Новости

01.12.2020

Эволюция технологий воздуходувного оборудования для аэрации сточных вод в Республике Беларусь.

 

Многоступенчатая центробежная воздуходувка	Роторная воздуходувка с клиноременной передачей
Центробежная воздуходувка с редуктором и П-Л регулированием	Высокоскоростная воздуходувка на воздушных подшипниках TurboMAX

В настоящее время на действующих очистных сооружениях Республики Беларусь эксплуатируются воздуходувки всех перечисленных типов различного конструктивного исполнения разных производителей. Примерно 20-30% приходится на многоступенчатые воздуходувки с прямым приводом марки ТВ, в основном производства ОАО «Завод Узбекхиммаш», установленные ещё во времена Советского Союза. Своей долговечности они обязаны простотой конструкции и не сложным ремонтом, который заключается в основном в замене подшипников. Основной недостаток этих воздуходувок в отсутствии возможности регулирования расхода воздуха, что приводит к значительному перерасходу электроэнергии. Впрочем, особого выбора в те годы не было.

Значительное количество роторных воздуходувок примерно 30-40%, установлено, в основном на небольших очистных сооружениях с расходом воздуха до 3000 м³/час. Их популярность объясняется низкой закупочной ценой и многолетним присутствием на рынке. В конце 90-х начале 2000-ых годов толчком к росту их применения послужило появление в коммунальной отрасли частотно-регулируемых приводов, с помощью которых стало возможным регулировать расход воздуха воздуходувками РУТСа и, что очень важно, без снижения требуемого давления в нагнетательном трубопроводе, благодаря именно объёмному типу компримирования воздуха.

Но при этом изоэнтропический КПД роторных воздуходувок ниже чем у центробежных высокоскоростных примерно на 15-20%. Это является основным недостатком роторных воздуходувок. Значительная часть мощности агрегата расходуется на передачу крутящего момента от двигателя к системе роторов, учитывая наличие клиноременной и шестерёнчатой передачи в отличие от центробежных воздуходувок с прямым приводом. В целом эти особенности конструкции отражаются на общем КПД воздуходувнного агрегата и его энергоэффективности.

Следующую строчку в количественном ряду занимают воздуходувки центробежные с механической трансмиссией передачи крутящего момента и поворотно-лопаточным (П-Л) регулированием расхода воздуха (H.CEGIELSKI-POZAN S.A., Siemens HV-Turbo). Они имеют широкий диапазон регулирования расхода воздуха без снижения избыточного давления. Активная установка воздуходувок данного типа у нас в стране приходится на начало 2000 годов на очистных сооружениях средних и крупных городов с расход воздуха не менее 10000м³/час., так как роторные воздуходувки в данном сегменте производительности не могут составить им конкуренцию, значительно проигрывая в энергоэффективности с увеличением мощности.

В целом же и роторные и центробежные с редукторной передачей и индукционными (асинхронными) электродвигателями – это агрегаты громоздкие, тяжёлые, имеющие сложные механические конструкции с шестерёнками и шарикоподшипниками. Всё это требует смазки и систематического ухода, а также наличие хорошо подготовленного обслуживающего персонала для их диагностики и текущего ремонта.

Последнюю строчку по количеству установленных, занимают воздуходувки нового поколения–высокоскоростные турбовоздуходувки с синхронным бесконтактным электродвигателем на постоянных магнитах. У нас в стране на очистных сооружениях их установлено пока порядка 15 штук. Но это и не удивительно, так как их производство и началось только в XXI веке, а в Беларусь они пришли в 2015 г.

Прежде чем продолжить тему эволюции применения воздуходувок в нашей стране, уместно рассказать о нашей компании ООО «БелПрагма».

ООО «БелПрагма» имеет многолетний опыт по комплектации объектов водоснабжения и водоотведения трубами, запорно-регулирующей арматурой, насосами. Мы являемся эксклюзивным дистрибьютером в Республике Беларусь корпорации по производству запорной арматуры AVK INTERNATIONAL A/S (Дания), являющейся одной из мировых лидеров арматуростроения, а также - производителя погружных канализационных насосов DanPumps (Дания). Нашими заказчиками преимущественно являются коммунальные предприятия, благодаря чему нам известны проблемы с оснащением очистных сооружений энергоэффективными воздуходувками. Изучив достоинства и недостатки воздуходувного оборудования, присутствующего на нашем рынке, а также передовые технологии и мировой опыт, мы приняли решение, что работать надо с южно-корейскими производителями, являющимися мировыми лидерами в создании воздуходувок нового поколения. В конце 2016 года специалисты компании ООО «БелПрагма» при содействии корейского представительства в г. Минске по развитию международного бизнеса КОТРА посетили Корейскую Республику и приняли участие в международном форуме, проходившем в г. Сеуле и познакомились с производителями воздуходувок нового поколения.

