Энергосбережение из "воздуха". Разница потребляемой электроэнергии для управляемого и неуправляемого режимов подач воздуха
Энергосбережение из «воздуха» трактуется в контексте использования компрессорного оборудования службами ВКХ и промышленными предприятиями. Суть энергосбережения заключается в разнице потребляемой электроэнергии для управляемого и неуправляемого режимов подач воздуха. Ни для кого не секрет, что в России остаются предприятия, использующие компрессорное оборудование «по старинке» в неуправляемом режиме.
Управление воздуходувным оборудованием в современных условиях означает соответствие основным параметрам:
• высокому базовому КПД;
• достаточно широкому диапазону управления подачей воздуха;
• сохранению высоких величин КПД в диапазоне подач воздуха.
Кроме того, целесообразно соответствовать вполне понятным требованиям служб эксплуатации как заказчика:
• полностью удовлетворять всем предъявляемым в области очистки сточных вод и промышленного применения требованиям;
• соответствовать низким эксплуатационным расходам;
• включать разработанные специально для регулирования работы воздухонагнетателя устройства контроля и управления;
• иметь проверенное и надежное, компактное конструктивное исполнение;
• обеспечивать гибкий подход к конкретным условиям применения концепции конструктивного исполнения (использование стандартных узлов и деталей);
• обладать низким уровнем шума и отсутствием пульсаций давления.
Общие характеристики воздухонагнетателей
При проектировании реальных объектов с управляемым воздуходувным оборудованием следует весьма отчетливо представлять технически возможный диапазон их регулирования. Таблица комментирует данное положение в соответствии с рабочими характеристиками агрегатов.
Из таблицы следует, что одноступенчатые центробежные редукторные воздухонагнетатели обладают самым большим диапазоном производительности по воздуху (2,0 – 130 тыс. м3 /ч) при напряжении питания 0,38 – 10 кВ. Это позволяет использовать их в условиях населенных местс 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
Следует обращать внимание на величины гарантированных отклонений от заявленных параметров (или допусков на изготовление оборудования). 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.
Области промышленного и коммунального использования воздуходувного оборудования
К областям применения управляемого компрессорного оборудования следует отнести отраслевые технологические направления.
Биологическая очистка сточных вод – применяется воздуходувное оборудование для аэрации иловой смеси городских (хозяйственно-бытовых) и производственных сточных вод или их смеси. К производственным сточным водам следует отнести отрасли промышленности: пищевой (мясной, рыбной, молочной, спиртовой, дрожжевой), целлюлозно-бумажной, гидролизных производств, ацетатного волокна, коксохимической, нефтеперерабатывающей, синтетических каучуков, микробиологической и лекарственных препаратов, кожевенной, животноводческих комплексов и птицефабрик, производств фенола и ацетона.
Очистка дымовых газов от серы, где используются воздухонагнетатели окисляющего воздуха, в отраслях электроэнергетической и тяжелой промышленности.
Установки по регенерации серы содержат компрессоры, подающие воздух для реакции каталитической регенерации серы в нефтехимической промышленности.
Подача воздуха в топки и плавильные печи требует устройства воздуходувок с целью обеспечения горения и химической реакции в производствах нефтехимическом и металлургическом.
Процессы ферментации для производства дрожжей или ферментов, а также схожие биологические производства требуют подачи воздуха нагнетателями.
Стратегия технологического управления воздухонагнетателями
Самым ярким образцом возможностей технологического управления является биологическая очистка сточных вод, существующая повсеместно в ВКХ городов и населенных мест. В случаях, когда крупные промпредприятияявляются градообразующими, подобные службы находятся на их балансе. Сезонный и суточный режим жизни населения подчинен определенному графику, к которому целесообразно было бы приспособить и работу компрессорного (или воздуходувного) оборудования. В случае успеха затраты окупятся мегаваттами сэкономленной электроэнергии и пониженным сроком окупаемости оборудования (при стоимости электроэнергии 1,5 – 2,5 – 4 руб./кВт ориентировочный срок окупаемости подобного воздуходувного оборудования составит соответственно 4,3 – 2,6 – 1,8 года).
Суть энергосбережения заключается в разнице потребляемой электроэнергии для управляемого и неуправляемого режимов подач воздуха в аэротенки (рис. 1). 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 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. 1) 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 – 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. Графический анализ представлен в относительных единицах от проектных величин (рис. 2, 3).
