автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Применение некорродирующих воздуховодов в системах аэрации биологических очистных сооружений

НЕКРАСОВА Ирина Павловна

аоЭ11И.......

□03170691

ПРИМЕНЕНИЕ НЕКОРРОДИРУЮЩИХ ВОЗДУХОВОДОВ В СИСТЕМАХ АЭРАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ИАй 2ССЗ

НЕКРАСОВА Ирина Павловна

ПРИМЕНЕНИЕ НЕКОРРОДИРУЮЩИХ ВОЗДУХОВОДОВ В СИСТЕМАХ АЭРАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Научный руководитель

Официальные оппоненты

кандидат технических наук Храменков Станислав Владимирович

доктор технических наук Лезнов Борис Семенович

доктор технических наук Залетова Нина Анатольевна

Ведущая организация

ГУП "МосводоканалНИИпроект"

Защита диссертации состоится «25» июня 2008 г в 10 час _30_ мин на заседании диссертационного совета Д 303 004 01 при ОАО «ВОДГЕО» по адресу Комсомольский проспект, 42, стр 2, г Москва, Г-48, ГСП-2, 119992

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просьба направлять по адресу 119048, г Москва, Комсомольский проспект, 42, стр 2, диссертационный совет Д 303 004 01

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВОДГЕО», тел (495) 245-9787, (495) 245-9556, факс (495) 245-9627

Автореферат разослан « 23 » мая_2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета, м, ^

канд техн наук jtf" ЮВ Кедров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Инженерные системы водоотведения и завершающие их комплексы очистных сооружений являются важнейшими элементами коммунального хозяйства, обеспечивающими нормальные усювия 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, фильт-росы 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 некорроди-рующий материал (нержавеющая сталь, пластмасса) или применить специальные устройства, улавливающие взвеси, связанные с коррозией воздуховодов и исключающие засорение внутренних поверхностей аэратора Замена конструкционной стали на ненорродирующие 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 некорродирую-щих материалов для изготовления систем подачи воздуха в аэротенки

Рабочая гипотеза. Энергосберегающие режимы эксплуатации возду-хотранспортирующей 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 показателен,

- 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 конструктивным» (диаметр, толщина стенок воздуховодов и др) и эксплуатациои-

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, па примере реконструкции станций аэрации

Апробация работы. Результаты научных исследований докладывались на Х-и 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 посслкс Волочасвское Калининградской области,

- разработки методики расчета воздуховодов на прочность и жесткость

Личныи 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 н 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 положении, научная новизна и практическая значимость результатов

В первом главе показана определяющая роль процесса аэрации в работе сооружений биологической очистки Разработкой методов расчета и совершенствованием технологии этого современного метода очистки сточных во зани -

лись Е В Алексеев, М Е Бскер, И Ф Вебер, К Вили, Ю В Воронов, 13 Детьс, А И Жуков, А Л Ивчатов, В И Калицун, Я А Карелин, Ф В Кармазинов, Т А Каркшут, 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 аэро-тенков 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 "топким" 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 сооружении 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-днспергаторы 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 £ети 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

г'

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 воздухотраиспортирующих 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, запорпо-регулирующая арматура) и стоимость их монтажа будут возрастать, то есть этот вид капитальных затрат К| увеличивается в зависимости от выбора диаметра воздуховодов с!

Ключевым фактором является имешю диаметр воздуховодов, который влияет на выбор толщины стенок воздуховода и на металлоемкость трубопроводной системы и сопутствующих конструктивных элементов Капитальные затраты К| 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 К| 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

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 rifii ( этом точность задания этих функций может быть более высокой, чем для системы в целом

Оптимизация воздуховодов при проектировании и реконструкции воздухо-подающих 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

е

.-р

d 2

гас/1— коэффициент сопротивления трения, £, d — длина и диаметр секции воздуховода, ¡J) — плотность воздуха, v — скорость воздушного потока в воздуховоде

дРд = ^тР"

Таб ища 1

Воздуховоды аэротенков ЛбСЛ

№ Диаметр труб 0-проводл Длина I,, м (1 аэро-■ емк) Общая длина, м Объем МС1 J.lJla, м3 р, % Примечание

