Sæt Turbo på energibesparelser. Af Martin Carlsen, Howden Water Technology A/S SPAR MERE END 50% ENERGI VED AT SKIFTE FRA OVERFLADEBELUFTNING TIL BUNDBELUFTNING! SPAR MERE END 30% VED AT VÆLGE DEN RIGTIGE LUFTBLÆSERLØSNING VED BUNDBELUFTNING! Senest i ugebladet Ingeniøren den 27. januar er forsidens hovedbudskab: "Strømfråds for millioner i landets vand - og spildevandsforsyninger" som sætter fokus på det store energibesparelsespotentiale, som kan udnyttes i vand- og spildevandsforsyningerne. Energibesparelserne kan opnås ved en trimning eller forbedring af eksisterende udstyr, anvendelse af nye moderne styresystemer baseret på real time måling af procesdata eller endnu bedre ved en udskiftning af aldrende teknologi med moderne og mere effektive teknologier. Alene i Danmark er det årlige elforbrug til de offentligt ejede spildevandsrenseanlæg ca. 350 GWh og heraf står landets 60 største renseanlæg for 70% af energiforbruget og ved en ombygning af de 4 største overfladebeluftede anlæg i Danmark er energibesparelsespotentialet små 20 GWh årligt Langt den største energisluger på et konventionelt byspildevandsrenseanlæg er energiforbruget til beluftningsprocessen, som typisk sluger 40% til 60% af det samlede anlægsenergiforbrug og i Danmark er besparelsespotentialet for netop beluftningsprocessen særlig stor, grundet de mange store anlæg, som er udstyret med simple overfladebeluftere eller anden form for mekanisk beluftningsudstyr, som det vil fremgå af dette indlæg. Beluftning af spildevand. Ved aktiv slam processen foregår beluftningen typisk ved, at luft tilføres ved brug af mekaniske beluftere som pisker luft ind i vandet eller ved bundbeluftning, hvor luft komprimeres og ledes ud gennem fintmaskede membrandiffusorer på bunden af beluftningstanken. Luftmængden styres typisk ved at holde en konstant mængde ilt opløst (DOL) i vandet eller ved at styre DOL efter mængden af ammoniak i vandet. Adskillige fuld skala forsøg har bekræftet teorien om, at bundbeluftning er væsentligt mindre energikrævende end overfladebeluftning og typisk kan der ved samme anlægsbelastning opnås en gennemsnitlig energibesparelse på mere end 50% ved at anvende bundbeluftning, se for eksempel rapporten fra det store Dradenau anlæg i Hamborg (1,6 MIO PE), ISBN-3-930400-81-2. At man ikke når højere besparelser skyldes i væsentlighed, at overfladebeluftningstankene ofte ikke er særligt dybe, hvilket gør dem mindre egnet til bundbeluftning som det vil fremgå senere i dette indlæg. Herudover har overfladebeluftning nogle andre ulemper såsom, at det er svært at regulere den tilførte iltmængde, at vandet køles hvilket hæmmer bakterievæksten og ilt-diffusionen samt at denne beluftningsform skaber aerosoler som kan bringe bakterierne langt omkring til anlæggets naboer samt give lugtgener. Bundbeluftningsprocessen Nu kan man sagtens designe et bundbeluftningssystem med ringe energieffektivitet og derfor vil dette indlæg hovedsageligt beskæftige sig med at sammenligne forskellige bundbeluftningsløsninger, med hovedvægten på valg af bedste blæser - og regulerings-teknologi. Figur 1 Typisk layout for et bundbeluftningssystem Ved bundbeluftning er der to væsentlige og modstridende faktorer. Den første faktor er, at iltdiffusionen udtrykt som Standard Oxygen Transfer Efficiency (SOTE) bliver bedre jo dybere beluftningsmembranerne er placeret i tanken på grund af det højere ilt-partialtryk og boblernes længere vej gennem vandet, se figur 2.