С 2017 г. наша компания является эксклюзивным дистрибьютором корейского производителя турбовоздухонагнетателей TurboMAX Co., Ltd. и единственным прямым дилером воздуходувок данного типа корейского производства в Беларуси. Воздуходувка серии MAX разработана в 2006 году с применением новейших технологий и собственных разработок и изобретений компании. Можно отметить наиболее важные отличия TurboMAX от других воздуходувок данного типа. Конструкторы TurboMAX в своих разработках пошли по пути уменьшения веса вращающейся системы с увеличением скорости вращения, что повысило её устойчивость в сравнении с более тяжёлой вращающейся системой, разработанной в 2000 году другим корейским производителем Neuros. Усовершенствована также конструкция воздушных подшипников с увеличением их срока службы в условиях частых включений и выключений по сравнению с аналогичными воздуходувками других производителей.

С учётом первого квартала 2020 г. продано и успешно эксплуатируется с 2007 года на коммунальных и промышленных объектах в странах Азии, Европы и Америки турбовоздухонагнетателей TurboMAX в количестве 5300 шт. Т. е. в среднем по 432 шт. в год. При этом динамика реализации продукции идёт с ежегодным нарастанием. Для сравнения, лидером воздуходувок с П-Л регулированием Siemens HV-Turbo c 1978 по 2007г. продано 7000 шт. Т.е. в среднем 241 шт. в год. С 2007 по 2019г. продажа воздуходувок данного типа неуклонно снижается.

Как известно спрос рождает предложение. С момента начала производства количество заводов компании TurboMAX Co. Ltd. увеличилось до 4-х. Три из них находятся в Южной Корее. Один построен в Китае для внутреннего китайского рынка. Последний самый крупный завод построен и введён в ноябре прошлого года в корейском городе Осонг. Основная часть комплектующих компрессора серии МАХ изготавливается на собственных заводах, оснащённых самым новейшим оборудованием, в том числе пятиосным станком с ЧПУ немецкого производства для изготовления особо важной детали компрессора – импеллера.

 

 

Устройство воздуходувок TurboMAX.

Учитывая, что потенциальные покупатели и пользователи воздуходувок не достаточно хорошо знакомы с устройством высокоскоростных воздуходувок на воздушных подшипниках, немного подробнее остановимся на отдельных компонентах турбоагрегата серии MAX, заслуживающих особого внимания специалистов.

Первое, что надо отметить это то, что высокоскоростные воздуходувки, к которым относится TurboMAX в отличие от всех выше перечисленных, оснащаются не традиционными асинхронными электродвигателями, а встроенным в компрессор, синхронным электродвигателем с ротором на постоянных магнитах из редкоземельных металлов.

В воздуходувках серии MAX применён наиболее совершенный, так называемый «вентильный» (управляемый силовыми ключами-вентилями) двигатель PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor), у которого ЩКУ заменён полупроводниковым коммутатором, управляемым датчиком положения ротора. В качестве усилителя мощности применён автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Такой двигатель гарантирует очень высокую мощность при небольших габаритах. Так масса двигателя PMSM мощностью 80 кВт составляет всего 60 кг, а обычного индукционного той же мощности – 250 кг. Данная пропорция сохраняется и при увеличении мощности электродвигателя.

Другой корейский производитель данного типа воздуходувок TurboWIN применяет двигатель РММ (бесколлекторный двигатель на постоянных магнитах), в котором отсутствует преобразователь координат и вместо ШИМ используется 120-ти или 180-ти градусная коммутация. PMSM имеет синусоидальную форму фазных противо-ЭДС, а РММ – трапециодальную, и характеризуется большим выделением тепла и меньшим КПД по сравнению с PMSM.

Двигатель PMSM сочетает в себе надёжность машин переменного тока с хорошей управляемостью машин постоянного тока. Двигатель не требует проведения каких-либо плановых работ по техническому обслуживанию в течение срока службы всего агрегата 20 лет.

Преобразователь высокой частоты синусоидального тока.

В воздуходувках TurboMAX используются высококачественные коммерческие преобразователи частоты (ПЧ) известных производителей Yaskawa (Япония) и Vacon (Финляндия). Это специальные преобразователи частоты синусоидального тока, предназначенные для работы с высокооборотными синхронными двигателями. ПЧ обеспечивают плавный пуск электродвигателя и позволяют точно задавать и контролировать скорость вращения воздуходувки. Характеризуются очень хорошей реакцией на внезапные изменения нагрузки, случающейся при работе воздуходувки.

Диапазон частоты выходного напряжения регулируется в интервале 300-660 Гц для получения скорости вращения двигателя от 18000 до 40 000 об./мин.

В комбинации с ПЧ в TurboMAX установлен синус-фильтр для защиты электродвигателя от пиков напряжения и перегрева, а так же пассивный LC-фильтр для подавления гармоник в питающей электросети.

