Сравнение способов регулирования воздуходувок для аэрации промышленных и бытовых сточных вод
В статье рассмотрены методы регулирования подачи воздуха для аэрации с помощью воздуходувок на промышленных и коммунальных очистных сооружениях канализации: 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.
Целесообразность регулирования подачи воздуха [1], идущего на аэрацию, определяется колебаниями его температуры и неравномерностью поступления сточных вод. Это привело к созданию и совершенствованию установок, нагнетающих воздух в управляемом режиме.
Существуют три основных метода регулирования количества воздуха на аэрацию: дросселирование перед входным патрубком воздуходувки заслонкой; изменение скорости вращения вала частотнорегулируемым электроприводом (ЧРП); изменение угла атаки потока воздуха до и после рабочего колеса поворотными лопатками, смонтированными внутри воздуходувки. Какой способ изменения подачи воздуха для аэрации выгоднее потребителю? По каким показателям (показателю) достовернее сравнивать управляемые воздуходувки?
Сторонники любого метода найдут многочисленные доводы преимуществ технического и экономического характера. Оппоненты найдут аргументы их оспорить. А рачительный покупатель (потребитель) возьмет калькулятор и подсчитает, сколько воздуходувная установка потратит кВт*ч на подачу 1000 м3 воздуха применительно к Объекту. Этот показатель удельного энергопотребления отразит все плюсы, минусы агрегата применительно к системе, где предполагается его установка, и к режиму работы в ней.
Возьмем газодинамические Q–P и энергетические Q–N характеристики трех разных центробежных воздуходувок: двухступенчатой ЦНВ 800/1,6 (Рис. 1), дросселируемой заслонкой на входе; 4-х ступенчатой, частотнорегулируемой (Рис. 2) и одноступенчатой, поворотно-лопастной (Рис. 3). Наложим на кривые Q-P в диапазоне регулирования подач от 100 до 45% характеристику системы (воздуховода), снимем по точкам их пересечения значения мощностей на валу и занесем эти данные в таблицу (Табл. 1) для сравнения.
Как видно из Табл. 1, самыми энергосберегающими оказались воздуходувки (ВД) механического поворотно-лопастного типа управления, причем во всем диапазоне регулирования. Для ВД с дроссельной заслонкой уменьшение подачи ниже 80% от номинала теряет смысл, поскольку резко возрастает энергопотребление. У воздуходувки с ЧРП энергопотребление выше, чем у П-Л типа в диапазоне подач от 100 до 80%, а 45% подачи от номинальной не достигается. Если же учесть, что КПД эл.двигателей 95%, а также добавить потери на ЧРП 3,5–5% и энергию, требуемую на охлаждение ЧРП, то разница в пользу П-Л агрегатов (Рис. 4) еще более возрастет.
С использованием величин в колонках 5-7 Табл.1 легко подсчитать энергосбережение по типам ВД.
Например, требуется замена износившихся воздуходувок ЦНВ общей подачей 180 тыс. м3/ч. Система аэрации - фильтросные керамические элементы – также пришла в негодность. Часто задаваемый вопрос: Даст ли эффект замена ЦНВ на регулируемые ВД без замены аэраторов на мембранные? Ответ: Аэротенки модернизировать дольше и дороже, чем воздуходувные станции. Замена ЦНВ на поворотно-лопастные ВД, даже без их регулирования, обеспечит (20-17) х180=540 кВт энергосбережения каждый час. Это по паспортным данным разница в удельных энергозатратах: 20-17=3 кВт*ч/1000 м3. На практике она в разы выше
Принимающих решения о закупках заводят на воздуходувные станции редко. Там опасный для человека (110-115 дБ) уровень звукового давления. Между тем, производительность машин относительно паспортных значений падает (Рис. 5а), а энергопотребление растет. По замерам, удельное энергопотребление нагнетателей «Дальэнергомаш», эксплуатируемых с конца 1970-х на Люберецких очистных сооружениях Москвы [2], составляет 31 кВт*ч, а на ГОСК Самары 30,3 кВт*ч на 1000 нм3 воздуха. Там же в Самаре показания по трем поворотнолопастным ВД мегаваттной мощности (Рис. 5б), установленным в конце 2014 г. и работающим параллельно со старыми нагнетателями, - от 21,9 до 22,8 кВт*ч/1000 нм (это при 0°С, что на 7-8% выше, чем при 20°С). Из данных цифр видно, что разность величин удельных энергозатрат на практике составляет около 8 кВт*ч/1000 нм3, и она в разы больше 3 кВт*ч/1000 нм3, посчитанных по паспортным значениям. Но, поскольку замеры фактических подач мало где проводятся, значимый ресурс энергосбережения, заключаемый в обновлении ВД, не реализуется.
