Safety in Technosphere Safety in Technosphere Безопасность в техносфере 1998-071X 16502 10.12737/article_59019aab675f37.05755149 Энерго- и ресурсосбережение Energy and resource saving Энерго- и ресурсосбережение Energy Saving Technologies for Wastewaters Treatment with Application of Utilization Gas-Turbine Units Энергосберегающие технологии очистки сточных вод с применением утилизационных газотурбинных установок Тумашев Р. З. Tumashev R. Z.

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Щеголев Н. Л. Schegolev N. L.

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Назаревич Константин Игоревич Nazarevich Konstantin Igorevich nazark@bk.ru Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Москва Россия Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Москва Russian Federation Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Россия Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Russian Federation ООО “ПромВектор”, Россия ООО “ПромВектор”, Russian Federation 6 1 58 65 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/16502/view

Улучшение экологического состояния водных бассейнов тесно связано с реконструкцией систем водоотведения и очистки сточных вод. Модернизация устаревших станций очистки сточных вод и снижение эксплуатационных затрат возможны за счет перехода к эффективным технологическим решениям, включающим процесс анаэробного сбраживания субстрата с производством биогаза, а также сырья для высококачественных удобрений. Биогаз может быть использован в энергоустановках для производства тепловой и электрической энергии, необходимой для собственных нужд станции и снижающей эксплуатационные затраты. Предложена схема модуля анаэробного сбраживания, обосновано применение утилизационных когенерационных газотурбинных установок с внешним подводом теплоты к цикловому воздуху. Определены оптимальные параметры утилизационных газотурбинных установок. При температуре воздуха перед турбиной 1190 К степень повышения давления в цикле составила 4,2, электрический КПД — 0,313, общий с учетом вырабатываемой теплоты — 0,872. В ряде случаев газотурбинная установка может выполняться без дожимного топливного компрессора.

Improving the ecological condition of water basins is closely connected with reconstruction of systems for water disposal and wastewaters treatment. Modernization of old-fashioned wastewater treatment plants, and operating cost saving is possible by means of transition to effective technological solutions, including the process of substrate anaerobic digestion with production of biogas and raw material for high-quality fertilizers. Biogas can be used in power stations for production of thermal and electrical energy required for wastewater treatment plant needs. This energy also reduces the plant’s operating cost. A scheme of a module for anaerobic digestion has been proposed, and application of utilization cogeneration gas-turbine units with an external supply of warmth to cyclic air has been justified. Optimum parameters of utilization gas-turbine units have been determined. At air temperature in front of the turbine 1190 K the compression ratio in a cycle is equal to 4,2, electric efficiency — 0,313, the general one taking into account the developed warmth — 0,872. In some cases the gas-turbine unit can be manufactured without booster fuel compressor.

 очистка сточных вод анаэробное сбраживание биогаз утилизация когенерационная газотурбинная установка оптимальные параметры. wastewaters treatment anaerobic digestion biogas utilization cogeneration gas-turbine unit optimum parameters.

1. ВведениеУлучшение экологического состояния водных бассейнов в Российской Федерации тесно связано с реконструкцией городских и поселковых систем водоотведения и очистки сточных вод, большинство которых было построено в 1970–1980-е годы в соответствии с существовавшими в то время нормативными требованиями.

