Енергийно ефективни помпени системи за ПСОВ

Енергийно ефективни помпени системи за ПСОВ

      Пречиствателните станции за отпадни води (ПОСВ) са сложен комплекс от съоръжения, предназначени за преработка и очистване на отпадните води. Сред основните им спомагателни съоръжения се явяват помпените станции. Помпи се използват за повдигане нивото на постъпващите отпадни води в станцията с цел гравитационното им довеждане в следващите съоръжения, за транспортиране на отпадните води след първичните утаители към биофилтрите, за пренос на различни видове утайки при отделните технологични процеси – рециркулация, обезводняване, оползотворяване и други. Използват се също и в случаите, когато се прилага помпено разбъркване на утайките в метан танковете и откритите изгниватели, при подготовка, разбъркване и подаване на реагенти в съоръженията на реагентното стопанство. Други задачи, изпълнявани от помпите, са изваждане на пясъка от песъкозадържателите и транспортирането му, пренос на утайкови води от уплътнители, метан танкове, изсушителни полета, както и на площадкови води пред първичния утаител. Поради разнообразието от приложения, в пречиствателните станции се използват и различни конструкции помпи. Сред най-широко използваните са шнековите помпи, водоснабдителните и канализационните помпи, водоструйните помпи и ежекторите.

Помпеното оборудване е сред основните консуматори на енергия
Многото приложения на помпите в пречиствателните станции определят немалките енергийни разходи, свързани с тяхната работа. Обикновено една голяма част от общата енергия изразходвана от пречиствателната станция се формира именно от работата на помпените системи. Това е и една от основните причини при търсене на решения за повишаване енергийната ефективност на пречиствателните станции част от мерките да са насочени именно към повишаване ефективността на използваното помпено оборудване. Принципно общата ефективност на една помпена система се определя от ефективността на самата помпа, на двигателя и задвижващата система или използвания метод за контрол на дебита.

Сред основните причини за загуба на ефективност при помпите се посочват възникването на турбулентност, триенето и рециркулацията в самата помпа. Загуби се реализират и когато помпата не работи в оптималния си режим на работа (best efficiency point, BEP). Различните методи за контрол на дебита също могат да окажат негативно влияние върху ефективността на помпената система. Обикновено регулирането на дебита е чрез използването на дроселираща арматура, байпасен тръбопровод, паралелна работа на различен брой машини и промяна на честотата на въртене. Всеки един от тези методи има своите предимства и недостатъци, но обикновено регулирането чрез промяна на честотата на въртене се приема за един от най-гъвкавите и ефективни методи за управление на дебита.

Неефективната работа на помпата
често е в резултата от несъответствието между избраната помпа и изискванията на системата, промени в условията на работа или очакването помпата да работи при различни условия. Сред признаците, които могат да бъдат индикатор за недобре реализирана и експлоатирана помпена система са: честото спиране и пускане, наличието на кавитационен шум в помпата или някъде в системата, загряване на двигателя, помпена система необорудвана със средства за измерване на потока, налягането, консумацията на енергия, невъзможност да се достигне максимален дебит.
С предприемането на мерки за повишаване ефективността могат да се достигнат значителни икономии на енергия, като се твърди, че е възможно постигането на до около 50% намаляване на енергийните разходи. Намалените енергийни разходи могат да бъдат в резултат на намаляване на мощността на помпената система и работа в режим близък до оптималния, замяна на неефективно работещите помпи, избор на по-ефективни двигатели и използването на честотно управление. На практика подобряването на енергийната ефективност на помпите може да се постигне със стандартни мерки и не изисква въвеждането на сложни технологични иновации. В същото време те са от изключително значение за намаляване и оптимизиране на енергийните разходи в пречиствателните станции за отпадни води.

Подходящото оразмеряване на помпите
 е ключов момент за ефективната работа на пречиствателната станция. Често помпените системи се оразмеряват за максимално предвиждания дебит, който обаче може никога да не се използва или е нужен само за много кратки периоди от производствения цикъл. Преоразмеряването е често срещано и може да доведе до значителни загуби на енергия и повреди на елементи от инсталацията.
За пречиствателни станции в процес на експлоатация като добра стартова точка за намаляване на енергийните разходи се счита именно определянето на ефективността на помпената система, фокусирайки се първо върху помпите, работещи най-дълго и при които има голяма вероятност за наличието на проблем. Добре е параметрите на системата като дебит, налягане и т. н. да бъдат проследявани. Определянето на работната точка на съществуващата помпена система и разстоянието й от оптималната ще даде представа за необходимостта от предприемането на конкретни мерки за повишаване на ефективността.

