CC BY
19УДК 620.92:628.2(477.75)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ МАЛЫХ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В РЕСПУБЛИКЕ КРЫМ
Салиев Э. И.*, Штонда Ю. И.**, Штонда А. Ю.** Шаляпин С. Н.***,
Шаляпина Т.С.***, Пилявская А. В.****, Злобина А. Д.****
* ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181. e-mail: saliv.en@mail.ru **ООО " НПФ "ЭКВИК", г. Алушта, ул. В. Хромых, д. 29, оф. 2, e-mail: shtonda-yurij@mail.ru ***ООО «Харьковская электротехническая компания», Украина, г. Харьков, пр. Ленина, 60,
e-mail: vodogray@helco.com.ua ****АФ ГУП РК "Вода Крыма", г. Алушта, ул. Партизанская, д. 41, e-mail: anastasiya_simfer@mail.ru
Аннотация. Приведены результаты исследований по использованию альтернативных источников электроэнергии для энергоснабжения существующих малых канализационных очистных сооружений в Республике Крым.
Ключевые слова: сточные воды, малые канализационные очистные сооружения, солнечная энергия, электроэнергия, малая гидроэлектростанция, энергоснабжение.
Введение
Постоянный рост цен на электрическую энергию приводит к резкому росту тарифов на водоснабжение и водоотведение. Однако приведение тарифов к экономически обоснованным нормативам упирается в неплатёжеспособность населения, что не позволяет в должной степени компенсировать затраты коммунальных
предприятий и приводит к росту задолженности перед энергогенерирующими и энергорас-пределяющими компаниями, возникновению хозяйственных споров и т.п. Всё это диктует необходимость широкого внедрения в практику водоснабжения и водоотведения энергосберегающих технологий. К сожалению, применение только одних энергосберегающих технологий позволяет снизить затраты на 10 - 15%, что не обеспечивает компенсацию затрат на использованные энергоресурсы. Поэтому, наряду с внедрением энергосберегающих технологий актуальным становится поиск альтернативных источников энергоснабжения.
Устойчивая и эффективная работа канализационных очистных сооружений, зависит от качества работы систем энергоснабжения. Учитывая сложившеюся ситуацию с энергоснабжением Республики Крым, внедрение энергосберегающих
технологий для устойчивого обеспечения электроэнергией комплекса объектов водоотведения, актуально. Отсутствие электроэнергии на канализационных очистных сооружениях, более чем на два часа, приводит выходу из работы всего комплекса биологической очистки сточных вод [1,2].
Анализ публикации
В существующих и проектируемых технологических схемах водоотведения
промышленных, хозяйственно-бытовых и ливневых сточных вод отвод очищенной сточной воды осуществляется по специально обустроенным каналам в самотёчном режиме. При этом расход воды, протекающей по одному каналу, как правило, составляет от 40 до 3600 м3/ч (0,11 - 1,0 м3/с), а скорость течения воды в канале составляет от 2 до 4 м/с. Данный факт, подразумевает возможность использования отводящихся очищенных сточных вод для получения электрической энергии, которую можно применить для частичной компенсации энергозатрат, связанных с технологическими процессами очистки сточной воды или использовать для других целей. Например, для освещения территории КОС, на хозяйственно-бытовые нужды (подогрев воды) или энергоснабжение УФ установок для обеззараживания сточных вод, которые содержат в себе, возбудителей таких
опасных заболеваний как холера, дизентерия, тиф, сальмонеллез, вирусный гепатит, полиомиелит, энтеровирусные и аденовирусные инфекции, лямблиоз, лептоспироз, бруцеллёз, туберкулёз, гельминтозы и другие.
Анализируя энергетический потенциал используемых на канализационных очистных сооружениях водоотводящих каналов, возможно сделать вывод, что для эффективного использования альтернативных источников энергоснабжения могут применятся свободнопоточные микрогидроэлектростанции (микроГЭС) (рис. 1) единичной мощностью от 0,7 до 10 кВт. Главным достоинством таких микроГЭС является возможность их монтажа в существующем водоотводящем канале, либо по байпасной схеме рядом с водоотводящими каналом. В случае наличия естественного перепада высот достаточной величины (5 - 10 м) возможно применение деривационных микроГЭС.
Цель и постановка задачи исследования
Исследовать возможность применения альтернативных источников электроэнергии для энергоснабжения существующих малых
канализационных очистных сооружений в Республике Крым на базе Алуштинского филиала ГУП РК "Вода Крыма".
Основной раздел
Алуштинский филиал ГУП РК "Вода Крыма" осуществляет эксплуатацию практически всех объектов водоснабжения и водоотведения Алуштинского района. Сотрудниками
Алуштинского филиала ГУП РК "Вода Крыма" ведутся многолетние работы по внедрению передовых технологий и оборудования [3-11].
