W dobie wzrastających kosztów energii elektrycznej oraz transformacji sektora energetycznego w Polsce, coraz więcej zakładów przemysłowych oraz oczyszczalni ścieków poszukuje rozwiązań technologicznych pozwalających zmniejszyć zużycie prądu, ograniczyć koszty eksploatacyjne parku maszynowego oraz zmaksymalizować niezawodność jego pracy.
Jednym z takich chlubnych obiektów na mapie Polski jest Oczyszczalnia Ścieków dla Miasta Kościana, zlokalizowana w przyległej miejscowości Kiełczewo. W 2014 roku na oczyszczalni wymieniono dwie wyeksploatowane dmuchawy wyporowe na nowoczesne dmuchawy promieniowe na łożyskach powietrznych TurboMAX, typ MAX75-C060 o mocy znamionowej ok. 56 kW. Przy okazji kompleksowej modernizacji oczyszczalni kilka lat później – w 2018 roku – wymieniono trzecią (rezerwową) dmuchawę na identyczną dmuchawę TurboMAX, tym samym zamykając proces modernizacji maszyn na stacji dmuchaw.
Bardzo rozsądnym podejściem, do którego namawiamy inwestorów, zwłaszcza przy realizacji inwestycji za pomocą własnych środków, jest przede wszystkim wymiana przynajmniej jednej z podstawowych dmuchaw pracujących na dmuchawę nowego typu. Jako dmuchawa rezerwowa może pozostać jedna z dmuchaw istniejących, są to przecież zazwyczaj urządzenia sprawne, utrzymywane w należytym stanie technicznym. Takie cele stopniowej wymiany swojego parku maszynowego przyświecały Inwestorowi w Kościanie, ale nie tylko tam. Z podobnym podejściem spotykamy się coraz częściej, zwłaszcza kiedy w grę wchodzi realizacja inwestycji ze środków własnych. Pojedyncza dmuchawa TurboMAX jako podstawowa dmuchawa robocza pracuje m.in. w Tarnowie, Szczecinie, Krośnie czy Koninie, generując maksymalny efekt oszczędności energetycznych i eksploatacyjnych w stosunku do kosztów zakupu.
Coraz częściej widzimy również zainteresowanie oczyszczalni alternatywnymi sposobami pozyskania nowych dmuchaw. Zakup nowej dmuchawy może być zastąpiony wypożyczeniem urządzenia bezpośrednio od dostawcy na zasadzie umowy dwustronnej lub leasingiem. Dzięki wysokiej sprawności i niskim kosztom eksploatacji dmuchawy możliwe jest opłacenie raty wynajmu w danym miesiącu z wygenerowanych oszczędności energetycznych oraz eksploatacyjnych.
Technologia dmuchaw na łożyskach powietrznych jest nową technologią. Pierwsza dmuchawa tego typu została zainstalowana w Polsce stosunkowo niedawno, bo w 2009 roku na terenie Oczyszczalni Ścieków Tychy-Urbanowice. Obecnie ilość pracujących dmuchaw promieniowych na łożyskach powietrznych produkcji TurboMAX na terenie Polski osiągnęła już liczbę 103 sztuk pracujących w blisko 40 obiektach. Moc eksploatowanych na terenie Polski dmuchaw leży w zakresie od 7,5 do 250 kW. W ofercie producenta są maszyny o mocy znamionowej aż do 800 kW. Pełną listę obiektów, w których pracują dmuchawy można znaleźć na stronie polskiego dystrybutora: www.aspamet.pl
Aż 15 z tych obiektów to stacje dmuchaw będące obiektami kontenerowymi. W takiej sytuacji dostarczany jest kontener zawierający od jednej do kilku dmuchaw wraz z automatyką nadrzędną, lokalną rozdzielnią elektryczną, układem rurociągów wraz z przepustnicami regulacyjnymi.
Technologia dmuchaw na łożyskach powietrznych TurboMAX szybko zyskała na popularności w Polsce ponieważ łączy w sobie szereg bardzo pożądanych cech:
1. Niska energochłonność. Badania prowadzone w wielu oczyszczalniach ścieków na terenie Polski wykazały, że dmuchawy promieniowe na łożyskach powietrznych TurboMAX cechują się zużyciem energii elektrycznej niższym od kilkunastu do 30% w stosunku do dmuchaw wyporowych. Badania takie prowadziły m.in.: AQUANET S.A. z Poznania, AQUA S.A. z Bielska-Białej oraz RCGW w Tychach. Stacja dmuchaw może odpowiadać za 50÷60% zużycia energii całej oczyszczalni. Dzięki wygenerowanym oszczędnościom energetycznym inwestycja zwraca się ciągu kilku lat.