Подробные исследования включали разработку следующих методик оценки:
• 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. При проектировании реальных объектов с управляемым воздуходувным оборудованием следует весьма отчетливо представлять технически возможный диапазон их регулирования (рис. 3).
При управлении агрегатами требуется обеспечить минимальный диапазон глубины регулирования производительности 50 – 100%. Это позволит реализовать общую стратегию управления агрегатами по принципу включения/ выключения. Недостаток обозначенной глубины регулирования отражается на «кривой» (рис. 1) дополнительными энергозатратами или нереализованным энергосбережением. Повышенная глубина регулирования 40 (45) – 100% создает некоторый комфортный для эксплуатации запас при переключении агрегатов.
Доминирующая область управления воздухонагнетателями – это зона повышенной активности работы агрегатов. Наибольшее время работы сосредоточивается именно в этой области, поэтому здесь важно регулярно сохранять максимально достижимые КПД. И наоборот, падание КПД в этой зоне приводит к повышению энергозатрат.
Три типа агрегатов обеспечивают минимальное требование к диапазону управления.
«Верхние кривые» на рисунке 3 относятся к одноступенчатым центробежным воздухонагнетателям. Причем способ их регулирования отличается принципиально устройством регулируемого направляющего аппарата на «всасе» и на «напоре» (рис. 4). На практике встречаются агрегаты как с двойным регулированием, так и с одинарным (со стороны «всаса»). При регулировании характеристики центробежного агрегата перестраиваются, зона устойчивой работы резко увеличивается, потребляемая мощность уменьшается.
Положение направляющего аппарата или «аэродинамических лопаток» регулируется в зависимости от потребности в воздухе и по сигналам панели управления. Эти сигналы, как правило, ориентированы на показания датчика давления в воздушной магистрали, изменяющиеся вследствие управления ее воздушной заслонкой. Управление этой заслонкой носит технологический характер, например, в зависимости от концентрации растворенного кислорода (и др.) в аэротенках.
Система управления предназначена для максимального повышения эффективности и обеспечения бесступенчатого изменения производительности при широком рабочем диапазоне. Полностью автоматическое управление производительностью достигается одним входным сигналом, который обрабатывается и ретранслируется на электрические, пневматические или гидравлические приводы направляющего аппарата.
Одноступенчатые турбокомпрессоры с двойным регулированием – наиболее энергосберегающее решение, в соответствие с технологией их изготовления, позволяющей сохранять высокий КПД порядка 80–84% (до 86%) на полном диапазоне регулирования (в пределах 40–100% их производительности). Подобные воздухонагнетатели обладают минимальным сроком окупаемости вследствие высоких КПД, реализации стратегии управления в выделенных областях и диапазонах регулирования. Низкие эксплуатационные расходы / длительное использование – подшипники, смазываемые маслом, и общее отличное качество минимизируют обслуживание и увеличивают срок службы. Только за счет сезонного и суточного регулирования ежегодные энергетические сбережения для станций аэрации достигают 35%.
За счет сезонного и суточного управления подачей воздуха в аэротенки возможно сэкономить порядка 35% потребляемой мощности, что становится достижимым при использовании воздухонагнетателей с диапазоном регулирования производительности более 50–100%.
Из центробежных агрегатов целесообразно отдать техническое предпочтение одноступенчатым воздухонагнетателям с двойным (всас + напор) регулируемым направляющим аппаратом, например Siemens TE (Германия). Диапазон регулирования по воздуху максимален 40–100%, а КПД в этом диапазоне падает всего на 4%, сохраняет высокие величины 80–84% (до 86%). Экономия в основном обусловливается технологической возможностью регулирования скорости подачи воздуха компрессорами с одновременным поддержанием КПД на высоком уровне. Одноступенчатые агрегаты с регулируемым всасом также экономичны, при аналогичном диапазоне регулирования КПД изменяется на 13% (70–83%).
Воздухонагнетатели с частотно-регулируемым приводом распределяются в соответствие с убыванием КПД в последовательности: с прямым приводом высокоскоростные (74–79%), многоступенчатые центробежные (51–73%), роторные (50–61%).
Агрегаты с прямым приводом высокоскоростные и многоступенчатые центробежные не реализуют в достаточной степени стратегию управления для выделенных областей и диапазонов регулирования.
