Eficiencia del turboventilador y cumplimiento de armónicos en una planta de aguas residuales municipal — Mirus International

01 Contexto operativo: La auditoría energética impulsa un cambio en la tecnología de los sopladores

Las ciudades del sur de San Francisco y San Bruno operan conjuntamente una planta de control de calidad del agua. (WQCP) — una instalación municipal de tratamiento de aguas residuales que presta servicios a ambas comunidades. Ante la presión para reducir el consumo de energía y los costos operativos, El WQCP encargó una auditoría energética para identificar dónde se consumía energía eléctrica y dónde las mejoras de eficiencia generarían el mayor retorno..[1]

El resultado de la auditoría fue inequívoco.: Los sopladores de aireación consumieron más energía eléctrica que cualquier otro sistema de la planta.. La aireación es el proceso de forzar el ingreso de aire a los tanques de tratamiento biológico para sustentar las bacterias aeróbicas que descomponen los desechos orgánicos; es el corazón del proceso de tratamiento biológico., y corre continuamente. En una típica planta de tratamiento de aguas residuales municipal, La aireación representa entre el 50% y el 70% del consumo total de energía eléctrica de la planta.. Mejorar la eficiencia del soplador es la medida energética de mayor impacto disponible.

La agresiva política ambiental de California proporcionó un incentivo adicional: Los programas estatales ofrecen incentivos financieros para inversiones en eficiencia energética que reduzcan las emisiones.. La combinación del ahorro energético, reducción de costos operativos, y los incentivos disponibles hicieron que el argumento comercial para el reemplazo de sopladores fuera convincente..[1]

Higo. 1. Vista aérea del sur de San Francisco. / Planta de Control de Calidad del Agua San Bruno. Los tanques de aireación circulares dominan el espacio de la instalación: la aireación es la carga eléctrica más grande de la planta.. Fuente: Mirus Internacional.[1]

1.1 La tecnología del turboventilador

El WQCP seleccionó el turboventilador de aire APG-Neuros, una tecnología derivada de turbomáquinas aeroespaciales y de defensa en lugar del diseño de soplador industrial convencional.. Las ventajas de rendimiento sobre los sopladores centrífugos y de desplazamiento positivo convencionales son sustanciales.: al menos 40% mejora de la eficiencia energética y 50% reducción de la huella física. APG-Neuros es el líder reconocido del mercado norteamericano de sistemas turbosoplantes para el tratamiento de aguas residuales..[1]

El turboventilador funciona a velocidad variable., controlado por un VFD, para adaptar la salida de aire con precisión a la demanda del proceso biológico. La operación de velocidad variable es lo que produce ahorros de energía: el soplador se desacelera cuando se necesita menos aireación y acelera cuando aumenta la demanda., en lugar de funcionar a una velocidad fija y estrangular el flujo de aire mecánicamente. Este es el mismo principio de eficiencia que hace que los VFD sean valiosos en todas las aplicaciones de ventiladores y bombas de par variable..

02 ITDD frente a. THDi: La métrica correcta para cargas de velocidad variable

La especificación del proyecto exigía una distorsión total de la demanda actual. (ITDD) abajo 5% — no THDi. Esta distinción es importante y vale la pena entenderla., porque IEEE 519 utiliza ITDD como su principal métrica armónica de corriente en el punto de acoplamiento común, y las dos medidas se comportan de manera muy diferente con carga ligera.[2]

2.1 THDi — un porcentaje de la fundamental

THDi expresa la corriente armónica como porcentaje de la corriente de frecuencia fundamental en el momento de la medición.. Con carga ligera, la corriente fundamental es pequeña. Las corrientes armónicas, aunque pequeño en términos absolutos, representan una gran fracción de un pequeño fundamental, produciendo un alto THDi. Un VFD en 25% La carga puede mostrar entre 35 y 40% de THDi, mientras que la magnitud de la corriente armónica absoluta es mucho menor que a plena carga.. THDi por sí solo puede hacer que un disco con poca carga parezca un problema armónico peor que uno con mucha carga.

2.2 ITDD: porcentaje de la demanda nominal actual

ITDD expresa la corriente armónica como un porcentaje de la corriente de carga de demanda nominal (la corriente de carga completa para la cual el equipo está diseñado) en lugar de la corriente fundamental instantánea.. Este denominador es fijo., no variable. El resultado es una métrica que escala con el impacto armónico real.: con carga ligera, Tanto las corrientes armónicas como la ITDD son pequeñas.; a plena carga, ambos estan al maximo. ITDD rastrea la carga armónica real en la red de una manera que THDi no.[2]

03 Una solución tripartita: Neurosis APG, Conceptos de calidad de energía, y Mirus

3.1 El desafío del embalaje

Neurosis APG’ El sistema de turboventilador se suministra como un paquete integrado compacto: soplador, motor, VFD, y controles en un solo gabinete. La 50% La ventaja en cuanto a tamaño sobre los sopladores convencionales es un punto de venta clave., y cualquier filtro armónico agregado al sistema tenía que encajar dentro del gabinete existente sin comprometer esa ventaja.. Esto descartó gabinetes de filtro adicionales voluminosos y requirió una estrecha colaboración de ingeniería entre APG-Neuros y Mirus..[1]

3.2 Simulación y experiencia local

Power Quality Concepts, el representante de Mirus International para la región, proporcionó la experiencia en mitigación de armónicos para el proyecto.. Usando SOLV™, Mirus ejecutó varios escenarios de simulación para determinar qué modelo y configuración de Lineator cumplirían con los requisitos. 5% Especificación ITDD en todo el rango de velocidades de funcionamiento del soplador. La simulación identificó el modelo Lineator AUHF HP como la solución correcta.[1]

El ingeniero consultor local que revisó el proyecto ya estaba familiarizado con la línea de productos Lineator y aceptó el SOLV.™ Resultados de la simulación, pero se requirió una medición de campo posterior a la instalación para confirmar formalmente el cumplimiento.. Este es el enfoque correcto de la ingeniería profesional.: la simulación informa el diseño, La medición confirma el rendimiento..

