,4–30 кВт)
• Низкооборотные редукторные с широким спектром технических характеристик (с обслуживанием размаха (или диаметра) лопастей крупного размера 1,2–2,75 м, при скорости вращения ~17–98 об/мин, и мощности двигателя ~0,5–7,5 кВт)
• Среднеоборотные, как правило, редукторные, занимающие промежуточное положение (производители по-разному классифицируют их функциональную зону).
До 2007 г. не существовало единого критерия оценки мешалок для использования в области очистки сточных вод. Промышленное развитие средств перемешивания потребовало обозначить расчетный параметр, одинаково понятный как проектировщикам, так и производителям оборудования. Международный стандарт ISO 21630 [3] определяет расчетный параметр: «Измерения напора (давления) и расхода не включаются в рассмотрение. Основным расчетным параметром является тяга». Тяга (Thrust) (измеряется в ньютонах), ее величина рассматривается как сила реактивной составляющей осевого давления, вызванного работой лопастей мешалок на опору.
Использование указанного стандарта способствует:
• увеличению однородности / совместимости характеристик, что позволяет производить сравнение мешалок,
• упрощению общения между заказчиком и поставщиком и защите клиентов,
• сокращению потребности в документации,
• повышению качества и эффективности как для процесса машиностроения, так и для очистки
Практикой предполагается, что проектировщик оценивает требуемую силу тяги исходя из проектных величин: объема и формы резервуара, скоростей перемешивания. Затем из каталожных данных фирмпроизводителей выбирает подходящую по тяге мешалку и ее марку. Фирмы-производители способствуют процессу, помогая осуществить правильный выбор. Поэтому производители должны включать данные «тяга» в прямой каталожный доступ.
Поскольку одинаковая тяга реализуется на практике различной конструкцией погружных мешалок (диаметр и форма лопастей, наличие редуктора с определенным передаточным числом или его отсутствие) для сравнения удобно пользоваться относительной величиной – удельная эффективность (Н/кВт). Лучшим вариантом ее определения является потребляемая мощность в рабочей точке. Однако не все производители сообщают ее величину, ограничиваясь мощностью двигателя. Двигатели класса IE3 являются наиболее современными разработками, с повышенным КПД (более 90 %).
Примеры наиболее крупных по производительности низкооборотных редукторных устройств перемешивания представлены в табл. 2.
Жесткость конструкций опор – важный параметр, влияющий на долговечность работы мешалок. Как правило, она рассчитывается на прочность и резонансную стойкость к вибрациям. Некоторые производители предлагают бетонные пьедесталы или монолитные опоры из композитных материалов.
Воздуходувное оборудование
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 воздухопроводов.
Для подачи воздуха нормального давления 0,16–0,17 МПа (не более 0,19 МПа) на крупных объектах обычно используют центробежные воздуходувки и нагнетатели: многоступенчатые и одноступенчатые. Регулирование производительности осуществляют: для многоступенчатых агрегатов посредством использования высоковольтного преобразователя частоты (ПЧТ), для одноступенчатых – управляемого лопаточного аппарата после турбины и/или перед ней (рассматривается как конструктивная часть улиты). Если заказчик на своем объекте предполагает реализацию эффекта энергосбережения, требуется выбор управляемого воздуходувного оборудования. Использование управляющих технологических средств автоматики приветствуется.
Для очистных установок малой производительности применяют как высокоскоростные центробежные безредукторные агрегаты, так и устройства объемного типа (винтовые и роторные). Регулирование первых осуществляется с использованием ПЧТ, иногда комплексным (направляющим лопаточным аппаратом + ПЧТ) способом. Данные решения, в основном, адаптированы к использованию как комплексный продукт
Как правило, при сравнении воздуходувок учитывают и способ регулирования, и собственно оборудование (табл. 3). Поставщики предлагают сложные комплекты оборудования. «Одноступенчатые центробежные редукторные» решения адаптированы для использования как единый и законченный продукт. Решения «Многоступенчатые центробежные + ПЧТ», предлагаемые поставщиками как комплект оборудования, требует проектного подтверждения расчетами (цена ошибки высока).
