CC BY
117
УДК 66.081.63
О.В. Пещерова*, НС. Попов
ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», Тамбов, Россия 392000, г. Тамбов, ул. Советская - 106 * e-mail: eco@nnn.tstu.ru
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОЙ МЕМБРАННОЙ УСТАНОВКИ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В ПРОЦЕССАХ ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ
Приведены значения энергопотребления различных технологий, используемых для обессоливания воды. Описана методика проведения эксперимента. Получены экспериментальные данные энергопотребления мембранной установки в зависимости от солесодержания в исходной воде. Предложен способ повышения энергоэффективности обратноосмотической мембранной установки, используемой для обессоливания воды, при помощи частотно-регулируемого привода
Ключевые слова: обратный осмос, энергопотребление, частотно-регулируемый привод, обессоливание
К приоритетным направлениям развития водохозяйственного комплекса относятся совершенствование оборудования водоподготовки и водоочистки, модернизация и строительство новых очистных сооружений, использующих современные технологиии [1]. Модернизация систем должна производиться в соответствии с экономическими требованиями и запросами потребителей. Вопрос оптимального
проектирования систем водоочистки и водоподготовки с учетом различных параметров входного потока и показателей
энергоэффективности рассмотрен в работе [2].
Одним из показателей качества воды является содержание растворенных в ней солей. Нормами на питьевую воду предусмотрено, что их содержание должно быть менее 1 г/л, и лишь по специальному решению разрешается использовать воду с солесодержанием до 1,5 г/л. Однако в ряде регионов поверхностные и подземные воды содержат больше солей. Для использования таких вод в питьевых целях ее подвергают обессоливанию.
Среди методов, применяемых для удаления растворенных солей из воды (в том числе солей, обусловливающих жесткость), выделяют термические (дистилляция, выпаривание), реагентные, ионообменные, электрохимические и мембранные методы. На рисунке 1 представлена диаграмма энергопотребления различных технологий обессоливания воды.
Как видно из рисунка наиболее энергозатратными способами являются термическое (выпаривание - 2.5 - 4 кВт-ч на 1 м3 очищаемой воды, дистилляция - 15 кВт-ч [3]) и электрохимическое (2 - 3 кВт-ч на 1 м3 очищаемой
воды [4]) обессоливание воды, наименее энергозатратными - ионообменные (2 - 3 кВт-ч на 1 м3 очищаемой воды [4]) и мембранные (2 - 3 кВт-ч на 1 м3 очищаемой воды [4]) методы. Таким образом, с позиции энергопотребления лучшими можно считать технологии обессоливания с использованием обратного осмоса и ионнобменных смол. Однако, мембранные методы в отличие от других обладают большим диапазоном применения для обессоливания воды (содержание солей в исходной воде - до 50000 мг/л), что определяет их широкую область применения.
Рис. 1 - Диаграмма энергопотребления различных технологий обессоливания:
1- дистилляция; 2 - выпаривание; 3 -электрохимическое обессоливание; 4 - реагентное обессоливание; 5 - обратный осмос; 6 - ионнобменное обессоливание
В настоящее время мембранные методы широко применяются в промышленных процессах. Их используют для регенерации электролитов на гальванических производствах, разделения водомасляных эмульсий, переработки
паточной барды спиртовых производств и концентрирования молочных белков из вторичного сырья в пищевой промышленности [5,6,7]. Кроме того, мембранные установки используются для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, опреснения морской воды, а также в процессах водоподготовки и доочистки водопроводной воды.
Большинство научных работ,
рассматривающих проблемы связанные с работой обратноосмотических мембранных установок, посвящено изучению кинетики происходящих процессов, а так же выбору типа мембран для лучшего проведения процесса [7]. Однако вопрос энергоэффективности работы установки при изменении состава входного потока практически остается не затронутым.
Проблемами с точки зрения энергопотребления при водоочистке и водоподготовке являются неравномерный расход воды с наличием «пиковых нагрузок» (рис. 2), а также непостоянная концентрация солей, растворенных в воде, меняющаяся в зависимости от времени суток и сезона (рис. 3) [8]. Эти два фактора в совокупности могут приводить к повышенному энергопотреблению
обратноосмотической мембранной установкой. Поэтому целью данного исследования является разработка метода снижения энергопотребления обратноосмотической мембранной установки, используемой в процессах водоподготовки.