Dette indlæg vil først og fremmest beskæftige sig med de 2 første punkter. De anvendte luftblæserteknologier kan inddeles i 2 hovedgrupper: 1. Fortrængningsblæsere: kapselblæsere (Rootsroterende stempel) eller skruekompressorer. type - 2. Dynamiske blæsere: centrifugalblæsere også kaldet turboblæsere I fortrængningsblæseren trækkes luften ind i kompressionskamrene (a&b) som lukkes mod indløbet når rotoren drejer, figur 4. Figur 2 Relativ SOTE med 3 mvs = 100% Den anden og modstridende faktor relaterer til, at kompressionsarbejdet stiger, jo højere leveringstrykket bliver for luftblæserne. Grafen herunder viser den teoretiske relative stigning i kompressionsarbejdet alt andet lige, se figur 3. Figur 4 - Kapselblæser Herefter komprimeres luften når kammeret åbner mod tryksiden (c) eller som trykkammervolumenet mindskes, når rotorerne drejer (skruekompressor), figur 5. Figur 3 Relativt kompressionsarbejde som fkt. af vanddybden. Valg af bedste luftblæserteknologi Der er 3 væsentlige behov som skal tilgodeses ved valg af blæserudstyret til luftforsyningen: Lavest muligt energioptagelse ved de mest almindelige anlægsbelastningssituationer Evnen til effektivt at kunne regulere luftmængden så den hele tiden modsvarer anlægsbelastningen. God pålidelighed dvs. høj rådighedsfaktor og lave vedligeholdelsesomkostninger Figur 5 - Skruekompressor I den dynamiske maskine trækkes luften ind i et skovlhjul som roterer hurtigt rundt og derved tilføres luften arbejde som dynamisk energi (kinetisk) hvorefter lufthastigheden igen sænkes i blæserafgangen og omsættes til statisk tryk, se figur 6
Figur 6 Centrifugal blæser med kompressorhjul For at sikre en fleksibel luftforsyning som kan imødese svingningerne i anlægsbelastningen udstyres beluftningsstationen typisk med 3 aktive enheder og 1 reserveblæser som tager over i tilfælde af fejl eller service på de andre enheder. For at sikre overlap mellem enhederne er der behov for, at hver enhed kan regulere luftmængden målt som massestrøm fra minimum 45% til 100%. For fortrængningsblæsere kan luftmængden i sagens natur udelukkende reguleres effektivt ved at regulere omdrejningstallet mens for dynamiske blæsertyper reguleres luftmængden enten ved at anvende regulerbare skovlgitre placeret før (forrotationsskovle, figur 8) eller efter blæserhjulet (diffusorskovle, figur 9). De mest avancerede centrifugal-blæser-typer anvender en kombination of forrotations - and diffusorskovle kaldet Combined Vane Control (CVC). Alternativt kan dynamiske blæsere også reguleres ved udelukkende at justere omdrejningstallet højhastighedsblæseren "High Speed drive blæser" eller ved en kombination af skovlgitter - og omdrejningstalsregulering. Anvendes der ikke skovlgitre i, vil reguleringsområdet ofte være begrænset til 65% til 100%, hvilket øger kravet til antal enheder for at få overlap mellem enhederne ved lav anlægslast. Figur 7 viser en højhastighedsblæsertype udstyret med variable diffusorskovle for flow regulering. Figur 7 High Speed Drive blæser enhed med diffusorskovle Figur 8 Centrifugal blæser med variable forrotationsskovle Figur 9 Variable diffusorskovle til regulering af flowet Det vil føre for vidt at gennemgå alle de tekniske fordele og ulemper ved de forskellige blæsertyper og deres reguleringsformåen i denne artikel, så derfor sammenlignes de beskrevne konfigurationers energieffektivitet ved at tænkt eksempel som følger.
