Ю.В. Горнев (Генеральный директор ООО «Вистарос»)
Достаточно известным является тот факт, что от 60 до 75 процентов энергопотребления канализационных очистных сооружений (КОС) городов и крупных промышленных предприятий приходятся на подачу воздуха в систему аэрации. В данной статье рассматриваются вопросы возможной экономии энергопотребления в системе аэрации за счет применения энергоэффективных элементов системы.
Резервы экономии энергопотребления в системе аэрации КОС огромны, они могут составлять 70% и более. Рассмотрим основные элементы данной системы, существенно влияющие на энергопотребление. Если опустить такие вопросы, как необходимость поддержания в хорошем рабочем состоянии трубопроводов подачи воздуха и т.п., то к ним относятся:
- Наличие первичных отстойников на КОС, которые позволяют снизить Биологическую Потребность в Кислороде (БПК) и Химическую Потребность в Кислороде (ХПК) стоков на входе аэротенков. Как правило первичные отстойники уже присутствуют на большинстве крупных КОС.
- Внедрение процесса нитрификации-денитрификации, позволяющего увеличить количество растворенного кислорода в возвратном активном иле. Данный процесс все шире внедряется при строительстве и реконструкции КОС.
- Своевременное обслуживание и замена аэраторов.
- Применение управляемых воздуходувок оптимальной мощности, внедрение единой системы управления для всех воздуходувок.
- Применение специализированных управляемых клапанов в системе распределения воздуха по аэротенкам.
- Введение системы управления каждым клапаном и всеми клапанами по данным с датчиков растворенного кислорода, установленных в бассейнах аэрации.
- Применение расходомеров воздуха для стабилизации процесса распределения воздуха и оптимизации уставки по минимальному уровню растворенного кислорода для системы управления клапанами.
- Введение в систему управления дополнительной обратной связи по датчику аммония на выходе из аэротенков (применяется в определенных случаях).
Первые два пункта (первичные отстойники и внедрение нитрификации-денитрификации) относятся в большей степени к вопросам капитального строительства на КОС и в данной статье подробно не рассматриваются. Ниже рассматриваются вопросы внедрения современных высокотехнологичных модулей и систем, позволяющих добиться существенного сокращения потребления электроэнергии на КОС. Данные модули и системы могут внедряться как параллельно с решением первых двух пунктов, так и независимо от них.
Основным потребителем электроэнергии в системе подачи воздуха для аэрации являются воздуходувки. Их правильный выбор является основой энергосбережения. Без этого все остальные элементы системы не дадут нужного эффекта. Тем не менее мы начнем не с воздуходувок, а будем следовать тому порядку, в котором необходимо производить подбор всех модулей.
Аэраторы
Одной из основных характеристик аэраторов является удельная эффективность растворения кислорода, измеряемая в процентах на один метр глубины погружения аэраторов. Для современных новых аэраторов это значение составляет 6% и даже 9%, для старых аэраторов оно может составлять 2% и ниже. Конструкция аэраторов и применяемые материалы определяют срок их эксплуатации без потери эффективности, который для современных систем составляет от 6 до 10 лет и более. Выбор конструкции, количества и расположения аэраторов осуществляется по таким параметрам, как БПК и ХПК стоков на входе в систему аэрации, по объему поступающих стоков в единицу времени и по конструкции аэротенков. Если мы имеем дело с реконструкцией КОС с очень старыми аэраторами, находящимися в плохом состоянии, то, в некоторых случаях, только замена аэраторов и установка соответствующих новым аэраторам воздуходувок позволит сократить энергопотребление на 60-70%!
Воздуходувки
Как сказано выше, воздуходувки являются основным элементом, обеспечивающим экономию потребляемой электроэнергии. Все остальные элементы позволяют сократить потребность в подаче воздуха или снизить сопротивление воздушному потоку. Но если при этом оставить старую неуправляемую воздуходувку с низким КПД – экономии не будет. Если на станции аэрации используется несколько неуправляемых воздуходувок, то, теоретически, оптимизировав другие элементы системы и добившись снижения потребности в подаче воздуха, можно вывести из эксплуатации и перевести в резерв несколько воздуходувок из числа ранее задействованных и, таким образом, добиться снижения энергопотребления. Можно также пытаться компенсировать суточные колебания потребности системы аэрации в кислороде путем просто включения или отключения резервной воздуходувки.
Однако значительно более эффективным является применение управляемой воздуходувки, точнее, блока из нескольких управляемых компрессоров. Это позволяет обеспечить подачу воздуха в точном соответствии с потребностью, которая существенно изменяется в течение суток, а также меняется в зависимости от сезона и других факторов. Обычная постоянная подача воздуха неуправляемыми воздуходувками всегда является избыточной и приводит к перерасходу электроэнергии, а в некоторых случаях и к нарушению технологического процесса нитрификации-денитрификации из-за избытка кислорода в аэротенках. При этом недостаток подачи воздуха приводит к превышению загрязняющими веществами в стоке на выходе КОС предельно допустимых концентраций (ПДК), что недопустимо.
Точное управление подачей воздуха при постоянном контроле уровня растворенного кислорода в аэротенках (а в некоторых случаях – и при постоянном автоматическом контроле концентрации аммония и других загрязняющих веществ в стоке на выходе из аэротенков) обеспечивает оптимальный уровень энергопотребления при гарантированном соответствии очищенных стоков существующим нормативам.