Рис. 2 - Изменение суточного расхода воды
Известно, что суть процесса обратного осмоса заключается в движении молекул воды через полупроницаемую мембрану из более концентрированного раствора в менее концентрированный под действием избыточного давления, превышающего осмотическое. Поэтому, можно предположить, что при увеличении концентрации солей в очищаемой воде необходимо создавать более высокое давление для достижения необходимой степени очистки. Для создания избыточного давления на мембране в мембранных установках используются внешние
насосы различных типов (поршневые, центробежные), которые являются основными потребителями электроэнергии в установке. Таким образом, была выдвинута гипотеза о том, что при изменении солесодержания в исходной воде энергопотребление мембранной установкой также будет изменяться. Определение зависимости между концентрацией солей и энергопотреблением позволит энергоэффективно управлять процессом обессоливания с учетом изменяющегося состава воды.
Рис. 3 - Изменение солесодержания в водоеме в зависимости от времени года [8]
Эксперимент проводился при помощи обратноосмотической мембранной установки (рис. 4), включающей в себя две линии обратного осмоса: высокого и низкого давления. Каждая из линий оборудована насосом, предназначенным для создания давления на мембране и подачи воды на мембранный корпус, рулонным элементом с композитной мембраной на основе полиамида. Общими для двух линий являются емкости для сбора концентрата и пермеата, шкаф управления. Для определения солесодержания в исходной и очищенной воде использовался цифровой кондуктометр. Для измерения энергопотребления мембранной установки применялся электрический счетчик с ценой деления 0,1 кВт.
Рис. 4 - Общий вид экспериментальной обратноосмотической мембранной установки
Перед началом эксперимента при помощи кондуктометра замерялось солесодержание в питающей воде. Далее регулировалось давление, создаваемое насосом. После этого начинался отсчет времени, за которое будет израсходовано 0,1 кВт электроэнергии. Помимо энергопотребления также контролировались показатели солесодержания в пермеате и производительность обратноосмотической
мембранной установки.
Главной задачей проведенного
эксперимента являлось определение
энергопотребления обратноосмотической
мембранной установки при различных режимах работы и разных концентрациях солей в питающей воде. Результаты испытаний приведены в сводной таблице 1.
Таблица 1
Сводная таблица экспериментальных результатов
Давление, бар Потребляемое количество энергии
при солесодержании, кВт-ч
600 ррт 800 ррт 1000 ррт
4 2,1 2,2 2,35
5 2,4 2,5 2,8
6 2,7 2,8 3,4
7 3,1 3,3 3,7
8 3,9 3,96 4,04
На рисунке 5 представлены графики зависимости энергопотребления от
солесодержания в питающей воде.
13'8 ?
х 0) С ю 0) а -♦-600 ррт -•-800 ррт -*-1000 ррт
с 2 а 0) х
3 5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8 давление, бар 5
Рис. 5 - Зависимость энергопотребления от различного солесодержания в исходной воде
Было установлено, что при одном и том же давлении, в зависимости от солесодержания в питающей воде, энергопотребление изменяется. Чем выше солесодержание, тем выше энергозатраты (рис. 5).
Исходя из того, что солесодержание в питающей воде может изменяться во времени [8], то расчетное энергопотребление установки по обессоливанию воды должно быть установлено в соответствии с пиковыми (максимальными) значениями содержания солей. Одним из
способов, позволяющих регулировать расход электроэнергии в зависимости от изменяющихся характеристик (например, расхода, концентраций и т.д.), является применение частотно-регулируемых приводов (ЧРП).
Частотно-регулируемый привод широко применяется в процессах водоочистки и водоподготовки. В основном ЧРП используют для регулирования подачи насосами воды на очистные установки. Кроме того, данный метод можно применять для регулирования подачи воздуха на станции биохимической очистки воды [9]. По оценкам различных авторов сокращение расходов электроэнергии при использовании ЧРП составляет 10 - 25% [10,11]. Использование ЧРП в обратноосмотической мембранной установке позволит регулировать давление на мембране в зависимости от солесодержания и требуемого расхода очищенной воды.
Основным отличием предложенной схемы с использованием ЧРП от аналогичных является то, что регулирование давления, подаваемого на мембрану, осуществляется при помощи датчика, измеряющего содержание растворенных солей в каждый момент времени, установленного на входе питающей воды в установку. При изменении солесодержания в поступающей воде датчик передает сигнал на ЧРП, в результате чего увеличивается или уменьшается частота вращения насоса и, тем самым, регулируется давление, создаваемое на мембране.
Принципиальная схема мембранной установки и предлагаемый способ снижения энергопотребления с использованием ЧРП приведены на рис. 6а и 6б.