Designdata for beregningseksempel. Anlægsdata anvendt i regneeksemplet: Anlægs-design-belastning 300.000-400.000 PE Maksimal luftmængde 3*10.000 Nm 3 /H = 8.940 kg O 2 /h Alfa-faktoren er sat to 0,60 Der er anvendt 3 vanddybder til membranerne: 5 mvs, 6,5 mvs & 8 mvs I alle beregningerne er anvendt "normale" tallerkendiffusorer med en tæthed på 15%. Der er ikke lagt vægt på en optimering af denne del af processen. Konstant tryktab til reguleringsventiler etc. er 28 mbar og det maksimale dynamiske tryktab er sat til 77 mbar, se systemkurve figur 10. Klimadata svare til et Mellemeuropæiske forhold dvs. maks. omgivelsestemperatur er 40 ⁰C og luftfugtighed på 60% dvs. den maksimale luftmængde er 35.961 m3/h Der er beregnet energiforbrug ved døgngennemsnit for forår -, sommer -, efterår - & vinter klimaforhold. Der er regnet ved de 3 anlægsbelastninger på 86%, 67% og 58% som er vægtet lige. For at dække det samlede luftbehov (30.000 Nm 3 /h) er der regnet med 3*blæserenheder for de store centrifugal - og kapselblæsere, mens der er regnet med 6 blæserenheder for de mindre højhastighedsenheder og for skruekompressorerne. Valg af blæsersekvensfilosofi Man kan vælge at starte og stoppe blæserenhederne efter Kaskade - eller Parallelprincippet. Ved Kaskadedrift reguleres der kun på en enhed, mens de andre enheder som er i drift holdes enten i minimum (50%) eller i maks. (100%) belastning. Ved Paralleldrift holdes alle enheder i drift så vidt muligt på samme belastning. Det betyder at ved anlægsbelastningen 25.800 Nm3/h vil konfigurationen for Kaskadedrift være 2*100% + 1*58% mens for Paralleldrift vil konfigurationen være 3*86%. Anvendte blæsertyper I eksemplet er anvendt følgende blæsertyper: Type Beskrivelse Omdr.* Antal Turbo CVC Centrifugalblæser Konst. 3 udstyret med forrotations - og diffusorskovle Kapselblæser Tri-lobe Variabel 3 Turbo VVD Centrifugalblæser Konst. 3 kun udstyret diffusorskovle Skruekompressor Tørt løbende Variabel 6 skruekompressor High Speed Drive Direkte drevet Variabel 6 VVD blæser højhastighedsblæs er udstyret med diffusorskovle Mekaniske Overfladebeluftere -- - beluftere *Omdr.: Motor omdrejningstallet holdes konstant eller er variabelt ved brug af en VFD. Motor og VFD tab er beregnet på basis af oplysninger fra ABB Motors. Type Fabrikat Type Turbo CVC Howden Water Technology SGH35CVC Kapselblæser Aerzen GM 240 S Turbo VVD Howden Water Technology SGH35VVD Skruekompressor Robuschi WS 125/4P Figur 10 Systemtrykkurve anvendt for 6,5 mvs eksemplet High Speed Drive VVD blæser Howden Water Technology HSD-T175
Mekaniske beluftere NN - typiske tal fra diverse målinger Beregningsresultater I dette afsnit vises hovedresultaterne af beregningerne i grafisk form. Den gennemsnitlige effektivitet er angivet som det kg O 2 blæserstationen kan levere per forbrugt kwh, dvs. jo højere værdi, jo mere effektivt er det samlede beluftningssystem, se figur 11. Figur 12 Merforbrug sammenlignet med optimal løsning Det ses ligeledes, at valg af en "billigere" centrifugalblæser som kører ved konstant omdrejningstal og udelukkende regulerer flowet ved hjælp af diffusorskovle "Turbo VVD blæser", er en energimæssig dårlig løsning, da denne blæsertype ikke kan optimeres til drift ved lavere driftstryk som er lavere end designtrykket. Figur 11 Samlet gennemsnitlig beluftningseffektivitet Disse resultater viser, at den mest effektive løsning i dette eksempel er en centrifugalblæser udstyret med forrotations - og diffusorskovle "Turbo CVC blæser" som kører