1 2 3 4 5 6 7

Аэротепки ЛбСА

1 630 27 405 4 10,9

2 47В 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 Магистр ал ь-ныи

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

1/4

работают в области квадратичного сопротивления, при этом X = 0,11(КЭ / с!) Шероховатость воздуховода Кэ возрастает в процессе эксплуатации вследствие процесса коррозии, запыленности и налипания волокон на внутреннюю по верх-ность воздуховода Анализ, выполненный В С Боровковым и Ф Г Майра-новским, показал, что значение К, 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 Мсшенгиссером, 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, = К,о , гд<ь^= 0,1 мм/год — опытный коэффициент, характеризующий темп изменения шероховатости, I — время в месяцах, найдем среднее значение/?с

К

Я, =-

■ м р

-0,11

1,25 эО

а1/4 а 1,25

аТ,

1,25

0

= 01

\1 / 4

1,25004

аТл

Кэ0

1,25

При = 0,1 10"э м/год, К-,о = 10~3 м, Т, = 50 лет находим Хс = 1,32Л

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 значениеДс = 1,3§/?о, запишем следующее выражение для потерь давления в секции воздуховода, работающего в области квадратичного сопротивления при расчетном расходе 0Р с

гдебр — условная расчетная длина воздуховода, отражающая влияние местных сопротивлений на потерн 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

Рд=

У d 2 d г 2

где О-, — эквивалентная (по аэродинамическим потерям в местных сопротивлениях) длина воздуховода Поскольку значение /? слабо зависит от диаметра {Г?= сГ1/4), значение

/ 1 С

=- может быть найдено по среднему значению^, обычно близкому к

d А.

0,015, по отношению^ /d = 70 ^ С,

Использование этого приема позволяет сохранить без изменения весь последующий алгоритм расчета, где вместо ^ далее в формулах потери давления следует использовать^, = ¿f ^ 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 ^

гдe¿ Г— суммарное значение коэффициентов местных сопротивлений в гра-

- Z7

ницах рассматриваемой секции воздуховода, L--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 0 и его составляющих д, в точках раздачи, которые сохраняются заданными

Капитальные затраты на изготовление и монтаж воздуховодов связаны, прежде всего, с весом металлоконструкции воздуховода, который зависит от диаметра воздуховода с1, толщины его стенки $ и протяженности £ Избыточное давление воздуха ррасч внутри воздуховода

V2

Ррасч +Д Ра +/)а(2^по„ +^кран + ЛРмГСаС

где^пов^кран^вх^дл — коэффициенты местных сопротивлений для рассматриваемых секции

При глубине Ьг = 3-6м первое слагаемое этого выражения оценивается

средним значением 45 кПа, значение^ ра для мелкопузырчатых аэраторов близко к

2 от

2

С

ставляет 220 Па, последнее слагаемое при 15 м/с и — =40 составит 116 Па,

(1

£

при — ~ 100 это слагаемое возрастет до 290 Па Оценочные величины потерь дав-<1

ления 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 ^ ^ кр[а длине секции воздуховода '

4 Потери по длине секции 0,1-0,3 кПа

у

7,5 кПа, третье слагаемое равно 4,4—^, что при скорости в отводе =10 м/с со

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

вода 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

}? ¿2 О1'75

в = рм8тс/| Ст<1 + (рг + ра + р0 + р3) — + 0,018

2ор<1

где Ст — технологическая добавка к расчетной толщине стенки, рг — гидростатическое давление водяного столба над аэратором, ра — перепад давления на аэраторе,

р0 — потери давления в отводе с учетом принадлежащих ему местных сопротивлений (вход, повороты, кран-регулятор и т п ), р, — запас избыточного давления в воздуховоде, (у р — допускаемое напряжение на растяжение

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

с!2 <&75 *

э1рс т = э,рРмЕ7с/ Ста+(рг+ра + р0 + Рз)—+0,018—

2орс1

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

— 0 ¿2 0,018С&75 а

51Трыи/тс4+(Рг+Ра+Ро+р,) — + —,

20р 2ар<3 ' р

где 8|Т — удельная стоимость материала воздуховода

Используя приведенные выше выражения, получаем

Р -10,174 7,53 10-6 ^02,75 ¿р От 1 £

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)

ЭГ =Э, (1 + п)1

Э,.