[
ь,
г
I
Рис. 6а - Принципиальная схема мембранной установки
Рис. 6б - Модернизированная схема мембранной установки
Условные обозначения: 1- питающая вода; 2 - пермеат; 3 - ретентат; Н - насос; МУ - мембранная установка; Е - емкость-накопитель; ЧРП - частотно-регулируемый привод; РЕ - датчик солесодержания; РЕ - датчик давления
В соответствии с «Инструкцией по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого привода» [12] был произведен расчет ЧРП для экспериментальной установки. По результатам расчета для двигателя мощностью 4 кВт, установленного в системе обратноосмотической мембранной установки в ТГТУ, работающего с 7 до 20 часов, с диаграммой относительного расхода, приведенного на рисунке 2, экономия электроэнергии в сутки составит 28,65 кВт-ч, в год - 6876 кВт-ч. Таким образом, применение ЧРП позволит снизить потребление электроэнергии мембранной установкой при
обессоливании воды методом обратного осмоса до 50%.
Необходимо отметить, что полученные результаты характерны для данной экспериментальной обратноосмотической
мембранной установки, поэтому требуется дальнейшее продолжение исследования в области повышения энергоэффективности процесса обессоливания воды. Однако, предложенный способ управления работой обратноосмотической мембранной установки, используемой для обессоливания воды, позволит снизить энергопотребление не только в процессах водоподготовки, но и водоочистки.
Пещерова Ольга Викторовна аспирант 2-го года обучения, ассистент кафедры «Природопользование и защита окружающей среды», ТГТУ, Тамбов, Россия
Попов Николай Сергеевич профессор, д.т.н. заведующий кафедрой «Природопользование и защита окружающей среды», ТГТУ, Тамбов, Россия
Литература
1. Распоряжение Правительства РФ от 17.11.2008 N 1662-р (ред. от 08.08.2009) «О Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года» (вместе с "Концепцией долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года") [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://base.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?req=doc;base=law;n=90601 (дата обращения 21.02.2014)
2. Попов Н.С., Козачек А.В., Святенко А.В., Чань Минь Тьинь. Разработка методики структурного моделирования для целей проектирования технологической очистки загрязненных вод и выделения осадков // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2012. - С39. -с. 144-158.
3. Салашенко О.Г. Переработка солевых стоков водоподготовительных установок и продувки градирни [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.iksa.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=203:2011-09-19-09-11-23&catid=53:articles&Itemid=197 (дата обращения 14.02.2014)
4. Сравнительная характеристика методов обессоливания (деминерализации) воды. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: (дата обращения 15.02.2014)
5. Промышленное применение мембранных процессов: учеб. пособие / под общ. ред. А.А. Поворова, Н.С. Попова. - Тамбов: Изд-во «ИП Чеснокова А.В», 2011. - 81 с.
6. Богомолов В.Ю., Лазарев С.И. Промышленная переработка вторичного молочного сырья // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2014. - №1(50). - с. 82-91
7. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Клиот М.Б. Обратноосмотическая очистка водной массы паточной барды спиртовых производств // Известия Высших учебных заведений. Пищевая технология. - 1995. -№5-6. - с. 56-58
8. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике. - М.: Изд-во МЭИ, -2003 г.
9. Г.И.Благодарная. Энергосбережение при биологической очистке сточных вод. // Ресурсосбережение и энергоэффективность инженерной инфраструктуры урбанизированных территорий: материалы международной конференции. (Харьков, 1-28 февраля 2013 г.) - Харьков, 2013. - с. 111 - 114
10. А.Н. Горюнов, Г.Б.Онищенко. Регулируемый электропривод насосных агрегатов первого подъема станций водоподготовки. // Вестник ИГЭУ. - Вып. №6. - 2012 г. - c. 1 - 5.
11. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. - М.: Энергоатомиздат, 2006. - 360 с.
12. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. - Москва: МЭИ, - 1997 - 12 с.
Peshcherova Olga Viktorovna*, Popov Nikolay Sergeevich Tambov State Technical University, Tambov, Russia * e-mail: eco@nnn.tstu.ru
METHOD FOR IMPROVING ENERGY EFFICIENCY OF REVERSE-OSMOSIS MEMBRANE USED FOR WATER DESALINATION
Abstract
The values of energy consumption by different technologies of water desalination was shown. The methodology of the experiment described. Experimental data of energy consumption of the reverse-osmosis membranet depending on salinity are obtained. A method for improving energy efficiency of reverse osmosis membrane with using a variable frequency drive is proposed.
Key word: reverse osmosis, energy consumption, variable frequency drive, desalination.
