Регулирующая арматура в управляемых процессах пневматической аэрации

Ю. А. ЕГОРОВА, Д. С. РАКИЦКИЙ, Д. И. ЛЕВИН, С. А. ГОРДЕЕВ, С. Л. НАГОРНЫЙ, В. И. БАЖЕНОВ, В. И. ПЕТРОВ, А. В. УСТЮЖАНИН

¹ Егорова Юлия Анатольевна, заместитель технического директора, ООО «Самарские коммунальные системы» 443056, Россия, г. Самара, ул. Луначарского, 56, тел.: (846) 207-24-08, e-mail: yegorova@samcomsys.ru

² Ракицкий Дмитрий Степанович, технический директор, ООО «Самарские коммунальные системы» 443056, Россия, г. Самара, ул. Луначарского, 56, тел.: (846) 336-32-42, e-mail: dRakitskiy@samcomsys.ru

³ Левин Дмитрий Иванович, начальник городских очистных канализационных сооружений, ООО «Самарские коммунальные системы» 443042, Россия, г. Самара, Обувная ул., 136, тел.: (846) 207-25-85, e-mail: dlevin@samcomsys.ru

⁴ Гордеев Сергей Алексеевич, руководитель производственно-технического департамента, АО «РКС-Менеджмент» 119180, Россия, Москва, ул. Малая Полянка, 2, тел.: (495) 783-32-32, e-mail: sgordeev@roscomsys.ru

⁵ Нагорный Станислав Леонидович, главный энергетик, ООО «Самарские коммунальные системы» 443056, Росссия, г. Самара, ул. Луначарского, 56, тел.: (846) 334-76-22, e-mail: snagornyi@samcomsys.ru

⁶ Баженов Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Водоотведение и водная экология», Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет; исполнительный директор, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» 127018, Россия, Москва, Полковая ул., 1, тел.: (495) 641-00-41, e-mail: info@pump.ru

⁷ Петров Владимир Иванович, кандидат технических наук, директор по продажам, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» 127018, Россия, Москва, Полковая ул., 1, тел.: (495) 641-00-41, e-mail: info@pump.ru

⁸ Устюжанин Андрей Вадимович, аспирант кафедры «Водоотведение и водная экология», Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет; ведущий инженер, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» 127018, Россия, Москва, Полковая ул., 1, тел.: (495) 641-00-41, e-mail: info@pump.ru

В рамках программы Министерства энергетики и ЖКХ Самарской области на 2013–2019 годы компанией «Самарские коммунальные системы» разработан и успешно реализуется проект реконструкции городских очистных канализационных сооружений. Для повышения энергоэффективности предусмотрено внедрение систем аэрации, распределения воздуха и нагнетателей с регулируемой подачей воздуха в аэротенки в диапазоне 45–100%. Обоснована общая концепция регулирования, включающая сложный уровень технологического управления и двухконтурную схему автоматизации «блок управления задвижками аэротенков – группа воздуходувных агрегатов». Разработана и обоснована методика выбора регулирующей арматуры в системах управления подачей воздуха для пневматической аэрации сточных вод. В основу методики принята зависимость течения сжимаемой среды через регулирующую задвижку, представленная международным стандартом IEC 60534-2-1. В натурных условиях с использованием точного оборудования исследованы пропускные характеристики регулирующей задвижки IRIS (DN300) фирмы Egger. Средняя относительная погрешность методики составила 6,79%. Для системы автоматизированного управления погрешность методики не имеет особой значимости, поскольку ПИД-регулирование обеспечивает подачу требуемого количества воздуха из условия соответствия уставкам О2, NH4 и текущих измерений количества подаваемого воздуха. Представлен классификатор регулирующей арматуры, в основе которого – характер зависимости относительного коэффициента пропускной способности Kv /Kvs от степени открытия задвижки. Идентифицированы технологические режимы: сравнение теоретических и экспериментальных расходных характеристик регулирующей задвижки, перепада давления на регулирующей задвижке, перепада давления в системе «регулирующая задвижка – аэраторы», температуры воздушной среды перед задвижкой. Предложенный способ расчета регулирующей арматуры является частью комплексной математической модели «Энергоэффективность регулируемой подачи воздуха в аэротенки».

