Применение некорродирующих воздуховодов в системах аэрации биологических очистных сооружений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Применение некорродирующих воздуховодов в системах аэрации биологических очистных сооружений

Специальность 05.23.04 - водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Некрасова Ирина

Москва - 2008 г.

Работа выполнена на кафедре водоотведения ГОУ ВПО "Московский государственный строительный университет".

Научный руководитель: кандидат технических наук

Храменков Станислав Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор

Лезнов Борис Семенович

доктор технических наук

Залётова Нина Анатольевна

Ведущая организация: ГУП "МосводоканалНИИпроект"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Инженерные системы водоотведения и завершающие их комплексы очистных сооружений являются важнейшими элементами коммунального хозяйства, обеспечивающими нормальные условия жизни населения городов и приемлемое экологическое состояние природной водной среды. Основным методом очистки хозяйственно-бытовых и многих промышленных сточных вод является технология биологической очистки. Определяющим фактором эффективности такой очистки является растворенный кислород, который поступает в воду из воздуха в процессе искусственной аэрации, то есть насыщения воды пузырьками воздуха. Воздух в аэротенки -- основную технологическую емкость очистных сооружений -- подается от воздуходувной станции по воздуховодам иногда на достаточно большое расстояние.

Внутренние поверхности стенок воздухопроводов станций биологической очистки, выполненных из "черного" металла, интенсивно корродируют под воздействием влажности и загрязняющих химических примесей транспортируемого воздуха. Продукты коррозии переносятся потоком воздуха к концевым участкам воздухопроводов, где расположены диспергаторы (аэраторы, фильтросы и им подобные элементы), преобразующие компактную струю в мельчайшие пузырьки воздуха. Отверстия диспергаторов забиваются продуктами коррозии, расход воздуха через диспергаторы уменьшается, соответственно уменьшается количество растворенного воздуха в массиве очищаемой воды и снижается интенсивность процесса биологической очистки.

Таким образом, состояние системы пор в диспергаторах в итоге определяет качество очистки сточных вод. Для обеспечения расчетных значений качества очистки необходимо применить для изготовления воздухопроводов некорродирующий материал (нержавеющая сталь, пластмасса) или применить специальные устройства, улавливающие взвеси, связанные с коррозией воздуховодов и исключающие засорение внутренних поверхностей аэратора. Замена конструкционной стали на некорродирующие материалы позволит обеспечить экономию затрат на электроэнергию в результате улучшения аэродинамического состояния воздуховодов, добиться надежной и эффективной эксплуатации сооружений биологической очистки, обеспечить нормативное качество очищенных вод на протяжении длительного срока.

Наличие сотен крупных сооружений биологической очистки сточных вод, на которых необходима реконструкция систем подачи и распределения воздуха, делает направление настоящей диссертационной работы весьма актуальным.

Цель работы. Научное обоснование технических решений, обеспечивающих снижение энергоемкости производства, повышение эксплуатационной надежности и обеспечение качества очистки сточных вод в сооружениях биологической очистки за счет применения совершенных методов расчета и определения условий, при которых целесообразно внедрение дорогих некорродирующих материалов для изготовления систем подачи воздуха в аэротенки.

Рабочая гипотеза. Энергосберегающие режимы эксплуатации воздухотранспортирующей системы станций биологической очистки сточных вод должны обеспечиваться на этапе разработки проектов их строительства или реконструкции путем технико-экономической оптимизации элементов системы на основе принципа минимизации суммарных затрат, включающих капитальные вложения и эксплуатационные расходы с учетом экономических тенденций и изменения параметров системы в течение всего расчетного срока.

Основные задачи работы:

1. Исследовать основные факторы, влияющие на выбор компоновки, конструкции и параметров аэрационных воздуховодов систем воздухоподачи станций биологической очистки сточных вод.

2. Провести анализ взаимосвязи:

– материала изготовления воздуховода (конструкционной или нержавеющей стали) и его диаметра и эксплуатационных параметров;

– процессов коррозии внутренних стенок воздуховода из конструкционной стали и его аэродинамического сопротивления, эксплуатационных параметров и диаметра;

– компоновки и конструкции воздуховода (размеров секции и наличия и состава местных сопротивлений) и его диаметра;

– фактора времени (изменения во времени тарифов на электроэнергию и затрат на эксплуатационно-ремонтные работы) и выбора эксплуатационных параметров и диаметра воздуховода.

3. Выполнить оптимизационные расчеты диаметра воздуховода с учетом перечисленных выше влияющих факторов.