коп/кВт ч

54 0 52 0 50,0 48 0 46 0 44,0 42 0 40 0

38,0

4

L

• --- ✓

**

< 1 1

> ^

**

**

2003

2007

год

2004 2005 2006

Рис. 2 Изменение тарифа на электроэнергию,

1 — в фактический тариф

2 — + расчет по сложным процентам Э(к = Э[ (1 + п)' при п = 0,084,1 — число лет

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

(1 + п)4 = 54,64 39,56

откуда п = 0,084

Э,

(1 + 0,084)

50

56,42-1 0,0807

= 686,7

1п 1,084 1п 1,084

При постоянном тарифе и расчетном сроке эксплуатации 50 лет затраты на электроэнергию составят 50 Э|, 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

■ЭЦ

(1 + п)Т'

1п(1 + п) 1п(1 + п)

= Э1Р

(1 + 0,04)

,50

1

7,11

0,0392 0,0392

= 155,8

1п 1,04 1п 1,04

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

10,174

С 1 ЙП

¿0 =

,-5 1

ч2,75

Капитальные затраты на сооружение воздуховода

/V, . , ч сЗ2 0,0266 Орс л 51 ТРМ№ СТ<1 + (рг + Ра + Р0 + РзЬ-+ --р

20р 2 ар ¿5,^-5

Капитальные затраты на "условную" воздуходувную установку для прокачки расхода Г)р по секции с учетом стоимости подключения

О

81м^=81„ 2,6610"5

А '

Эксплуатационные расходы на оплату электроэнергии с учетом инфляционных тенденций

13,73Э11ЧСТ = 13,73Э, 2,66 10

-5 ^рс

/т

а5-25 р

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

здгэ^т^ ста+(рг+ра+р0 + рз)~—+

2ар

2ар+ 2ар

¿2 0,0266 Орс_/

Дифференцируя полученные затраты по переменной с! 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 (^ Л) и правой части (1§ 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

О2'75

0,75 Ю-3 + 0,34 10~3с1о = 7,5 Ю-6

¿0 =

с!о =

6,19

¿>

0,16

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

,'Л

50

1 0

к п а= о,5 м /с 1в 0= 1 м>-<

/ , 0= 2 0 м7с

/) у ....... 0= 5 N к а= ю

//л

/л

////

Рис 3 Графоаналитическое решение оптимизационного уравнения (воздуховоды из нержавеющей стали с учетом технологических добавок)

->0 -29 -28 -2 7 -?6 -2"> -/С

Рис 4 Характер изменения оптимальных параметров воздуховодов

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

тыс руб

600 0 -----

си г м'/о

0 = 3 ¡им / = 50 м 1 V = 27 7 м/с

500 С--Л----

\

400 0 --V--— --

зооо'-----

02 03 0-1 05 м

Четвертая глава посвящена описанию опыта реконструкции аэрацион-ных 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 исполни-

к ии системы по ачи и асп е еления воз ха п и-

руо

о= г м'/о 0 = 3 ¡им / = 50 м V = 27 7 м/с

*

02 03 04 05

Рис. 5

пяло решение об изготовлении труб для воздуховодов при реконструкции ЛОС из нержавеющих сталей аустенитного класса — 08X18Н9 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 не-корродирующих 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

и з хово ы из неко о и-

рующих 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 аир 2006 Ч 1 СПб, 2006 с 274-277

ЗИП Некрасова «Энергосберегающие технологии восстановления оборудования систем водоснабжения и водоотведения» Материалы Х-й науч -практ конф «Проблемы управления качеством городской среды», М Мосводока-налНИИп оект, 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 воздухопо-дающих систем» // «Водоснабжение и санитарная техника», 200,?, №6, с 17-21

В ВЕДЕ НИ Е.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

1. СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ВОЗДУХА В АЭРОТЕНКИ

СООРУЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОЧИСТНЫХ ч СООРУЖЕНИЙ.

1.1. Аэрация — основа технологического процесса биологической очистки сточных вод.

1.2. Система подачи и распределения воздуха станций аэрации.

1.3. Опыт эксплуатации систем подачи и распределения воздуха в аэротенках.

Выводы по главе 1.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ

РАСЧЕТОВ СИСТЕМ ПОДАЧИ ВОЗДУХА В АЭРОТЕНКИ

2.1. Минимум суммарных затрат как основа оптимизации воздухотранспортирующих систем станций аэрации.

2.2. Поэлементный подход, к оптимизации воздухоподающих систем с учетом взаимодействия элементов.:.

