CC BY
59
УДК 620.9:62-83
Л. В. Фетисов, Р. Р. Низамутдинов, И. Г. Шайхиев ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ АЭРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Ключевые слова: энергосбережение, электропривод, нагнетатели, аэрация, очистка.
Изучен процесс аэрации сточных вод на очистных сооружениях. Определена необходимая концентрация кислорода в сточной воде, которая должна составлять не менее 2мг/л. Определен существующий режим работы нагнетателей, электродвигатели которых потребляют более 90 % электрической энергии, затрачиваемой на очистных сооружениях. Проведен технико-экономический анализ применения устройства плавного пуска электрических двигателей. Окупаемость затрат на модернизацию составила менее 8 месяцев.
Keywords: energy saving, electric drive, superchargers, aeration, cleaning.
Process of aeration of drain waters on treatment facilities is studied. Necessary concentration of oxygen in drain water which should make not less 2mg/l is defined. The existing operating mode of superchargers whose electric motors consume more than 90% of the electrical energy spent on treatment facilities is defined. Technical-economical analysis of use of the device of smooth launch of electric engines is carried out. The economic return on modernization made less than 8 months.
Биологическая очистка сточных вод представляет собой результат функционирования системы активный ил - сточная вода, характеризуемой наличием сложной
многоуровневой структуры. Биологическое окисление, составляющее основу этого процесса, является следствием протекания большого комплекса взаимосвязанных процессов различной сложности: от элементных актов обмена электронов до сложных взаимодействий биоценоза с внешней средой. Множество микроорганизмов,
составляющих биоценоз активного ила биологических очистных сооружений, находясь в сточной жидкости, поглощают поллютанты внутрь клетки, в которой они под воздействием ферментов подвергаются биохимическим превращениям. При этом органические и некоторые виды неорганических загрязняющих веществ
используются бактериальной клеткой в двух направлениях. 1. Биологическое окисление в присутствии кислорода до конечных продуктов -диоксида углерода и воды. Выделяющаяся при этом энергия используется клеткой для обеспечения своей жизнедеятельности (движение, дыхание, размножение и т. п.). 2. Синтез новой клетки (размножение). Интенсивность и глубина протекания процессов зависит от качественного состава активного ила, разнообразия форм и видов микроорганизмов, способности их адаптации (приспособления) к конкретному составу загрязняющих веществ сточной жидкости, условий проведения процесса, наличие достаточного количества кислорода в аэротенке, отсутствие в сточной воде токсичных для микроорганизмов веществ и т.д. [1, 2].
Концентрация кислорода в сточной воде не должна быть менее 2 мг/дм3. Время аэрации и прохождения сточной воды через аэротенки составляет более 4 часов. В течение этого времени происходит сорбция загрязнений, растворенных в сточной воде, поверхностью активного ила и начальная стадия окисления загрязнений микроорганизмами активного ила. Из аэротенков смесь очищенной сточной воды и активного ила
поступает на вторичные отстойники, предназначенные для отделения очищенной сточной воды от активного ила. После вторичных отстойников очищенная сточная вода хлорируется и направляется в ближайший водоем.
Как уже говорилось ранее, для эффективного функционирования аэробных биологических очистных сооружений необходимо наличие в очищаемой жидкости воздуха. Последний необходим для поддержания биоценоза активного ила во взвешенном состоянии, что способствует увеличению площади контактирования хлопьев активного ила и, соответственно, степени удаления поллютантов и сокращения времени очистки. Второй функцией воздуха является то, что он является источником кислорода для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, входящих в состав активного ила.
