Оборудование и решения для измерения расхода и анализа качественного состава стоков, воды и выбросов, поиска утечек воды и телеинспекции трубопроводов.
Главная » Статьи » Системы аэрации » Энергоэффективная система аэрации для канализационных очистных сооружений

Энергоэффективная система аэрации для канализационных очистных сооружений

 

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:

  1. 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.
  2. Внедрение процесса нитрификации-денитрификации, позволяющего увеличить количество растворенного кислорода в возвратном активном иле. Данный процесс все шире внедряется при строительстве и реконструкции КОС.
  3. Своевременное обслуживание и замена аэраторов.
  4. Применение управляемых воздуходувок оптимальной мощности, внедрение единой системы управления для всех воздуходувок.
  5. Применение специализированных управляемых клапанов в системе распределения воздуха по аэротенкам.
  6. Введение системы управления каждым клапаном и всеми клапанами по данным с датчиков растворенного кислорода, установленных в бассейнах аэрации.
  7. Применение расходомеров воздуха для стабилизации процесса распределения воздуха и оптимизации уставки по минимальному уровню растворенного кислорода для системы управления клапанами.
  8. 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.

График сравнения эффективности упр и неупр воздуходувок-min

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:

  1. Линейность характеристики управления, т.е. степень соответствие изменения положения привода клапана (актуатора) изменению воздушного потока через клапан во всем диапазоне управления.
  2. Погрешность и повторяемость отработки приводом клапана заданной уставки по воздушному потоку. Определяется качеством клапана (линейностью характеристики управления), привода и системы управления приводом.
  3. 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.

Характеристики струйного клапана

VACOMASS jet.

 

Сравнение характеристики управления струйного клапана VACOMASS jet с другими типами клапанов

Vacomass_EN_2018_Pages_blanco12-min

Управляемые специализированные воздушные клапана

VACOMASS фирмы Binder GmbH, Германия.

Elliptic-min

VACOMASS elliptic

(овальная задвижка)

Square-min

VACOMASS squer

(квадратная задвижка)

Jet-min

VACOMASS jet

(струйный)

 

Управляемые клапаны для систем аэрации VACOMASS-min

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

СхемаУпрСистАэрации Binder 3-min

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.

Vacomass_EN_2018_Pages_blanco21-min

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).

Vacomass_EN_2018_Pages_blanco20-min

 

Adblock detector