ENERGY EFFICIENCY IN OPERATING SEWAGE TREATMENT FACILITIES

Full Text

Канализационные насосные станции (КНС) относятся к сооружениям для перекачки сточных и ливневых вод в водный объект (СП 31.13330.2012. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М., 2012; СП 32.13330.2012. Канализация. Наружные сети и сооружения. М., 2012; ГОСТ Р 54775-2011. Станции насосные механизированных крепей. Об- щие технические требования. Методы испытаний. М., 2011). В комплексе очистных сооружений канализа- ции (ОСК) входят КНС для сброса очищенных сточ- ных вод в водный объект, эксплуатация которых осу- ществляется не должным образом. Речь идет о КНС, у которых отметки начала напорного коллектора расположены выше, чем конечная отметка коллекто- ра, куда перекачиваются очищенные или ливневые стоки. В таких случаях возникает несколько вопросов при проектировании: 1) Проектирование КНС и подбор оптималь- ных мощностей насосного оборудования (подбор по наивысшей точке либо по конечной точке тру- бопровода), прокладка самотечных коллекторов с достаточно глубоким заложением для обеспечения необходимого уклона. 2) Прокладка самотечного сбросного коллекто- ра с учетом уклона и рельефа местности с достаточ- но глубоким заложением лотка трубопровода. Существующий способ эксплуатации действу- ющей КНС заключается в перекачивании сточных вод при непрерывной работе насосного оборудо- вания, т.е. при достижении определенного уровня жидкости в резервуаре КНС срабатывают поплавко- вые механизмы, после чего сточная жидкость отка- чивается насосами до полного опустошения. После этого в резервуаре снова накапливаются стоки, цикл по откачке повторяется, и так постоянно. Предлагаемый нами способ эксплуатации предполагает откачивание сточных вод, при том что затрачиваемая электроэнергия будет гораздо ниже, чем в существующем способе эксплуатации. КНС необходимо автоматизировать по определенной схе- ме: при достижении уровня сточных вод (объем сто- ков при этом указан в апробации данного способа) срабатывают поплавковые механизмы и включается насосное оборудование, которое откачивает сточные воды только для того, чтобы заполнить весь объем напорного трубопровода (время работы насосов в действующей КНС согласно апробации составляет 1 мин), после чего жидкость начнет самотеком пере- качиваться на сброс, а трубопровод будет работать как сифон [1]. При проектировании сети КНС по наивысшей точке напорный коллектор разбивается на два рас- четных участка: напорный участок от начальной точ- ки до наивысшей точки перегиба; от наивысшей точ- ки до конечной точки - самотечный участок. Таким решением спроектирована и построена КНС сброса в водоем очистных сооружений канализации объек- та «N» (рис. 1). При эксплуатации данной КНС выявились некоторые особенности работы насосной станции. Известно, что погружные канализационные насосы фирмы Grundfos способны пропускать сквозь цен- тробежное колесо сточную жидкость [2, 3] при ра- боте напорного трубопровода как сифона. Данная особенность основана на свойстве неразрывности струи: «Закон неразрывности потока жидкости - основной закон гидродинамики и формулируется следующим образом: при установившемся движении жидкости произведение средней скорости движения на площадь живого сечения является величиной постоянной, т.е. vS= const» [4]. Эта особенность позволяет для данного объ- екта и для подобных случаев предусмотреть меро- приятия по энергосбережению при перекачивании стоков от ОСК в водный объект. Возникает вопрос: как отладить работу КНС в этом случае для достиже- ния минимальных энергозатрат? На программе по расчету заполнения насо- сами трубопроводов «SIP» [5] было рассчитано вре- мя заполнения труб водой при работе двух насосов (рис. 1) - 59 секунд. После того как трубопровод за- полняется водой, он начинает работать как сифон, при этом колесо погружного насоса не останавлива- ется, а продолжает пропускать через себя воду. Исходные данные: объем сточной жидкости V=30 м3, количество включенных насосов - два. Нами произведено натурное исследование предлагаемого способа эксплуатации КНС, которое заключалось в следующем: • откачка воды при работающих насосах до до- стижения минимального уровня в резервуаре КНС; • откачка воды сифонным способом, т.