Поскольку рабочий срок воздуходувного оборудования составляет не менее 25 лет, эксплуатационные затраты целесообразно рассчитывать на этот период (замена запчастей, масла, фильтров, ПЧТ и др., а также учет стоимости ремонтных работ). Даже цена средств охлаждения помещений с ПЧТ необходимо брать в расчет
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.
При выборе воздухонагнетателей также важно учитывать:
• Напряжение сети: 0,38; 0,69; 6; 10 кВ.
• Величину падения КПД при использовании ПЧТ, что 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.
• Референс-лист агрегатов подобной производительности, в качестве подтверждения опыта эксплуатации.
• Материалы, конструктивные особенности, скорость вращения, обеспечение заводских тестовых испытаний.
Пример сравнения характеристик управляемых воздухонагнетателей представлен в табл. 3 (на практике учитывают большее количество параметров и представляют более развернутую форму).
Системы доочистки
Данный тип оборудования рассмотрен в связи с потребностью водоканалов в технических средствах обеспечения рыбохозяйственных норм водоемов. Дисковые микрофильтры не являются единственно возможным оборудованием, скорее примером. Выбор обосновывается возможностью изыскать на ряде объектов перепад уровней до/после сооружений доочистки ~0,4 м. Этого вполне достаточно для обеспечения гидравлического напора, без строительства дополнительной насосной станции.
В данном случае рассматривается вариант для доочистки биологически очищенных городских сточных вод с целью снижения содержания взвешенных веществ, органических веществ, а также для доочистки от соединений фосфора.
Дисковые фильтры (с реагентным хозяйством) обладают рядом преимуществ по сравнению с другими фильтрационными установками и сооружениями:
• уменьшение занимаемой площади за счет вертикального расположения фильтрующих элементов – дисков;
• модульная конструкция позволяет, при необходимости, увеличивать пропускную способность фильтра;
• автоматизированная система управления;
• простота эксплуатации без необходимости опорожнения корпуса фильтра за счет легкосъемных фильтрующих панелей и спринклеров;
• нет необходимости в строительстве резервуаров промывной воды и грязных вод от промывки фильтров, для промывки используется отфильтрованная вода, подающаяся из корпуса фильтра, минимальный расход промывной воды;
• минимальные потери напора и затраты электроэнергии;
• полностью закрытая конструкция, оборудование оснащено металлическим кожухом с откидными дверцами для технического осмотра.
Диски выполняются в виде отдельных сегментов с фильтрующими элементами, представляющими собой трапецеидальную рамку, в которой закреплена мембрана (материал с размерами ячеек 10–50 микрон). Диски приводятся во вращение приводом, состоящим из электродвигателя и редуктора. Осью вращения дисков служит труба, являющаяся одновременно коллектором для отвода промывной воды. Промывное устройство представляет собой водораспределительную трубу со спринклерами, расположенными между дисками. Смытые загрязнения поступают в коллектор и направляются в голову сооружений, например, в первичные отстойники. На крупных объектах дисковые фильтры следует устанавливать в железобетонных камерах, снабженных водосливной перегородкой, которая обеспечивает расчетное погружение в воду.
Эффект очистки на дисковых микрофильтрах зависит от ряда факторов: состава и свойства воды, размера ячеек сеток и режима работы микрофильтров (гидравлической нагрузки, потерь напора, интенсивности промывки и пр.).
Пример сравнительных характеристик и средств комплектации для устройства на объекте условной производительностью 325 000 м3/сут. представлен в табл. 4.
Расход реагента может быть включен в таблицу сравнений как параметр эксплуатационных затрат, наряду с расходом электроэнергии. Стоимость комплекта запчастей на период эксплуатации подлежит запросу у поставщиков, как, впрочем, и шеф-монтажных наладочных работ (это касается всего рассмотренного в статье оборудования).