Ключевые слова: очистные канализационные сооружения, энергоэффективность, пневматическая система аэрации, мембранный аэратор, регулирующая арматура, коэффициент пропускной способности, диафрагменная задвижка, автоматизированная система управления.

Обоснование концепции регулирования

 

 

Цель исследований и их актуальность

Цель исследований состояла в разработке и обосновании методики выбора регулирующей арматуры в системах управления подачей воздуха для пневматической аэрации сточных вод. 

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью наладки значительного количества оборудования для объекта ГОКС: регулирующей арматуры (24 ед.), расходомеров воздуха (24 ед.), датчиков растворенного кислорода (24 ед.), датчиков аммонийного азота (12 ед.), а также общим явным недостатком в России опыта проектирования аэрационных систем с регулируемой подачей воздуха и отсутствием четкой методики подбора регулирующей арматуры.

Методика выбора регулирующей арматуры

Расход воздуха через регулирующую арматуру является функцией внутренних и внешних для задвижки параметров. Внутренним (или собственным) параметром является только коэффициент пропускной способности задвижки Kv при текущем положении регулирующего элемента. Характеристика Kv( ) снимается производителем и является неотъемлемой частью технической документации на регулирующую арматуру. Остальные параметры, такие как давление перед задвижкой и за ней, температура и другие физические характеристики рабочей среды, являются для самой задвижки внешними.

Таким образом, выбор регулирующей арматуры предлагается выполнять поэтапно:

• выбор аналитической зависимости  расхода в соответствии со спецификой применения (в данном случае определяется условием регулирования воздуха для аэрации сточных вод);
• назначение коэффициента запаса; определение и назначение внешних для задвижки параметров;
• определение максимального требуемого расхода рабочей среды;
• определение требуемого коэффициента пропускной способности Kvs при максимальном открытии арматуры;
• выбор типа и типоразмера регулирующей арматуры по технической документации производителей.

Спецификой применения регулирующих за движек для систем аэрации является низкое рабочее давление (обычно не более 170 кПа), еще более низкий перепад (не более 10 кПа) и относительно высокая температура среды, достигающая в разное время года 80 °С и более. Малый перепад давления на задвижке определяет низкую скорость потока, одновременно высокая температура определяет высокую местную скорость звука в регулирующем сечении. При данных условиях число Маха составляет менее 1 (скорость течения  газа  не  превышает  местной скорости звука), и в регулирующем сечении развивается докритический режим течения среды.

Для описания течения сжимаемой среды через регулирующую задвижку, с учетом указанной специфики, используют следующее соотношение:

где QN – нормальный расход воздуха, Нм3/ч; Kv( ) – коэффициент пропускной способности задвижки, м3/ч; – степень открытия задвижки, %; Dp = (p1 – p2) – перепад давления, кПа; p1, p2 – абсолютное давление перед задвижкой и за ней, кПа; N = 1,293 – плотность среды при нормальных условиях, кг/м3; T1 – температура среды перед задвижкой, K.

Следует отметить, что данное соотношение не может охватывать весь диапазон расхода воздуха с одинаковой достоверностью, так как при раз- личной степени открытия арматуры в проходном сечении реализуется значительное количество переходных режимов. Режимы обусловлены изменением геометрии проходного сечения (при малом открытии режим течения ламинарный, при полном открытии – глубоко турбулентный). Производители арматуры, как правило, указывают диапазон устойчивого регулирования от 15–20 до 80–90% открытия арматуры в зависимости от ее типа и размера. Таким образом, чтобы максимальный требуемый расход воздуха гарантированно находился в пределах диапазона устойчивого регулирования, для определения коэффициента пропускной способности при вы- боре арматуры Kvs следует принять коэффициент запаса 20–30%:

где Q max – максимальный требуемый нормальный расход воздуха, Нм3/ч; Kvs – коэффициент пропускной способности при выборе арматуры, соответствующий Kv выбранной арматуры при ее полном открытии ( = 100%), м3/ч.