Все вышесказанное приводит к тому, что на установках биологической очистки сточных вод подача сжатого воздуха в аэротенки и другие аппараты очистных сооружений (смесители, окситенки и т.д.) производится круглосуточно. Данное обстоятельство приводит к потреблению большого количества электроэнергии. Существуют различные технологические решения для уменьшения эксплуатационных затрат на станциях очистки сточных вод с использованием биоценоза активного ила. В частности, в последнее время фильтросные трубы заменяются на фильтросные пластины, что приводит к образованию более мелких пузырьков воздуха, что увеличивает площадь контактирования и уменьшает, как время очистки, так и количество подаваемого в систему воздуха [3, 4].
Воздухоснабжение на очистных сооружениях канализации муниципального унитарного предприятия «Водоканал» г. Казани необходимо для обеспечения одной из стадий технологии очистки сточных вод - процесса аэрации смеси сточной воды и активного ила в аэротенке. Для производства сжатого воздуха эксплуатируются семь нагнетателей Н-750 с высоковольтными электродвигателями мощностью 1250 кВт, из
которых постоянно работают четыре агрегата. Потребление электроэнергии электродвигателями названных воздуходувок составляет более 90 % от общего потребления всего оборудования очистных сооружений, которое, в свою очередь, составляет около 3 млн. кВт^ч в месяц [5].
Большой срок эксплуатации нагнетателей увеличивает риск выхода из строя их узлов трения вследствие сильного износа подшипников при «прямом» пуске. Кроме того, имеется
необходимость отключения воздуходувок Н-750 в ночное время при уменьшении количества сточных вод, что позволит снизить затраты при функционировании очистных сооружений.
Оптимизировать работу нагнетателей можно следующими способами:
- обеспечение эффективной и безопасной возможности отключения и плавного запуска электродвигателей большой мощности;
- автоматическое поддержание необходимого для технологии давления в пневмосистеме с высокой точностью;
- воздействие на начальную температуру и начальное давление всасываемого воздуха;
- подогрев отходящего к потребителю сжатого воздуха за счет утилизации тепла сжатия.
Наиболее существенным решением проблемы энергосбережения при эксплуатации компрессорных и насосных установок, вентиляторов и дымососов с мощными электрическими двигателями является применение устройств плавного запуска (УПЗ). Специалистами ООО «РАБИКА-энергосбережение» разработано универсальное устройство, позволяющее, кроме плавного запуска, осуществлять автоматическую регулировку производительности и давления в пневмо- и гидросистемах. УПЗ механическим способом с помощью дополнительного привода меньшей мощности постепенно раскручивает основной двигатель, плавно доводя до требуемого числа оборотов. После этого на обмотки запускаемого двигателя подается напряжение, и дополнительный привод отцепляется. Так как старт начинается с малых оборотов, предотвращается интенсивный износ подключенного к приводу оборудования. Пусковые токи минимальны вследствие того, что напряжение подается в тот момент, когда вал двигателя уже вращается в режиме, близком к рабочему.
Устройство работает полностью в автоматическом режиме, постепенно доводя число оборотов до заданного режима. Ходом всех процессов управляет контроллер. Запатентованное УПЗ позволяет осуществить идеально-теоретический пуск электрического двигателя без каких бы то ни было негативных последствий для оборудования. УПЗ устанавливается индивидуально на каждый электрический двигатель. При этом сохраняется существующая система прямого пуска.
В июне 2014 года системой плавного запуска и регулирования был оснащен нагнетатель Н-750 № 3 на очистных сооружениях канализации муниципального унитарного предприятия «Водоканал».
Установленный комплект системы плавного пуска содержит следующие компоненты:
- устройство плавного запуска (УПЗ);
- многофункциональная смазочная композиция (МСК) «МЕГОС» для системы смазки.
Как показал опыт эксплуатации названной системы, плавный пуск обеспечивает:
- многократный щадящий безударный пуск/останов нагнетателя;
- увеличение срока службы агрегата, его электропривода и пусковой аппаратуры;
- снижение расходов на обслуживание и ремонт.