Научная новизна диссертации:

– выявлена взаимозависимость основных эксплуатационных и конструктивных параметров системы подачи воздуха в аэротенки и ее экономических показателей;

– создана математическая модель системы подачи воздуха в аэротенки, описывающая изменение во времени ее основных параметров и показателей;

– на основе созданной математической модели разработана методика оптимизационных расчетов систем подачи воздуха в аэротенки;

– с использованием разработанной методики определены условия, при которых целесообразно применение дорогих некорродирующих материалов (нержавеющих сталей, пластмасс и др.) вместо дешевой конструкционной стали для изготовления систем подачи воздуха в аэротенки.

Новизна подтверждается патентом РФ № 51415 И1 на изобретение «Воздуховод для системы аэрации».

Практическая значимость и ценность работы. Разработаны технические решения и рекомендации по созданию технологически эффективных энергосберегающих систем подачи воздуха в аэротенки, реализованных в практике проектирования, строительства и эксплуатации сооружений биологической очистки сточных вод.

Достоверность полученных результатов и разработанных рекомендаций обеспечена применением общепризнанных методов аэрогидродинамического анализа, тщательным учетом стоимостных и экономических показателей и подтверждается практическим опытом реконструкции систем воздухоснабжения аэротенков.

Предмет защиты. На защиту выносятся:

– полученные автором аналитические зависимости между конструктивными (диаметр, толщина стенок воздуховодов и др.) и эксплуатационными (подача, напор, потери напора и др.) параметрами системы подачи воздуха, с учетом экономических показателей, изменяющихся во времени (стоимость электроэнергии, ремонта и обслуживания системы и др.);

– математическая модель системы подачи воздуха в аэротенки, описывающая изменение во времени ее основных параметров и показателей;

– методика оптимизационных расчетов, подтверждающих целесообразность замены воздуховодов из конструкционной стали воздуховодами из нержавеющей стали;

– обоснование технической возможности и экономической целесообразности использования в системах подачи и распределения воздуха воздуховодов, изготовленных из дорогостоящих нержавеющих сталей вместо дешевых конструкционных сталей;

– результаты оптимизационных расчетов, подтверждающих целесообразность использования воздуховодов из нержавеющей стали, на примере реконструкции станций аэрации.

Апробация работы. Результаты научных исследований докладывались на Х-й научно-практической конференции "Проблемы управления качеством городской среды" в 2006 г., на 8-й Международ. практ. конф.-выставки «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», 11-14 апр. 2006, на заседании научно-технического совета ГУП "Мосводоканал" 21 марта 2006 года, на научно-технических семинарах кафедры водоотведения Московского государственного строительного университета в 2006 и 2007 гг.;

Результаты научных исследований опубликованы в технической литературе в статьях, упомянутых в списке литературы к настоящей диссертации под №№ 9, 51, 52, 53, 54, 55, 88.

Внедрение результатов исследований.

Результаты исследований внедрены путем:

– создания действующей системы подачи и распределения воздуха в аэротенки Ново-Люберецких очистных сооружений в г. Москве, на очистных сооружениях ГУП "Водоканал" г. Подольска, на очистных сооружениях в поселке Волочаевское Калининградской области;

– разработки методики расчета воздуховодов на прочность и жесткость.

Личный вклад автора заключается в:

– постановке и формулировании задачи о необходимости выполнения оптимизационных расчетов, подтверждающих целесообразность замены воздуховодов из конструкционной стали в системах подачи и распределения воздуха в аэротенках на воздуховоды из нержавеющей стали;

– разработке методики оптимизационных расчетов и методики расчета воздуховодов на прочность и жесткость с учетом специфики очистных сооружений;

– выполнении оптимизационных расчетов и разработке технических решений по разработанным методикам;

– руководстве и личном участии в реализации разработанных технических решений и рекомендаций на действующих промышленных объектах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 91 наименования и приложения. Основное содержание работы изложено на 168 страницах машинописного текста и иллюстрировано 28 рисунками, 6 фотографиями и 21 таблицей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности выполненных исследований, сформулированы цель и задачи работы, показаны личное участие автора в получении результатов, достоверность научных положений, научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе показана определяющая роль процесса аэрации в работе сооружений биологической очистки. Разработкой методов расчета и совершенствованием технологии этого современного метода очистки сточных вод занимались Е.В. Алексеев, М.Е. Бекер, И.Ф. Вебер, К. Вили, Ю.В. Воронов, В. Детье, А.И. Жуков, А.Л. Ивчатов, В.И. Калицун, Я.А. Карелин, Ф.В. Кармазинов, Т.А. Карюхина, А.М. Курганов, Ю.М. Ласков, Г.Н. Лиепиньш, Н.А. Лукиных, В.В. Найденко, Е.П. Райпулис, Б.Н. Репин, И.В. Скирдов, Н.В. Федоров, С.В. Храменков, В.Н. Швецов, М.А. Эль, Ю.В. Эль, С.В. Яковлев и многие другие ученые.