Перепад давления Dp на задвижке в процессе работы системы определяется следующим балансом:

Dp = p1 – p2 = p1 –  0gh0 – Dp’ – Dpdif ,

где 0gh0 – давление столба жидкости в аэротенке, кПа; Dp’ – потери давления на участке от регулирующей задвижки до аэратора, кПа; Dpdif – перепад давления на аэраторе, кПа.

Все величины, кроме давления столба жидкости в аэротенке, входящие в формулу (3), зависят от расхода рабочей среды. Перепады давления на аэраторах Dpdif и на оздухораспределительной системе Dp’ при требуемом расходе определяются соответственно по данным производителя аэраторов и проектным данным на систему аэрации. Давление перед регулирующей задвижкой может быть точно определено только при известных параметрах воздухонагнетателей. Если параметры воздуходувного оборудования еще не определены, целесообразно для проектного расчета по соотношению (2) принять перепад на задвижке 0,3–0,5 кПа, а уже после подбора воздухонагнетателей и, соответственно, уточнения значения давления p1  провести поверочный расчет по соотношению (3).

Температура среды перед регулирующей арматурой T1 зависит от времени года, эффективности воздуходувок, интенсивности охлаждения воздуховода, его длины, а также расхода воздуха. Учет этих параметров на этапе проектирования сложен, поэтому целесообразно принять температуру среды в пределах 60–80 °С (333,15– 353,15 К).

Максимальный требуемый расход среды Q max определяется из расчета расхода, требуемого для аэрации воздуха.

Таким образом, после определения значения Kvs по соотношению (3) следует выбор типа и размера регулирующей арматуры по каталогам производителей. Необходимо учитывать, что различные типы арматуры могут иметь различ- ную пропускную способность при одинаковом условном диаметре. Также следует принимать во внимание характер изменения коэффициента пропускной способности в зависимости от степени открытия арматуры. Отличия данных характеристик представлены в виде классификатора в табл. 1.

Задвижки 1–4 относятся к регулирующим. Шиберная задвижка с круглым проходным сечением регулирующей не является и приведена для сравнения как самый распространенный вариант в практике служб ВКХ. Как видно из табл. 1, регулирующие задвижки обладают особым видом пропускных характеристик. При открытии задвижки перепад давления на ней нелинейно падает, одновременно нелинейный рост Kv компенсирует нелинейность падения давле- ния. Результирующая характеристика расхода оказывается достаточно линейной для устойчивого регулирования. 

Выбор регулирующей арматуры для объекта

При выборе варианта для ГОКС, помимо пропускных характеристик, учитывались также гарантированная производителем возможность работы на сжатом воздухе, доступность регулирующих задвижек на рынке и их цена.

С учетом сравнительного анализа и оптимизации затрат для ГОКС были выбраны диафрагменная задвижка IRIS фирмы Egger (рис. 3) и шиберная задвижка с оптимизированным сечением GEFAAT2R (рис. 4). Анализ графиков на рис. 3  и 4 показал, что при одинаковом условном про- ходе DN300 диафрагменная задвижка способна пропустить больший расход воздуха. Поэтому для пропуска одного и того же расхода воздуха шиберная задвижка должна быть на один или два типоразмера больше диафрагменной.

Полномасштабные экспериментальные исследования

Аэрационная система выполнена на базе мембранных (материал EPDM – этилен-пропилен-диен-мономер) пластинчатых аэраторов типа U&D Bord 660, монтируемых на закольцованной воздухораспределительной системе из труб ПВХ. Расчетные параметры: нагрузка на диффузор 8 м3/ч, потери напора 2,3 кПа, глубина погружения аэраторов 4,95 м.

К моменту исследований часть объекта ГОКС (аэротенки № 1–3) была оборудована диафрагменными задвижками IRIS (DN300) фирмы Egger. В целом на объекте (аэротенки № 4–12) также предусмотрено устройство шиберных задвижек с оптимизированным сечением GEFAAT2R (DN400). Сравнение характеристик разнотипных устройств запланировано на перспективу.