При изучении существующих
канализационных очистных сооружений в Алуштинском филиале ГУП РК "Вода Крыма", с высокой степенью эффективности, возможно применение свободнопоточных микрогидроэлектростанций, в п. Рыбачье, п. Утес, п. Солнечнегорском, п. Малореченское.
несколько метров (обычно от 1,5 до 4 м). Так на канализационных очистных сооружениях г. Алушты перепад высот составляет 3,0 м. Наличие такого небольшого перепада высот позволяет применить ещё один перспективный тип микроГЭС -водовихревой (рис. 2). К основным достоинствам такой микроГЭС относится возможность эффективной генерации электроэнергии при малых перепадах высот. Так, установленная в городке Оберграфендорф (ОЬе^гаТеМогО водовихревая микроГЭС при перепаде высот в 1,2 м и расходе воды равным 1 м3/с обеспечивает выработку электрической энергии в количестве до 9,5 кВтч. Одним из интересных свойств водовихревой микроГЭС является высокий коэффициент полезного действия гидротурбины, который превышает 79% [12].
При работе свободнопоточных
микрогидроэлектростанций и водовихревых микроГЭС, на канализационных очистных сооружениях, происходит не только получение электроэнергии, но что немаловажно, аэрация очищенных сточных вод. При работе лопастной турбины (которая вращается с низкой скоростью 60 - 75 об/мин) происходит принудительная аэрация всего проходящего через микроГЭС объёма сточной воды, что положительно влияет на развитие живущих в воде микроорганизмов и конечную эффективность процесса очистки сточной воды. Повышение растворенного кислорода в сточных водах, повышает эффективность биологической доочистки очищенных сточных вод и положительно влияет на водные объекты, в которые они сбрасываются.
яшт\
Рис. 1. Свободнопоточные микрогидроэлектростанции
На большинстве существующих
канализационных очистных сооружений в Республике Крым, перепад высот составляет всего
Рис. 2. Водовихревая микроГЭС
Учитывая, что величина потока воды в водоотводящем канале на протяжении суток может изменяться в широких пределах, то скорость вращения гидротурбины также будет непостоянной. Это приведёт к большим разбросам амплитуды и частоты вырабатываемого тока и напряжения, и, как следствие, может привести к поломке самой микроГЭС, что негативно скажется на потребителях вырабатываемой микроГЭС электроэнергии. Для стабилизации частоты вращения гидротурбины микроГЭС наиболее целесообразно применение следующих методов:
1. стабилизация частоты вращения гидротурбины;
2. стабилизация частоты генерируемого тока при изменении частоты вращения гидротурбины;
3. сочетание обоих вышеперечисленных методов.
Для стабилизации частоты вращения гидротурбины применяются специальные регуляторы, которые ограничивают поток поступающей на гидротурбину воды, чем достигается стабилизация основных электрических параметров вырабатываемой электроэнергии. Этот метод требует наличие специального регулирующего (направляющего) аппарата, состоящего из регулирующего величину потока заслонки и системы управления, которая обеспечивает изменение положения заслонки или угла атаки лопаток гидротурбины в зависимости от частоты вращения гидротурбины (ротора генератора.
Большое влияние на эффективность работы микроГЭС имеет тип применяемого электрогенератора. На сегодняшний день промышленностью выпускается два основных типа генераторов, которые нашли применение в гидроэнергетике - это синхронные и асинхронные генераторы. Не останавливаясь на конструктивных особенностях синхронных и асинхронных генераторов необходимо заметить, что для обоих типов генераторов величина вырабатываемого напряжения зависит от частоты вращения его ротора, и что запуск генератора осуществляется при помощи специальных устройств, например при помощи конденсаторной батареи, или специального возбуждающего устройства. В большой и малой гидроэнергетике наибольшее распространение получили синхронные генераторы, которые характеризуются высокой стабильностью параметров вырабатываемой электроэнергии и хорошо приспособлены для работы в автономном режиме.
Для получения электрической энергии, а особенно в микрогидроэнергетике, применяются асинхронные генераторы, которые по сравнению с синхронными генераторами обладают более простой конструкцией, повышенной стойкостью к внешним авариям, значительным ресурсом и простотой технического обслуживания.
Асинхронный генератор лучше защищён от попадания пыли и влаги, более устойчив к короткому замыканию и перегрузкам. Выходное напряжение асинхронного генератора по сравнению с синхронным генератором имеет меньше искажений. Коэффициент гармоник (клирфактор) асинхронного генератора в 7 раз меньше, чем у синхронного генератора и составляет около 2%, что позволяет использовать асинхронные генераторы не только для питания промышленных устройств, которые некритичны к форме выходного напряжения, но и обеспечивают возможность подключения электронной техники. Асинхронный
генератор является идеальным источником тока для приборов, имеющих активную нагрузку: электронагревателей, сварочных преобразователей, ламп накаливания, электронных устройств, компьютерной техники [13].