Шеломков А. С., Шеломков С. А. Руководство по проектированию очистных сооружений городских сточных вод и близких к ним по составу сточных вод промышленных предприятий /Под ред. Пупырева Е. И. М.: МосводоканалНИИПроект, 2014. - 408 с. Shelomkov A. S., Shelomkov S. A. Rukovodstvo po proektirovaniyu ochistnykh sooruzheniy gorodskikh stochnykh vod i blizkikh k nim po sostavu stochnykh vod promyshlennykh predpriyatiy [Manual on the design of sewage treatment plants of urban wastewater and related sewage waters of industrial enterprises]. Moscow, Mosvodokanal NII Proekt Publ., 2014. 408 p. (in Russian) Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для вузов. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. -704 с. Yaovlev S. V., Voronov Yu.V. Vodootvedenie i ochistka stochnykh vod [Wastewater and sewage treatment]. Moscow, Assotsiatsii stroitel’nykh vuzov Publ., 2006.704 p. (in Russian) СниП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения. Введ. 1986-01-01. М.: Издательство стандартов, 1986. -39 с. SniP 2.04.03-85 Kanalizatsiya. Naruzhnye seti i sooruzheniya [SniP 2.04.03-85 Sewerage. External networks and facilities]. Moscow, Izdatel’stvo standartov Publ., 1986. 39 p. (in Russian) Осипов М. И., Тумашев Р. З., Моляков В. Д. ГТУ малой мощности на топливных газах низкого давления с измененной очередностью процессов термодинамического цикла// Труды Международной научно-практической конференции «Малая энергетика-2003». Обнинск, 2003. - С. 340-343. Osipov M. I., Tumashev R. Z., Molyakov V. D. GTU maloy moshchnosti na toplivnykh gazakh nizkogo davleniya s izmenennoy ocherednost’yu protsessov termodinamicheskogo tsikla [GTU of low power on low-pressure fuel gases with a changed sequence of thermodynamic cycle processes]. Trudy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Malaya energetika-2003» [Proceedings of the International Scientific and Practical Conference «Small Power Engineering-2003»]. Obninsk, 2003, pp. 340-343. (in Russian) Осипов М. И., Тумашев Р. З., Моляков В. Д. Усовершенствование ГТУ малой мощности при использовании топливных газов низкого давления // Труды Международной научно-практической конференции «Малая энергетика-2004». М., 2004. С. 113-116. Osipov M. I., Tumashev R. Z., Molyakov V. D. Usovershenstvo vanie GTU maloy moshchnosti pri ispol’zovanii toplivnykh gazov nizkogo davleniya [Improvement of GTU of low power using low-pressure fuel gases]. Trudy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Malaya energetika-2004» [Proceedings of the International Scientific and Practical Conference «Small Power Engineering-2004»]. Moscow, 2004, pp. 113-116. (in Russian) Тумашев Р. З., Бодров Н. Г. Когенерационная газотурбинная установках на попутных нефтяных газах с высоким содержанием тяжелых углеводородов // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 7. С. 155-165. Tumashev R. Z., Bodrov N. G. Kogeneratsionnaya gazoturbinnaya ustanovkakh na poputnykh neftyanykh gazakh s vysokim soderzhaniem tyazhelykh uglevodorodov [Cogeneration gasturbine plants on associated petroleum gases with a high content of heavy hydrocarbons]. Vestnik MGTU im. N. E. Baumana [Vestnik MSTU. N. E. Bauman]. 2012, I. 7, pp.155-165. (in Russian) Тумашев Р. З., Щеголев Н. Л., Кулаков Д. М. Утилизация шахтного метана в газотурбинных установках для производства электрической энергии и теплоты // Безопасность в техносфере. 2015. Т. 4. № . 5. C. 41-48. Tumashev R. Z., Shchegolev N. L., Kulakov D. M. Utilizatsiya shakhtnogo metana v gazoturbinnykh ustanovkakh dlya proizvodstva elektricheskoy energii i teploty [Utilization of mine methane in gas turbine plants for the production of electric power and heat]. Bezopasnost’ v tekhnosfere [Safety in the technosphere]. 