Условия проведения эксперимента по построению пропускной характеристики регулирующей задвижки предусматривают следующее оборудование (рис. 5):

• термодифференциальный расходомер Prolinet-mass 65F фирмы Endress+Hauser;
• диафрагменная задвижка IRIS (DN300) фирмы Egger, соответствующая штатно- му оборудованию аэротенка № 1 ГОКС  г. Самары;
• переносной термодифференциальный расходомер Thermatel TA-2 фирмы Magnetrol
• высокоточный манометр МО-05 для регистрации давления, подключенный к бобышкам расходомеров посредством быстроразъемного пневматического фитинга Camozzi.

(ближний на рис. 5);

Погрешности приборов:

расходомер Thermatel TA-2 фирмы Magnetrol: расход ±1% от показания, +0,5% от откалиброванной полной шкалы, температура ±1 °C; расходомер Prolinet-mass 65F фирмы Endress+Hauser : расход ±1,5% от показания, +0,5% от откалиброванной полной шкалы; образцовый манометр МО-05: давление ±0,25% от диапазона измерения (при измерениях использовался диапазон 100 кПа избыточного давления).

Результаты натурных и аналитических исследований представлены в табл. 2 (экспери- ментальные значения давления и температуры) и табл. 3 (экспериментальные и теоретические значения расходов).

Относительная погрешность методики оценивалась по полному диапазону регулирования:

где Q теор – теоретическое значение расхода по соотношению (1), Нм3/ч; Q эксп – значение расхода по соответствующему прибору, Нм3/ч; Q max – максимальное экспериментальное значение рас- хода, Нм3/ч; 

где Q теор – теоретическое значение расхода по соотношению (1), Нм3/ч; Q эксп – значение расхода по соответствующему прибору, Нм3/ч; Q max – максимальное экспериментальное значение рас- хода, Нм3/ч;

Выборка данных из табл. 3 представлена в графическом формате: на рис. 6 – оценка теоретической и экспериментальных зависимостей расходов от степени открытия арматуры, на рис. 7 – оценка характера изменения экспериментально измеренных перепадов давления и температуры.

 

Степень откры- тия задвижки, %	Давление перед задвижкой p1, кПа	Давление за за- движкой p2, кПа	Перепад давле- ния Dp, кПа	Температура перед задвижкой
				t1, °С	T1, K
100	156,98	1,5673	0,24	70,76	343,91
90	157,01	1,5631	0,7	70,64	343,79
80	157,03	1,553	1,73	70,52	343,67
70	157,06	1,5395	3,1	70,4	343,55
60	157,08	1,5279	4,29	70,19	343,34
50	157,11	1,5194	5,17	69,98	343,13
40	157,13	1,5127	5,85	69	342,15
30	157,16	1,5101	6,15	67,5	340,65
20	157,18	1,509	6,28	65,2	338,35
10	157,21	1,5093	6,27	62,98	336,13
0	157,23	1,5094	6,29	61,23	334,38

 

Степень открытия за- движки, %	Коэффициент пропускной способности Kv, м3/ч	Теоретиче- ский расход воздуха, Нм3/ч	Расход возду- ха по прибо- рам Magnetrol, Нм3/ч	Относитель- ная погреш- ность методи- ки* Magnetrol, %	Расход возду- ха по прибо- рам Endress+ Hauser, Нм3/ч	Относитель- ная погреш- ность методи- ки* Endress+ Hauser, %
100	5825	8797	7735	13,7	8822	0,3
90	3298	8402	7573	10,7	8748	3,9
80	1857	7422	7232	2,5	7811	4,4
70	1137	6062	6573	6,6	6641	6,6
60	773	4826	5765	12,1	5612	8,9
50	540	3693	4698	13	4573	10,0
40	344	2502	2989	6,3	3277	8,8
30	172	1284	1409	1,6	1480	2,2
20	55	416	928	6,6	1025	6,9
10	17	129	644	6,7	655	6
0	8	61	631	7,4	443	4,3
* Приводится относительная погрешность методики в целом, учитывающая как погрешности приборов, так и отклоне- ние соотношения (1) от практических замеров конкретными приборами.

