W typowej oczyszczalni ścieków najwięcej energii zużywają urządzenia napowietrzające. Okazuje się, że jedną z najlepszych metod na poprawę efektywności ich pracy jest zmiana sposobu dostarczenia powietrza do zbiornika. Zamiast zaworów kontrolujących przepływ (Flow Control Valves – FCV) do sterowania prędkością napowietrzaczy można zastosować napęd o zmiennej częstotliwości (Variable Frequency Driver – VFD). Pozwala to na uzyskanie nawet do 50% oszczędności.
W typowej obróbce ścieków można wyróżnić trzy główne etapy:
→ oczyszczanie mechaniczne,
→ oczyszczanie biologiczne
→ i na końcu chlorowanie i filtrację.
Napędy VFD mogą znaleźć zastosowanie na każdym z tych etapów.
Oczyszczanie biologiczne to najbardziej krytyczna część procesu, ponieważ właśnie w tym czasie bakterie konsumują materię organiczną w ściekach. Dzieje się to w zbiornikach aeracyjnych, gdzie bakterie są zmuszane do rozmnożenia i rozrostu kolonii w szybkim tempie dzięki zwiększonej ilości tlenu w wodzie. Do tego celu używane są pompy napowietrzające – wtłaczają one powietrze do zbiorników aeracyjnych.
Proces napowietrzania
Aby bakterie mogły wykonać swoją pracę, potrzebują dwóch czynników: powietrza (do oddychania i rozmnażania) oraz pożywienia. Gdy pompy napowietrzające dostarczają powietrze do zbiorników aeracyjnych, pojawia się zwiększona ilość tlenu w wodzie. Optymalny zakres rozpuszczonego tlenu ustalany jest na podstawie charakterystyki przepływu ścieków, rozmiaru zbiornika aeracyjnego i ilości ścieków.
Jak przedstawiono na rys. 1, bardzo ważne jest dostarczenie odpowiedniej ilości tlenu do zbiorników aeracyjnych. Zbyt mała ilość powietrza spowoduje spowolniony rozwój bakterii, a istniejące bakterie nie będą w stanie skonsumować całej zawartości substancji organicznych w zbiorniku, co sprawi, że proces oczyszczania będzie niekompletny. Jeśli dostarczy się jeszcze mniej powietrza lub powietrze w ogóle nie będzie dostarczone, bakterie wykorzystają cały rozpuszczony tlen i zginą. W tym wypadku proces oczyszczania zostanie zatrzymany do czasu, gdy bakterie się odnowią – proces ten może potrwać nawet do kilku tygodni.
Z drugiej strony zbyt duża ilość powietrza również jest szkodliwa. Pomimo że większa niż wystarczająca ilość powietrza zapewni szybki rozwój bakterii, proces ten nie będzie wydajny energetycznie. Ponadto, jeśli dodatkowe powietrze zostanie dodane do zbiornika, rozwój bakterii przekroczy dopuszczalne limity, materia organiczna zostanie zbyt szybko skonsumowana, po czym bakteria zginie z braku pożywienia, co również doprowadzi do zatrzymania procesu.
Tradycyjna kontrola procesu napowietrzenia
Typowy sposób kontroli procesu napowietrzenia wykorzystuje klasyczny układ regulacji PID – proporcjonalno-różniczkująco-całkujący ze sprzężeniem zwrotnym. Sterownikiem może być programowalna jednostka PLC, gotowy system sterowania (DCS) lub nawet niezależny regulator PID.
Tradycyjna pętla sprzężenia zwrotnego pokazana na rys. 2 zawiera sondę tlenową i generator tlenu, służące do pomiaru ilości tlenu w zbiorniku, porównania stanu do wymaganej ilości tlenu (zwykle pomiędzy 2,0 a 4,5 ppm) i obliczenia wymaganej reakcji zwrotnej, którą wykonuje zawór, sterując natężeniem przepływu, regulujący ilość tlenu dostarczanego do zbiornika, zmieniający tym samym zawartość znajdującego się w nim tlenu.