Проанализированы технологические схемы очистки сточных вод и схемы движения воды в аэротенках. Для аэрации сточных вод воздух от воздуходувных станций по системе воздуховодов через стояки подается в диспергаторы (аэраторы), располагаемые у днища аэротенка. Перечислены условия, в которых находится активный ил на пути его прохождения от входа в аэротенк до выхода из него, и требования к системе подачи воздуха, вытекающие из этих условий.

Дан краткий анализ конструктивных характеристик систем аэрации аэротенков. Аэрация сточных вод является наиболее энергоемким процессом при их очистке. На современных сооружениях очистки затраты на аэрацию достигают 80% общего потребления электроэнергии. Поэтому выбор, проектирование, монтаж и эксплуатация систем аэрации во многом обусловливают эффективность процесса в целом.

Аэрация играет определяющую роль при очистке сточных вод, так как концентрация растворенного кислорода и эффект перемешивания в аэротенке во многом определяют степень окисления органических загрязнений. Расчету и совершенствованию конструкций аэраторов и воздухотранспортирующих систем посвятили свои труды В.С. Боровков, В.В. Волшаник, А.И. Жуков, В.Н. Журов, А.Л. Зуйков, Я.А. Карелин, А.М. Курганов, Ю.М. Ласков, Б.С. Лезнов, Ю.М. Мешенгиссер, А.П. Мордасов, Г.В. Орехов, Б.Н. Репин, В.П. Саломеев, Н.В. Федоров, С.В. Храменков, А.И. Щетинин и другие исследователи.

В крупных аэротенках предпочтительно применение пневматической системы аэрации, кроме того, область профессиональных интересов соискателя также связана именно с этой системой аэрации. По этой причине ниже рассматривается только такая система аэрации.

Важнейшим эксплуатационным параметром пневматических аэраторов, от которого зависит срок их службы, является темп возрастания потерь напора, связанных с забиванием (кольматацией) пор диспергирующего покрытия.

Система аэрации состоит из трех элементов, существенно отличающихся друг от друга конструктивно, но работающих как единое целое и поэтому оказывающих сильное взаимное влияние. Это воздуходувная станция; магистральные и распределительные воздуховоды; устройства для диспергирования воздушного потока -- аэраторы.

Наиболее "тонким" и ответственным элементом системы, функционирование которого определяет эффективность протекания основного технологического процесса на очистных сооружениях, является аэратор. Имея это в виду, основное внимание при научном обосновании целесообразности реконструкции систем аэрации очистных сооружений следовало бы уделить в первую очередь изучению рабочего процесса и совершенствованию конструкций аэраторов. В то же время, в этом направлении уже сделано очень много, и современные аэраторы-диспергаторы обладают весьма совершенными характеристиками. Работ по изучению рабочего процесса и совершенствованию конструкций воздухотранспортирующей и воздухораспределительной системы гораздо меньше, кроме этого, профессиональные интересы соискателя в значительно большей степени относятся именно к воздухоподающей системе, а не к аэраторам. Поэтому основным объектом исследований в диссертационной работе приняты воздуховоды, а в аналитическом обзоре аэраторам уделено достойное внимание по причине того, что выполнение требований, выдвигаемых аэраторами по обеспечению их эффективной работы, выполняется именно воздухоподающей системой.

Анализ применяемого метода расчета систем подачи воздуха в аэротенки обнаруживает очевидные недостатки, требующие его усовершенствования: метод не содержит оптимизационного анализа в качестве основополагающей основы для определения параметров воздуховодов; аэродинамические параметры воздушного потока (скорость) назначаются произвольно; применяется без обоснования для всех элементов воздухопроводящей сети упрощенный способ определения аэродинамического сопротивления; не принимается во внимание различная степень значимости воздухопроводов по их протяженности и материалоемкости.