 

Повышению точности снимаемых показаний способствовало наличие не одного, а двух расходомеров, установленных одновременно. Однако переносной расходомер Thermatel TA-2 фирмы Magnetrol был размещен близко к задвижке, что несколько противоречит рекомендациям по установке приборов такого типа и приводит к дополнительной погрешности. С этим можно связать некоторое расхождение в показаниях приборов при больших расходах воздуха (рис. 6). Тем не менее относительная погрешность теоретического описания по отношению к значению, измеренному прибором, составила: для Thermatel TA-2 (пе- реносной) фирмы Magnetrol 1,6–13,7%; для Prolinet-mass 65F (стационарный) фирмы Endress+Hauser 0,3–10%, что можно считать достаточно хорошим результатом. Несмотря на нелинейный характер пропускной характеристики Kv( ) диафрагменной задвижки в диапазоне открытия от 30 до 80%, наблюдается достаточно равномерный рост расхода рабочей среды (рис. 6). Это обусловлено тем, что расход через задвижку зависит, в том числе, от перепада давления на ней. Перепад давления, как видно изрис. 7, а, нелинейно уменьшается при увеличении степени открытия. Одновременно растет перепад на участке от регулирующей задвижки до аэраторов и собственно на аэраторах (рис. 7, б ) в соответствии с соотношением (3). При этом значение давления перед задвижкой p1 остается практически неизменным, так как поддерживается посредством постоянного регулирования воздуходувного  оборудования.

Измерение перепада давления при полностью открытой задвижке (рис. 7, а) осложняется его малым значением и необходимостью работы на пределе чувствительности достаточно точного прибора с погрешностью 0,25 кПа.

Помимо перепада давления, определяемого конфигурацией системы подачи и распределения воздуха до и после задвижки, на режим течения воздуха при регулировании влияет температура подходящего к задвижке воздуха. Как видно из рис. 7, в, данная температура растет с увеличением расхода через задвижку. Воздух в процессе подачи на- гревается только за счет сжатия в компрессоре, далее происходит его охлаждение. Это означает, что  по  магистральному воздуховоду проходит воздух с повышенной температурой (на момент измерений 71 °С). На пути от магистрального воздуховода до точки измерения (не более 10 м трубы) при малом расходе он уже успевал охладиться до 61 °С (т. е. на 10 °С). С увеличением расхода температура быстро выравнивалась.

Такие значительные колебания температуры подходящего к задвижке воздуха свидетельствуют о влиянии внешнего теплообмена на процесс регулирования. Степень влияния данного сложного теплового процесса на регулирование рас- хода воздуха составляет порядка 5–6% от значения подачи при оценке по соотношению (1).

Обсуждение результатов исследований

Получены следующие экспериментальные данные: количество сжатого воздуха, поступающего в аэротенки № 1–3 ГОКС г. Самары при различной степени открытия регулирующей арматуры; характер и величина перепада давления на запорной арматуре, в воздухораспределительной системе аэротенков и аэраторах-диффузорах.

Достигнутые результаты важны для подбора регулирующей арматуры: ее диаметра, типа, технологических расчетов пропускной способности в режиме управления. Подбор диаметра регулирующей арматуры связан с методикой расчета ее пропускной способности Kv.

Соотношение (1) удовлетворительно описывает движение сжатого воздуха через регулирующую арматуру при его использовании для систем пневматической аэрации очистных сооружений. Вместе с тем оно может рекомендоваться к использованию при проектном выборе таковых систем с условием назначения по соотношению (2) коэффициента запаса 20–30% по расходу, что связано с ограниченностью зоны устойчивого регулирования арматуры.

Особенностью предложенной методики является универсальный характер применимости коэффициента пропускной способности Kv к гидравлическим и газовым средам: вода, любой газ, воздух, пар. Базовое уравнение (1), принятое за основу, является предметом изысканий международного стандарта IEC 60534-2-1 как обобщающего результата анализа множественных за- висимостей от производителей оборудования и его исследователей.

Линейность зависимости подачи от степени открытия регулирующей арматуры достигается одновременным нелинейным ростом коэффициента пропускной способности и нелинейным снижением перепада давления на задвижке в условиях постоянства давления перед задвижкой при автоматическом регулировании воздухонагнетателей.