Каждая воздуходувка оснащена собственным функциональным распорядителем (програмно-логическим контроллером (ПЛК) и установленным на передней части корпуса, цветным сенсорным дисплеем. Доступны следующие типы функциональных распорядителей: Mi-Com TurboMAX, PLС Allen Bradley, PLC Siemens.

Возможна удаленная коммуникация с воздуходувкой, а так же автоматическое регулирование ее производительности при помощи аналоговых сигналов 4-20мА, например от датчиков растворенного кислорода посредством коммуникационных протоколов MODBUS TСP; MODBUS RTU или PROFIBUS DP.

Функциональный распорядитель (ПЛК) выполняет функции регулирования и диагностики, постоянно отслеживая параметры работы воздуходувки. С помощью сенсорной панели можно считывать параметры, касающиеся текущей работы воздуходувки, расход воздуха, рабочее давление, потребление мощности, температур воздуха и двигателя и многое другое до 20-ти параметров с их архивированием.

Измерение расхода воздуха осуществляется по перепаду давления на всасывающем патрубке. Это наиболее точный способ измерения расхода в отличие от косвенного метода с использованием выходной мощности инвертора, применяемого другим корейским производителем аналогичных воздуходувок NEUROS.

Система охлаждения эл/двигателя

Электродвигатель TurboMAX имеет запатентованную систему воздушного охлаждения. Вентилятор охлаждения двигателя осажен непосредственно на его валу, что значительно повышает безаварийность и исключает необходимость его планового обслуживания.

Нагретый воздух выходит из воздуходувки наружу корпуса по специальному патрубку, не попадая на компрессорную ступень во избежание снижения КПД, как происходит в конструкции воздуходувок NEUROS. Кроме того, такая конструкция позволяет в зимний период горячий воздух от охлаждения электродвигателя использовать для обогрева помещения, а летом отводить на улицу по гибкому трубопроводу длиной до 20м.

В состав воздуходувки входит еще один важный элемент – это предохранительный сбросной клапан или, как его еще называют - разгрузочный стартовый. Установлен он внутри кожуха со стороны нагнетания для сообщения выпуска воздуха из турбины с атмосферой. Управляется он с помощью электромагнитного клапана (соленоида). При пуске воздуходувки клапан открывается, что дает возможность при разгоне турбины создать необходимое дифференциальное давление; после чего он автоматически закрывается и воздух начинает поступать в воздуховод. Клапан является так же защитным от помпажа.

И наконец подробно о, так называемых, «воздушных» подшипниках, устройство которых, принцип действия, и особенно надежность и долговечность, так волнуют потенциальных покупателей высокоскоростных турбовоздуходувок.

Воздушные подшипники

Фольговые воздушные подшипники (англ, air-foil bearings) являются предметом научно-исследовательских работ лабораторных центров, расположенных по всему миру. Причем наибольшим прогрессом в работах, увенчавшихся успехом в разработке подшипников с большой долговечностью и превосходными эксплуатационными параметрами, могут похвалиться лаборатории из США и институты из Южной Кореи, с которыми сотрудничает производитель воздуходувок, компания TurboMAX.

Первое поколение воздушных подшипников было разработано в США в конце 50-х годов XX века, для применении в военной и космической промышленности. Впервые они были коммерчески использованы в охлаждающих турбинах самолетов Boeing 727 и Boeing 737 в середине 60-х годов. В настоящее время прочно вошли в системы ACM (англ. Air Cycle Machines), используемых в системах кондиционирования и регулирования давления в аэропланах, что является лучшим подтверждением высокого качества технологии воздушных подшипников. Были применены во всех военных самолетах США, где, благодаря своим отличным эксплуатационным параметрам и надежности, вытеснили, ранее используемые, традиционные подшипники качения, смазываемые маслом. Естественным этапом развития была систематическая разработка новых поколений воздушных подшипников, характеризующихся большим количеством допускаемых запусков и остановок системы ротора, а также увеличенной устойчивости к нагрузкам. Постоянно люди искали для этого типа подшипников новых применений, очень удачным применением являются безмасляные высокооборотные радиальные воздуходувки TurboMAX, разработанные и впервые коммерчески используемые в начале XXI века в Южной Корее.

Конструкция

Фольговые воздушные подшипники (англ, air-foil bearings) - тип гидродинамических подшипников, которые, как смазывающее вещество, используют газ окружающей среды, и не требуют никаких дополнительных веществ или систем смазки. Система состоит из радиальных подшипников, составляющих опору вала двигателя с турбиной, а также упорных подшипников, стабилизирующих турбину в осевой плоскости.