Асинхронный генератор может работать как в автономном режиме, т. е. без включения в общую электрическую сеть, так и в режиме подключения к общей электросети. Особенно интересен режим работы асинхронного генератора совместно с внешней электрической сетью. В этом случае частота ЭДС асинхронного генератора определяется скоростью вращения магнитного поля статора, которое задаётся частотой тока в сети, к которой подключён генератор и при небольших изменениях скольжения (от 2 до 5%) не зависит от частоты вращения ротора (гидротурбины). Т.е. внешняя электрическая сеть стабилизирует частоту вырабатываемой генератором ЭДС, что упрощает систему управления. Так как обмотка статора подключена к внешней электрической сети напряжением равном выходному напряжению генератора и потребляет из сети намагничивающий ток, то в таком режиме асинхронный генератор потребляет из сети только реактивную энергию, которая необходима для создания вращающегося магнитного поля статора, и отдаёт в сеть активную энергию, получаемую в результате преобразования механической энергии гидротурбины. Т.е. асинхронный генератор выступает не только как источник электрической энергии, но и является своеобразным преобразователем реактивной мощности, что положительно сказывается на режиме работы всей электрической сети.
Несмотря на все преимущества асинхронных генераторов, они не получили широкого применения в электроэнергетике из-за чрезмерной громоздкости и высокой стоимости конденсаторных батарей. Однако применение асинхронных генераторов является весьма перспективным для генераторов мощностью до нескольких десятков киловатт.
Выбор того или иного типа электрического генератора во многом зависит от конструктивных требований к микроГЭС и стабильности частоты вырабатываемого тока. Стоит также заметить, что стоимость асинхронных генераторов мощностью до 15 кВт меньше стоимости аналогичного синхронного генератора, а также то, что в качестве асинхронного генератора можно применять серийно выпускаемые асинхронные электродвигатели.
При работе асинхронного генератора в параллельном с внешней электрической сетью режиме необходимость в балластной нагрузке отпадает, т.к. в этом случае в качестве балластной нагрузки выступает сама электрическая сеть. В этом режиме работы микроГЭС выступает как дополнительный источник электрической энергии. При величине потребляемой полезной нагрузкой мощности меньше выходной мощности микроГЭС
часть избыточно вырабатываемый электрической энергии передаётся во внешнюю электрическую сеть, обеспечивая постоянную нагрузку генератора тем самым стабилизируя величину выходного напряжения и частоту вырабатываемого электрического тока. При превышении потребляемой нагрузкой мощности происходит потребление электроэнергии из внешней сети, что также положительно сказывается на стабилизации выходного напряжения генератора и частоты вырабатываемого тока.
Таким образом, на основании выше изложенного, применение на существующих канализационных очистных сооружениях в Алуштинском филиале ГУП РК "Вода Крыма", двух типов микроГЭС - свободнопоточных и водовихревых, являются наиболее перспективными. Оба эти типа микроГЭС могут за счёт кинетической энергии потока сбрасываемых очищенных сточных вод обеспечить получение электрической энергии, которую можно использовать для технологических нужд. В случае значительной протяжённости водоотводящих каналов и трубопроводов (КОС в п. Рыбачье, п. Утес, п. Солнечнегорское, п. Малореченское) предпочтительно применение свободнопоточных микроГЭС, которые можно устанавливать каскадно, увеличивая суммарную эффективность работы электростанции. Если позволяет рельеф местности, то имеет смысл установка водовихревых микроГЭС (КОС в г. Алушта и п. Партенит), которые обладают большей энергоёмкостью.
Создание альтернативных источников энергоснабжения на базе свободнопоточных и водовихревых микроГЭС не требует значительных капитальных вложений, т.к. для их монтажа не требуется существенная переделка водоотводящих каналов. Стоимость капитальных вложений в расчёте на 1 кВт генерируемой мощности ориентировочно составляет от 210 до 280 тысяч рублей, что обеспечивает быструю окупаемость капитальных вложений.
Для обеспечения необходимого количества электроэнергии для эффективной очистки сточных вод, при комплексном использовании микроГЭС и солнечных электростанций позволяет полностью обеспечить электроэнергией работу оборудования для обеззараживания очищенных сточных вод, а в солнечные дни, выдавать во внутреннюю электрическую сеть канализационных очистных сооружений дополнительную электроэнергию [14, 15].
Выводы
Для обеспечения экологической безопасности прибрежной зоны Республики Крым, предлагается для устойчивого и бесперебойного обеспечения электроснабжением оборудования на существующих канализационных очистных сооружениях, использование работы микроГЭС, что позволит обеспечить эффективную и устойчивую очистку сточных вод.