Диафрагменные задвижки с нелинейной характеристикой Kv( ) рекомендуются к использованию в стабилизированных по давлению системах регулируемой подачи сжатого воздуха к пневматическим мембранным аэраторам.

Другие типы регулирующей арматуры также могут быть использованы, если они удовлетворяют следующим условиям:

• воздух для арматуры должен быть определен производителем как рабочая среда;
• арматура должна быть заявлена производите- лем как регулирующая и иметь измеренную ха- рактеристику пропускной способности.

При управлении расходом воздуха посредством задвижки требуется принимать во внимание не только ее пропускную характеристику Kv(  ), но и характер изменения перепада давления на задвижке в результате изменения давления у потребителя (аэрационная система) и поставщика (воздуходувка) сжатого воздуха.

Методика выбора регулирующей арматуры проверена в натурных условиях. Ее относительная погрешность для полного диапазона измерений всеми приборами составляет 6,79% (средняя величина). Следует отметить, что обозначенная величина погрешности разработанной методики для системы автоматизированного управления не имеет особого значения, поскольку ПИД- регулирование в конечном счете обеспечивает подачу требуемого количества воздуха из условия  соответствия  уставкам  О2,  NH4 и текущих измерений  количества  подаваемого  воздуха F (рис. 2).

Данная разработка выполнена в рамках построения общей концепции регулирования подачи воздуха в аэротенки. Объединение базовых уравнений методики (1) – (3) и ранее представленных зависимостей пересчета характеристик воздуходувных агрегатов с применением базового понятия «степень регулирования» [1] для нестационарных условий позволяет решать комплексную задачу энергоэффективности регулируемой подачи воздуха в аэротенки.

Выводы

Разработана и успешно реализуется на практике энергоэффективная система двухконтурного технологического и автоматизированного управления подачей воздуха в аэротенки «воздуходувная станция – блок управления задвижками». Для проектирования объектов с управляемой подачей воздуха в аэротенки предложена методика выбора регулирующей арматуры. Относительная погрешность методики в полномасштабных условиях составила 6,79% (средняя величина). Предложенный способ расчета регулирующей арматуры является частью комплексной матеатической модели «Энергоэффективность регулируемой подачи воздуха в аэротенки». Диафрагменные задвижки с нелинейной характеристикой Kv( ) рекомендуются к использованию в стабилизированных по давлению системах регулируемой подачи сжатого воздуха к пневматическим мембранным аэраторам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ракицкий Д. С., Егорова Ю. А., Левин Д. И., Гордеев С. А., Нагорный С. Л., Баженов В. И., Петров В. И., Устюжанин А. В. Энергоэффек- тивный принцип реконструкции воздуходувной стан- ции городских очистных канализационных сооруже- ний Самары // Водоснабжение и санитарная техника. 2016. № 8. С. 52–62.
2. Егорова Ю. А., Левин Д. И., Люшина Л. Ф., Петропавловский С. А., Баженов В. И., Д а - нилович Д. А., Носкова И. А. Комплексная ре- конструкция городских очистных канализационных сооружений Самары // Водоснабжение и санитарная техника. 2016. № 8. С. 80–88.

 

Control valves in controlled pneumatic aeration processes

Iu. A. EGOROVA1, D. S. RAKITSKII2, D. I. LEVIN3, S. A. GORDEEV4,

S. L. NAGORNYI5, V. I. BAZHENOV6, V. I. PETROV7, A. V. USTIUZHANIN8

¹ Egorova Iuliia Anatol’evna, Deputy Technical Director, «Samarskie Kommunal’nye Sistemy» LLC

56 Lunacharskogo St., 443056, Samara, Russian Federation, tel.: +7 (846) 207-24-08, e-mail: yegorova@samcomsys.ru

² Rakitskii Dmitrii Stepanovich, Technical Director, «Samarskie Kommunal’nye Sistemy» LLC

56 Lunacharskogo St., 443056, Samara, Russian Federation, tel.: +7 (846) 336-32-42, e-mail: dRakitskiy@samcomsys.ru

³ Levin Dmitrii Ivanovich, Chief of the Municipal Wastewater Treatment Facilities, «Samarskie Kommunal’nye Sistemy» LLC 136 Obuvnaia St., 443042, Samara, Russian Federation, tel.: +7 (846) 207-25-85, e-mail: dlevin@samcomsys.ru