Необходимость наличия нескольких воздуходувок в блоке (например, двух больших и двух маленьких) связана с тем, что диапазон регулирования воздушного компрессора сильно ограничен. Он находится в пределах, в лучшем случае, от 35% до 100% мощности, чаще от 45% до 100%. Поэтому одна управляемая воздуходувка далеко не всегда может обеспечить оптимальную подачу воздуха с учетом суточных и сезонных изменений потребности. На сегодня наиболее известными являются три типа воздуходувок: роторные, винтовые и турбо.
Выбор нужного типа воздуходувки производится в основном по следующим параметрам:
— максимальная и номинальная потребность подачи воздуха – зависит от параметров установленных аэраторов, которые в свою очередь выбираются исходя из их эффективности и из потребности всей системы аэрации в растворенном кислороде, как было описано выше;
— требуемое максимальное избыточное давление на выходе воздуходувки — определяется максимально возможной глубиной стоков бассейна аэрации, точнее глубиной расположения аэраторов, а также потерями давления при прохождении воздуха по трубопроводу и через все элементы системы, такие, как задвижки и проч.
Как правило в каждой управляемой воздуходувке имеется свой блок управления, также важно наличие общего блока управления всеми воздуходувками, обеспечивающего оптимальный режим их эксплуатации. Управление в большинстве случаев осуществляется по давлению на выходе блока воздуходувок.
Управляемые воздушные клапаны
Если в системе одна воздуходувка (или блок воздуходувок) подает воздух только в один бассейн аэрации, то можно работать без воздушных клапанов. Но, как правило, на станциях аэрации блок воздуходувок подает воздух для нескольких аэротенков. В этом случае необходимы воздушные клапаны на входе в каждый аэротенк для регулирования распределения воздушного потока. Дополнительно клапаны могут использоваться на трубах, распределяющих подачу воздуха в разные зоны одного аэротенка. Ранее для названных целей использовались поворотные заслонки, управляемые вручную. Однако для эффективного управления системой аэрации необходимо использовать дистанционно управляемые клапаны.
К важным характеристикам управляемых клапанов относятся:
- Линейность характеристики управления, т.е. степень соответствие изменения положения привода клапана (актуатора) изменению воздушного потока через клапан во всем диапазоне управления.
- Погрешность и повторяемость отработки приводом клапана заданной уставки по воздушному потоку. Определяется качеством клапана (линейностью характеристики управления), привода и системы управления приводом.
- Падение давление на клапане в рабочем диапазоне раскрытия.
Падение давления на поворотных заслонках при частичном открытии может быть весьма значительным и достигать 160-190 мбар, что приводит к большим дополнительным энергозатратам.
Если в системе используются даже самые высококачественные, но универсальные клапаны (предназначенные как для воды, так и для воздуха), то падение давление на таких клапанах в рабочем диапазоне раскрытия (40-70%) обычно составляет 60-90 мбар. Простая замена такого клапана на специализированный воздушный клапан VACOMASS elliptic приведет к дополнительной экономии не менее, чем 10% электроэнергии! Это обусловлено тем, что падение давления на VACOMASS elliptic во всем рабочем диапазоне не превышает 10-12 мбар. Еще большего эффекта можно добиться при использовании клапанов VACOMASS jet для которых падение давления в рабочем диапазоне не превышает 5-6 мбар.
Управляемые специализированные воздушные клапана
VACOMASS фирмы Binder GmbH , Германия.
Часто в месте установки управляемого клапана делают сужение трубопровода для применения клапана оптимального типоразмера. Так как сужение и расширение выполняется в виде трубы Вентури, это не приводит к сколь-нибудь существенному дополнительному перепаду давления на участке с клапаном. В тоже время клапан меньшего диаметра работает в оптимальном диапазоне открытия, что обеспечивает линейность управления и минимизацию перепада давления на самом клапане.
Датчики растворенного кислорода и система управления клапанами
БА1 – бассейн аэрации 1; БА2 – бассейн аэрации 2;
ПЛК – программно-логический контроллер;
БВ – блок воздуходувок;
F – расходомер воздуха; Р – датчик давления;
О2 – датчик растворенного кислорода
М – привод (актуатор) воздушного клапана
СУЗ – система управления задвижкой (клапаном)
СУВ – система управления воздуходувками
На рисунке представлена наиболее распространенная схема управления процессом подачи воздуха для нескольких бассейнов аэрации. Качество очистки стока в аэротенках определяется наличием нужного количества растворенного кислорода. Поэтому за основную контролируемую величину, как правило, принимают концентрацию растворенного кислорода [мг/литр]. Один или несколько датчиков растворенного кислорода устанавливают в каждый аэротенк. В системе управления задается уставка (установленное среднее значение) концентрации кислорода, с таким расчетом, чтобы минимальная фактическая концентрация кислорода, гарантированно обеспечивала низкую концентрацию вредных веществ (например, аммония) в стоках на выходе из системы аэрации — в пределах ПДК. Если поступающий объем стоков в тот или иной аэротенк уменьшается (либо уменьшается его БПК и ХПК), то уменьшается и потребность в кислороде. Соответственно, количество растворенного кислорода в аэротенке становится выше уставки и, по сигналу от датчика кислорода, система управления задвижками (СУЗ) уменьшает раскрытие соответствующего воздушного клапана, что приводит к уменьшению подачи воздуха в аэротенк. Одновременно это приводит к увеличению давления Р на выходе блока воздуходувок. Сигнал от датчика давления поступает на систему управления воздуходувками (СУВ), которая уменьшает подачу воздуха. В результате энергопотребление воздуходувок снижается.