Также определено, что внедрение МСК
«МЕГОС» в систему смазки нагнетателя Н-750 даёт следующие преимущества:
- увеличение рабочего ресурса узлов трения воздуходувки Н-750;
- увеличение срока службы масла;
- снижение потребления электродвигателем нагнетателя Н-750 электроэнергии на 2 %.
При применении МСК «МЕГОС» реализуется эффект «избирательного переноса», который проявляется в том, что на трущихся поверхностях деталей в процессе трения формируется тонкая «сервовитная» медная плёнка, которая в несколько раз увеличивает поверхность контакта, предотвращает водородный износ деталей, в несколько раз снижает коэффициент трения. Так как трение деталей в узле происходит по самовосстанавливающемуся, пластичному слою меди, износ их снижается в несколько раз.
Рассчитан годовой экономический эффект, полученный при внедрении УПЗ на нагнетателе марки Н-750. В частности, определено, что Годовой экономический эффект, полученный при отключении одного нагнетателя на пять часов ночью составил 499500 кВт-ч или 1433565 руб. (при тарифе 2,87 руб. с НДС).
Также проведенными расчетами определено, что годовая экономия электроэнергии на одном нагнетателе Н-750 при внедрении МСК «МЕГОС» составила 2 % или 213867 руб.
Экономия расходов на ремонт нагнетателя из-за уменьшения износа баббитовых подшипников и других узлов трения составила 0,5 млн. рублей.
При стоимости проекта 1300000 рублей, годовой экономический эффект от внедрения системы плавного пуска на нагнетателе Н-750 составил 2147432 руб.
Проведенными расчетами определено, что окупаемость проекта составила менее 8 месяцев. Таким образом, затраты на внедрение УПЗ полностью окупились. Положительный опыт эксплуатации УПЗ предполагает использование данного оборудования и на других нагнетателях станции.
В 2015 году аналогичное УПЗ установлено ещё на одном насосном агрегате Н-750.
К минусам внедрения УПЗ можно отнести провалы напряжения в сети 0,4 кВ при запуске электродвигателя мощностью 75 кВт. Эта проблема была решена установкой устройства плавного пуска по току. Таким образом, была снижена нагрузка на силовые трансформаторы мощностью 630 кВА.
Литература
1. Е.А. Преснякова, Вестник магистратуры, 12(39), 64-65 (2014).
2. М.Ю. Избаш, С.В. Лунин, Е.А. Янчак, Комунальне господарство мiст, 114, 118-121 (2014).
3. Мешенгиссер Ю.М. Теоретическое обоснование и разработка новых полимерных аэраторов для биологической очистки сточных вод: автореф. дис. на получение научной степени доктора технических наук: 05.23.04 / Мешенгиссер Юрий Михайлович; Харк. гос. тех. ун-т строит-ва и арх. - Харьков. 2001. С. 5.
4. Гаврина Е.В. Разработка и исследование высокоэффективных конструкций аэраторов пневматического типа для биологической очистки сточных вод: автореф. дис. на соискание учетной степени кандидата технических наук: 05.23.04 / Гаврина Елена Владимировна; Пензенская гос. арх. - строит. акад. - Пенза, 2000. С. 5 - 10.
5. Р.Р. Низамутдинов, Л.В. Фетисов, Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность: материалы XXI всероссийской научно-технической конференции, 38-39 (2015).
© Л. В. Фетисов - к.т.н., доцент кафедры «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» Казанского государственного энергетического университета; Р. Р. Низамутдинов - магистрант той же кафедры; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета, ildars@inbox.ru.
© L. V. Fetisov - Cand.Tech.Sci., the associate professor of Department "Electrical equipment and electrical facilities of the enterprises, organizations and institutions" of the Kazan state power engineering university; R. R. Nizamutdinov - the undergraduate of the "Electrical equipment and electrical facilities of the enterprises, organizations and institutions" of the same university; 1 G. Shaikhiev - PhD, Head of Department of Environmental Engineering Kazan National Research Technological University, ildars@inbox.ru.