ved konstant omdrejningstal eller højhastighedsblæsere "High Speed drive blæser" som kører med variabelt omdrejningstal og som er udstyret med variable diffusor skovle. Sammenlignes de andre løsninger med den optimale fås følgende gennemsnitlige merforbrug (mekaniske beluftere er taget ud fordi selv det bedste merforbrug overstiger optimalløsningen med hele 60%, og for derved at give en bedre sammenligning mellem de forskellige blæserkonfigurationer), se figur 12: Beregningerne viser samtidigt, at der ved dette eksempel ikke synes at være en væsentlig fordel eller ulempe ved at anvende parallel sekvens frem for kaskadesekvens (her er vist resultaterne for "Turbo CVC" løsningen, ved de 3 belastninger og ved 6,5 mvs), se figur 13. Figur 13 Parallel versus Kaskade En god styring er mindst ligeså vigtig. Man kan nemt vælge en effektiv luftblæserteknologi uden at opnå den ønskede besparelse, fordi det kræver en effektiv overordnet styring som hele tiden optimerer driftsforholdene, hvis man skal udnytte det fulde energibesparelsespotentiale. Følgende parametre skal
som minimum indgå i en effektiv styring af luftforsyningen: 1. Styring efter DOL-set-punkt baseret på ammoniak og nitrat koncentrationen så lufttilførslen tilpasses de aktuelle driftsforhold. 2. En styring som sikrer, at blæserne altid arbejder op imod det lavest mulige arbejdstryk. 3. Brug af "Most Open Valve" styringsfilosofien, hvor mindst en luftreguleringsventil holdes mindst 70% til 80% åben for at mindske tryktabet i ventilerne. 4. Brug af Flow-metre til at styre luftventilerne effektivt og undgå "hunting". 5. Brug af en effektiv luftblæser-sekvens-filosofi, så det helt rigtige antal blæsere altid er on-line. 6. Lad være med at lægge for meget sikkerhed på tryk og flow ved valg af luftblæserstørrelsen, for en for "stor" blæser er ineffektiv. Figur 14 viser hvor meget energi, der kan spares, ved en reduktion af tryktabet i systemet, der som udgangspunkt er udlagt til et maksimalt driftstryk på 700 mbar. Figur 14 Energibesparelsen ved en reduktion af tryk-set-punktet Figur 15 viser hvor meget energiforbruget stiger, hvis man øger ilt-set-punktet. Figur 15 Merforbrug ved for højt ilt-niveau (DOL) Konklusion. Da luftforsyningen på et aktivslam renseanlæg er langt den største energisluger, er det netop denne proces som bør optimeres for at opnå væsentlige energibesparelser på 20% op til mere end 60% og selvom der typisk vil være behov for væsentlige investeringer ved en udskiftning til en mere effektiv luftforsyning og tilhørende styring, så betaler investeringen sig typisk tilbage på mindre end 12-36 måneder. Samtidig skal man være opmærksom på, at effektive bundbeluftningssystemer giver bedre reguleringsmuligheder og derfor en bedre renseproces, samt mulighed for at øge renseanlægsbelastningen uden at øge tankvolumen. Et lavere BOD/COD, N2 og P2 niveau i udløbet bidrager også positivt til den samlede økonomi og de samlede CO2 emissionsforhold forbedres samtidigt med brugen af mere energieffektive systemer. Centrifugalblæseren eller turboblæseren er den mest energieffektive teknologi og dybe beluftningstanke ser alt andet lige ud til at give den mest effektive løsning. Sidst men ikke mindst så anbefales det at der søges kvalificeret rådgivning ved valg af luftforsyningsløsninger, da de forskellige blæsertyper har vidt forskellige karakteristika, hvorved en simpel sammenligning nemt kan føre til fejlfortolkninger, fejlinvesteringer og som det fremgår et unødvendigt stort energiforbrug.