Новации энергосбережения в ВКХ, проверенные практикой
В России энергозатраты на производство 1 м3 воды в разы выше, чем в развитых странах, поэтому тема энергоэффективности является традиционной для журнала «НДТ». В предлагаемой вниманию читателей статье ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» (ВИВ) затрагивается ряд не столь очевидных, но весьма важных аспектов энергосбережения.
Канализационные насосные станции
Масштаб проблемы
Специалисты «Водоканала Санкт-Петербурга» опубликовали [1] результаты измерений на множестве канализационных насосных станций (КНС) города на Неве, где используются агрегаты СД, СМ, Grundfos, Flygt, ABS, KSB. По этим данным, основными причинами роста затрат на эксплуатацию КНС являются рост внеплановых затрат на техническое обслуживание и ремонт; увеличение энергопотребления из-за физического износа и изменения режима поступления сточных вод. Указанные факторы наиболее выражены применительно к небольшим районным КНС: при расчетной потребности в электроэнергии 2 млн кВт·ч/год, фактическое потребление составляет до 6 млн кВт·ч/год (см. табл. 1).
Эксплуатировать КНС с насосами, «переедающими» свыше 30 % энергии нецелесообразно. Очевидно, для энергосбережения КНС можно сделать следующее: 1) обновить насосный парк; 2) заменить в насосах рабочие колеса на те, которые соответствуют гидравлике системы; 3) предотвратить попадание в насосы засоряющих веществ с помощью применения решеток-дробилок
Второй и третий способы представляются более рациональными и взаимодополняющими. Действительно, пропускная способность, к.п.д. и износостойкость сохраняются дольше у тех насосов, которые качают стоки с предварительно измельченными отходами, что предусмотрено СП32.13330.2012 (п. 8.2.10). Применение дробилок также способствует снижению на КНС численности персонала, а также устранению неприятного запаха.
Предварительное дробление отбросов – эффективное направление повышения КПД КНС
Известно, что снижение засоряемости канализационных насосов, как правило, достигается упрощением конструкции рабочего колеса и увеличением его проходного сечения, что ведет к потере КПД насоса. Использование дробилок позволяет расширить возможности применения насосов с более высокими значениями КПД и, главное, избежать скорого, существенного падения их КПД ввиду уменьшения размеров проточного сечения агрегатов из-за засоров.
ООО «ВИВ», являющееся резидентом свободной экономической зоны (СЭЗ) «Крым», ведет на основании гранта Фонда содействия инновациям подготовку производства измельчителя для крупных и волокнистых отходов. До конца 2016 г. «ВИВ» планирует изготовить всю конструкторскую документацию и опытный образец измельчителя для испытаний.
Использовав опыт, связанный с внедрениями, установкой, наладкой, ремонтами известных зарубежных дробилок, удалось усовершенствовать их конструкцию (положительное решение Федерального института промышленной собственности от 24.08.2016) и приспособить к российским особенностям эксплуатации, что позволит обеспечить подход к каждому клиенту (рис. 1). Это позволит надежнее справляться с крупными, вязкими, волокнистыми отходами, преимущественно содержащимися в сточных водах городов РФ.
Гидродинамическое моделирование для повышения КПД крупных КНС
При конструировании нестандартных или крупных насосных станций требуется проводить гидравлические испытания на моделях. Альтернативой гидравлическим являются цифровые модели, создаваемые компьютерами с помощью программ, имитирующих гидродинамику.
В качестве примера представлен объект моделирования, выполненный специалистами «ВИВ» и МГТУ им. Баумана, – насосная станция производительностью 480 тыс. м³/сут., диаметром 26 м, глубиной 13 м, разделенная на два независимых отделения, оборудованная 8-ю погружными насосными агрегатами. Оценивалась эффективность проектного решения методами вычислительной гидродинамики. В качестве исходной модели была выдана 3D модель насосной станции (рис. 2).
Для проведения расчетов использовался программный пакет STAR-CCM+.
Граничные условия были представлены тремя величинами:
- давление на верхней стенке модели, равное атмосферному;
- скорость на входе в станцию;
- скорость на входе в насос.
Скорость на входе в насос задавалась как совокупность окружной и осевой составляющих. При этом окружная составляющая характеризовала закрутку потока на входе в насос (закрутка потока за счет вращения рабочего колеса), а осевая – расход по нормали к входному сечению.
Результаты моделирования приведены в виде картин течения жидкости в насосной станции при разных режимах работы (рис. 3).
На рис. 3 хорошо видны небольшие вихри, вызванные изменениями направления движения воды в проеме и вокруг напорных трубопроводов и насосных агрегатов. Но развития вглубь станции эти вихри не имеют, уровень воды (2 м) достаточен для предотвращения воронкообразования.
