Когда приходит время модернизации станций водоочистки, на принятие решений о капиталовложениях обычно влияет необходимость снижения предельных значений содержания аммиака, нитратов, фосфатов. В плане защиты окружающей среды и инвестиций разумно также учитывать энергоэффективность. В свете того, что на подачу воздуха для аэрации в этой области может приходиться до 70 процентов эксплуатационных расходов, быстро осознаешь, почему повышение эффективности полностью оправдывает себя и сопровождается быстрой окупаемостью затрат. Этот подход к планированию был применен на водоочистной станции в Реда-Виденбрюк (эквивалентное число жителей 326'000 человек). На станции в настоящее время тестируется новая концепция управления воздуходувками AERZEN, система комбинированного управления AERsmart.
Работы по модернизации станции водоочистки начались в 2013 году. Услугами станции пользуются жители города Реда-Виденбрюк и его окрестностей, а также крупнейшая в Германии свинобойня. Целью проекта являлось повышение эффективности подачи воздуха для биологической очистки. Достижение этой цели планировалось за счет замены старых вентиляционных решеток новыми и их установки на 30 cm см ближе к дну аэрационных бассейнов. Хендрик Вульфхорст, менеджер по очистке сточных вод, объяснил: «Учитывая площадь поверхности шести бассейнов, мы могли увеличить обрабатываемый объем на несколько сотен кубических метров». Однако увеличение высоты на 30 см ведет к увеличению давления в системе на 30 мбар. Это необходимо было учесть в конструкции воздуходувок.
До начала модернизации станции в бассейнах была поднята концентрация кислорода, чтобы обеспечить безопасность в условиях изменения объема сточных вод свинобойни. При наличии требований к снижению эксплуатационных расходов и выбросов CO2 основной задачей проекта стало обеспечение согласования аэрации бассейнов с изменением объема поступающих сточных вод и связанного с ним потребления кислорода. На первом этапе предполагалось организовать управление частотой вращения четырех воздуходувок AERZEN в зависимости от потребности в аэрации.
Заданные значения определяются программируемым логическим контроллером (ПЛК) с учетом данных, полученных при анализе сточных вод, в основном концентраций аммиака и нитратов. Кроме того, внедрена интеллектуальная система управления мембранными регулирующими клапанами. Клапаны медленно закрываются после достижения требуемой концентрации кислорода в воде соответствующего бассейна. Чтобы избежать повышения давления и сопротивления в параллельных трубах после закрытия клапанов, ПЛК снижает заданное давление. «В противном случае из-за мембранных регулирующих клапанов энергия расходовалась бы впустую, так как при поддержании постоянного давления воздуходувки должны компенсировать падение давления, вызванное этими клапанами. Плавное регулирование давления повышает эффективность работы станции», — уточняет Маркус Хаверкамп, главный инженер проекта, работающий в консультационной компании Aquaconsult. Для аэрации при базовой нагрузке с образованием контура вентилируемых и невентилируемых бассейнов с тремя ступенями очистки техническое бюро в Ганновере выбрало турбовоздуходувки компании AERZEN.
Турбовоздуходувка типа AT 150-0.8S-G5 имеет Пропускная способность 4800 кубических метров в час при номинальной мощности двигателя 143 кВт, давлении всасывания 1 бар и конечном давлении до 1,8 бар. Корд Утерманн, менеджер по сбыту в компании AERZEN, считает турбовоздуходувки классическим примером агрегатов для базовой нагрузки с оптимальным энергопотреблением, которые должны непрерывно работать 24 часа в сутки с номинальными параметрами для достижения высочайшей экономической эффективности. «Как и в случае практически любых других турбоагрегатов, энергоэффективность этих турбовоздуходувок падает при переводе их в диапазон частичной нагрузки», — объясняет Утерманн. Поэтому необходимо проектировать решения с учетом энергоэффективного удаления загрязнений при изменении нагрузки в течение дня от высокой до низкой. Для достижения оптимальной энергоэффективности водоочистной станции этот подход предполагает удовлетворение потребности в воздухе свыше базовой нагрузки за счет таких объемных агрегатов, как воздуходувки нагнетательного действия и роторно-лопастные компрессоры. Они имеют высокую эффективность в диапазоне регулирования от 25 % до 100 % даже при частичной нагрузке. Поэтому в составную систему водоочистной станции в Реда-Виденбрюк также включены два агрегата AERZEN серии Delta Hybrid (D 62 S) и одна воздуходувка серии Delta (GM 80 L).