2.3. Статистический анализ протяженности, материалоемкости и аэродинамических условий работы воздуховодов.

2.4. Учет особенностей сопротивления воздуховодов при оптимизационном анализе.

2.5. Экспериментальное обоснование принятой в расчетах интенсивности процессов коррозии воздуховодов на потери давления.

2.6. Анализ капиталвных затрат и ремонтно-эксплуатационных расходов для воздуховодов из нержавеющей:стали.:.

2.7. Оптимизация параметров аэрационных воздуховодов из нержавеющей и конструкционной стали с учетом инфляции.

Выводы по главе 2.•.

3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХОВОДОВ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ И

ЭКОНОМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ.

3.1. Определение оптимальных параметров воздуховодов из нержавеющей стали при постоянных тарифах на электроэнергию и ремонтно-восстановительные работы.

3.2. Расчеты оптимальных параметров воздуховодов с учетом инфляционных тенденций.

3.3. Расчеты оптимальных параметров воздуховодов из конструкционной стали с учетом влияния их коррозии и местных сопротивлений.

3.4. Оценочные расчеты возрастания суммарных затрат по аэрационным воздуховодам при отступлении от оптимальных параметров.

Выводы по главе 3.

4. ОПЫТ РЕКОНСТРУКЦИИ АЭРАЦИОННЫХ ВОЗДУХОВОДОВ СООРУЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД (на примере московских станций аэрации).

4.1. Технологические и технико-экономические показатели систем воздухоподачи до реконструкции.

4.2. Выбор инженерных решений по реконструкции систем воздухоподачи с учетом влияющих факторов и данных обследований.

4.3. Технология реконструкции систем воздухоподачи на основе использования современного оборудования и материалов.

4.4. Технологический и технико-экономический эффекты реконструкции систем воздухоподачи.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Актуальность работы

Инженерные системы водоотведения и особенно завершающие их комплексы очистных сооружений являются важнейшими элементами коммунального хозяйства, обеспечивающими приемлемое экологическое состояние природной водной среды и нормальные условия жизни населения городов [16, 28, 29, 51, 55]. Основным методом очистки хозяйственно-бытовых и многих промышленных сточных вод в России и других странах является технология биологической очистки. Определяющим фактором эффективности биологической очистки является растворенный кислород, который поступает в воду как составная часть воздуха в процессе искусственной аэрации, то есть насыщения воды пузырьками воздуха. Воздух в аэротенки подается от воздуходувной станции по воздуховодам. При этом расстояние от воздуходувной станции до аэротенков может быть достаточно большим.

Внутренние поверхности стенок воздуховодов станций биологической очистки сточных вод, выполненных из "черного" металла, интенсивно корродируют под воздействием влажности и загрязняющих химических примесей транспортируемого воздуха. Продукты коррозии транспортируются потоком воздуха к концевым участкам воздухопроводов, где расположены диспергаторы (аэраторы, фильтросы и им подобные элементы), преобразующие компактный воздушный поток в мельчайшие пузырьки воздуха. Поры и отверстия дисперга-торов забиваются продуктами коррозии, расход воздуха через диспергаторы уменьшается, соответственно уменьшается количество растворенного кислорода в массиве очищаемой воды и снижается интенсивность процесса к очистки. Это вызывает необходимость повышать давление воздуха и увеличивать расход электроэнергии.

Состояние системы пор в диспергаторах, в том числе, 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 воздуховодов из конструкционной стали на некорродирующие материалы позволит обеспечить не только экономию затрат на электроэнергию в результате улучшения аэродинамического состояния воздуховодов, но и добиться надежной и эффективной эксплуатации сооружений биологической очистки и обеспечить нормативное качество очищенных вод на протяжении длительного срока. Некоторые импортные высокоэффективные аэраторы, устанавливаемые в настоящее время на реконструируемых отечественных станциях аэрации, по техническим условиям даже не предусматривают возможность применения воздуховодов из конструкционной стали.

Наличие в нашей стране сотен крупных сооружений биологической очистки сточных вод, на которых давно назрела необходимость реконструкции систем подачи и распределения воздуха, делает направление настоящей диссертационной работы весьма актуальным. N

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.

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) и4 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.