Необходимо отметить, что для решения задачи энергосбережения очень важна хорошо продуманная оптимальная уставка заданной минимальной концентрации растворенного кислорода в СУЗ.
Не менее важна правильная и обоснованная уставка заданного давления Р на выходе блока воздуходувок.
Расходомеры воздуха
Основная задача расходомеров воздуха в системе аэрации с точки зрения энергосбережения – это стабилизация процесса подачи воздуха, что позволяет понизить уставку концентрации растворенного кислорода для системы управления.
Система подачи воздуха от блока воздуходувок в несколько аэротенков является достаточно сложной, с точки зрения управления. В ней, как во всякой пневматической системе, присутствуют взаимовлияние и запаздывание при отработке управляющих воздействий и сигналов от датчиков обратной связи. Поэтому фактическая концентрация растворенного кислорода постоянно колеблется возле заданного значения (уставки). Наличие расходомеров воздуха и общей системы управления всеми клапанами позволяет существенно снизить время реакции системы и уменьшить колебания. Что, в свою очередь, позволяет понизить уставку, без опасения превысить ПДК аммония и других вредных веществ в стоках на выходе КОС. Из опыта компании Binder GmbH введение в систему управления данных от расходомеров позволяет получить дополнительную экономию электроэнергии порядка 10%.
Кроме того, если на КОС идет процесс поэтапной реконструкции системы аэрации, при котором сначала устанавливают аэраторы, клапаны, систему управления клапанами и расходомеры воздуха при сохранении старой воздуходувки, а затем переходят к выбору новых управляемых воздуходувок, то данные по фактическому расходу воздуха помогут произвести оптимальный выбор воздуходувок, что приводит к существенной экономии при их закупке и эксплуатации.
Отличительной особенностью расходомеров VACOMASS фирмы Binder GmbH является их возможность работать на коротких прямых участках «до» и «после» за счет специальных технологических решений, а также устанавливаться непосредственно в блоке клапанов VACOMASS.
Датчик аммония
Датчик концентрации аммония может устанавливаться в канале на выходе стоков из системы аэротенков для контроля качества очистки. Кроме того, введение показаний от датчика аммония в систему управления позволяет дополнительно стабилизировать систему и получить дополнительную экономию электроэнергии за счет дальнейшего снижения уставки концентрации растворенного кислорода.
Пример организации системы управления подачей воздуха в аэротенки с обратной связью по датчику растворенного кислорода (DO) и аммония (NH4).
ПРис. 8. Конструкция модуля воздуходувки по схеме «два в одном»дпись
Воздуходувка — термин больше жаргонный, нежели технический. Правильнее эти машины называть нагнетателями. Однако, учитывая, что настоящая статья рассчитана на широкий круг читателей, будем пользоваться этим термином, как более распространенным. Воздуходувка, как всякая компрессорная машина, характеризуется двумя основными параметрами: производительностью и создаваемым избыточным давлением.
В процессах аэрации, как правило, используются аэротенки глубиной от 1 до 7 м, что и определяет диапазон избыточных давлений, создаваемых воздуходувками: от 10 до 80 кПа. Что же касается производительности воздуходувки, то она зависит от объема перерабатываемой установкой воды: чем больше объем, тем больше нужно воздуха. Например, возможности очистных сооружений небольшого дачного поселка и крупного города могут различаться на несколько порядков.
Соответственно, диапазон требуемых производительностей воздуходувок находится в пределах от двух-трех кубических метров воздуха в час до нескольких десятков тысяч. Разумеется, такому широкому диапазону параметров соответствует и широкий диапазон типоразмеров воздуходувок — как по мощности, так и по габаритам. Однако есть общие требования, обязательные для всех воздуходувок аэрирующих воду. Во-первых, воздуходувка должна быть «сухой», то есть подаваемый воздух не должен содержать продуктов смазки и износа.
Во-вторых, воздуходувка должна быть надежной, простой в эксплуатации и, по возможности, не энергоемкой, учитывая ее практически непрерывную круглосуточную работу. И, в-третьих, воздуходувка должна быть малошумной, т.к. зачастую работает в непосредственной близости к человеческому жилью. Последнее требование сейчас особенно актуально, т.к. строительство очистных сооружений приобрело тенденцию дифференциации. Иными словами, строительство многочисленных дачных поселков, индивидуальных коттеджей, придорожных кафе и т.д. подразумевает и строительство небольших очистных сооружений в непосредственной близости к жилью.
Экономически это обосновано, т.к. резко сокращаются коммуникации, затраты на строительство и эксплуатацию. Указанная тенденция в последнее время определила и спрос на небольшие по производительности воздуходувки. Несмотря на большое разнообразие существующих типов компрессорных машин, выбрать машину, удовлетворяющую всем перечисленным требованиям, сложно. Требование к «сухости» подаваемого воздуха, надежности и бесшумности резко сужает этот выбор. Кроме того, цена таких компрессоров, как правило, импортных, велика.