Проблеме оптимизации параметров и режимов систем воздухообеспечения очистных сооружений ранее посвящались методические исследования. В "Справочнике" А.М. Курганова и Н.В. Федорова выбор диаметров труб рекомендуется производить с учетом требований экономичности водоводов, сети и всего комплекса сооружений, непосредственно связанных с сетью. Экономически наивыгоднейшими будут те диаметры, при которых оказываются наименьшими затраты средств на строительство и эксплуатацию водоводов, сети и указанного комплекса сооружений за принятый расчетный период. В то же время приходится констатировать, что применяемый метод расчета воздухопроводящих систем станций аэрации не опирается на комплексный оптимизационный анализ, использует произвольно назначаемые аэродинамические параметры и упрощенный способ определения аэродинамического сопротивления и должен быть усовершенствован с учетом степени значимости воздухопроводов и их протяженности и материалоемкости.

Вторая глава посвящена разработке принципов и аналитическому обоснованию оптимизации воздухотранспортирующих систем станций биологической очистки сточных вод.

Принцип оптимизации основывается на положении о том, что минимизация суммарных затрат, включающих капитальные затраты на сооружение трубопроводной системы и воздуходувной установки, а также эксплуатационных расходов на оплату электроэнергии и ремонтно-восстановительных работ, оказывается возможной лишь в том случае, когда качественный характер зависимости затрат от параметров системы является противоположным.

Если для сооружения воздухотранспортирующей системы применять трубопроводы большего диаметра, вес металлоконструкций (трубопроводы, опоры, запорно-регулирующая арматура) и стоимость их монтажа будут возрастать, то есть этот вид капитальных затрат К₁ увеличивается в зависимости от выбора диаметра воздуховодов d.

Ключевым фактором является именно диаметр воздуховодов, который влияет на выбор толщины стенок воздуховода и на металлоемкость трубопроводной системы и сопутствующих конструктивных элементов. Капитальные затраты К₁ зависят не только от металлоемкости, но и от выбора материала, который определяет удельные стоимостные показатели, могущие различаться в несколько раз и существенно влиять на капитальные затраты К₁. В зависимости от выбора материала могут изменяться и прочностные его показатели, причем снижение прочности приводит к необходимости увеличения толщины стенок воздуховодов, что, в свою очередь, влияет на металлоемкость. Таким образом, выигрывая на удельной стоимости материала, мы при этом проигрываем в материалоемкости, и конечный результат будет определяться конкретными стоимостными и прочностными характеристиками материалов.

Изменение диаметра воздуховодов сильно сказывается на потерях давления при движении воздушного потока в воздуховоде. Уменьшение диаметра воздуховода и площади его живого сечения при том же расходе воздуха приводит к увеличению скорости воздушного потока и сильному нарастанию потерь давления на преодоление трения по длине воздуховодов и потерь давления в местных сопротивлениях. Увеличение потерь давления требует большей мощности воздуходувки N, что приводит к увеличению капитальных затрат на воздуходувку. Таким образом, две составляющие суммарных затрат обнаруживают качественно противоположный характер зависимости от диаметра воздуховода.

Рассматривая эксплуатационные расходы, можно отметить, что стоимость ремонтно-восстановительных работ возрастает с ростом материалоемкости системы, т. е. увеличиваются с увеличением диаметра воздуховодов, в то время как эксплуатационные расходы на оплату электроэнергии при эксплуатации системы возрастают вместе с мощностью воздуходувной установки при уменьшении диаметра воздуховода.

Для построенных станций аэрации металлоемкость этой системы составляет несколько сотен тонн, диаметры воздуховодов изменяются от 60 мм до 1400 мм, мощность воздуходувных станций, подающих воздух в систему, до 1000 кВт, годовые затраты на электроэнергию достигают 4 млн. руб.

В настоящей работе рассматривается возможность технико-экономической оптимизации системы по ее элементам с учетом их взаимного влияния через условия на границах взаимодействующих элементов системы.

При этом предполагается, что система, параметры элементов которой оптимизировались с учетом их взаимодействия, будет отвечать требованию оптимальности в целом. То есть предполагается, что если каждый элемент системы (с учетом взаимодействия элементов) отвечает минимуму суммарных затрат, то и вся система будет отвечать этому требованию. Этот подход вместо сложного аналитического описания функции суммарных затрат всей системы, которая дальше должна исследоваться на минимум по тем или иным параметрам, позволяет исследовать сравнительно простые функции для отдельных элементов системы. При этом точность задания этих функций может быть более высокой, чем для системы в целом.

Оптимизация воздуховодов при проектировании и реконструкции воздухоподающих систем станции аэрации должна производиться с учетом суммарной протяженности и металлоемкости воздуховодов разных диаметров.

