În perioada 2007 – 2014, România a beneficiat de fonduri pentru investiții în domeniul epurării apelor uzate urbane. Finanțările s-au realizat prin Programul Operațional Sectorial Mediu, iar operatorii regionali de apă nu au contribuit la efortul investițional, dar după punerea în funcțiune a stațiilor de epurare vor fi nevoiți să suporte toate costurile de exploatare.
Este demonstrat faptul că, în cazul stațiilor cu treaptă biologică de epurare, costurile legate de funcționarea suflantelor de producere a aerului necesar sistemelor de aerare sunt preponderente. Din acest motiv, se impune utilizarea de echipamente eficiente energetic, fiabile, sigure în exploatare și având costuri de operare și mentenanță reduse.
Institutul Național de Cercetare – Dezvoltare Turbomotoare COMOTI este implicat, de peste 30 de ani, în dezvoltarea de compresoare și suflante centrifugale de aer cu o largă aplicabilitate în industrie și în procesele de epurare. Valorificând excelenta structură de cercetare și dezvoltare, facilitățile de experimentare și de producție, experiența acumulată în timp, COMOTI realizează produse cu eficiență energetică crescută.
Echipamente cu o eficiență energetică crescută
Activitățile de cercetare-dezvoltare desfășurate în COMOTI pentru realizarea unor suflante centrifugale de aer eficiente din punct de vedere energetic au vizat numeroase obiective. Dintre acestea, cele mai importante sunt:
- optimizarea rotorilor centrifugali ai treptei de comprimare prin remodelarea formei 3D a paletelor, ceea ce a condus la diminuarea pierderile de presiune și debit;
- utilizarea de materiale având caracteristici mecanice superioare pentru realizarea rotorilor centrifugali, având ca efect reducerea greutății pieselor în mișcare;
- reducerea interstițiului dintre paletele rotorului centrifugal având o turații de până la 30.000 rpm și statorul treptei de comprimare a aerului ca urmare a utilizării unor cupluri corespunzătoare de materiale abrazive/abradabile;
- încărcarea eficientă a treptei de comprimare, rezultând o suflantă centrifugală redusă ca gabarit; optimizarea statorului compresorului;
- utilizarea de sisteme de admisie și de evacuare a aerului ce permit reglarea debitului de aer furnizat de suflante în funcție de cerințele din treapta de aerare biologică, cu reducerea corespunzatoare a energiei consumate.
Toate componentele majore ale suflantelor centrifugale de aer realizate de COMOTI, respectiv rotorul centrifugal, difuzorul, volute, sistemul de admisie și sistemul de refulare au fost optimizate în 3 etape principale:
1. Calcul CFD (Computational Fluid Dynamics)
Realizat prin utilizarea programelor ANSYS 13 și NUMECA, CFD a permis modelarea 3D a paletelor rotorului centrifugal, difuzorului și voluteiși a condus la o creștere substanțială a eficienței suflantelor centrifugale, la reducerea consumului de energie și la creșterea încărcării pe treapta de comprimare. Eficiența rotorului centrifugal a crescut de la 80-85% la 92-96%, iar pierderile de presiune în stator s-au redus la 2-3%.
2. Calcul de rezistență și vibrații
Aplicat tuturor pieselor suflantelor centrifugale, a permis optimizarea dimensională și reducerea masei acestora cu îndeplinirea tuturor criteriilor de rezistență și vibrații. Au fost utilizate programe specializate, NASTRAN / PATRAN, parametrii (coeficienți de siguranță și frecvențe proprii) fiind adecvați regimului de lucru și secvenței de pornire.
3. Modelarea 3D
Pe lângă programele de notorietate CATIA, Solid Edge și Unigraphics, au fost utilizate programe proprii, dezvoltate în COMOTI, îmbunătățite și calibrate prin date experimentale obținute pe standurile de testare.
Experiență și know-how
Suflantele centrifugale de aer produse în COMOTI se caracterizează prin eficiență, încorporează experiența COMOTI și know-how în domeniul mașinilor paletate. Ele sunt rezultatul unor cercetări avansate în calcul aerodinamic, rezistență și vibrații, utilizare de materiale și tehnologii avansate ce conferă suflantelor simplitate în operare, siguranță în exploatare, fiabilitate, costuri reduse de întreținere și o resursă extrem de mare între reparații.