Преимущество П-Л воздуходувок перед ЧРП обусловлено тем, что закономерности изменения ее характеристик и системы схожи.
У воздуходувок механического типа регулирования (Рис.5) изменяется подача агрегата, а давление почти неизменно.
Преимущество П-Л воздуходувок перед ЧРП обусловлено тем, что закономерности изменения характеристики поворотно-лопастной ВД и характеристики системы схожи.
У воздуходувок механического типа регулирования (Рис.6) изменяется подача агрегата, а давление почти неизменно.
Зона максимального КПД воздуходувок П-Л регулирования гораздо шире охватывает диапазон подач (рис.6), чем ВД с ЧРП (рис.7).
Поворотно-лопастные ВД, благодаря постоянному значению давления при регулировании подачи, нормально взаимодействуют со старыми нерегулируемыми нагнетателями при работе на общий воздуховод. Совместная же работа частотно управляемых с нерегулируемыми нагнетателями затруднена. Последние «передавливают» новые нагнетатели с понижением частоты. Поэтому частичная замена старых ВД на частотнорегулируемые в модернизируемой станции неэффективна. Воздуходувные установки П-Л типа, кроме того, легче встраиваются в существующие станции, т.к. намного компактнее (Рис. 8) частотно регулируемых.
Попыток регулирования отечественных воздуходувок с помощью ЧРП в СССР и в РФ было много. Исследованиями [2] в реальных условиях, выполненными НИИ ВОДГЕО, однако, 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».
Управляемые ВД недешевы. Но цена при выборе оборудования длительного пользования мало значима. Определяющими в совокупности затрат [3] являются расходы на электроэнергию (Рис.9).
С появлением (Рис. 10) сверхскоростных, до 40000 об/мин. воздуходувок (СВД) XXI века на бесконтактных подшипниках производства ABS-Sulzer, Neuros, Piller, Siemens казалось, что П-Л агрегаты уступят в экономичности. Но, поскольку управляются СВД частотным приводом, то, применительно к аэрации – системе постоянного давления -имеют выше описанные ограничения по регулированию подачи и по КПД (Рис. 7).
Анализ характеристик [3] самой производительной 412 м3/мин СВД и обычной П-Л машины приведен в Табл. 2.
На очистных сооружениях гг. Истры, Подольска, Коломны, Арзамаса, Новочебоксарска старые воздуходувки заменены на сверхскоростные с ЧРП под полную нагрузку ОС. По факту, только в Подольске управление подачей происходит в диапазоне всего от 100 до 88%, в оставшихся перечисленных городах регулирование СВД не производится.
СВД работают только на низком напряжении (380-660 В) и во многих случаях требуют дополнительных расходов на трансформацию. 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 приведены в табл.3. До 98% компонентов СВД можно отремонтировать и приобрести только у изготовителя вне России, тогда как половина частей механической ВД, включая двигатель, ремонтно-пригодны в РФ и заменяемы на иные, имеющиеся на отечественном рынке.
Выводы
Суточная и сезонная неравномерность притока сточных вод и колебания температуры воздуха обусловливают целесообразность регулирования подачи воздуха на аэрацию.
Показатель удельного энергопотребления кВт*ч/1000 м3 является наиболее достоверным для сравнения, результирующим все плюсы, минусы любого воздуходувного агрегата применительно к системе, куда его встраивают, и к режиму работы в ней. Воздуходувки на большинстве объектов РФ служат со времен СССР. Принимающих решения о закупках заводят на воздуходувные станции редко. Там опасный для человека (110-115 дБ) уровень звукового давления. Между тем, производительность машин относительно паспортных значений падает, а энергопотребление растет. Разность величин удельных энергозатрат старых ВД, по сравнению с современными регулируемыми, в разы больше на практике, чем по паспортным данным. Но замеры фактических подач мало где проводятся и значимый ресурс энергосбережения, заключаемый в обновлении ВД не реализуется.
Среди используемых методов регулирования – дросселированием перед входом в воздуходувки; изменением частоты вращения вала нагнетателя; изменением углов входа/выхода потока перед/за турбиной воздуходувки – последний по энергетическим затратам и ремонтно-пригодности для аэрации наиболее выгоден.