Выполненный анализ данных по металлоемкости воздуховодов Люберецкой станции аэрации (табл. 1) показал, что наибольшей суммарной металлоемкостью (рис. 1) обладают трубопроводы диаметром 300-700 мм и 1200-1600 мм, оптимизации которых следует уделять первоочередное внимание.

При технико-экономическом анализе потери давления в воздуховодах определялись по формуле Дарси-Вейсбаха

,

где -- коэффициент сопротивления трения;

, d -- длина и диаметр секции воздуховода;

-- плотность воздуха;

v -- скорость воздушного потока в воздуховоде.

Таблица 1

Воздуховоды аэротенков ЛбСА

№	Диаметр трубопровода	Длина L, м (1 аэротенк)	Общая длина, м	Объем металла, м3	р, %	Примечание
1	2	3	4	5	6	7
Аэротенки ЛбСА
1.	630	27	405	4	10,9
2.	478	63	945	7,1	19,3
3.	273	12	180	0,77	2,1
4.	400	52	780	5,88	16,2
5.	219	44	660	2,34	6,4
6.	630		119	1,41	3,8	Магистральный
7.	820		138,7	2,8	7,8	Магистральный
8.	1020		52	1,83	5	Магистральный
9.	1220		233,5	9,84	26,8	Магистральный
10.	1420		13	0,64	1,7	Магистральный
			3525	36,67м3 = 286 т

Рис. 1. Процентное распределение суммарной металлоемкости воздуховодов разных диаметров (Люберецкие очистные сооружения)

При реальных расчетных скоростях воздушного потока воздуховоды часто работают в области квадратичного сопротивления, при этом .

Шероховатость воздуховода Кэ возрастает в процессе эксплуатации вследствие процесса коррозии, запыленности и налипания волокон на внутреннюю по верхность воздуховода. Анализ, выполненный В.С. Боровковым и Ф.Г. Майра-новским, показал, что значение К_э линейно возрастает со временем, причем темп увеличения зависит от скорости потока и запыленности воздуха. Согласно данным "Справочника по машиностроительным материалам", для воздуховодов из конструкционной стали Ст-3 средний темп процесса коррозии близок к 0,1 мм в год. Весьма близкие результаты были получены Ю.М. Мешенгиссером, изучавшим динамику изменения потерь давления в воздуховодах с течением времени.

Изменение шероховатости в период эксплуатации воздуховода приводит к изменению коэффициента аэродинамического сопротивления . Учитывая линейный характер изменения шероховатости К_э = К_{э 0} + t , где 0,1 мм/год -- опытный коэффициент, характеризующий темп изменения шероховатости, t -- время в месяцах, найдем среднее значение _с:

При = 0,1·10^-3 м/год; К_{э 0} = 10^-3 м; Т_л = 50 лет находим 1,39₀ .

Принимая во внимание важность темпа изменения шероховатости, в рамках настоящей работы был проведен эксперимент. Испытаниям подвергались воздуховоды близких диаметров, выполненные из конструкционной стали Ст-3, с различными сроками эксплуатации: от 3-х до 27-и лет.

Полученные результаты согласуются с имеющимися в справочной литературе данными о темпе процесса коррозии конструкционной стали Ст-3.

Учитывая среднее значение _с = 1,39₀, запишем следующее выражение для потерь давления в секции воздуховода, работающего в области квадратичного сопротивления при расчетном расходе Q_{р. с}:

,

где _р -- условная расчетная длина воздуховода, отражающая влияние местных сопротивлений на потери давления в воздуховоде.

На воздухоподающих магистралях очистных сооружений имеются местные сопротивления, которые влияют на потери давления, а, следовательно, на параметры и стоимость воздуходувки и на эксплуатационные расходы, связанные с оплатой электроэнергии.

Полные потери давления в секции воздуховода могут быть рассчитаны по зависимости

р_д = ,

где _э -- эквивалентная (по аэродинамическим потерям в местных сопротивлениях) длина воздуховода.

Поскольку значение слабо зависит от диаметра (), значение может быть найдено по среднему значению , обычно близкому к 0,015, по отношению .

Использование этого приема позволяет сохранить без изменения весь последующий алгоритм расчета, где вместо _р далее в формулах потери давления следует использовать _р = + _э. Таким образом, предложенный подход к оптимизации воздуховодов из нержавеющей стали (гладкий режим сопротивления) и из конструкционной стали Ст-3 (квадратичный режим сопротивления) отражают влияние местных сопротивлений путем введения в анализ расчетной длины _р

_р = + + 70d ,

где -- суммарное значение коэффициентов местных сопротивлений в границах рассматриваемой секции воздуховода; -- геометрическая длина секции воздуховода.