⁴ Gordeev Sergei Alekseevich, Chief of Production and Technical Department, «RKS-Management» JSC

2 Malaia Polianka St., 119180, Moscow, Russian Federation, tel.: +7 (495) 783-32-32, e-mail: sgordeev@roscomsys.ru

⁵ Nagornyi Stanislav Leonidovich, Chief Power Engineer, «Samarskie Kommunal’nye Sistemy» LLC

56 Lunacharskogo St., 443056, Samara, Russian Federation, tel.: +7 (846) 334-76-22, e-mail: snagornyi@samcomsys.ru

⁶ Bazhenov Viktor Ivanovich, Doctor of Engineering, Professor, Wastewater Disposal and Ecology Department,

National Research Moscow State University of Civil Engineering; Executive Director, «Vodosnabzhenie i Vodootvedenie» CJSC 1 Polkovaia St., 127018, Moscow, Russian Federation, tel.: +7 (495) 641-00-41, e-mail: info@pump.ru

⁸ Ustiuzhanin Andrei Vadimovich, Ph. D. Candidate, Wastewater Disposal and Ecology Department,

National Research Moscow State University of Civil Engineering; Leading Engineer, «Vodosnabzhenie i Vodootvedenie» CJSC 1 Polkovaia St., 127018, Moscow, Russian Federation, tel.: +7 (495) 641-00-41, e-mail: info@pump.ru

 

Through the 2013–2019 program of the Ministry of Energy and Public Utilities of the Samara Area «Samarskie Kommunal’nye Siste- my» Company has developed and has been successfully implementing the project of upgrading the municipal wastewater treatment facilities. In order to improve the energy efficiency retrofitting the systems of aeration and air distribution, equipping with compres- sors with controlled air supply to the aeration tanks within 45–100% range is envisaged. The general concept of control has been substantiated that includes complex level of process control and a two-loop automation scheme «aeration tank gate valve control – air blower group». The method of selecting control valves for the air supply control system for pneumatic wastewater aeration has been developed and substantiated. The method is based on the dependence of compressed media flow through the control valve stated in IEC 60534-2-1 International Standard. Under full-scale conditions with the use of precision equipment the flow characteristics of IRIS (DN300) control valve manufactured by Egger were studied. The average percentage error of the method was 6.79%. The method error does not matter much for the automated control since PID-control provides for supplying the required air amount according to the condition of compliance to О2, NH4 set values and current measurements of the supplied air amount. The classification of control valves is presented based on the type of the dependence of Kv/Kvs valve capacity coefficients from the rate of valve opening. Technologi- cal modes were identified: comparison of the theoretical and experimental flow characteristics of the control valve, pressure difference at the control valve, pressure difference in the «control valve – aerators» system, aerial environment temperature before the valve. The suggested method of the control valve calculation is a part of the «Energy efficiency of the controlled air supply to the aeration tanks» comprehensive mathematical model.

Key words: wastewater treatment facilities, energy efficiency, pneumatic aeration system, membrane aerator, control valves, flow coef- ficient, diaphragm gate valve, automated control system.

REFERENCES

1. Rakitskii D. S., Egoro v a Iu. A., Levin D. I., Gordeev S. A., Nagornyi S. L., Bazheno v V. I., P etro v V. I., Ustiuzhanin A. V. [Energy-efficient principle of upgrading the air blower house at the Samara municipal wastewater treat- ment facilities. Vodosnabzhenie i Sanitarnaia Tekhnika, 2016, no. 8, pp. 52–62. (In Russian).
2. Egoro v a Iu. A., Levin D. I., Liushina L. F., P etropavlo v skii S. A., Bazheno v V. I., Danilo vich D. A., Nosko v a I. A. Integrated upgrade of the Samara municipal wastewater treatment facilities. Vodosnabzhenie i Sanitarnaia Tekh- nika, 2016, no. 8, pp. 80–88. (In Russian).