Расчет экономического эффекта
В качестве критерия сравнения различных типов оборудования удобно использовать совокупную стоимость владения LCC (Life cycle cost). Критерий давно используется в международной практике, в т.ч. и при проведении сравнительных обоснований.
В России достаточно известны методы, основанные на сравнении экономической эффективности работы оборудования по показателю приведенных затрат. Методы схожи, поскольку основные составляющие (капитальные вложения и эксплуатационные затраты) трактуются единообразно. Метод приведенных затрат не отражает современные экономические процессы (например, инфляцию, кредитование, точную технико-экономическую оценку долгосрочных проектов).
В LCC совокупную стоимость владения (по вариантам сравнения) принято определять по формуле [3, 4, 5]:
где Cic – капитальные затраты (строительные работы, стоимость оборудования); Cin – затраты на монтаж и пусконаладку; Ce – затраты на электроэнергию; Co – текущие затраты (в основном на оплату труда обслуживающего персонала); Cm – затраты на сервисное и техническое обслуживание (текущий и плановый ремонт, при необходимости замена оборудования или элементов комплекса); Cs – затраты по причине простоя (упущенная выгода) или потери производительности; Cenv – затраты на охрану окружающей среды и предотвращение ущерба; Cd – затраты на утилизацию, остаточная стоимость оборудования для его будущего использования.
Составляющие Ce , Co , Cm, Cs и Cenv относятся к эксплуатационным затратам, при расчете которых во внимание принимается годовой темп инфляции p, который требуется компенсировать процентной ставкой i, выраженной в долях единицы:
где n – расчетный период (n = 7, 8, … 25 лет, в зависимости от расчетного периода эксплуатации оборудования); Сp, Cn – текущие и предстоящие через n лет затраты; i – процентная ставка, принимаемая с учетом депозитных ставок банков высшей категории надежности (в период сравнения i 16–20 %); p – годовой темп инфляции (p = 12–16 %).
Для приведения затрат и результатов, полученных в различные моменты времени в ходе реализации проекта, к сопоставимому виду необходимо использовать коэффициент дисконтирования, так как очевидно, что ценность эквивалентных денежных средств в разные периоды неодинакова.
С учетом коэффициента дисконтирования α формула (2) примет вид:
Элементы совокупной стоимости владения LCC, как правило, выбираются к сравнительному расчету в соответствии с требованиями. Так, например, цена оборудования Cic имеет большое значение для покупателя, поскольку отражает размер инвестиций. Цены на импортное оборудование и запасные части целесообразно формировать в соответствии с практикой российского рынка и с учетом транспортных затрат до потребителя, затрат на услуги таможни, налога на добавленную стоимость.
Величина затрат на сервисное и техническое обслуживание Cm характеризует последующие расходы (замены: ремонтных комплектов, масла, фильтров, реагентов, растворов для прочистки систем аэрации и т.п.). Включают в себя закупочные цены, а также затраты на сервисное и техническое обслуживание (в расчетах обычно используется стоимость ремонтных работ в руб. за 1 нормо-час). Продолжительность ремонтных работ определяется в соответствии с мощностью и массой агрегатов, грузоподъемностью механизмов.
Затраты на электрическую энергию Ce обычно существенно различаются по вариантам сравнения и очень важны для потребителя. Необходимость использования в расчетах элементов затрат Cin, Co , Cs , Cenv, Cd определяется водоканалами, исходя из целесообразности и присутствия реальной составляющей.
Применение метода LCC позволяет регулярно оценивать и оптимизировать инвестиционные и эксплуатационные затраты, сравнивать тендерные предложения различного уровня техники, экономически учитывать исходные КПД и качество используемого оборудования (технологии) как элемент затрат и пр.
Более подробно тема определения совокупной стоимости владения для обоснования технического варианта принятого решения будет рассмотрена в следующем номере журнала.
(Продолжение следует)