Ролята на електродвигателите
Енергийните разходи, свързани с работата на електродвигателите, съставляват голяма част от общите енергийни разходи на станцията. Използването на неефективни двигатели, работа извън условията на оптимално натоварване, както и възникването на механични или електрически проблеми със самия двигател също могат да доведат до загуба на енергия. Това са и проблемите, решаването на които би помогнало за повишаване на ефективността като цяло. Подмяната на използваните до момента електродвигатели с такива, използващи честотни преобразуватели за регулиране на оборотите, се счита за добро решение за повишаване на ефективността.

Принципно, ефективността на електродвигателите се определя като отношението на получената механична енергия отнесено към изразходваната електрическа енергия. Естествено, постигането на 100% ефективност е невъзможно, поради реализирането на загуби от триене, електрическото съпротивление и т. н.

Сред често използваните електродвигатели в пречиствателните станции за отпадни води са потопяемите електродвигатели. Ефективността им на работа обикновено е по-ниска от номиналната при пълно натоварване, посочена от производителя. Една от причините за това е работният товар. Повечето двигатели са конструирани да работят между 50 и 100% от номиналното натоварване с постигане на максимална ефективност при 75% от максималното натоварване. Двигателите, работещи извън оптималното натоварване, съответно са с по-ниска ефективност. Други фактори ,намаляващи ефективността, са качеството на подаваната електроенергия и температурата.

Факторът на мощността
Сериозен проблем се явява и качеството на доставяната електроенергия и най-вече проблемът със загубите вследствие на несинусоидалната форма на тока на консуматорите. Има два вида мощност, която формира привидната или реално доставената мощност от електрическата мрежа. Първата е активната, която зависи от моментните стойности на напрежението и тока на консуматорите и се определя за един техен период. Тя се измерва във W и основната й част върши работа, а другата част се определя от енергийни загуби. Освен от активна мощност, консуматорът има нужда и от реактивна мощност Тя не извършва работа и служи за създаване на необходимото за работата му магнитно поле и на неизбежното разсейвано магнитно поле. Измерва се във vаr. Реактивната мощност се доставя от електроцентралите, създава загуби по електропроводите и електрическата мрежа, но в същото време консуматорите не желаят да я заплащат. Графично трите мощности се представят чрез триъгълника на мощностите. Отношението на активната мощност към привидната е познато като фактор на мощността. Факторът на мощността на напълно натоварен индукционен двигател варира от 80 до 90 % в зависимост от вида на двигатели и неговата скорост. Той се влошава, когато натоварването на двигателя намалява. Други електрически устройства като по-стари луминесцентни или газоразрядни лампи, също допринасят за влошаване на фактора на мощността. В пречиствателните станции се използват немалко двигатели, и голям брой лампи, които, взети заедно, намаляват общия фактор на мощността на съоръжението.

Подобряването на фактора на мощността е от полза, тъй като така се увеличава напрежението, намаляват се системните загуби, освобождава се капацитет към системата и се намаляват енергийните разходи.

Принципно за коригиране на фактора на мощността се използват два основни типа корекция – пасивна и активна, като втората е със значително по-голямо приложение.
Пасивната корекция е проста и евтина и използва свойството на индуктивността да не позволява резки промени на тока през нея. Простотата на тази корекция и малките загуби на енергия под формата на топлина я правят подходяща за мощни захранвания, особено на трифазни товари. Тя лесно може да се прибавя към съществуващи захранвания. Чрез нея сравнително лесно се удовлетворяват изискванията на клас А при мощности до около 250 W. Сред основните недостатъци, които ограничават множество приложения, са неголемите типични стойности на фактора на мощността, обикновено до около 0,75. Активната корекция осигурява много по-добро потискане на хармониците, а стойността на фактора на мощността може да надхвърли 0,98. Тя дава възможност за работа в широк обхват на мрежовото напрежение, но е възможно да се вгражда само в нови апаратури. Към недостатъците се отнасят по-сложната и скъпа схема, по-голямата отделяна топлина и намаляването на надеждността на захранването.