Апробация. Результаты научных исследований докладывались на заседании научно-технического совета ГУЛ "Мосводоканал" 21 марта 2006 года, протокол № 79; на научно-технических семинарах кафедры водоотведения Московского государственного строительного университета в 2006 и 2007 гг.; на Х-й научно-практической конференции "Проблемы управления качеством городской среды" в 2006 г.

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

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.

Внедрение результатов исследований.

Результаты исследований внедрены путем:

- создания действующей системы подачи и распределения воздуха в аэ-ротенки 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.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ a,- — доза ила, г/л

0 — вес, г — ускорение свободного падения, м/с2 о у — удельный вес, г/см Б, с1 — диаметр, м 5 — толщина стенки, м £— прогиб, м

Е — модуль упругости, Н/м

С, —- коэффициент местных сопротивлений

Н — напор, м

Ь — глубина; высота, м

1 — гидравлический уклон I — момент инерции, м4

К — капитальные затраты, руб. Кэ — эквивалентная шероховатость к — коэффициент b, £ — длина, м

Ьеп — БГЖ поступающей в аэрационное сооружение сточной воды, мг/л

А, — коэффициент сопротивления трения

Хэ — коэффициент неравномерности расходования энергии

М — момент (изгибающий), Н' м ш — коэффициент, показатель степени

N — мощность воздуходувки, кВт п — коэффициент; показатель степени; темп инфляции

V — кинематическая вязкость р — давление, Па (напор, м вод. ст) л расход (воды или воздуха), м /с q — нагрузка на активный ил

Я — газовая постоянная; амортизационные отчисления р — плотность, г/см3 Яе — число Рейнольдса

С — технологическая (конструктивная) добавка на массу воздуховода сварные швы, элементы жесткости и т. п.) 8 — стоимость, руб. 8 — зольность ила ст — стоимость электроэнергии; коэффициент сопротивления (напряжения) материала Т — время, срок, с, ч, сут t — время; длительность пребывания сточной воды в аэрационном сооружении; температура; показатель степени V — скорость движения (воды или воздуха), м/с \У -— момент сопротивления сечения воздуховода Э — экономический фактор, затраты на эксплуатацию, руб/г г| — коэффициент полезного действия

ИНДЕКСЫ а, аэр — аэратор, аэрация в. с — водяной столб вх, еп — относящееся ко входу д — относящийся к длине изб — избыточное

1 — текущее значение н — нормальное (состояние) о — исходное, начальное значение общ — общее значение пов — относящееся к повороту полн — полный, полное значение пред — предельное значение р — расчетное значение с — собственный с, ср — среднее значение сж — сжатое (состояние) ст — сточная (вода); статическое т — технологическое значение тр — трение ф — фактическое значение э — энергия, энергетический экв — эквивалентное

АББРЕВИАТУРЫ

БПК — биохимическая потребность в кислороде

ЛОС — Люберецкая станция аэрации

НЛОС — Новолюберецкие очистные сооружения

О (лат.) — кислород

Ст-3 — конструкционная сталь

ХПК — химическая потребность в кислороде

ЦДЛ — центральный диспетчерский пункт

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 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.

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

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 не-корродирующих 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 НовоЛюберецких очистных сооружениях, на очистных сооружениях ГУП "Водоканал" г. Подольска.

1. Авиационные материалы. Справочник в 9-ти тт. под общ. редакцией А.Т. Туманова. М.: ВНИАМ, 1973.

2. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М.: Недра, 1982. 223 с.

3. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Строй-издат, 1975

4. Андреев В.Н. Энергосбережение на МП "Ярославльводоканал" // Водоснабжение и санитарная техника, 2003, № 4. с. 35

5. Барбин А., Джоунс Дж. Турбулентное течение в начальном участке гладкой трубы. Техническая механика, 1963. Т. 85, сер. D, № 1

6. Бекер М.Е., Лиепинын Г.Н., Райпулис Е.П. Биотехнология. М.: ВО Аг-ропромиздат, 1990. 334 с.

7. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 702 с.

8. Богуславский Л.Д. Выявление экономической целесообразности энергосберегающих мероприятий // Водоснабжение и санитарная техника, 1992, № 1, с. 18

9. Борисов A.A., Волосов H.A., Некрасова И.П. Ремонт технологического оборудования для предприятий водоподготовки и водоотведения. "Практика ремонта, восстановления и модернизации", 2005, № 4. 7-9

10. Боровков B.C. Учет характеристик турбулентного пограничного слоя при гидравлических расчетах. Справ, пособие "Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений". М.: Энергоатомиз-дат, 1988

11. Боровков B.C., Майрановский Ф.Г. Аэрогидродинамика систем вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1978. 115 с.

