Регулирование подачи воздуха при очистке сточных вод
С.Е. Березин, Б.В. Овсейчук, А.В. Устюжанин (ЗАО "ВИВ")
Энергозатраты на обработку и транспортировку 1 м3 питьевой воды и сточных вод в России в разы выше, а капиталовложения в разы ниже, чем в развитых странах. Этот факт определяет целесообразность инвестирования в объекты водопроводно-канализационного хозяйства с наибольшим потенциалом энергосбережения. Таким потенциалом обладает управление работой энергоемких агрегатов в соответствии с суточными и сезонными изменениями количества потребляемой воды и отводимых стоков. До 50% электроэнергии, затрачиваемой в системе водоотведения, приходится на воздуходувное оборудование. Регулирование его работы снижает энергопотребление на 35%. Управление подачей воздуха является экономически выгодным мероприятием и по энергосбережению, и по окупаемости инвестиций в сфере водоотведения. Рассмотрены три основных способа регулирования количества воздуха на аэрацию: дросселирование перед входным патрубком воздуходувки заслонкой; изменение скорости вращения вала частотно-регулируемым приводом; изменение угла атаки потока воздуха до и после рабочего колеса поворотными лопатками, смонтированными внутри воздуходувки. Для сравнения, в Германии, например, управляемые воздуходувки применяются на 390 станциях аэрации в 145 городах. В России же, где 297 городов с населением более 50 тысяч человек, они используются лишь на 15–20 очистных сооружениях. Зато низкоэффективное регулирование канализационных насосов в РФ применяется чаще, чем в энергосберегающих странах. В мировой практике применение управляемых воздуходувок взамен обычных окупалось за 2–4 года на многих объектах.
Ключевые слова: водопроводно-канализационное хозяйство, сточные воды, насосная станция, частотнорегулируемый электропривод, воздуходувка, аэрация.
Анализ распределения электроэнергии, потребляемой предприятиями водопроводно-канализационного хозяйства городов РФ с населением 400–500 тыс. жителей (рис. 1), показывает, что наибольшие удельные энергозатраты на работу оборудования приходятся на воздуходувки.
В водоканалах России на протяжении десятков лет без замены эксплуатируются нагнетатели воздуха производства заводов «Дальэнергомаш» и «Средазхиммаш». Работа этих агрегатов сопровождается значительно превышающим нормативы шумом. Выработавшие свой ресурс воздуходувки с электродвигателями, подвергавшимися капитальному ремонту с заменой обмоток, теряют до 10% КПД [1]. Соответственно, на десятки процентов возрастает удельное энергопотребление данных агрегатов. Однако замена изношенных нагнетателей воздуха новыми нерегулируемыми позволит использовать лишь малую часть ресурса энергосбережения.
Регулирование подачи воздуха в условиях значительной неравномерности поступления сточных вод и колебаний температуры наружного воздуха обеспечивает существенную экономию энергии. Ее потенциал, с учетом повсеместной недостаточной нагрузки на очистные сооружения, достигает 35% и более. Поэтому управление подачей воздуха является экономически выгодным мероприятием с точки зрения и энергосбережения, и окупаемости инвестиций в сфере водоотведения [2].
Потребность в регулировании подачи воздуха способствовала 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 отдается установке, которая наиболее соответствует особенностям системы и процесса.
Для жизнедеятельности микроорганизмов в процессе биологической очистки 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 способа регулирования количества воздуха на аэрацию: дросселирование перед входным патрубком воздуходувки заслонкой; изменение скорости вращения вала нагнетателя частотно-регулируемым электроприводом; изменение угла атаки потока воздуха до и после рабочего колеса поворотными лопатками, смонтированными внутри воздуходувки.
Прямое дросселирование воздушного потока входным поворотным клапаном приводит к возникновению неравномерности полей давления среды во всасывающей камере, разрывного режима течения среды, больших градиентов скорости [3]. Это увеличивает переменно-пульсационную нагрузку на систему аэрации, снижая тем самым эффективность и срок ее службы.
Частотно-регулируемый электропривод стал чаще использоваться с появлением сверхскоростных (до 40 тыс. об/мин) воздуходувок (рис. 2) на воздушных или магнитных подшипниках производства компаний ABS/Sulzer, Neuros, Siemens и др. Однако наряду с технической новизной данные машины имеют ограничения по применению [4], основными из которых являются следующие:
до 98% элементов сверхскоростных воздуходувок нельзя отремонтировать или заменить аналогами, имеющимися на рынке РФ;
срок службы частотно-регулируемого электропривода, составляющего до 50% стоимости воздуходувной установки, ограничен 12–16 годами, т. е. он не вырабатывает весь срок службы воздуходувки;
сверхскоростные воздуходувки приводятся в действие только низковольтными электродвигателями (380–660 В) и во многих случаях требуют дополнительных расходов на размещение трансформаторных подстанций. Генерируемые частотно-регулируемым приводом токи высокой частоты приводят к появлению поверхностного эффекта в силовых кабелях, питающих электродвигатель. В связи с этим большинство производителей частотно-регулируемых электроприводов требуют применения кабелей с увеличенным в несколько раз сечением токоведущих жил. В ценах на сверхскоростные воздуходувки весомая часть стоимости трансформаторов и кабелей обычно отсутствует.