Честотни преобразуватели (Variable Frequency Drives)
Съществуват различни видове първични двигатели, които могат да бъдат използвани за задвижване на помпи (например ДВГ, парни и газови турбини и др.). Най-масово използвани обаче са електрическите двигатели. В групата на електродвигателите съществува голямо разнообразие. Видът на електродвигателя за всяко конкретно приложение зависи от честотата на въртене, мощността и наличното електрозахранване, а конструкцията се определя от условията на околната среда и начина за охлаждане

Честотата на въртене на всеки двигател може да се променя по механичен път - с ремъчна предавка, редуктор, скоростна кутия, различни видове вариатори и др. Могат да се използват и хидравлични устройства - хидростатични и хидродинамични предаватели или електромагнитни, но безспорно най-масово приложение намират изцяло електрическите задвижвания с променлива честота.

Постояннотоковите двигатели представляват машини с променлива честота на въртене, но приложението им е ограничено. Трифазният асинхронен (наричан още индукционен) двигател е най-често използван в съвременната индустрия, което се дължи на неговата елементарна конструкция, компактност, надеждност и ниска цена. Приложението на монофазните двигатели е ограничено в областта на малките мощности.

Основно техническо решение, използвано за регулиране честотата на въртене по електрически път, включва промяна на честотата на захранващото променливо напрежение, посредством т. нар. честотни преобразуватели (инвертори).
Чрез задвижване с честотен инвертор е възможно регулиране на скоростта, въртящия момент, посоката, пуска и спирането на стандартните асинхронни или синхронни променливотокови двигатели. Основни предимства на това регулиране са: значителни възможности за енергоспестяване; удължен живот на механичното оборудване; намаляване на пусковия ток; по-висок пусков момент; възможността за регулиране скоростта на двигателя под и над синхронната стойност. Честотният преобразувател променя не само честотата, но и приложеното към мотора напрежение. По този начин се осигурява необходимият момент на вала на двигателя, без да се стига до прегряване и се разкрива допълнителна възможност за икономии на енергия.

Както вече споменахме, повечето от съществуващите помпени системи (от порядъка на 70%) са преоразмерени при проектирането поне с 20%. Това разкрива отлични възможности за модернизация с честотни инвертори, за да се изравни възможно най-точно дебитът на помпите с действителните нужди в системата. В такива случаи е много важно да се съгласуват електрическите характеристики на двигателя и инвертора. По-старите инвертори създават значителни хармонични изкривявания, което води до допълнително загряване на намотките на електродвигателя. Най-евтиният и благоприятен вариант включва използването на честотен инвертор, пригоден за директен монтаж върху стандартен двигател без никаква допълнителна преработка на корпуса.

Съществува сериозно предлагане на двигатели и помпени агрегати с интегриран честотен преобразувател с мощности до около 25 kW. Сред предимствата на този вариант са: двигателят и инверторът са съгласувани в оптимална степен; намалени са разходите за инсталация; няма допълнителни кабели; инверторът използва охладителната система на двигателя; по-добрата съвместимост между компонентите намалява шума и вибрациите и много други.

Честотните преобразуватели могат да бъдат използвани освен за регулиране на работата на помпените системи в пречиствателната станция, но също така и за въздуходувките, вентилаторите, аераторите и т. н. Стандартно приложение на честотните преобразуватели е за регулиране на работата на помпи с големи вариации на потока в рамките на денонощието, както и за канализационните помпени станции. Добре е обаче да се има предвид, че ефективността на честотните преобразуватели много зависи от това доколко те са коректно избрани и приложени. При работа под 75% от пълното натоварване, те могат да бъдат с много ниска ефективност. Също така е добре да се има предвид, че не във всички случаи честотните преобразуватели се явяват добро решение. Например в случаите, когато е необходимо преодоляването на голям статичен напор или при малки вариации на дебита. Също така не за всички двигатели е подходящо използването на честотни преобразуватели.

Честотните преобразуватели могат да се окажат добро но скъпо решение. Преди да се вземе решение за въвеждането им, специалистите препоръчват да се отчетат дебитът, броят на помпите и часовете работа. Въпреки че оборудването на всички помпи с честотни преобразуватели може да осигури много добра гъвкавост на системата, то не винаги е изпълнимо. Често достатъчно ползи могат да бъдат получени от оборудването на част от помпите с честотни преобразуватели.