12. Водоотведение и очистка сточных вод / Ю.В. Воронов, C.B. Яковлев. 4 изд. M.: АСВ, 2006. 704 с.

13. Водоснабжение и водоотведение. Наружные сети и сооружения. Справочник под ред. Б.Н. Репина. М.: "Высшая школа", 1995. 431 с.

14. Воронов Ю.В., Саломеев В.П., ИвчатовА.Л. Реконструкция и интенсификация работы канализационных сооружений. М.: Стройиздат, 1989.224 с.

15. Гордеев М.А., Попкович Г.С. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения. М.: Стройиздат, 1986. 392 с.

16. Дайнеко Ф.А., Ершов Б.А. От Люберецких полей фильтрации к природоохранному комплексу. Под ред. ^авторов. М.: изд. "ABO", 1998. 138 с.

17. Дерюшев Л.Г., Волков Н.Б., Малащенко В.А., Шевелев А.Ф. Области применения методов защиты труб // Водоснабжение и санитарная техника, 1985, № 6. с. 7

18. Загорский В.А., Данилович Д.А., Дайнеко Ф.А. и др. Реконструкция аэротенков Люберецкой станции с внедрением технологии нитри-денитрификации. Сборник публикаций. М.: ЗАО "ИКНЭО", май 2006

19. Зарембо Ю.Г. Об особенностях определения эффективности модернизации, снижающей капиталоемкость продукции // Ремонт, восстановление, модернизация, 2007

20. Зарембо Ю.Г. Об оценке экономической эффективности модернизации, реконструкции и ремонта // Водоснабжение и санитарная техника, 2004, № 3 ; № 4

21. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин. В 2-х тт. под ред. A.A. Герасименко. М.: Машиностроение, 1987. 688 с.

22. Идельчик И.Е. Гидравлические сопротивления. М.: Госэнергоиздат, 1954

23. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение. 1975. 560 с.

24. Инженерное оборудование зданий и сооружений. Энциклопедия. Гл. ред. C.B. Яковлев. М.: Стройиздат, 1994. 512 с.

25. Калицун В.И. Водоотводящие системы и сооружения. Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1987. 336 с.

26. Канализация населенных мест и промышленных предприятий: Справочник проектировщика. Изд. 2-е, перераб. и доп. Под ред. В.Н. Самохина. М.: Стройиздат, 1981. 638 с.

27. Карелин Я.А., Жуков Д.Д., Журов В.Н., Репин Б.Н. Очистка производственных сточных вод в аэротенках. М.: Стройиздат, 1978. 222 с.

28. Кармазинов Ф.В. Повышение эксплуатационной надежности, управляемости и эффективности системы водоотведения крупного города. Дис. в форме науч. докл. . докт. техн. наук. СПбГАСУ. СПб, 2000. 85 с.

29. Комплексное ,использование водных ресурсов: Учеб., пособие / C.B. Яковлев, И.Г. Губий, И.И. Павлинова, В.Н. Родин. М.: Высш. шк., 2005. 384 с.

30. Кочегаров А.Д. Организационно-экономический механизм формирования ресурсосберегающей системы управления жилищно-коммунальным хозяйством. Дис. . канд. экон. наук. М., 2000. 152 с.

31. Крупкин Г.Я. Шероховатость внутренней поверхности воздуховодов. Тр.МИСИ, 1971. Сб. №87

32. Кульский JI.A. и др. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды: В 2 ч. Киев: Наукова думка, 1980. 1206 с.

33. Кунахович А.И. Концепция энергоресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве //Водоснабжение и коммунальная техника, 1997, № 12, с. 20

34. Курганов A.M., Федоров Н.В. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения: Справочник. 3-е изд. Л.: Стройиздат, 1986. 440 с.

35. Ласков Ю.М., Воронов Ю.В., Калицун В.И. Примеры расчетов канализационных очистных сооружений. Учеб. пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1987. 256 с.

36. Лезнов Б.С. Определение экономии энергии при регулировании частоты вращения воздуходувных машин / Б.С. Лезнов, C.B. Воробьев, Н.Б. Лезнов // Водоснабжение и санитарная техника, 2002, № 7. Ч. 2.

37. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках / Б.С. Лезнов. М.: Энергоатомиздат, 2006. 360 с.

38. Ливчак И.Ф. "Ключи" к энерготопливосбережению //Водоснабжение и санитарная техника, 1994, № 11, с. 14

39. Методика технологического контроля работы очистных сооружений городских канализаций. М.: Стройиздат, 1977. 303 с.

40. Методы обеспечения надежности очистки сточных вод / Г.М. Тазетди-нов, М.С. Гоухберг, Л.В. Зелик и др.//Водоснабжение и санитарная техника, 1996, №11.2-4

41. Мешенгиссер Ю.М. Теоретическое обоснование и разработка новых полимерных аэраторов для биологической очистки сточных вод. Дисдокт. техн. наук. М.: НИИ ВОДГЕО, 2005

42. Мешенгиссер Ю.М. Характеристика эксплуатационных параметров полимерных трубчатых аэраторов / Ю.М. Мешенгиссер. Сб. тр. Харьк гос. техн. ун-та стр-ва и архитектуры. Вып. 7. Харьков, 1999.

43. Мифы и реальность энергосбережения. ЭЖплюс: изд. еженедельника "Экономика и жизнь", март 2006. с. 1-2

44. Москвитин Б.А., Мирончик Г.М., Москвитин A.C. Оборудование водо-проводно-канализационных сооружений. М.: Стройиздат, 1984. 192 с.

45. Найденко В.В., Кулакова А.П., Шеренков И.А. Оптимизация процессов очистки природных и сточных вод. М.: Стройиздат, 1984. 152 с.

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

47. Некрасова И.П. Энергосберегающие технологии восстановления оборудования систем водоснабжения и водоотведения. Материалы Х-Й на-уч.-практ. конф. "Проблемы управления качеством городской среды" М.: МосводоканалНИИпроект, 2006. с. 141-143

48. Николаевский Е.Я., Тавастшернар Р.И., Зильберберг А.Л., Рузанов А.Г. Технологические трубопроводы в промышленном строительстве. Справочник монтажника. М.: Стройиздат, 1979. 800 с.

49. Нормы по оценке надежности оборудования, систем водоснабжения и водоотведения ВСН-24-87 (доп. изд.). М.: МО, 1993. 230 с.

50. Отведение и очистка сточных вод Санкт-Петербурга / Коллектив авторов. СПб.: изд. "Новый журнал", 2002. 673 с.

51. Остсемин A.A., Дильман B.JI. Прочность прямошовных и спирально-шовных труб магистральных трубопроводов. Сварочное производство, 2001, №2

52. Остсемин A.A., МенихесЛ.Д. Напряженно-деформированное состояние двухслойных сосудов при динамическом нагружении. Вестник машиностроения, 2003,№ 8

53. Пановко Я.Г., Губанова H.H. Устойчивость и колебания упругих систем. М.: Наука, 1979. 384 с.

54. Правила охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами. Утверждены 21.01.1991. Гос. Ком. по охране природы СССР. М., 1991. 34 с.

55. Пробирский М.Д. Восстановление изношенного оборудования // Водоснабжение и санитарная техника, 1998, № 10. с. 32

56. Проектирование пластмассовых трубопроводов. Справочные материалы. Под ред. B.C. Ромейко. М.: ТОО "Изд. ВНИИМП", 2001. 134 с.

57. Проектирование сооружений для очистки сточных вод. Справочное пособие к СНиП 2.04.03-85. М.: Стройиздат, 1990. 192 с.

58. Промышленная микробиология. Под ред. Н.С. Егорова. М.: Высшая школа, 1989. 687 с.

59. Проскуряков A.M. Определение газодинамических характеристик нагнетателей на КС / A.M. Проскуряков, А.И. Черников, В.И. Лысюк, М.Б. Письман // Газовая промышленность, 2000, № 5

60. Расчет и конструирование трубопроводов: Справ, пособие. Б.В. Зверьков, Д.Л. Костовецкий, Ш.Н. Кац и др. Л.: Машиностроение, 1979

61. Рекомендации по расчету среднегодовых нормируемых показателей расхода энергетических ресурсов в системах водоснабжения и водоот-ведения. М.: ОНТИ АКХ, 1984

62. СанПиН 4630-88. Санитарные нормы и правила охраны поверхностных вод от загрязнения / Минздрав СССР. М., 1988. 69 с.