2. Bezobsługowość. Dzięki zastosowaniu technologii łożysk powietrznych w maszynach tych nie stosuje się oleju, chłodziwa ani smarów. Nie ma potrzeby dokonywania żadnych okresowych regulacji ani wymian podzespołów. Jednym elementem podlegającym regularnej wymianie są filtry powietrza wlotowego, umieszczone za odchylanymi żaluzjami, przez co ich wymiana zajmuje zaledwie kilka minut.
3. Niezawodność. Dmuchawy promieniowe TurboMAX na łożyskach powietrznych skonstruowane są w najprostszy możliwy sposób. Na wale wysokoobrotowego, wysokosprawnego silnika synchronicznego z zabudowanymi w wirniku magnesami trwałymi ziem rzadkich osadzona jest bezpośrednio turbina promieniowa generująca przepływ powietrza i jego sprężenie. Z drugiej strony wału osadzony jest wentylator chłodzący silnik dmuchawy. Z istotnych elementów w maszynie występuje jeszcze przemiennik wysokiej częstotliwości renomowanego producenta (zazwyczaj VACON lub Yaskawa) i sterownik. Dmuchawa nie wymaga żadnej skomplikowanej aparatury monitorującej.
Dmuchawy TurboMAX, jako jedne z niewielu, realizują rzeczywisty chwilowy pomiar przepływu powietrza za pomocą zabudowanej kryzy pomiarowej, pomiaru temperatury i ciśnienia powietrza. Pozwala to na uzyskanie realnych informacji na temat rzeczywistego przepływu oraz umożliwia zrezygnowanie z dodatkowych, kosztownych przepływomierzy na rurociągach.
Dmuchawy TurboMAX są cichobieżne i nie wymagają specjalnych fundamentów oraz kotwienia, ponieważ nie generują wibracji. Informacja o potrzebie wymiany filtra powietrza, podobnie jak parametry dotyczące bieżącego statusu urządzenia, takie jak np. wydajność, nadciśnienie robocze, prędkość obrotowa czy moc, dostępne są na indywidualnym interfejsie dotykowym każdej dmuchawy oraz w systemie SCADA oczyszczalni. Płynna regulacja wydajności dmuchawy realizowana jest za pomocą zmiany prędkości obrotowej turbiny, uzyskiwanej poprzez zmianę częstotliwości falownika zabudowanego fabrycznie w dmuchawie.
Naprzeciw wyzwaniom współczesnej oczyszczalni ścieków wychodzi technologia turbin opartych na patencie łożysk powietrznych. Znajduje ona zastosowanie w takich urządzeniach, jak turbodmuchawy, ale również kogeneratory mikroturbinowe, których producentem jest Capstone Turbine Corporation z Van Nuys w Kalifornii.
Mikroturbiny gazowe są alternatywną technologią kogeneracyjną w stosunku do bardziej tradycyjnych urządzeń kogeneracyjnych zbudowanych na bazie silnika tłokowego. Technologia ta zyskuje coraz większą popularność, zwłaszcza ze względu na niezawodność i wysoką kulturę pracy na trudnych paliwach (takich jak biogaz oczyszczalniany).
Mikroturbiny i turbodmuchawy na łożyskach powietrznych posiadają bardzo zbliżoną budowę oraz niezwykle niską awaryjność ze względu na tylko jeden element ruchomy, którym jest wał. Zastosowanie łożyskowania powietrznego w obu przypadkach pozwala wyeliminować materiały eksploatacyjne w postaci olejów, smarów i płynów chłodniczych, co drastycznie zmniejsza koszty eksploatacji tych urządzeń. Wspólnym elementem budowy są łożyska, które wykorzystują siłę odśrodkową kręcącego się wału i utrzymują go na poduszce powietrznej w prześwicie o wielkości kilkudziesięciu mikrometrów od korpusu (rys. 1).
Mikroturbiny gazowe Capstone pracują lub są instalowane w takich oczyszczalniach ścieków, jak Kraków Płaszów, Kraków Kujawy, a także oczyszczalnia w Mińsku Mazowieckim.