Номенклатура же предлагаемых отечественной промышленностью компрессоров такого типа крайне ограничена. Например, для малых очистных сооружений необходимы воздуходувки с давлением нагнетания от 20 до 80 кПа и производительностью от 5 до 1000 м3/ч. Требованию к «сухости» подаваемого воздуха в указанном диапазоне параметров отвечают в основном два типа воздуходувок — объемного действия (мембранные, спиральные, роторные воздуходувки) и динамического действия (турбовоздуходувки).
Мембранные воздуходувки рассчитаны на очень небольшую производительность (5-10 м3/ч). На российский рынок их поставляют в основном инофирмы, в частности японские. Машины потребляют мало электроэнергии, компактные, малошумные. Цена таких воздуходувок от 500 до 1300 у.е. Ресурс этих машин определяется качеством основной детали — мембраны. По данным автора, наработка на ресурс у этой техники — 2-3 года. Внимание к этим машинам сильно возросло, т.к. они используются в индивидуальном коттеджном строительстве очистных сооружений.
Спиральные компрессоры можно пока еще отнести к «экзотике» на рынке «сухих» компрессоров. Это сравнительно новая техника, интенсивно осваиваемая и у нас, и за рубежом. Конструкция машины подразумевает использование высоких технологий при изготовлении, поэтому компрессоры пока что очень дороги. Например, шведская фирма «Атлас Копко» предлагает спиральные компрессоры с производительностью от 10 до 24 м3/ч по цене до 6000 у.е. Уровень избыточного давления — до 10 бар (100 м вод. ст.).
Практически, эти машины, как и поршневые компрессоры без смазки, пока не нашли применения в системах аэрации.
Роторные воздуходувки выпускает несколько фирм ближнего и дальнего зарубежья. Диапазон их производительностей — от 30 до 3000 м3/ч. В практике их называют иногда шестеренчатыми, или типа РУТс. Известной отечественной маркой являлись воздуходувки серии АФ Мелитопольского компрессорного завода (Украина). С использованием западных технологий такие воздуходувки выпускает сейчас фирма Venibe (Литва). Несколько европейских фирм поставляют на наш рынок такие воздуходувки.
Особенностью конструкции роторных воздуходувок является наличие двух синхронно вращающихся роторов. Для синхронизации вращения служат зацепляющиеся и поэтому смазываемые шестерни. Наличие узла синхронизирующих шестерен, естественно, снижает надежность машины, увеличивает риск попадания масла в полость сжатия через уплотнение вала.
Справедливости ради нужно отметить, что в силу высокого технологического уровня производства машины европейских фирм высоконадежны, однако и цена их в несколько раз выше тех же мелитопольских. Например, воздуходувка серии АФ Мелитопольского завода на самые «ходовые» параметры (давление 50 кПа и производительность 400 м3/ч) на нашем рынке стоит 3000-4000 у.е., тогда как аналогичная по параметрам воздуходувка европейской фирмы — 8000-10000 у.е. Разница в ресурсе сравниваемой техники — соответственная.
В плане надежности, конечно, более предпочтительны турбовоздуходувки . Рабочим элементом машины является простое колесо с лопатками, вращающееся в корпусе на шарикоподшипниках. За исключением подшипников в машине нет узлов трения, что и определяет ее надежность. К преимуществу турбовоздуходувок следует отнести и сравнительно низкий уровень шума.
Основным источником шума во всех типах рассматриваемых воздуходувок является газодинамический шум, то есть шум, издаваемый воздухом при прохождении через проточную часть машины. В роторных воздуходувках этот шум низкочастотный, т.к. воздух подается «порциями», а в турбовоздуходувках — высокочастотный, т.к. воздух подается непрерывно. Высокочастотный шум легче поддается глушению. Достаточно сказать, что, несмотря на установку глушителей, роторные воздуходувки, как правило, требуют для себя отдельных помещений из-за высокого уровня шума.
В то же время турбомашины, снабженные глушителями, в таковых помещениях не нуждаются, т.к. уровень их шума близок к санитарным нормам. На рис. 1 представлены сравнительные шумовые характеристики двух воздуходувок — роторного типа серии АФ (кривая 1) и турбовоздуходувки вихревого типа (кривая 2). Отдельно выделена кривая, соответствующая санитарным нормам ПС-80. Из рисунка видно, что в большинстве октавных полос превышение санитарных норм у воздуходувки роторного типа выше, нежели у воздуходувки вихревого типа.
Разумеется, этот и последующие сопоставительные анализы не ставят своей целью раскритиковать одни машины в пользу других. Цель анализа — оттенить характерные особенности каждого типа машин, а уже право выбора предоставляется читателю. В каждом конкретном случае критерии выбора могут отличаться кардинальным образом. Говоря о турбовоздуходувках, следовало бы сразу указать на диапазон их производительностей.
В области сравнительно небольших производительностей (от 10 до 3000 м3/ч) турбомашины известных традиционных типов (центробежные, осевые) получаются хотя и компактными, но очень высокооборотными. Частота вращения, например, бытового пылесоса достигает 16000-20000 мин-1. Коллекторный электродвигатель такого пылесоса не способен работать круглосуточно, как того требуют условия эксплуатации очистных сооружений.