Сам подшипник состоит из гладкого, покрывающего вал листа, изготовленного из специальных сплавов, дожимаемого с помощью податливого, складчатого внешнего слоя подшипника, работающего как прижимная пружина. Упругая фольга, в свою очередь, закрыта в жестком, недеформируемом внешнем корпусе. Подшипники полностью выполнены из сплавов специальных металлов, но по причине их относительно небольшой толщины, обычно называются 'фольговыми'..

Принцип действия фольгового воздушного подшипника

В результате скорости вращения вала, давление рабочего газа, которое самопроизвольно возникает между вращающимся валом и гладкой частью воздушного подшипника, вызывает отодвигание гладкого листа от поверхности вала и самопроизвольное образование воздушного зазора.

Происходит это благодаря втягиванию воздуха в подшипник за счет вязкости газа. Самопроизвольно образовывается аэродинамическая пленка небольшой толщины, геометрия которой близка к цилиндрической, данная пленка исключает трение между поверхностью вала и подшипником, и в результате обеспечивает их бесконтактную работу. Гидродинамические фольговые воздушные подшипники, используемые в воздуходувках TurboMAX, полностью автономные и независимые на всех стадиях работы: от периода первоначального запуска, нормальной продолжительной работы и до остановки и повторного запуска.

Характеристика фольговых воздушных подшипников

• Очень низкие потери гидродинамического трения и, как следствие, очень высокий КПД, стремящийся к 100%.
• Упрощенная конструкция и сохранность абсолютной чистоты рабочего воздуха воздуходувки, вследствие полного исключения масла из системы.
• Стабильность рабочего фактора подшипников без возможности его испарения, кавитации, затвердения и воспламенения в широком диапазоне температур.
• Подшипники, используемые в воздуходувках TurboMAX, являются гидродинамическими подшипниками, в отличие от гидростатических воздушных подшипников (электромагнитных) не требуют никаких внешних систем, поставляющих сжатый газ.
• Очень высокая нагрузочная способность и превосходная стойкость к ударным состояниям.
• Отсутствие каких-либо плановых работ по техническому обслуживанию.
• Подшипники могут работать со скоростью вращения до 100000 об/мин, причем в случае воздуходувок TurboMAX стандартный интервал скорости вращения от 18000 до 40000 об/мин.

Гарантированный срок службы фольговых воздушных подшипников для воздуходувок не менее 22000 циклов включения и выключения воздуходувки (30 лет эксплуатации при отключении включении два раза в сутки).

Воздушный подшипник является одной из основных деталей, обеспечивающих долговечность и надежность воздуходувки. Воздушные подшипники TurboMAX являются собственной запатентованной конструкцией (NSTB) и значительно превосходят другие воздушные подшипники. Благодаря покрытию наночастицами серебра и оптимизированной трехэтапной термической обработке (ОТТ) удалось значительно повысить устойчивость подшипника к трению. Это позволило повысить устойчивость подшипника при включении и выключении. Испытание подшипника на нагнетателе мощ. 400 л.с проведено на 50000 циклов включений и выключений без каких либо деформаций, увеличения вибрации и снижения КПД.

Чтобы понять насколько незначительно по времени занимает вращение вала ротора воздуходувки в режиме контакта трущихся поверхностей шейки вала и внутреннего листа подшипника, приведем такие цифры.

При пуске воздуходувки вал в режиме контакта с подшипником находится не более 8 сек. при его разгоне, примерно, до 4000 об/мин. При дальнейшем увеличении скорости вращения он переходит в режим бесконтактного вращения (левитирует). Примерно такое же время контакта и при остановке. Итого время одного цикла вкл./откл. составляет примерно 16 сек. Если принять ежесуточное вкл./откл. воздуходувки на О.С., работающих круглосуточно, то суммарное время контакта в год составит всего лишь Т _год = 16 сек. х 365=5840 сек. : 3600=1,62час. На самом деле, как известно, воздуходувки на очистных сооружениях работают круглосуточно без остановки месяцами.

 

О ремонтопригодности воздуходувного оборудования.

Традиционно ремонтопригодность считается одним из важнейших достоинств технологичного оборудования. Да, действительно, для технологического оборудования, представляющего собой трущиеся и изнашивающиеся детали, требующие постоянного ремонта, регулировки, смазки, замены и т д. – это очень актуально.

Но помимо понятия ремонтопригодность есть понятие ремонтопотребность. Так вот ремонтопотребность воздуходувок типа TurboMAX, учитывая почти полное отсутствие изнашивающихся узлов, сведена к минимуму и этот минимум ремонтных работ не столь сложен и трудоемок, как у воздуходувок другого типа.