У насоса, расположенного на удалении от проема, распределение скоростей во входе осесимметричное, подвод воды осуществляется правильно. Также отмечено, что тип и размеры поток направляющих элементов, установленных на дне резервуара под всасами насосных агрегатов, выбраны правильно и обеспечивают выравнивание потока на входе в насос.
Результаты моделирования подтверждают правильность проектного энергоэффективного решения, принятого для рассматриваемой КНС. Дополнительно предложены меры для улучшения условий эксплуатации насосной станции, включая корректировку положения отдельных конструктивных элементов станции, разработку регламента очистки застойных зон и пр.
Воздуходувные станции (ВДС)
ВДС – второй важнейший потребитель электроэнергии в ВКХ после насосных агрегатов. Оптимизация энергозатрат здесь существенно сложнее, так как реализуется на стыке трех составляющих: технология очистки, применяемое оборудование, система автоматизации процесса очистки. Также на энергозатраты оказывают существенное влияние такие факторы, как загрязненность сточных вод, метеоусловия и др.
Первый этап оптимизации энергозатрат на очистных сооружениях – обследование ВДС совместно с системами аэрации
Основная цель обследования – определить размер чрезмерных энергозатрат, вызванных эксплуатацией устаревшего оборудования и проанализировать возможность оптимизации энергозатрат различными способами, в том числе в условиях режимов с/без управления подачей воздуха.
Комплекс работ предполагает:
- отбор проб стоков для всестороннего анализа
- замеры: расходов воздуха по каждому аэротенку, концентрации кислорода по длине аэротенков, фактической подачи каждой воздуходувки и суммарной подачи станции, фактической потребляемой мощности, давления в напорных линиях воздуходувок и его падения по длине трассы,
- обработка статистики неравномерности притока и температур
- заключение об эффективности работы аэрационной системы.
- Также разработаны и апробированы экспериментально методики [2,3], реализуемые на основе практических замеров параметров (рис. 4):
- пересчета характеристик воздуходувных агрегатов с применением базового понятия «степень регулирования»,
- выбора регулирующей арматуры,
- разработки энергоэффективной системы двухконтурного технологического и автоматизированного управления подачей воздуха в аэротенки «воздуходувная станция – блок управления задвижками».
Результаты обследования представлены в наглядном графическом формате на рис. 5, 6.
По результатам обследования разрабатываются: рекомендации по проведению первоочередных мероприятий энергосбережения;
ТЭО реконструкции аэрационной системы и/или ВДС;
ТЗ на проектирование реконструкции ВДС.
Предпроектная оптимизация технологических решений методом компьютерного моделирования как фактор энергосбережения
На примере реконструкции аэротенков г. Самары [4], выполненной с оригинальной компоновкой зон и рециклов (рис. 7а) можно продемонстрировать основной инструментарий оптимизации энергозатрат. В современных процессах биологической очистки основные энергозатраты, кроме работы ВДС для аэрации, приходятся на перемешивание аноксидных и анаэробных зон и на технологические рециклы.
Для решения основной задачи моделирования – выбора и обоснования оптимальной технологии и компоновки – зон использовался программный комплекс GPS-X, основанный на кинетических моделях активного ила ASM1, ASM2, АЗМ2а, АЗМЗ. Комплекс позволяет адаптировать стандартный расчет к особенностям конкретного объекта путем специального ормирования исходных данных, настройки и калибровки имитационных моделей [5, 6].
Задача оптимизации перемешивания решалась средствами вычислительной гидродинамики. Процесс анализа механики жидкостей (и газов) выполняется численным методом с алгоритмами решений на базе уравнений Навье Стокса, неразрывности струи, учета сопротивлений системы, уравнений Эйлера. Результатом численного решения является поля скоростей и давлений движущейся жидкости. Проектирование, компьютерный анализ гидродинамических систем и подбор энергоэффективного оборудования рассматривается как единый и неразрывный комплекс мероприятий. Из общего детального анализа представлены поля скоростей в сечении установки основного технологического оборудования (рис. 76).
Энергоэффективность аэрационной системы кроме выбора диспергаторов воздуха с высокими массообменными характеристиками, обеспечивается раскладкой диспергаторов, соответствующей определенному при моделировании потреблению кислорода, по длине аэрируемых зон (рис. 7в). Данные представлены в статическом, установившемся режиме, но процесс проектирования ориентирован на учет динамического режима, обусловленного неравномерностью притока массзагрязнений.
Выводы
Повышение энергоэффективности является ключевым мероприятием новаций в ВКХ. Его реализация обеспечивается своевременной заменой изношенного оборудования на новое, регулярно
модифицирующееся по принципу повышения КПД. Повышенный износ насосов водоотведения можно предотвратить способом предварительного дробления отбросов.
Реализация энергоэффективных принципов технологических процессов требует обоснования проектами, в которых целесообразно использовать математические методы имитационного прогноза. Современное программное обеспечение позволяет обосновывать принятые решения. ®