Возможно использование мультипликатора, т.е. передачи с повышающим передаточным отношением, например, зубчатой или клиноременной. Тогда привод возможен от обычного асинхронного электродвигателя. Однако, при этом конструкция существенно усложняется, а значит, снижается надежность. Возможно использование бесконтактных высокооборотных электродвигателей.
В настоящее время отечественной промышленностью созданы и изготавливаются опытные образцы подобных агрегатов. Например, центробежный нагнетатель, используемый в отечественных озонаторных установках, снабжен мультипликатором, быстроходный вал которого с закрепленным на нем рабочим колесом нагнетателя вращается со скоростью свыше 50000 мин-1.
Зубчатый двухступенчатый мультипликатор смазывается маслом. Другой нагнетатель, разработанный и изготовленный для систем пневмотранспорта, выполнен в виде консольно закрепленного на валу высокооборотного электродвигателя рабочего колеса с лопатками. Рабочие обороты — более сотни тысяч. Специальный электродвигатель, специальные лепестковые газодинамические подшипники, прецензионная сборка и изготовление. Нет нужды говорить о стоимости такого агрегата — она достаточно велика. Нет пока данных и о наработке на ресурс.
С учетом сказанного, большой интерес представляет сравнительно новый тип турбомашин — вихревые . В силу специфичности механизма сжатия воздуха в проточной части этих машин диапазон их производительностей и давления схож с диапазоном роторных машин. В то же время, вихревые машины избавлены от недостатков роторных: имеют гораздо более высокую надежность и меньше шумят.
Частота вращения вихревых турбомашин — 3000-5000 мин-1, что упрощает их привод. В МГТУ им. Баумана разработана и в настоящее время серийно выпускается промышленностью целая гамма отечественных турбовоздуходувок вихревого типа. Конструкции оригинальны и защищены патентами России, США и ряда стран Европы .
По своим характеристикам машины не уступают лучшим зарубежным аналогам. Уже накоплен достаточно богатый опыт эксплуатации таких машин, в том числе и на очистных сооружениях. Это в первую очередь машины марки ЭФ-100. Диапазон их производительностей — от 200 до 800 м3/ч и давлений — до 80 кПа. На рис. 2 представлена вихревая воздуходувка из серии ЭФ-100. Машина установлена на одной раме с электродвигателем и связана с ним клиноременной передачей.
Подбором шкивов и мощности электродвигателя практически на одной машине получают целую сеть различных характеристик. На рис. 3 представлены рабочие характеристики турбовоздуходувок марки ЭФ-100, шестнадцати типоразмеров. Заметим, что характеристики представляют собой практически обратно пропорциональную зависимость давления от производительности, что весьма удобно для автоматизации и регулирования.
Также важно, что в отличие от характеристик турбомашин центробежного типа, эти характеристики не имеют помпажных зон, т.е. практически машина устойчиво работает выше номинального давления, потребляя при этом лишь дополнительную мощность. При этом потребляемая мощность падает с ростом производительности. У центробежных турбомашин все наоборот.
Вот почему вихревым турбомашинам не страшны пусковые режимы. Подбор шкивов и электродвигателей, такой как в серии ЭФ-100, — самый простой и дешевый способ получения сети рабочих характеристик на одной вихревой машине. Однако это неудобно с точки зрения регулирования как процесса автоматического изменения параметров. В системах аэрации потребность в воздухе может существенно изменяться, как в течение суток (дневное и ночное время), так и в зависимости от сезона (лето, зима).
В целях экономии электроэнергии, а эта экономия может достигать до 40 %, в последнее время все большее применение находят системы автоматического регулирования подачи воздуха путем изменения частоты вращения турбовоздуходувки. Благодаря появившимся на рынке устройствам преобразования частоты тока, система автоматического регулирования стала простой и доступной.
В вихревой турбовоздуходувке изменение частоты вращения смещает характеристику в ту или иную сторону практически эквидистантно первоначальной. Иными словами, поле характеристик, изображенное на рис. 3, может быть получено практически на одной машине путем изменения частоты вращения с помощью преобразователя частоты. Такая машина была разработана. Вихревой вакуумкомпрессор ВВК-3 (рис. 4) выполнен в виде моноблока, т.е. рабочее колесо установлено непосредственно на валу двигателя.
Номинальные параметры машины: производительность — 700 м3/ч, давление нагнетания — 40 кПа, частота вращения — 3000 мин-1. Понижая частоту вращения с помощью преобразователя частоты, включенного в цепь питания электродвигателя, можно получить практически любую рабочую точку на поле характеристик, изображенном на рис. 3. ВВК-3 — самая крупная машина из серии вихревых воздуходувок ВВК.
Все машины этой серии имеют общую особенность — это моноблоки. Первая машина из этой серии — ВВК-1 (рис. 5) была разработана в МГТУ им. Н.Э. Баумана и серийно выпускалась на НПО «Энергия» с 1991 г. Машина предназначалась для систем пневмотранспорта муки в пекарнях. Ее рабочие параметры:
- производительность — 120 м3/ч;
- давление — 28-30 кПа;
- мощность электродвигателя — 5,5 кВт;
- масса — 80 кг;
- габариты — 500.500.500 мм.