Конструкция моноблока (турбина-эл/двигатель) высокоскоростной воздуходувки на бесконтактных подшипниках (воздушных) рассчитана на срок эксплуатации 20 лет без какого-либо профилактического ремонта. Ресурс воздушных подшипников TurboMAX 50000 циклов вкл/откл., о чем уже было сказано. Электродвигатель синхронный бесколлекторный с ротором на постоянных магнитах, с усиленной изоляцией (класс Н) обмотки статора, рассчитанной на высокие температуры до 170⁰С, испытывается на заводе при напряжении х2+1000В в течение 60 сек. по международному стандарту KSC 60034-1. и рассчитан на эксплуатацию, также не менее 20 лет. Турбина и вентилятор охлаждения осажены на одном валу с ротором и какие-либо их повреждения исключены. Из механических элементов остается сбросной клапан в котором имеется резиновая мембрана и ее замена может понадобиться только через 10 лет, учитывая не частые отключения/включения воздуходувок на очистных сооружениях.

Все остальное содержание TurboMAX – это электрические и электронные устройства. Да, машины типа TurboMAX упакованы электроникой, но что же тут удивительного, электроника уже десятилетия применяется и на более ответственных транспортных средствах (самолёты, космические корабли, подводные лодки и др.).

Один из основных элементов конструкции TurboMAX, где могут понадобиться ремонтно-профилактические работы – это преобразователь частоты тока. В моделях TurboMAX применяются известные преобразователи частоты Yaskawa (Япония) и Vacon (Финляндия). По опыту дилеров этой аппаратуры в г. Минске ООО «Вектор Технологий» и ООО «ИНВЕРТКОМ», имеющих сервисные службы, наиболее уязвимые детали в преобразователе частоты - это вентиляторы и конденсаторы, замена которых может понадобится примерно через 8-10 лет в зависимости от условий эксплуатации. Замена этих деталей ни по сложности ни по срокам не создаёт проблем.

Кстати, ПЧ применяются не только в воздуходувках типа TurboMAX, но и в роторных для регулирования расхода воздуха и даже в воздуходувках с П-Л двойным регулированием, например NexTurbo GT-B-T модели XZ, не говоря уже о повсеместном применении устройств плавного пуска асинхронных электродвигателей, в основе которых тот же принцип изменения частоты тока.

Трудоемкость и объемы обслуживания и ремонта воздуходувок с механическими трансмиссиями, масляным хозяйством и обычными асинхронными электродвигателями с ЩКУ несопоставимы с обслуживанием высокоскоростных на воздушных подшипниках, обслуживание которых по сути дела сводится к замене воздушных фильтров в среднем 1 раз в пол -года в зависимости от степени запылённости воздуха.

Чтобы оценить объемы работ и затрат по обслуживанию воздуходувок с механическими трансмиссиями и масляным хозяйством, достаточно посмотреть внушительный список запчастей, закупаемых Водоканалами с перечнем ремонтных работ.

 

К вопросу об энергоэффективности.

Как известно основным показателем энергоэффективности любого технологического оборудования является удельный расход электроэнергии на единицу продукции. В нашем случае - это мощность, потребляемая из электросети, затрачиваемая на забор из атмосферы и сжатие 1000м³ воздуха до требуемого избыточного давления в единицу времени. W_уд.=N/Q*1000(кВт*ч./1000м³). Мощность N, потребляемая воздуходувкой складывается из нескольких составляющих, отличающихся в зависимости от конструкции воздухонагнетателя.

Для воздуходувок с механической трансмиссией и поворотно-лопаточным регулированием (П-Л рег.):

 

N=N_инд.+ N_мех.к.+N_{мех.тр.+} N_муф.+ N_{дв.(мех.+эл.)+}Ʃ N_{вспом.об}, кВт

 

N_инд. – индикаторная мощность сжатия воздуха;

N_мех.к. – мощность, затрачиваемая на механические потери в компрессоре (шарико-подшипники);

N_мех.тр. – мощность, затрачиваемая в трансмиссии (мультипликатор с передаточным числом 5-6) с учетом привода масляного насоса;

N_муф. – потери мощности в соединительной муфте валов мотора и редуктора;

N_дв.(эл.) – мощность, затрачиваемая на электрические и механические потери в асинхронном электродвигателе;

Ʃ N_{вспом.об} – мощность вспомогательного оборудования (вентилятор охлаждения системы смазки, электрический масляный насос, серверные электродвигатели поворотных лопаток);

Для высокоскоростных воздуходувок с прямым приводом и ЧРП:

 

N= N_инд.+ N_пч.+N_{вен.+под}.+ N_дв.(эл.), кВт

 

N_инд.-индикаторная мощность сжатия воздуха;

N_пч. – мощность, затрачиваемая на потери в преобразователе частоты;

N_{вен.+под.} – мощность, забираемая вентилятором охлаждения электродвигателя с учётом ничтожно-малых потерь в воздушных подшипниках;

N_дв.(эл.) – электрические потери мощности в синхронном электродвигателе.

Таким образом 6-ть составляющих потребляемой мощности у воздуходувок с П-Л регулированием и 4-ре составляющие у высокоскоростных с ЧРП.