Компания AERZEN разработала решение AERsmart с учетом не только безопасного удовлетворения потребности в кислороде для аэрационных бассейнов, но и выработки требуемого объема воздуха составной системой с максимальной энергоэффективностью. Корд Утерманн отметил: «Высшим мастерством в разработке систем управления является создание как можно более плавных переходов между накладывающимися рабочими зонами с максимально возможной энергоэффективностью для каждого уровня нагрузки, т. е. обеспечение оптимальной и согласованной работы разных агрегатов системы». Маркус Хаверкамп считает, что этого можно достичь, если «каждая нагрузка отвечает фактической потребности». Это «всегда включает максимумы и минимумы». Так как на водоочистной станции в Реда-Виденбрюк используются три разных агрегата с отличающимися рабочими диапазонами и КПД, их работу необходимо координировать так, «чтобы свести к минимуму количество переключений, потому что постоянное включение и выключение приводит к повышенному износу», — объяснил инженер-проектировщик компании Aquaconsult. «Для достижения оптимальной производительности необходимо обеспечить эффективное распределение воздуха между аэрационными бассейнами (плавное регулирование давления, введение возмущающих воздействий, например NH4-N, количество воды и т. д.) и оптимальный выбор агрегата. Это возможно при использовании новой системы управления от компании AERZEN».
Потребности в кислороде на трех ступенях очистки являются основой оптимизации с системой управления AERsmart. Центральный ПЛК станции обрабатывает индексы, а вычисленное заданное давление передается по шине Profibus в систему управления воздуходувками. Система управления AERsmart обеспечивает оптимальную совместную работу четырех агрегатов с учетом энергосбережения. «Например, используемая турбовоздуходувка имеет максимальный КПД при нагрузке 83 процента от полной мощности», — комментирует Корд Утерманн. Если потребность в воздухе превышает этот уровень, эффективнее будет полностью отключить агрегат для базовой нагрузки и удовлетворить сравнительно низкую потребность в воздухе за счет двух агрегатов серии Delta Hybrid. «Бактериям все равно, откуда берется кислород», — улыбается Хендрик Вульфхорст. Однако менеджер водоочистной станции отмечает, что агрегаты для модернизации выбирались так, чтобы производительности турбовоздуходувок было достаточно для удовлетворения обычных повседневных потребностей.
Промежуточным результатом модернизации водоочистной станции в Реда-Виденбрюк стала экономия около 30 процентов энергии в отношении биологической очистки. Этого удалось добиться благодаря использованию воздуходувок с оптимальным энергопотреблением и относительно простой системы управления процессом, которая более тесно связана с преобладающими фактическими значениями. Система управления AERsmart увеличивает экономию еще на пять — восемь процентов за счет оптимизации на уровне воздуходувок. Эксплуатационные испытания на водоочистной станции покажут, какой экономии можно достичь при более продолжительной работе. Станция в Реда-Виденбрюк стала первой станцией водоочистки в Германии, на которой в реальных условиях тестируется система управления AERsmart. «Применение на объекте необходимо для изучения сложных соединений на водоочистной станции в реальных условиях, что невозможно сделать на испытательном стенде. Поэтому настолько важно тесное сотрудничество с заказчиками, которое позволяет нам определить условия применения для разработки перспективных решений», — подытожил Корд Утерманн.