е. после заполнения напорных трубопроводов водой насосы отключаются и замеряется время опустошения ре- зервуара КНС. Результаты натурного исследования представ- ленного способа эксплуатации КНС: • время работы двух насосов - 21 мин; • время заполнения трубопроводов двумя на- сосами - 1 мин; • время откачки воды после отключения насо- сов - 26 мин; • общее время откачки - 27 мин. По результатам натурного исследования вид- но, что разница между откачкой в существующем и предлагаемом способе эксплуатации составляет 6 мин. Данная разница несущественная и позволяет настроить работу КНС в автоматизированном режи- ме с целью экономии электроэнергии. Представленный нами способ энергосбереже- ния позволяет получить прежде всего экономию, а не доход. Данный проект - это проект «затратного» типа [6, 7], т.е. не происходит реального увеличения денежного потока за счет прибавочной стоимости от реализации продукта, а имеет место быть экономия, которая может быть рассмотрена с позиции соб- ственника в виде величины дохода. Вначале найдем разницу между затратами по автоматизации КНС до и после, для этого выполним следующее: 1) мощность одного насоса, перекачивающего сточные воды, составляет 4,8 кВт·ч; 2) суточный расход канализационной насо- сной составляет 400 м3/сут; месячный расход КНС - Qмес=400 м3/сут·30 сут = 12000 м3; 3) из результатов эксперимента определяем ориентировочную производительность двух со- вместно работающих насосов - 85,7 м3/ч. Время работы двух насосов в месяц при пере- качке сточных вод для первого случая составит: T1=12000/85,7 =140,02 ч; 4) для второго случая подсчитаем количество минут, за которые происходит наполнение трубо- проводов: T2=12000/30=400 мин =6,67 ч; 5) тариф на электроэнергию на данном объекте составляет 4 р./кВт. Классическая формула расчета чистого дискон- тированного дохода (ЧДД) может быть использована в стандартном виде для типичных инвестиционных проектов, но под чистым доходом будет пониматься экономия, которую получает собственник. Отсюда общий вид формулы: , где CFt (ЧДt ) - величина экономии, получаемая соб- ственником, которая остается в его распоряжении, р.; R - ставка дисконта, принятая по средней про- центной ставке по вкладам на депозиты Сбербанка, %; t - период, лет; IC (ИЗ) - затраты на реализацию проекта, р. Отсюда рассчитаем экономический эффект от предлагаемых нами мероприятий в двух вариантах: I вариант - по остаточному сроку службы, так как КНС, действующая на протяжении трех лет, t=8-3=5 лет; II вариант - если бы данные мероприятия были реализованы с момента запуска КНС, т.е. по всему сроку эксплуатации, t=8 лет. Исходные данные для расчета ЧДД: 1) Затраты на автоматизацию КНС - 100 000 р. 2) R=0,08 %. Расчет по I варианту: 145343,2 р. Расчет по II варианту: 145343,2 р. + =253118,25 р. Учитывая остаточный срок службы действую- щей КНС, экономия составит 145343,2 р., экономия при своевременном устройстве автоматизации до ввода в эксплуатацию КНС составит 253118,25 р. Выводы. Исходя из проведенного исследова- ния, можно сделать вывод, что технико-экономи- чески целесообразно внедрение предлагаемого спо- соба эксплуатации КНС и аналогичных объектов с Таблица 1 Результаты вычисления затрат на электроэнергию в существующем и предлагаемом способе эксплуатации КНС (Источник: разработано автором) Показатель Первый расчетный случай Второй расчетный случай Количество киловатт за месяц, кВт 4,8·2·140,02 = 1344,192 4,8·2·6,67 = 64,032 Стоимость электроэнергии за месяц, р. 1344,192·4 = 5376,76 64,032·4= 256,12 Стоимость электроэнергии за год, р. 5376,768·12 = 64521,22 256,12·12 = 3073,44 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 3 (20) 62 Водоснабжение и водоотведение целью сбережения материальных средств, прежде всего собственника, а также облегчения работы об- служивающего персонала очистных сооружений ка- нализации и КНС. Экономический эффект за весь период эксплу- атации составит 253118,25 р. Необходимо добавить, что, при работе тру- бопровода как сифона, колесо погружного насоса вращается без применения электроэнергии, а следо- вательно, насос работает в режиме генератора элек- троэнергии. Поэтому есть возможность еще более увеличить экономию электроэнергии, накапливая электричество с насосного генератора. Этот вопрос требует дальнейшей проработки.

About the authors

Andrey Vyacheslavovich SHAYKHISLAMOV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: subarik09@rambler.ru
Student of Water Supply and Drainage Educational Program 450080, Russia, Ufa, Mendeleyev str., 195, tel. (347)228-49-00

Vyacheslav Nikolaevich ZENTSOV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: zencov.ugntu@yandex.ru
Doctor of Engineering Science, Professor, Director of Interlaboratory Center 450080, Russia, Ufa, Mendeleyev str., 195, tel. (347)228-49-00

Vitaliy Agzamovich KHAIRULLIN

Ufa State Petroleum Technological University

Email: zencov.ugntu@yandex.ru
Doctor of Engineering Science, Professor 450080, Russia, Ufa, Mendeleyev str., 195, tel. (347)228-49-00

References

Supplementary files