63. СНиП 2.04.03-85. Строительные нормы и правила. Канализация. Наружные сети и сооружения. М.: ЦИТП, 1985. 72 с.

64. Соколов Л.И. Ресурсосберегающие технологии в системах водного хозяйства промышленных предприятий. M.: АСВ, 1997. 256 с.

65. Соколовский В.В. Теория пластичности. М.: Высшая школа, 1969. 608 с.

66. Справочник машиностроителя. Том 3. Под ред. C.B. Серенсена. М.: Машгиз, 1962. 651 с.

67. Справочник по машиностроительным материалам. В 4-х тт. Под ред. Г.И. Погодина-Алексеева. Т. 1. Сталь. Ред. тома Ю.А. Геллер. М.: Машгиз, 1959

68. Справочник по эксплуатации систем водоснабжения, канализации и газоснабжения. JL: Стройиздат, 1981

69. Справочник промышленного оборудования. Хабрахманов А.Р. и др. М.: Вентиляция, водоснабжение, теплоснабжение, 2004. 351 с.

70. Схиртладзе А.Г. Определение экономической эффективности ремонтных мероприятий./УРемонт, восстановление, модернизация, 2003, № 11

71. Схиртладзе А.Г. Экономическая эффективность капитального ремонта и модернизации./УРемонт, восстановление, модернизация, 2003, № 7.

72. Терехов A.JL, Мамаев В.К., Власов E.H., Применко В.Н. О предупреждении аварий в трубопроводах технологической обвязки нагнетателейна компрессорных станциях. Науч.-техн. сб. "Транспорт и подземное хранение газа", 2005, № 3. с. 3-14

73. Тимошенко С.П. Курс теории упругости. Киев: Наукова думка, 1972. 506 с.

74. Трухин Ю.А., Луптаков В.И. Снижение энергозатрат при эксплуатации центробежных компрессорных машин //Водоснабжение и санитарная техника, 2004, № 7. с. 16,

75. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Госфизматиздат, 1963. 539 с.

76. Храменков C.B., Некрасова И.П. Особенности внедрения воздуховодов систем аэрации из нержавеющих сталей. // Водоснабжение и санитарная техника, 2006, № 6, с. 17-21

77. Храменков C.B. Современное положение и перспективы развития Московских станций аэрации // Водоснабжение и санитарная техника, 1996, № 1. с. 3

78. Храменков C.B., Гаврилин E.H. и др. Энергосберегающая система управления режимом работы насосной станции // Водоснабжение и санитарная техника, 1999, № 6. с. 36

79. ХусуА.П., Ватенберг Ю.В., ДальмовВ.А. Шероховатость поверхностей. М.: Наука, 1975, 343 с.

80. Шлугер М.А. и др. Коррозия и защита металлов. М.: Металлургия, 1981.214 с.

81. Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства / Д. С. Щавел ев, М.Ф. Губин, В.Л. Куперман и др. М.: Стройиздат, 1986

82. Эксплуатация систем водоснабжения, канализации и газоснабжения: Справочник. СПб, 2006. 382 с.

83. Эль М.А., Эль Ю.Ф., Вебер И.Ф. Наладка и эксплуатация очистных сооружений городской канализации. М.: Стройиздат, 1977. 232 с.

84. Яковлев C.B., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод / Учеб. для вузов: M.: АСВ. 2002. 704 с.

85. Яковлев C.B., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., КалицунВ.И. Водоотведе-ние и очистка сточных вод. Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1996. 591 с.

86. Яковлев C.B. Карюхина Т.А. Биологические процессы в очистке сточных вод. М.: Стройиздат, 1981. 200 с.

87. P.Biswas. Non linear thermal vibration of skew cylindrical panel // XVIII Intenjational congress of Theoretical and Applied Mechanics. Technion. — Israel. Institute of Technology. — Haifa, 1992

88. Hincu S., Jonescu F. Movement turbulent des fluides dans la portion d'entrée des conduites circulaires sous pression C.A. Acad. Se. Paris, 1964. T. 259

89. Suzuki S.J. Dynamic behavior of a ring subjected to time-dependent fluid pressures. International Journal of Mechanical Sciences. 1977, V. 19, № 1