Главным ограничением использования частотно-регулируемого привода 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. Это несоответствие вынуждает подбирать частотнорегулируемые воздуходувки с запасом по напору, точнее, к тому его значению, которое диктует система. Это ограничение свойственно как сверхскоростным воздуходувкам, так и другим центробежным агрегатам, в том числе высоковольтным, оснащенным частотно-регулируемым приводом.
По результатам исследований, выполненных под руководством Б. С. Лезнова (рис. 3) в реальных условиях, 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» [5].
Управление изменением угла атаки потока воздуха 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) соответствует характеристике воздуходувки. Благодаря этому изменению зона максимального КПД воздуходувки с механическим регулированием гораздо шире охватывает диапазон подач (рис. 4), чем у машины с частотно-регулируемым приводом (рис. 5).
Данный вывод подтверждается результатами сравнения самой крупной современной сверхскоростной частотно-управляемой воздуходувки мощностью 500 кВт (рис. 6) со стандартной поворотно-лопастной воздуходувкой (рис. 7).
Видно, что в точках пересечения характеристик этих машин с графиком системы (воздуховода) сверхскоростная воздуходувка потребляет больше энергии в диапазоне регулирования, чем поворотно-лопастная при одинаковых значениях подач и напоров. У второй, кроме того, шире и границы регулирования (от 100 до 45%), тогда как у сверхскоростной воздуходувки она составляет от 100 до 65%.
Графическое наложение характеристик воздухонагнетателя с поворотными лопатками и сверхскоростной воздуходувки, управляемой частотным электроприводом, показывает вынужденный запас второй по давлению и границу ее помпажа (рис. 8).
Из рис. 9 также видно, что экономия энергии у поворотнолопастной воздуходувки обеспечивается по всему диапазону регулирования и нарастает в зоне, где у частотно-управляемой машины наступает помпаж. В точке, максимальной по проекту подачи (412 м3 /мин, или 24 720 м3 /ч), воздуходувка с поворотными лопатками потребляет 430,6 кВт энергии против 482,8 кВт у сверхскоростной воздуходувки.
Одноступенчатые поворотнолопастные турбовоздуходувные агрегаты (рис. 10) включают: стандартный электродвигатель со скоростью вращения вала 1500– 3000 об/мин; корпус, состоящий из рабочего колеса-турбины, входного направляющего лопаточного аппарата и выходного лопаточного диффузора; соединенный с валом двигателя шестеренчатый мультипликатор, увеличивающий через короткий вал скорость вращения компактной, из алюминиевого сплава турбины до 8–15 тыс. об/мин; систему смазки с механическим и электрическим насосами, массивную фундаментную раму; фильтр, глушители, арматуру и микропроцессорную систему управления.
Около 50% элементов поворотно-лопастных турбоагрегатов, включая двигатель, ремонтопригодны, их можно приобрести в России. Остальные 50% элементов практически не выходят из строя и служат более 20 лет (рис. 11).
Результаты сравнения компонентов совокупных затрат по воздуходувкам двух типов регулирования, выполненного по ряду объектов, представлены на рис. 12.
Управляемые воздуходувки недешевы, но цена в выборе оборудования длительного пользования малозначима. Определяющими в совокупности затрат являются расходы на электроэнергию (рис. 13). В странах, где энергоресурсы стоят дорого, поворотно-лопастные воздуходувки пользуются большим спросом. Так, например, в Германии, по статистике фирмы Siemens, они применяются на 390 станциях аэрации в 145 городах. В России и в Белоруссии в 2013–2014 годах с ростом тарифов на электроэнергию спрос на поворотно-лопастные нагнетатели также возрос (таблица).
Выводы
Наибольшие удельные энергетические затраты на оборудование предприятий водопроводноканализационного хозяйства городов России приходятся на воздуходувки систем аэрации. Значительная суточная и сезонная неравномерность притока сточных вод и колебания температуры воздуха обусловливают целесообразность регулирования подачи воздуха на аэрацию. Среди применяемых методов регулирования – дросселирование перед входом в воздуходувки, изменение частоты вращения вала нагнетателя и изменение углов входа/выхода потока перед турбиной воздуходувки и за ней – последний для аэрации наиболее эффективен и экономичен.