Metoda ta pozwala utrzymać ilość tlenu rozpuszczonego na akceptowalnym poziomie, niestety nie spełnia wymagań dotyczących niskiego zużycia energii obowiązujących w nowoczesnych zakładach. Dlatego napędy o zmiennej częstotliwości znalazły zastosowanie w systemach napowietrzających jako bardziej wydajny sposób realizacji sterowania w tym procesie.
Sterowanie procesem napowietrzenia za pomocą napędu VFD
Podczas implementacji owej strategii usunięty zostaje z układu a sterujący natężeniem przepływu. Napęd VFD, zwykle zintegrowany z centrum sterującym (Motor Control Center – MMC), otrzymuje sygnał wyjściowy ze sterownika (zwykle 4-20 mA) i w odpowiedzi zmienia prędkość obrotową pompy. Rys. 3 przedstawia tę właśnie strategię.
Napęd VFD zamienia moc na wejściu, stałą częstotliwość i napięcie w zmienne napięcie i częstotliwość. Ta zasada jest podstawą zmiany prędkości obrotowej wału silnika bez potrzeby wykorzystania regulowanych kół pasowych lub przekładni.
Oszczędności w zużyciu energii przy użyciu VFD są podyktowane prawami podobieństwa przepływu, mówiącymi, że:
→ natężenie przepływu jest proporcjonalne do prędkości obrotowej wału silnika napędzającego pompę,
→ ciśnienie jest proporcjonalne do kwadratu prędkości wału silnika napędzającego pompę,
→ moc jest proporcjonalna do sześcianu prędkości obrotowej wału silnika napędzającego pompę.
Stosując te prawa do badania krzywej zużycia mocy pompy odśrodkowej, można zauważyć, że dla tej samej wartości przepływu występują różnice w zużyciu energii. Rys. 4 ilustruje oszczędności na poziomie 50% w przypadku natężenia przepływu zmniejszonego o 20%. Ta sama zasada dotyczy pomp wyporowych, ale z mniejszymi oszczędnościami. Jednak są one na tyle wysokie, że nie mogą zostać pominięte.
Zalety napędów VFD w systemach napowietrzających
Oprócz oczywistego zysku w postaci mniejszego zużycia energii elektrycznej przyspieszającego czas zwrotu z inwestycji, zastosowanie napędów VFD w systemach napowietrzających zapewnia również następujące korzyści:
→ zmniejszenie kosztów konserwacji dzięki wyeliminowaniu zaworu sterującego natężeniem przepływu – komponentu wymagającego szczególnej troski ze strony osób zajmujących się utrzymaniem ruchu. Działanie pomp przy niższym ciśnieniu zmniejsza naprężenia i wibracje wszystkich podzespołów systemu;
→ szybsza, dokładniejsza i łatwiejsza w sterowaniu kontrola procesu. Zwykle prowadzi do uzyskania lepszej jednorodności i sprawia, że produkt, jakim jest woda, spełnia wymagania przez cały czas;
→ zwiększenie współczynnika mocy zakładu, ponieważ napędy VFD mają wewnętrzne kondensatory, które zapewniają kompensację mocy biernej dla urządzeń napędzanych. Jak wspomniano wcześniej, pompy napowietrzające są zwykle największym obciążeniem w zakładzie oczyszczania ścieków i uzyskany wzrost współczynnika mocy jest ogromny.
Podsumowanie
Zastosowanie napędów VFD przynosi wymierne korzyści w wielu obszarach działania zakładu. Oszczędza energię, poprawia jakość sterowania, zwiększa współczynnik mocy w systemie zasilania zakładu i zmniejsza koszty konserwacji. Takie zalety nie mogą pozostać niedocenione, zwłaszcza w obliczu ciągle rosnących cen energii elektrycznej i wymagań operacyjnych.
Autor: Shady Yehia jest założycielem i autorem The Control Blog (thecontrolblog.com). Zajmuje się projektowaniem oprzyrządowania, sterowania i automatyki.
Tekst pochodzi z nr 3/2017 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