Список литературы
1. Эпоян С., Штонда И., Штонда Ю., Зубко А., Звягинцев Ю. Интенсификация работы малогабаритных канализационных очистных сооружений с использованием солнечной энергии// MOTROL. -Lublin, 2010. - Vol. 12C. - P. 315-321.
2. S. Epojan, I. Shtonda, Y. Shtonda, A. Zubko, Y. Zvyagintsev. Solar energy usage for the improvement of thetreatment efficiency and operation stability at small-scale wastewater treatment plants. // Motrol. Motorization and powe rindustry in agriculture. Simferopol-Lublin 2011- Volume 13C. -.2011. P. 9196.
3. Пантелят Г.С., Атаманчук В.М., Штонда Ю.И. Особенности водоотведения и очистки сточных вод Большой Алушты // ВСТ. - Москва. -2005. - № 9. - С. 17 - 20.
4. Штонда Ю.И., Зубко А. Л. Опыт обработки и обезвоживания осадков сточных вод на сооружениях канализации г. Алушты // ВСТ.-Москва. - 2007. - № 3. - С. 37 - 40.
5. Эпоян С.М., Штонда Ю.И., Зубко А.Л. Повышение эффективности работы сооружений механической очистки на канализационной очистной станции «Алушта» // Науково техшчний зб. «Проблеми водопостачання, водовщведення та пдравл^» - Кив: КИСИ, 2007.- Вип. 8 - С.99 -105.
6. Эпоян С.М., Осинский Ю.А., Штонда Ю.И., Зубко А. Л. Повышение эффективности и надежности работы канализационных очистных сооружений, автоматизация канализационных насосных станций поселка Утес АР Крым // Науковий вюник будiвництва.—Харшв : ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2008.- Вип.45.- С.178-181.
7. Эпоян С.М., Атаманчук В.М., Штонда Ю.И., Зубко А.Л. Применение метода биокоагуляции при эксплуатации системы биологической очистки сточных вод на КОС «Алушта» в осенне-зимний период для энергосбережения // Науковий вюник будiвництва. —Харшв : ХДТУБА, ХОТВ АБУ. -2008.- Вип.50.- С.161-166.
8. Эпоян С.М., Штонда Ю.И. Интенсификация работы сооружений биологической очистки на канализационных очистных сооружениях г. Алушта. // Науковий вюник будiвництва.—Харшв : ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2009.- Вип.53.- С.227-231.
9. Эпоян С.М., Штонда И.Ю., Штонда Ю.И., Зубко А.Л. Интенсификация очистки сточных вод на малогабаритных очистных сооружениях поселка Канака в АР Крым. // Науковий вюник будiвництва. —Харшв : ХДТУБА, ХОТВ АБУ. -2010.- Вип.56.- С.230-233.
10. Штонда Ю.И., Зубко А.Л. Интенсификация очистки сточных вод на малогабаритных очистных сооружениях Крыма. // ВСТ. - Москва. - 2010. - № 9.- С. 8 - 12.
11. Эпоян С.М., Штонда И.Ю., Штонда Ю.И., Зубко А.Л. Совершенствование работы малогабаритных канализационных очистных
сооружений поселка Малореченское в АР Крым. // Науковий вюник будiвництва.—Харшв : ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2010.- Вип.60.- С.271-274.
12. Zotloterer: Smart - Energy - Systems -Режим доступа: http://www.zotloeterer.com.
13. Встовский А.Л., Федий К.С., Архипцев М.Г., Спирин Е.А. Система управления асинхронным генератором для возобновляемых источников энергии. //Известия Томского политехнического университета. - 2014. - Т. 324. №4. - С. 133-138.
14. Штонда Ю. И., Звягинцев Ю.М. Зубко А.Л. Автономное энергоснабжение канализационных
очистных сооружений в АР Крым. // Водопостачання i водоввдведення. - Кив. - 2012. -№1/12. - С. 54-57.
15. Эпоян С.М., Штонда Ю. И., Зубко А.Л. Звягинцев Ю.М. Автономное энергоснабжение КОС города Евпатория с использованием фотоэлектрических преобразователей и
горизонтальных ВЭУ с асинхронными генераторами. // Науковий вюник будiвництва. -Харшв: ХНУБА, ХОТВ АБУ. - 2012.- Вип. 67.-С.270-275.
Saliev E. I., Shtonda Yu.I., Shtonda A.Yu., Shalyapin S. N.,
Shalyapina T. S., Pilyavskaya, A. V., Zlobina A. D.
THE USE OF ALTERNATIVE SOURCES OF ELECTRICITY FOR POWERING SMALL SEWAGE TREATMENT FACILITIES IN THE REPUBLIC OF CRIMEA
Summary. The results of studies on the use of alternative electricity sources to electric power supply the existing small sewage treatment plants in the Republic of Crimea.
Key words: wastewater, small sewage treatment plant, solar energy, electricity, small hydropower plant, electric power supply.