Общий КПД воздуходувного агрегатов в долях единицы определяется как произведение КПД сжатия воздуха и КПД электродвигателя, а также КПД всех последовательно работающих элементов для передачи крутящего момента на турбину.

 

 

Для воздуходувки с П-Л регулированием:

ƞ_об.= ƞ_из.хƞ_под.хƞ_мех.тр.хƞ_муф.хƞ_дв.

ƞ_из. – изоэнтропический КПД сжатия воздуха;

ƞ_под. – КПД, учитывающий потери в шарико-подшипниках турбины;

ƞ_мех.тр.– КПД механической трансмиссии с системой смазки, учитывающий потери в мультипликаторе (повышающем редукторе), а так же мощность, забираемую механическим и электрическим масляными насосами и вентилятором охлаждения масла;

ƞ_муф. – КПД учитывающий потери в соединительной муфте валов мотора и редуктора;

ƞ_дв. – КПД электродвигателя, учитывающий механические и электрические потери.

Для высокоскоростных воздуходувок с ЧРП.

ƞ_об. = ƞ_из.хƞ_пч.хƞ_дв.

ƞ_из. – изоэнтропический КПД сжатия воздуха

ƞ_дв. – КПД эл/двигателя;

ƞ_пч. – КПД преобразователя частоты;

ƞ_пч.хƞ_дв. – КПД передачи крутящего момента от встроенного эл./двигателя на турбину с учётом потерь мощности в эл./двигателе, ПЧ, вентиляторе охлаждения и воздушных подшипниках.

(Двигатель PMSM не может работать без ПЧ, поэтому, при заводских испытаниях определяется их совместный КПД с учётом потерь мощности на валу ротора). Этот совместный КПД для воздуходувок серии MAX в среднем составляет 91% ± 1 %.

КПД передачи крутящего момента на турбину у воздуходувок с П-Л регулированием, по данным заводских испытаний H.CIGIELSKI в среднем составляет   Ef_mec =94,3%, с учётом КПД электродвигателя IE3-95%, (94,3*0,95)=89,6%.

Производительность воздуходувки подбирается по двум основным параметрам:

1. Расходу воздуха, требуемого для аэрации с учётом возможности регулирования расхода воздуха.
2. Избыточному давлению на выходе из воздуходувки, требуемому для подачи воздуха в диктующую точку технологических емкостей.

Уместно пояснить, что производительность воздухонагнетателя для целей аэрации – это объем всасываемого воздуха, сжимаемого до требуемого давления в единицу времени (м³/ч), а не расход нагнетания, т.е. на выходе из воздуходувки, как иногда ошибочно считают. Создаваемое избыточное давление продиктовано характеристикой системы транспортировки воздуха в аэротенки и складывается из глубины аэротенка(статический напор) потерь напора по длине и местных гидравлических сопротивлений в том числе в аэраторах. Объёмный расход воздуха на выходе из воздуходувки при сжатии снижается и увеличивается его плотность (ρ кг/м³), но массовый расход воздуха(кГ/ч.) с содержащимся в нем кислороде (23.1% в нормальных условиях) остаётся таким же, что и до сжатия (т.е. на всасе).

Производительность воздуходувки подбирается по объёмному расходу воздуха на всасе, но при этом надо учитывать, что эта величина при подаче одного и того же массового расхода будет меняться с изменением плотности всасываемого воздуха(кг/м³), которая зависит от температуры, величины атмосферного давления и относительной влажности.

Мощность воздуходувки или группы воздуходувок необходимо принимать с учётом экстремальных погодных условий, то есть при максимальной температуре и влажности воздуха в летний период для данной местности, когда плотность воздуха минимальная и, для подачи требуемого массового расхода, необходима максимальная подача объёмного расхода воздуха.

Для сравнения энергоэффективности центробежных воздуходувок с разным способом регулирования расхода воздуха, мы провели сравнительный анализ их технических показателей при различных условиях эксплуатации.

Для сравнения взяли одинаковые по производительности воздуходувку Н.CEGIELSKI-POZNAN S.A. DA380, зарекомендовавшую себя, как наиболее эффективную среди данного типа с П-Л регулированием и высокоскоростную с ЧРП TurboMAX 400D-C040. Все технические параметры взяты из техпаспортов заводских испытаний (приложение 2) и сведены в табл.1(приложение 3).

Учитывая, что у DA380 в заводских характеристиках указывается мощность на валу эл/двигателя, а не полная потребляемая мощность из эл./сети, как у MAX400D-С040, выполнен перерасчёт с учетом КПД электродвигателя класса IE3-95%, хотя электродвигатель может быть установлен и с меньшим КПД. Мощность потребляемая вспомогательным оборудованием DA380 (вентилятор охлаждения масла, масляный насос) из-за отсутствия данных, учтена в минимальном размере - 1,5кВт.