Задача оптимизации состоит в том, чтобы, варьируя диаметрами всех (или некоторых) составляющих системы воздуховодов (рис. 1), привести к минимуму суммарные затраты для заданного расхода воздуха Q и его составляющих q_i в точках раздачи, которые сохраняются заданными.

Капитальные затраты на изготовление и монтаж воздуховодов связаны, прежде всего, с весом металлоконструкций воздуховода, который зависит от диаметра воздуховода d, толщины его стенки и протяженности .

Избыточное давление воздуха р_расч внутри воздуховода

р_расч = gh_г + р_а + _а(2_пов + _кран + _вх + _дл),

где _пов, _кран, _вх, _дл -- коэффициенты местных сопротивлений для рассматриваемых секций.

При глубине h_г3ч6 м первое слагаемое этого выражения оценивается средним значением 45 кПа, значение р_а для мелкопузырчатых аэраторов близко к 7,5 кПа, третье слагаемое равно 4,4, что при скорости в отводе 10 м/с составляет 220 Па, последнее слагаемое при v_с15 м/с и 40 составит 116 Па; при 100 это слагаемое возрастет до 290 Па. Оценочные величины потерь давления в элементах секции приведены в следующей таблице.

1.	Преодоление гидростатического давления воды	45 кПа
2.	Потери на аэраторе	7,5 кПа
3.	Местные потери в отводе-опуске и потери по длине секции воздуховода	0,22 кПа
4.	Потери по длине секции	0,1ч0,3 кПа

Основная часть потерь давления (до 85%) расходуется на преодоление гидростатического противодавления воды в связи с заглублением аэратора, 14% потерь давления связано с прохождением воздуха через аэратор и только около 1% потерь связано с аэродинамическим сопротивлением отвода и секции воздуховода. Полученные количественные характеристики потерь давления показывают на целесообразность отдельного дополнительного рассмотрения вопроса, связанного с заглублением аэратора, и факторов, влияющих на потери давления непосредственно в самом аэраторе; эти задачи представляют самостоятельный интерес и выходят за рамки настоящей работы.

Вес металла в рассматриваемой секции воздуховода

G ,

где: С_т -- технологическая добавка к расчетной толщине стенки;

р_г -- гидростатическое давление водяного столба над аэратором;

р_а -- перепад давления на аэраторе;

р_о -- потери давления в отводе с учетом принадлежащих ему местных сопротивлений (вход, повороты, кран-регулятор и т. п.);

р_з -- запас избыточного давления в воздуховоде;

_р -- допускаемое напряжение на растяжение.

Эксплуатационные расходы на обслуживание секции воздуховода за время Т лет его эксплуатации

воздуховод очистка сточная вода

Стоимость (капитальные затраты) "условной" воздуходувной установки мощностью N_с для прокачки воздуха по секции воздуховода, включая стоимость подключения мощности к энергоснабжающей организации, запишется в виде:

S_{1T м}gd[С_тd + (р_г + р_а + р_о + р_з) + ,

где S_1Т -- удельная стоимость материала воздуховода.

Используя приведенные выше выражения, получаем:

,

где _т -- толщина стенки.

С течением времени имеют место весьма заметные изменения стоимостных параметров. «Локомотивом» таких изменений в настоящее время являются энергоносители, для данной задачи -- тариф на электроэнергию. Одновременно с этим имеется отчетливая тенденция роста цен на металл и металлоконструкции, технологическое оборудование, в том числе и на воздуходувки, рост стоимости ремонтно-эксплуатационных услуг.

Рассмотрим, каким образом необходимо скорректировать методику оптимизационного расчета с учетом этих экономических тенденций.

Закономерность изменения тарифов на электроэнергию будет выражаться (аналогично «сложному проценту») следующим образом (рис. 2)

.



Рис. 2. Изменение тарифа на электроэнергию;

1 -- фактический тариф

2 -- + расчет по сложным процентам Э₁^к = Э₁ (1 + n)^t при n = 0,084; t -- число лет

Принимая во внимание фактические данные по тарифам за электроэнергию за 4-летний период с 2003 по 2007 гг., найдем:

=1,381,

откуда n = 0,084.

= 686,7 .