Firma Capstone Turbine Corporation założona została w 1988 roku w USA. Jest światowym liderem w produkcji nowoczesnych mikroturbin gazowych. Referencje Capstone’a stanowi ponad 10 000 instalacji na całym świecie i ponad 30 milionów godzin funkcjonowania urządzeń tego producenta.
Rozwiązania, które oferują Amerykanie, mają ze sobą wiele wspólnych atrybutów z południowokoreańskimi dmuchawami TurboMAX. Wynika to z tego, że podobnie jak w przypadku przemysłu amerykańskiego, przemysł koreański oparty jest na doświadczeniu naukowców i inżynierów wojskowych, pracujących w centrach badań i rozwoju sektora lotniczego. Pomiędzy oboma tymi krajami od lat 50. istniały bardzo silne związki polityczne i gospodarcze, których efekty widzimy współcześnie na przykładach wielu firm przodujących w zakresie wysokich technologii.
Kogeneratory turbinowe firmy Capstone cechuje bardzo prosta budowa, której następstwem jest wysoka niezawodność pracy. W maszynie tej nie występują takie elementy konstrukcyjne, jak przekładnie, sprzęgła, tłoki, zawory czy świece, będące niezbędnym wyposażeniem silników tłokowych i niestety jednocześnie częstą przyczyną awarii i usterek. Dzięki innowacyjnej budowie, mikroturbiny nie są uciążliwe podczas pracy. Hałas, który jest przez nie wytwarzany to zaledwie 65 dB, bez użycia tłumików. Nie jest wymagane specjalne podłoże lub fundament odporny na wibracje, gdyż maszyna nie wytwarza ruchów wibracyjnych. Układ energoelektroniczny kogeneratora turbinowego charakteryzuje zgodność z IEEE 519, a zawartość wyższych harmonicznych THD utrzymuje się poniżej 5%.
Kogeneratory Capstone są urządzeniami w znacznej mierze bezobsługowymi, co przekłada się na zdecydowanie niższe koszty eksploatacji i serwisowania niż w przypadku silników tłokowych (które to koszty w perspektywie kilku lat zazwyczaj przewyższają początkowy koszt zakupu kogeneratora tłokowego). Serwis mikroturbin odbywa się niezwykle rzadko, a gwarantowana dostępność pracy to 99% czasu w roku.
Mikroturbiny cechują się bardzo wysoką odpornością na korozyjne działanie gazów pochodzących ze spalania biogazu (dopuszczalna zawartość siarki do 5000 ppm). Dzięki prostocie konstrukcji, koszty związane z przestojem urządzeń i czynnościami serwisowymi są znacznie ograniczone w porównaniu do kogeneratorów tłokowych. Kogeneratory Capstone nie wymagają również specjalnych zewnętrznych układów chłodzenia oraz chłodnic awaryjnych.
Najważniejszą zaletą turbin kogeneracyjnych jest ich niezawodność pracy, co przekłada się na dostępność na poziomie 8670 godzin w ciągu roku. Nie bez znaczenia jest też fakt, że mikroturbiny charakteryzują się bardzo niską emisją szkodliwych gazów zanieczyszczających środowisko. Przykładowo, emisja tlenków azotu (NOx) wynosi zaledwie 9 ppm, mierzona wprost na wylocie spalin, a dla szczególnie zanieczyszczonego paliwa poniżej 25 ppm. Emisja tych związków w kogeneratorach tłokowych pozostaje na poziomie 1000 ppm w silnikach bez katalizatora oraz poniżej 500 ppm dla konstrukcji z katalizatorem spalin.
Maszyny i urządzenia, których sercem jest turbina, wywodzą się z przemysłu lotniczego i musiały być zawsze dopracowywane w najmniejszych szczegółach. Zależało od nich powodzenie bitwy oraz niezawodność – istotna zwłaszcza w przypadku zastosowań cywilnych, zapewniająca wygodę i bezpieczeństwo podróżnych.
Współcześnie priorytetami są bezpieczeństwo energetyczne, bezawaryjność oraz ograniczenie kosztów eksploatacji. Stąd coraz wyraźniejsze jest zainteresowanie Inwestorów maszynami i urządzeniami turbinowymi posiadającymi łożyska powietrzne.
mgr inż. Tomasz Bąk, Dyrektor handlowy Aspamet Siuta Andrzej
Żródło: Forum Eksploatatora 2/2021