КПД передачи крутящего момента на турбину с учётом КПД электродвигателя у сравниваемых воздуходувок составляют в среднем у DA380-89,6% и у MAX400D-C040-91,2%. Эти КПД не зависят от температуры воздуха. В энергоэффективности воздуходувки определяющее значение имеет изоэнтропический КПД, так как на сжатие воздуха расходуется до 90% всей затрачиваемой энергии. Сравнительный анализ показывает, что КПД сжатия у DA380 значительно снижается при понижении температуры воздуха в отличие от MAX400D-C040, у которой зависимость КПД от температуры незначительная. Рис.1.

 

 

Рис.1. Графики зависимости КПД воздуходувок от температуры воздуха

Эта особенность высокоскоростной воздуходувки относится ко всей линейке турбонагнетателей серии МАХ.

Из сравнения удельного расхода электроэнергии воздуходувок двух типов (табл.1 приложение 3) видно, что у DA380 удельный расход электроэнергии меньше, чем у MAX400D-C040 лишь при температуре воздуха +20⁰С и +35⁰С и Q=100%, на 0.4-0.6кВт*час/1000м³. В остальных режимах работы, удельный расход электроэнергии у MAX400D-C040 в среднем ниже на 2кВт*час./1000м³.

Зависимость КПД воздуходувок с П-Л регулированием от температуры воздуха, установленная на примере DA380 подтверждается цифрами, приведенными в техническом журнале «Управляемое воздуходувное оборудование» ЗАО «ВИВ» дистрибьютора Siemens Turbomachinery по РФ. Приложение 1. Статьи ЭВР №11, 2015. Стр.32 .У воздуходувки Siemens с П-Л регулированием, установленной на очистных сооружениях в г. Самара в 2014 году, удельный расход электроэнергии (Эуд.) составил при Т=0⁰С. от 21,9 до 22,8 кВт*ч./1000м³. И на 7-8% меньше при Т=+20⁰С, т.е. 20,4-21.9 кВт*ч./1000м³.

Для сравнения, у самой мощной с ЧРП из линейки TurboMAX MAX1000D-C060T, соответственно, при Т=0⁰С и Т=20⁰С, Эуд.=20,19кВт*ч./1000м³ (Q=35000м³/ч. Н=0,6Бар. Pt=706,7кВт) и Эуд.=20,38кВт/1000м³ (Q=37721,1м³/ч. Н=0,6Бар. Pt=768,9кВт) т.е. разница в удельном энергопотреблении при 0⁰С и 20⁰С всего 0,9%.

Среднегодовая температура в Беларуси составляет от +7,4⁰С до+4,4⁰С. Температура от +20⁰С до +25⁰С держится не более 4-5-ти месяцев в году, в основном в дневное время. Остальные 7-8-емь месяцев средняя температура воздуха находится в районе 0⁰С. Экстремальная температура воздуха, по которой подбирается мощность воздуходувки для подачи максимального расхода (Q=100%) для Беларуси находится в пределах +35⁰С, которая держится не более 10-15 дней в году.

Учитывая, преобладающие в течении года, температуры воздуха у нас в стране, а также доминирующий диапазон регулирования, который составляет для очистных сооружений от 85% до 55%, можно сделать вывод о преимуществе в энергоэффективности высокоскоростных воздуходувок TurboMAX перед воздуходувками с П-Л регулированием при эксплуатации в климатических условиях Беларуси. Рис.1,Рис.2. Табл.1(приложение 3).

 

Рис.2. Сравнение КПД воздуходувок DА 380 с П-Л регулированием и TurboMAX 400D-C040 с ЧРП

Обычно рабочие характеристики воздуходувок, в технических заданиях на закупку оборудования, указываются при температуре +20⁰С, что не отражает эффективность высокоскоростных воздуходувок TurboMAX при эксплуатации в температурных условиях Беларуси. Кроме того у воздуходувок с П-Л регулированием в технических характеристиках указывается мощность на валу, а не полная потребляемая из электросети, как у высокоскоростных, имеющих встроенный электродвигатель. В данном случае, сравнение их энергоэффективности будет не корректным.

Надо отметить ещё один немаловажный фактор в сравнении энергоэффективности. Центробежные воздуходувки с П-Л регулированием, а также роторные, учитывая их многочисленные изнашивающиеся механические узлы, в процессе эксплуатации теряют свой изначальный КПД, при этом возрастает шумность их работы, а также утечки масла в окружающее пространство. У высокоскоростных воздуходувок на бесконтактных воздушных подшипниках изнашивающиеся механические детали практически отсутствуют, благодаря чему КПД сохраняется на протяжении всего срока службы 20 лет.