При постоянном тарифе и расчетном сроке эксплуатации 50 лет затраты на электроэнергию составят 50 Э₁; то есть затраты с учетом реального темпа инфляции будут в 13,73 раза выше. Эта оценка получена для рассмотренных конкретных условий и срока службы системы. Для других условий это соотношение должно уточняться.

Затраты на эксплуатацию воздуховода за все время его работы:



что в 3,12 раза превышает эксплуатационные расходы, определенные без учета инфляционного процесса.

Решение задачи при этом сводится к отысканию аналитических зависимостей, связывающих составляющие суммарных затрат с ключевым параметром оптимизируемой воздухоподающей системы -- диаметром воздуховодов.

Капитальные затраты на сооружение воздуховода

.

Капитальные затраты на "условную" воздуходувную установку для прокачки расхода Q_{р с} по секции с учетом стоимости подключения

.

Эксплуатационные расходы на оплату электроэнергии с учетом инфляционных тенденций

 .

Эксплуатационные расходы на ремонтно-восстановительные работы по секции воздуховода с учетом планового уровня инфляции

.

Дифференцируя полученные затраты по переменной d и приравнивая к нулю сумму производных, получаем следующее уравнение для нахождения оптимального диаметра воздуховода, которое с учетом стоимостных показателей приводится к виду

.

Решение уравнения выполнялось графоаналитически (рис. 3) сопоставлением логарифмов от левой части (lg Л) и правой части (lg П) уравнения при разных расходах. Оптимальный диаметр определялся из условия равенства этих логарифмов.

В третьей главе на основании анализа, выполненного в главе второй, определены оптимальные параметры воздуховодов аэротенков для различных расчетных ситуаций.

Полученные данные показывают -- оптимальные диаметры воздуховодов связаны со сравнительно невысокими скоростями движения воздуха. При этом толщина стенок воздуховода даже с учетом технологических добавок остается близкой к 1 мм.

Учет изменения тарифов, выполненный выше, позволяет получить следующее оптимизационное уравнение, учитывающее рост тарифов на электроэнергию 8,4% в год и рост затрат на ремонтно-эксплуатационные работы на 4% в год, который соответствует плановому росту инфляции

.

Прямое определение оптимального диаметра воздуховода из конструкционной стали с учетом нарастания шероховатости во времени, а также экономических инфляционных тенденций, стоимостных и эксплуатационных показателей, может производиться также по следующей зависимости:

d₀ = .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Графоаналитическое решение оптимизационного уравнения

Результаты определения диаметров воздуховодов с применением разработанной методики представлены в обобщенной форме на рис. 4. Данные показывают, что характер зависимости оптимальных диаметров воздуховодов от расхода и толщины стенки для всех расчетных случаев остаются идентичными, причем количественные расхождения тоже невелики.

(воздуховоды из нержавеющей стали с учетом технологических добавок)

Рис. 4. Характер изменения оптимальных параметров воздуховодов из нержавеющей и конструкционной стали с учетом инфляционных тенденций

Выполненные оценочные расчеты показывают, что даже незначительное отступление от определенного расчетом оптимального диаметра воздуховода приводит к существенному возрастанию суммарных затрат (рис. 5), что указывает на целесообразность выполнения оптимизационных расчетов при проектировании строительства или реконструкции воздухоподающих систем станций биологической очистки сточных вод.

Рис. 5.

Четвертая глава посвящена описанию опыта реконструкции аэрационных воздуховодов сооружений биологической очистки сточных вод, в частности, Люберецких очистных сооружений, при проектировании которых были использовании рекомендации, разработанные в настоящей диссертации.

В современной практике при реконструкции и оценке материальных затрат важным является выбор материала воздуховодов. Технологическая непривлекательность и экономическая неэффективность применения малоуглеродистых и низколегированных сталей для воздухораспределительных систем очистных сооружений общеизвестны. Поэтому МГУП "Мосводоканал" по согласованию с соискателем как с одним из непосредственных исполнителей работ по реконструкции системы подачи и распределения воздуха приняло решение об изготовлении труб для воздуховодов при реконструкции ЛОС из нержавеющих сталей аустенитного класса -- 08Х18Н9 и 08Х18Н10Т.

Переход на изготовление воздуховодов из нержавеющей стали увеличивает затраты, поскольку она в 5-6 раз дороже, чем углеродистая сталь. В то же время толщина стенки воздуховода за счет оптимизации конструкции уменьшается в 2 раза, что сокращает разницу в стоимости. В результате увеличение первоначальных капитальных вложений на изготовление воздуховодов компенсируется снижением затрат на монтаж вследствие уменьшения массы воздуховодов. Срок службы изделия увеличивается до 50 лет и более при практически полном отсутствии затрат на эксплуатацию и ремонт воздуховодов.

