Энергосбережение в водопроводно-канализационном хозяйстве и промышленных предприятиях при использовании воздухонагнетателей
Компрессорное оборудование, как и насосное является неотъемлемой частью служб водопроводно – канализационного хозяйства и промышленных предприятий России. Рост цен на электроэнергию в буквальном смысле заставляет рассматривать процесс подачи воздуха потребителю в энергоэффективном аспекте.
Авторы статьи рассматривают различные типы воздухонагнетателей в контексте их регулирования с целью достижения энергосберегающего эффекта. В отличие от воды, воздух среда сжимаемая, потому такие параметры как температура и влажность воздуха существенно влияют на расчетные характеристики при выборе оборудования. Для обеспечения сложных расчетов использовалась разработанная авторами статьи математическая модель, и представляют результаты ее работы.
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 1 комментирует данное положение в соответствии с рабочими характеристиками агрегатов.
Из таблицы следует, что одноступенчатые центробежные редукторные воздухонагнетатели обладают самым большим диапазоном производительностей по воздуху (2,0–130 тыс. м3/ час) при напряжении питания 0,38– 10 кВ. Это позволяет использовать их в условиях населенных мест с 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. Более подробно сравнительные особенности агрегатов рассмотрены в материалах [1,2,3,4].
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 компрессора, подающие воздух для реакции каталитической регенерации серы в нефтехимической промышленности.
Подача воздуха в топки и плавильные печи требует устройство 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 подачу 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 промпредприятия являются 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, как отражено на рис. 2, где формирование процессов энергосбережения в течении выбранных суток характеризуется реальной неравномерностью изменения технологических нагрузок.. 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. 2, 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. 3.
Подробные исследования включали разработку следующие методики 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. Достаточно подробное руководство [5] приводит данные об изменении КПД сравниваемых агрегатов в условиях управления их производительностью, рис. 4.
При обозначениях сверху-вниз: с двойным регулированием одноступенчатые, с одинарным регулированием на «всасе», многоступенчатые, роторные. Note 1: Пунктирная линия многоступенчатых нагнетателей отражает зону, ограниченную помпажем.
Для высоковольтных систем с частотным регулированием (агрегаты: многоступенчатые и роторные), заявленный КПД понижается на 3–6% в зависимости от глубины регулирования. Данные [5] носят обобщенный характер, в любом случае требуется запрашивать характеристики оборудования у производителя, но виду отсутствия обобщающей информации их стоит расценивать как достаточно ценный материал.
«Верхние кривые», рис. 4, относятся к одноступенчатым центробежным воздухонагнетателям. Причем способ их регулирования отличается принципиально устройством регулируемого направляющего аппарата на «всасе» и на «напоре», рис. 5. 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.
Примечание: положение направляющих лопаток позиционируется в автоматическом режиме в зависимости от требуемого объема воздуха, температуры, давления, влажности.
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. Прим.: управление этой воздушной 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%) в пределах регулирования производительности от 40 до 100% (для Siemens TE, Германия). Подобные воздухонагнетатели обладают минимальным сроком окупаемости вследствие высоких КПД при реализации стратегии управления. Оборудование характеризуется низкими эксплуатационными расходами и длительным использованием. Только за счет сезонного и суточного регулирования ежегодные энергетические сбережения для станций аэрации достигают 35%.
Математическое моделирование
Современный этап очистки сточных вод в России связан с реализацией способов математического моделирования, вовлеченного в стандартные оболочки программного обеспечения [6]. Это позволяет прогнозировать подачу воздухонагнетателей в динамичных условиях неравномерного поступления массовых поступлений сточных вод при использовании методик [7, 8, 9].
Однако, в отличие от гидравлических задач, решение аэродинамических осложняется тем, что воздух среда сжимаемая, потому такие параметры как температура и влажность воздуха существенно влияют на расчетные характеристики при выборе оборудования. Для обеспечения сложных расчетов нами была специально разработана математическая модель, на базе уравнений состояния газа, сохранения энергии в компрессорных нагнетателях, растворения и потребления кислорода в аэротенках. Модель рассчитана для работы в нестационарных условиях и позволяет производить оценку распределения энергетических затрат группы компрессоров по времени (сутки и сезоны года).
Результаты работы математической модели при использовании стандартных сред MathCAD и MathLAB представлены на рис. 3, 6. Пример прогнозирует работу одноступенчатых турбокомпрессоров с двойным регулированием с изменением КПД в диапазоне 80–84% для реальной станции аэрации г. Белгорода. Поскольку изменение КПД агрегатов в диапазоне составляет всего 4%, характер графиков подачи воздуха и потребляемой мощности зрительно соответствует друг другу. Прим.: Следует учесть, что нижний график выглядит несколько «сплюснутым» из-за несоответствия линейных размеров расхода воздуха и мощности, графопостроитель руководствуется абсолютными величинами параметров
Выводы
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 55–60%.
Из центробежных агрегатов целесообразно отдать техническое предпочтение одноступенчатым воздухонагнетателям с двойным (всас + напор) регулируемым направляющим аппаратом, с изменением КПД в управляемом диапазоне 4%.
Разработана математическая модель, на базе уравнений состояния газа, сохранения энергии в компрессорных нагнетателях, растворения и потребления кислорода в аэротенках. Модель рассчитана для работы в нестационарных условиях и позволяет производить оценку распределения энергетических затрат группы компрессоров по времени (сутки и сезоны года).