2015, V. 4, I. 5, pp. 41-48. (in Russian) Brian Elmegaard, Bjorn Qvale, Giacinto Carapelli and Pietro de Faveri Tron. Open-cycle Indirectly Fired Gas Turbine for Wet Biomass Fuels. Proceedings of ECOS2001. July 4-6, 2001. Instambul, Turkey, pp. 361-368. Brian Elmegaard, Bjorn Qvale, GiacintoCarapelli and Pietro de FaveriTron. Open-cycle Indirectly Fired Gas Turbine for Wet Biomass Fuels// Proceedings of ECOS2001. July 4-6, 2001, Instambul, Turkey, pp. 361-368. Brian Elmegaard, Urik Henriksen and Bjorn Qvale. Thermodynamic Analysis of Supplementary-Fired Gas Turbine Cycles. Int.J. Thermodynamics, vol.6 (No.2), pp.85-92, June-2003. Brian Elmegaard, UrikHenriksen and Bjorn Qvale. Thermodynamic Analysis of Supplementary-Fired Gas Turbine Cycles// Int.J. Thermodynamics, vol.6 (No.2), pp. 85-92, June-2003. Тумашев Р. З., Назаревич К. И. Энерготехнологическая установка утилизации осадков сточных вод // Молодежный научно-технический вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. № 4 Апрель. 2012. Tumashev R. Z., Nazarevich K. I. Energotekhnologic heskaya ustanovka utilizatsii osadkov stochnykh vod [Energotehnologicheskaya installation of utilization of sewage sludge]. Molodezhnyy nauchno-tekhnicheskiy vestnik MGTU im. N. E. Baumana [Molodezhny scientific and technical herald of the MGTU. N. E. Bauman]. 2012, I. 4. (in Russian) Данилова С. К., Тумашев Р. З. Энерготехнологическая установка на базе газотурбинного двигателя с использованием продуктов газификации древесных отходов // Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электрон. Журн. 2016. № 04. С. 1-13. Danilova S. K., Tumashev R. Z. Energotekhnologicheskaya ustanovka na baze gazoturbinnogo dvigatelya s ispol’zovaniem produktov gazifikatsii drevesnykh otkhodov [Energotechnological installation based on a gas turbine engine using gasification products of wood waste]. Mashiny i ustanovki: proektirovanie, razrabotka i ekspluatatsiya [Machines and installations: design, development and operation]. MGTU im. N. E. Baumana Publ., 2016, I. 4, pp. 1-13. (in Russian) Михальцев В. Е., Моляков В. Д. Расчет параметров цикла при проектировании газотурбинных двигателей и комбинированных установок: учеб. пособие / Под ред. Суровцева И. Г. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. 58 с. Mikhal’tsev V.E., Molyakov V. D. Raschet parametrov tsikla pri proektirovanii gazoturbinnykh dvigateley i kombinirovannykh ustanovok [Calculation of cycle parameters in the design of gas turbine engines and combined plants]. Moscow, MGTU im. N. E. Baumana Publ., 2014. 58 p. (in Russian) Бекнев В. С., Куфтов А. Ф., Тумашев Р. З. Расчет и проектирование центробежных компрессоров ГТД: Методические указания. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1996. 44 с. Beknev V. S., Kuftov A. F., Tumashev R. Z. Raschet i proektirovanie tsentrobezhnykh kompressorov GTD: Metodicheskie ukazaniya [Calculation and design of centrifugal compressors GTE: Methodical instructions]. Moscow, MGTU im. N. E. Baumana Publ., 1996. 44 p. (in Russian) Митрохин В. Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины. М.: Машиностроение, 1966. 200 с. Mitrokhin V. T. Vybor parametrov i raschet tsentrostremitel’noy turbiny [Selection of parameters and calculation of a centripetal turbine]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1966. 200 p. (in Russian) Иванов В. Л., Леонтьев А. И., Манушин Э. А., Осипов М. И. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 592 с Ivanov V. L., Leont’ev A.I., Manushin E. A., Osipov M. I. Teploobmennye apparaty i sistemy okhlazhdeniya gazoturbinnykh i kombinirovannykh ustanovok [Heat exchanging devices and cooling systems for gas turbine and combined installations]. Moscow, MGTU im. N. E. Baumana Publ., 2004. 592 p. (in Russian)