Прочность трубы воздуховода может быть повышена, если к конструкции трубы присоединить угловые профили (рис. 6; предложение соискателя с соавторами защищено патентом РФ).

Технологические мероприятия реализованы при проектировании и строительстве нового блока биологической очистки на Ново-Люберецких очистных сооружениях.

Рис. 6. Схема сечения трубы с обтекателем

В Приложении помещена «Методика расчета воздуховодов на прочность и жесткость», разработанная под руководством и при непосредственном участии соискателя. В Приложение включены разделы: расчет труб воздуховодов на действие внутреннего давления; методика расчета труб воздуховодов на изгиб и выбора расстояния между опорами; особенности расчета труб с обтекателем (патент, полученный соискателем в соавторстве); методика расчета изменения сечения труб воздуховодов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлены аналитические и графические зависимости между технологическими, энергетическими и экономическими параметрами, характеризующими процесс подачи воздуха в аэротенки. Полученные зависимости позволяют выполнить необходимые оптимизационные расчеты, в том числе определить диаметры воздуховодов и толщину их стенок, оценить изменения шероховатости внутренних поверхностей труб и учесть местные сопротивления и другие факторы. Расчеты могут быть выполнены для различных условий, в том числе с учетом и без учета инфляции.

2. Создана математическая модель системы подачи воздуха в аэротенки, позволяющая учитывать изменение во времени ее основных параметров и показателей.

3. На основе созданной математической модели разработана методика выполнения оптимизационных расчетов, позволяющая определить техническую и экономическую целесообразность применения воздуховодов из некорродирующих материалов, например нержавеющих сталей. Разработанная методика впервые учитывает влияние инфляционных процессов (в частности, рост тарифов на электроэнергию) на изменение эксплуатационных затрат.

4. Показано, что при определенных условиях (соотношении капитальных и эксплуатационных затрат), с учетом долговременных экономических факторов (в частности, инфляции) в системах подачи и распределения воздуха целесообразно использовать более дорогие воздуховоды из некорродирующих материалов (например, из нержавеющих сталей), обеспечивающих высокий технологический и энергосберегающий эффект за счет предотвращения закупорки аэраторов продуктами коррозии.

5. Показано, что применение нержавеющих сталей для изготовления воздуховодов позволяет снизить их диаметр на 15-20%, а толщину стенок в 2-2,5 раза. Снижение диаметров и стенок воздуховодов существенно снижает стоимость строительно-монтажных работ, а долговечность нержавеющих сталей -- стоимость ремонтных и восстановительных работ.

6. Разработана методика расчета воздуховодов на прочность и жесткость с учетом их расположения внутри производственных помещений и на открытом воздухе, с учетом действия климатических факторов (ветер, снегопад, обледенение).

7. С использованием результатов исследований, впервые в практике отечественного водоотведения, создана система подачи и распределения воздуха с использованием нержавеющих воздуховодов на Ново-Люберецких очистных сооружениях, на очистных сооружениях ГУП "Водоканал" г. Подольска.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ

1. И.П. Некрасова, А.А. Борисов, Н.А. Волосов «Ремонт технологического оборудования для предприятий водоподготовки и водоотведения». Журнал «Ремонт, восстановление, модернизация», № 4, 2005, с.7

2. И.П. Некрасова «Ресурсосберегающие технологии восстановления оборудования систем водоснабжения и водоотведения». Материалы 8-й Международ. практ. конф.-выставки «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», 11-14 апр. 2006. Ч. 1. СПб., 2006. с. 274-277

3. И.П. Некрасова «Энергосберегающие технологии восстановления оборудования систем водоснабжения и водоотведения». Материалы Х-й науч.-практ. конф. «Проблемы управления качеством городской среды», М.: МосводоканалНИИпроект, 2006. с. 141-143

4. И.П. Некрасова, Ф.А. Дайнеко, В.Н. Штопоров «Воздуховод для системы аэрации». Патент РФ № 51 415 И1, 2006.

5. С.В. Храменков, И.П. Некрасова «Особенности внедрения воздуховодов систем аэрации из нержавеющих сталей» // «Водоснабжение и санитарная техника», 2006, № 6, с. 16-21

6. И.П. Некрасова «Учет экономических тенденций при расчете воздухоподающих систем» // «Водоснабжение и санитарная техника», 2006, № 6, с. 17-21

Размещено на Allbest.ru

...