На примере соседней страны Польши можно наблюдать процесс эволюции применения промышленных воздухонагнетателей. До 2010 года в системах аэрации на очистных сооружениях устанавливались преимущественно воздуходувки польского производства H.CIEGELSKI-POSNAN, которые в прошлые годы применялись во многих странах в том числе и в Южной Корее. Однако после запуска производства воздуходувок TurboMAX в 2007 году, ситуация поменялась. Начиная с 2010 года в Польшу завезено и установлено более 100 воздуходувок серии MAХ и завод H.CIEGELSKI в настоящее время остановил своё производство. В Корейской Республике заканчивается замена польских, ранее установленных воздуходувок на высокоскоростные с воздушными подшипниками. Одна из причин отказа от H.CIEGELSKI – выделение в помещение вредных испарений от масляной системы. В Республике Корея, как и во всех цивилизованных странах на первом месте всегда стоит вопрос охраны здоровья людей.

Подводя итоги сравнения воздуходувок различного типа можно сделать следующие выводы и рекомендации:

• Применение роторных воздуходувок, учитывая их низкий изоэнтропический КПД сжатия воздуха, может быть оправдано лишь в том случае, когда срок их окупаемости при сравнении годового энергопотребления с центробежными не превышает нормативный (5-7лет). В другом случае, даже при более высокой стоимости по сравнению с роторной, но со сроком окупаемости в пределах нормативного не более 5-ти лет, предпочтение должно отдаваться центробежным, так как за 20 лет эксплуатации они окупятся многократно.
• На основании проведенного сравнительного анализа зависимости КПД центробежных воздуходувок двух типов от температуры воздуха, надо отметить преимущество в энергоэффективности высокоскоростных воздуходувок с ЧРП TurboMAX при эксплуатации в температурных условиях, преобладающих в Беларуси. При подборе воздуходувного оборудования заказчикам и проектировщикам не следует ограничиваться одной, так называемой «рабочей точкой» при стандартных условиях, так как этого не достаточно для оптимального подбора оборудования применительно к конкретным условиям его эксплуатации.
  Кроме того, при сравнении условий монтажа надо учитывать, что воздуходувки с П-Л регулированием имеют габариты и вес в 1,5 раза больше высокоскоростных при одинаковых мощностях, а для их установки требуется специальный фундамент с анкеровкой, в отличие от высокоскоростных, которые устанавливаются на регулируемые опоры без устройства специального фундамента.
• Что касается многоступенчатых воздуходувок ТВ, пока ещё в большом количестве эксплуатируемых у нас в стране, они должны быть заменены в ближайшие годы по причине низкой энергоэффективности, что влечёт перерасход электроэнергии из-за отсутствия возможности регулирования расхода воздуха.

Внедрение энергоэффективных турбовоздуходувок нового поколения, к сожалению, идет не так быстро, как могло бы идти, и не только по причине недостаточного финансирования, но и из-за некомпетентности   при составлении технических заданий на закупку, а зачастую, и лоббирования определённых производителей и поставщиков.

В технических заданиях на закупку воздуходувок указывается чаще всего мощность электродвигателя, подразумевая, что это и есть оценка энергоэффективности. На самом деле – это лишь номинальная мощность на валу электродвигателя, а не полная электрическая мощность, потребляемая из электросети. Оценку энергоэффективности воздуходувных агрегатов можно дать только путем сравнения их полного энергопотребления из электросети при равных величинах производительности.

В другом случае претенденты на поставку оборудования явно лукавят в отношении полной потребляемой мощности агрегата, показывая лишь мощность компрессора без учёта потерь мощности в трансмиссиях и электродвигателе.

При оценке приобретаемого оборудования по бальной системе, 60-70% занимает его цена без учета энергоэффективности. Хотя расчеты показывают, что более дорогое оборудование может окупиться за год-полтора по сравнению с более дешевым, но уступающим в энергоэффективности.

В требованиях технического задания не редко указываются подробные детали конструкции и размеры закупаемого агрегата не влияющие ни на работоспособность ни на энергоэффективность и возможность монтажа, но дают право для не заслуженного отклонения других предложений.

Продвигая передовую технологию воздуходувного оборудования 21 века TurboMAX в Республике Беларусь, наша компания ООО «БелПрагма» придерживается принципов открытости, честности и объективности при сравнении вариантов применения оборудования и готова к дискуссиям в любом формате. Самым убедительным аргументом в пользу применения нового технологического оборудования является мировая практика, цифры которой приведены в статье. Если же ссылаться на отсутствие достаточного опыта применения новых технологий у нас в стране, невзирая на мировую практику, мы рискуем остаться на долгие годы на задворках прогресса.

Приложение 1

Технические параметры турбовоздуходувки TurboMAX MAX400D-C040

График производительности

Кривые Q-H

Приложение 2

Технические характеристики воздуходувки H.CEGIELSKI-POZNAN S.A. DA 380

Приложение 3

Табл.1. Сравнение характеристик воздуходувок DА 380 с П-Л регулированием и TurboMAX 400D-C040 с ЧРП