В 1999 г. эти машины начали применяться в системах аэрации. В настоящее время создана и выпускается серийно отечественным предприятием ООО «ЭНГА» новая версия — ВВК-2 (рис. 6). В отличие от предшественника (ВВК-1) в ВВК-2 внесено много конструктивных изменений, повышающих надежность при круглосуточной эксплуатации. ВВК-2 — машина универсальная, т.к. позволяет с помощью несложной трансформации получить два исполнения и, соответственно, две разных характеристики со следующими рабочими точками (табл. 1).
С учетом тенденции расширения строительства небольших очистных сооружений, о которой говорилось в начале статьи, в МГТУ им. Н.Э. Баумана в настоящее время разработаны и созданы опытные образцы микровоздуходувок вихревого типа производительностью 5 и 20 м3/ч с мощностью электродвигателей соответственно 0,5 и 1,5 кВт.
Говоря о турбовоздуходувках вихревого типа, было бы несправедливо умолчать об их основном недостатке — сравнительно низком КПД. Его величина не превышает обычно 35-40 %. Фактически, энергоемкость вихревых турбовоздуходувок в 1,5-2 раза выше, чем у роторных. Поэтому, выбирая тип машины, особенно в случае ее круглосуточной работы, необходимо учитывать и этот факт.
Однако когда речь идет о микромашинах небольшой мощности, энергопотребление не самый главный параметр. Куда важнее надежность, простота обслуживания, низкий уровень шума, учитывая, что очистное сооружение загородного коттеджа должно работать практически без обслуживания и рядом с жильем. Для более мощных машин, как, например, ВВК-3, экономия возможна с помощью регулирования, о чем говорилось выше.
Несколько слов о зарубежных аналогах. Одним из основных производителей воздуходувок вихревого типа в Европе является фирма Siemens . Фирма выпускает целую гамму машин серии ELMO-G (рис. 7). Отечественные вихревые воздуходувки уступают им разве только в дизайне. По техническим же параметрам не уступают ни в чем. Что касается цен, естественно, разница велика.
Например, отечественная воздуходувка ВВК-2 стоит около 1900 у.е., аналогичный по параметрам агрегат фирмы Siemens 92Н стоит около 4800 у.е. Если говорить о диапазоне производительностей от трех до нескольких десятков тысяч кубических метров в час, то тут вне конкуренции турбовоздуходувки традиционных типов, в частности, центробежные.
Специалистам давно известны центробежные воздуходувки серии ТВ, выпускавшиеся Чирчиским заводом (Узбекистан). Мощные стационарные агрегаты с хорошим КПД и высокой надежностью. В настоящее время их производство освоило украинское предприятие— Луганский машиностроительный завод (воздуходувки серии ВЦ).
Как и всякий стационарный агрегат с большой массой (вес воздуходувок достигает несколько тонн), воздуходувка ВЦ нуждается в хорошем фундаменте. Однако опыт эксплуатации показывает, что обеспечить такой фундамент не всегда возможно. Грунты, на которых располагаются очистные сооружения, иногда весьма нестабильны в зависимости от сезона.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана была предпринята попытка создания альтернативы воздуходувкам серии ТВ и ВЦ. Разработчики пошли по пути создания целого спектра машин с использованием таких методов унификации, как секционирование и компаундирование, когда производные агрегаты получают набором одинаковых секций (модулей).
Соединение этих модули последовательно или параллельно определяет либо суммарное давление, либо суммарную производительность. Этот прием позволил при минимуме технологических затрат получить широкий спектр агрегатов с различными техническими параметрами. Каждая секция (модуль) может быть выполнена в двух вариантах: либо это ступень центробежной машины, установленная на одной раме с электродвигателем и кинематически связанная с ним ременной передачей, либо это две ступени центробежной машины, рабочие колеса которых соответственно закреплены на двух концах вала электродвигателя (схема «два в одном»).
Конструкция модуля по схеме «два в одном» изображена на рис. 8. Рабочие колеса и корпуса машин выполнены сварными, из тонколистовой стали по оригинальной технологии. Диффузоры осевого типа сокращают габариты модуля и обладают хорошими антипомпажными характеристиками. Компонуя модули можно получать широкий спектр машин.
В табл. 2 и 3 приведены основные параметры модулей и их возможные комбинации. Указанные варианты являются лишь примером и не ограничивают количество возможных комбинаций модулей. Кроме унификации модульная конструкция имеет ряд преимуществ. Во-первых, небольшая масса модуля (350-600 кг) не требует мощных фундаментов.
Во-вторых, по той же причине модули можно размещать произвольно на имеющихся площадях, соединив их лишь трубопроводом, что дает больше вариантов компоновок агрегата. В-третьих, в модуле в качестве опор вала использованы обычные шарикоподшипники с консистентной смазкой, что упрощает эксплуатацию (нет маслостанций, применяемых в опорах скольжения, используемых, например, в некоторых модификациях воздуходувок ТВ).
В-четвертых, при равном с агрегатами ТВ энергопотреблении модульный агрегат не создает таких мощных пусковых нагрузок на электросеть, т.к. модули-ступени могут включаться последовательно и не иметь обычного для агрегатов ТВ запаса по установленной мощности. Для иллюстрации приведем пример. В воздуходувке ВЦ 1-50/1,6 при параметрах: V = 3000 м3/ч; .р = 60 кПа использован электродвигатель с номинальной мощностью 160 кВт .