Produsele realizate de COMOTI au lucrat chiar peste 60.000 de ore fără reparații capitale, singurele servicii de întreținere fiind înlocuirea uleiului și a rulmenților motoarelor electrice de acționare.
Suflantele centrifugale de aer realizate de COMOTI încorporează următoarele elemente de know-how:
- forma rotorului centrifugal și a paletelor, principalele elemente ce conduc la obținerea parametrilor de debit și presiune;
- soluțiile constructive de control al debitului de aer;
- sistemul de lagăruire a axului rotoric și a roții centrale;
- tehnologiile de prelucrare de înaltă precizie;
- sistemul de automatizare, control și măsurare a parametrilor suflantei centrifugale, adaptat cerintelor specifice ale procesului de epurare a apelor uzate din fiecare stație.
Facilitățile tehnice și de producție din COMOTI permit realizarea de piese complexe și de înaltă tehnologie. Mașinile de frezat CNC în 5 axe, strungurile de ultimă generație, sistemele complexe de măsură și control în 3D, bancurile de testare și un personal tehnic cu înaltă calificare permit dezvoltarea propriilor proiecte și furnizarea de servicii de întreținere și mentenanță pentru produsele livrate în garanție și post-garanție.
Operarea simplă și sigură
Sistemul de automatizare și control simplifică toate comenzile și permite selectarea unui regim optim de operare, adecvat specificului, cerințelor și caracteristicilor stației de epurare a apelor uzate, fără intervenția factorului uman, ceea ce reduce consumul de energie și costurile cu forța de muncă aferentă.
Sistemul de control PLC selectează regimul de operare optim, afișează parametrii de lucru, asigură protecția generală, comunicarea Ethernet, integrarea în sisteme DCS sau SCADA, achiziția și stocarea datelor pentru analiză, întreținere și istorie preventivă.
Eficiența în exploatare – criteriul principal
Dezvoltarea suflantelor centrifugale de aer de către COMOTI, are în vedere, în principal, eficiența exploatării, ce este un rezultat direct al reducereii consumurilor energetice, dar și din scăderea costurilor de operare și mentenanță.
Reducerea consumurilor energetice se datorează optimizării formei rotorului centrifugal, reducerii masei acestuia, optimizarea difuzorului, volutei și admisiei, utilizării unui sistem de reglare a debitului ce permite adaptarea permanentă a regimului de funcționare la necesarul de aer, variabil în timp, al stației de epurare
Costurile de operare sunt reduse datorită sistemul de comandă, control și automatizare. Acesta este eficient, stabil, iar în caz de incidente răspunsul este prompt. Intervenția operatorilor umani este minimă și simplă, partea de software fiind prietenoasă.
Costurile reduse de mentenanță cresc eficiența echipamentului. Piesele în mișcare de rotație nu sunt în contact direct cu piesele conjugate, uzura este astfel extrem de redusă și drept urmare nu este necesară înlocuirea acestora în timp. Ciclul de viață al suflantelor centrifugale de aer este de 200.000 ore de funcționare. Sunt necesare revizii la fiecare 4.000 de ore de funcționare, dar au fost cazuri de excepție în care suflantele au funcționat la beneficiar peste 60.000 de ore fără revizii.
Noi strategii de creștere a eficienței energetice
Strategia COMOTI de dezvoltare a suflantelor centrifugale de aer are în vedere noi soluții constructive menite a îmbunătăți eficiența de operare prin creșterea performanțelor echipamentelor și fiabilitate, reducerea consumului de energie, modernizarea sistemului de comandă și control prin:
- Utilizarea de motoare electrice de antrenare de mare viteză;
- Continua optimizare a treptei de comprimare;
- Modernizarea formei principalelor componente;
- Utilizarea de materiale compozite;
- Utilizarea de sisteme de admisie și refulare care să asigure reglarea debitului de aer conform cerințelor din stație, având ca rezultat reducerea consumurilor energetice în cazul în care funcționarea optimă a stațiilor de epurare impune debite de aer mai mici.