В то же время, те же параметры можно получить тремя последовательно соединенными модулями I (табл. 2) с суммарной мощностью электродвигателей: 30 . 3 = 90 кВт. И, наконец, в-пятых, это цена. Она также в пользу модульного варианта. Например, та же воздуходувка ВЦ 1-50/1,6 стоит около 17000 у.е. , тогда как стоимость трех модулей I— около 11 000 у.е.
В настоящее время в МГТУ им. Н.Э. Баумана продолжаются разработки новой техники. Ее заказчиками являются ряд отечественных фирм, в частности, занимающихся устройством компактных очистных сооружений. Быстро развивающаяся отрасль охраны окружающей среды и обеспечения жизнедеятельности человека стимулирует и новые технические разработки в компрессоростроении.
В настоящее время наше коммунальное хозяйство испытывает определенные трудности. Приходят в упадок коммуникации, ухудшается качество очистки промышленных и бытовых стоков. Поэтому достаточно часто требуется реконструкция и модернизация очистных сооружений и хозяйственных коммуникаций на базе новых технологий.
При реконструкции существующих очистных сооружений основным условием является оптимизация капитальных затрат, достижение эффективной работы всех технологических участков и снижение затрат на эксплуатацию. Одним из способов повысить эффективность предприятий является применение энергосберегающих технологий и высококачественного оборудования.
Не секрет, что основные эксплуатационные затраты на очистных сооружениях это затраты на электроэнергию, львиную долю которых составляют затраты на аэрацию.
Для достижения максимальной эффективности и снижения затрат на электроэнергию, связанных с процессами аэрации необходимо грамотно подойти к выбору .
В связи с тем, что на очистные сооружения стоки поступают неравномерно необходимо уменьшать или увеличивать подачу воздуха для аэрации в зависимости от концентрации растворенного в нем кислорода. Для минимизации затрат на электроэнергию, необходимую для работы воздуходувок для очистных сооружений , необходимо регулировать производительность воздуходувных агрегатов в зависимости от потребности в кислороде. Воздуходувная станция должна иметь достаточно широкий диапазон регулирования и подавать в систему необходимое количество воздуха с минимальными затратами на электроэнергию, тем самым экономя не малые средства на оплату дорогостоящей электроэнергии. Этого можно достичь путем грамотного подбора воздуходувок KAESER .
Ряд очистных сооружений имеют усреднительные бассейны, обеспечивающие равномерную подачу сточных вод для последующей очистки, и казалось бы, в этом случае нет необходимости в регулировании подачи воздуха на аэрацию, но существует множество других факторов, которые влияют на подачу необходимого количества воздуха. Основным фактором, влияющим на изменение подачи воздуха, является температура.
Плотность воздуха и концентрация растворенного в нем кислорода существенно зависят от температуры. Учет этого, а именно, настройка изменения подачи воздуха на аэрацию по температуре окружающей среды является мощным потенциалом экономии электроэнергии.
Грамотный подбор воздуходувок для очистных сооружений является залогом будущей экономии предприятия, высокоэффективного производства за счет существенного снижения эксплуатационных затрат. Конфигурация воздуходувной станции напрямую зависит от условий эксплуатации. При подборе воздуходувок для очистных сооружений необходимо учитывать все: влажность воздуха, высоту над уровнем моря в месте установки воздуходувки, температуру окружающего и всасываемого воздуха, потери давления в воздушной сети.
Учесть все эти факторы и правильно подобрать воздуходувку помогает специальное программное обеспечение.
Воздуходувки для очистных сооружений KAESER имеют отличную от других воздуходувок конструкцию, позволяющую устанавливать их вплотную друг к другу (обслуживание осуществляется с фронтальной стороны агрегата), благодаря этому агрегатам требуется существенно меньше площади для установки.
Более того воздуходувки для очистных сооружений могут быть изготовлены в исполнении для эксплуатации вне помещения и размещаться непосредственно на улице, вблизи аэротенка. Таким образом нет необходимости в строительстве или реконструкции помещения для размещения воздуходувной станции, а так же последующих затрат связанных с эксплуатацией помещения.
Установка воздуходувок для аэрации на улице , непосредственно около аэротенка позволяет избежать затрат не только на строительство помещений для размещения агрегатов, но и существенно уменьшает длину пневмомагистрали. В этом случае воздуходувки для аэрации работают еще более эффективней, так как практически отсутствуют потери давления на магистрали и для подачи необходимого количества воздуха требуется меньше приводной мощности.
Применяя системный подход к подбору воздуходувок для очистных сооружений , учитывая все факторы, влияющие на процесс подачи воздуха можно достичь желаемого результата, существенно снизить эксплуатационные затраты и повысить энергоэффективность объекта.
Аэрация сточных вод - насыщение жидкости кислородом, дающим жизнь бактериям, которые перерабатывают токсины, органические вещества, образуя ил. Потоки пузырьков создаются диффузорами, устанавливаемыми на дне очистного водоема.
Требуются большие объемы сжатого воздуха при непрерывном режиме работы оборудования, обеспечить который могут - воздуходувки для аэрации.
Требования к оборудованию
Компрессоры для очистных сооружений подбираются исходя из следующих условий:
- Первое, на что следует обратить внимание выбирая компрессор, это глубина водоема. Каждые 10 м столба жидкости создают давление 1 бар. Соответственно, воздуходувка для очистных сооружений, должна создавать рабочее давление достаточное для закачивания воздуха на уровень дна. Как правило, глубина очистных сооружений не превышает 7 метров (0,7 бар - 70 кПа), таким образом, для аэрации подходят большинство моделей центробежных и ВРМТ воздуходувок выпускаемых ООО «Термомеханика».
- Производительность, которая рассчитывается исходя из размера водоема, количества и характеристик диффузоров. Объем требуемого воздуха, может быть от 100 до 50 тысяч кубов в час.
- «чистота». Воздух не должен содержать примеси смазывающих охлаждающих жидкостей, которые отрицательно скажутся на жизнедеятельности бактерий.
- Простота и надежность. Компрессору низкого давления предстоит работать в безостановочном режиме. Для аэрации воды, подходят машины с прямым приводом от вала двигателя, без редукторов и клиноременных передач. Центробежные воздуходувки завода Тремомеханика, имеют ресурс более 100 тысяч часов непрерывной работы.
- Малошумность. Все большее распространение получают небольшие очистные сооружения, обслуживающие поселки частных домовладений, коммерческие предприятия. Близость к жилью, исключает использование оборудования, превышающего санитарные нормы по уровню шума. Акустические показатели вихревых и центробежных нагнетателей Термомеханика, лежат в диапазоне 50-75дБ, что полностью соответствует требованиям СанПиН.
- Экономичность. Энергопотребление напрямую зависит от КПД и мощности двигателя нагнетателя. Воздуходувки роторные для аэрации имеют более высокий коэффициент полезного действия, однако, «прожорливые» вихревые, обладают преимуществом по шумности, надежности и чистоте закачиваемого воздуха
Для того, что бы не переплачивать за электроэнергию, нужен точный расчет достаточного количества воздуха в единицу времени, зная которое, выбирается воздуходувка определенной производительности.
Использование систем автоматического контроля, также позволяет уменьшить время работы двигателя, а соответственно и счета за электричество.
Как выбрать
Что бы купить оптимальный тип и модель воздуходувки, минимизировать затраты на аэрацию сточных вод, позвоните в отдел продаж завода Термомеханика, либо закажите обратный звонок в удобное время.
Сервисный инженер выполнит предварительные расчеты расхода воздуха, предложит оборудование наиболее подходящее к конкретной ситуации.
Цены на продукцию озвучиваются по запросу клиента, после согласования модели воздуходувки, либо технического задания на проектирование установки.
В России очистные сооружения являются одними из основных потребителей электроэнергии, большая часть уходит на питание турбовоздуходувок. Обычно для подачи воздуха на очистку бытовых, ливневых и промышленных стоков используют многоступенчатые турбокомпрессоры. Но практика показывает, что более выгодно устанавливать легкоуправляемые промышленные воздуходувки, которые экономят до 50% электроэнергии, а их покупка окупается за 3 года.
Такая экономия обеспечивается благодаря тому, что регулируемые турбокомпрессоры подают воздух в тех объёмах, который необходим для биологической очистки стоков в зависимости от сезонных перепадов температуры. При этом КПД такого оборудования составляет более 80%. Отметим, что на обслуживание и ремонт турбовоздуходувок уходит не более 1% в год от общей стоимости агрегатов.
Отличительная особенность промышленных воздуходувок – наличие регулируемых направляющих аппаратов на всасывании и нагнетании. Диапазон регулировки по воздуху является максимальным (от 45 до 100%), а КПД при этом уменьшается всего на 3-4%. Существует воздуходувное оборудование с поворотно-лопастными механизмами, которые позволяют регулировать количество подаваемых воздушных масс в аэротенки, благодаря чему можно настраивать степень аэрации.
Управляемые промышленные воздуходувки имеют такие технические характеристики:
- производительность – от 1000 до 120000 м3/ч;
- диапазон регулировки – от 45 до 100%;
- мощность – от 34 до 3300 кВт;
- КПД – от 88 до 92%.
Виды воздуходувок
Существуют различные виды промышленных воздуходувок, которые установлены на крупных очистных станциях и промышленных предприятиях. Рассмотрим каждый вид в отдельности.
Ротационные воздуходувки
Такие воздуходувки используют безмасляный способ сжатия и подачи воздуха. Принцип работы такого оборудования следующий: два трёхзубчатых (трёхполосных) ротора, которые расположены параллельно мотору, вращаются в корпусе в разные стороны, выполняя функцию поршня. Так, бесконтактный ход роторов не требует смазки.
Роторные воздуходувки
Это оборудование относится к агрегатам вертикального протока воздуха. В состав воздуходувок входит нагнетательный элемент с трёхзубчатыми роторами с ременной передачей, шумовые и всасывающие глушители, предохранительные клапаны, обратные заслонки компенсатора, два манометра или индикатор засорения фильтров. Качающаяся рама мотора автоматически натягивает ремни, что обеспечивает эффективную работу привода без специального обслуживающего персонала.
Центробежные
По принципу работы данное оборудование относится к динамически радиальным компрессорам. Давление и сжатие воздуха создаётся благодаря работе ступеней импеллеров, ускоряющих среду, а затем замедляющих её высокоэффективными диффузорами с большим радиусом, при этом на выходе создаётся определённый перепад давления.