Higo. 2. El Mirus Lineator AUHF HP instalado dentro del gabinete del sistema APG-Neuros Turbo Blower. El equipo de ingeniería de Mirus colaboró ​​con APG-Neuros para desarrollar una solución de embalaje que mantuviera el tamaño compacto del sistema.. Fuente: Mirus Internacional.[1]

3.3 Embalaje integrado

El equipo de ingeniería de Mirus trabajó directamente con los ingenieros de APG-Neuros para desarrollar una configuración de paquete Lineator que encajara dentro del gabinete del sistema turboventilador.. El resultado fue una solución de filtro de armónicos totalmente integrada, invisible para el usuario final., manteniendo el espacio compacto del sistema, y ofrecer el rendimiento armónico requerido en todo el rango de velocidades.[1]

04 Resultados: El rendimiento medido supera la predicción y la especificación

Se realizaron mediciones de campo en varios niveles de carga después de la instalación para confirmar formalmente el cumplimiento.. Los resultados superaron tanto el SOLV™ predicción de simulación y especificación del proyecto:[1]

ITDD se mantuvo cómodamente por debajo 5% en todo el rango de velocidades de funcionamiento, no solo a plena carga. THDv nunca superó 2.5% en cualquier punto de operación. La 4.56% ITDD a toda velocidad realmente mejoró en SOLV™ predicción, consistente con el patrón observado en otros estudios de caso de Mirus donde los supuestos de simulación conservadores producen resultados del mundo real que superan al modelo.

Higo. 3. Formas de onda medidas en funcionamiento a plena carga (20 Enero 2016). Arriba: forma de onda de voltaje, THDv = 2.15% - sinusoide limpia. Abajo: forma de onda actual, ITDD = 4.56% — casi sinusoidal con mínima distorsión armónica. Fuente: Mirus Internacional.[1]

05 La perspectiva de la calidad de la energía: Lo que ilustra este estudio de caso

5.1 Un sistema conectado a servicios públicos: una clase de problema diferente

Todos los estudios de caso anteriores de esta serie involucraron un sistema aislado alimentado por generador.. WQCP es la primera aplicación conectada a servicios públicos de la serie. La consecuencia armónica es diferente.: con suministro de servicios públicos, La impedancia de la fuente es baja y la distorsión de voltaje de un solo 350 La unidad HP es modesta. El factor de cumplimiento aquí no es la estabilidad del sistema o la protección del equipo: es el estándar IEEE. 519 límite de distorsión actual en el punto de acoplamiento común, que la utilidad utiliza para proteger a todos los demás clientes en la red compartida de la corriente armónica inyectada por esta carga.

Este es el contexto en el que IEEE 519 fue escrito: una utilidad que sirve a muchos clientes, establecer límites sobre la cantidad de corriente armónica que un solo cliente puede inyectar en la red compartida. La obligación del WQCP según IEEE 519 es limitar su inyección de armónicos (ITDD en el PCC) a niveles que no degraden significativamente la calidad de la energía para los clientes vecinos.. La 5% La especificación ITDD en los documentos del proyecto refleja directamente esta obligación..[2]

5.2 Filtrado de armónicos como parte de la adquisición de equipos.

La característica estructural más importante de este estudio de caso es que el filtrado de armónicos se especificó como parte de la adquisición del paquete del soplador, no como una modernización.. El WQCP no compró un turboventilador, instalarlo, medir los armónicos, y luego agregar un filtro. El pliego de condiciones del proyecto incluía desde el principio el límite de ITDD, APG-Neuros fue responsable de entregar un paquete integrado compatible, y Mirus participó en la etapa de diseño para dimensionar y empaquetar el filtro antes de ordenar cualquier equipo..

Este es el modelo de adquisiciones correcto. Alinea la responsabilidad del cumplimiento de armónicos con la parte que controla la fuente de armónicos (el proveedor del equipo) en lugar de dejarlo como un problema del sitio para que el ingeniero eléctrico de la planta lo resuelva después de la instalación.. También permite la optimización del embalaje que mantuvo el sistema dentro de su tamaño compacto..

5.3 El papel del representante local de Mirus

Power Quality Concepts, el representante local de Mirus, ejecutó SOLV™ simulaciones que definieron la especificación del filtro y proporcionaron la interfaz técnica entre APG-Neuros, el ingeniero consultor, y Mirus’ equipo de ingeniería. Este es el modelo de distribución para la ingeniería aplicada de la calidad de la energía: Un fabricante con capacidad de simulación y profundidad de producto., representado localmente por un especialista que entiende la utilidad regional, la comunidad de ingeniería consultora, y los requisitos específicos de la aplicación. La relación existente entre el representante local y el ingeniero consultor, que ya estaba familiarizado con el producto Lineator, fue un factor para que el proyecto avanzara de manera eficiente..

Este patrón: profundidad técnica del fabricante, conocimiento de la aplicación del representante local, Validación de terceros por parte de un ingeniero consultor: es un modelo digno de mención para cualquiera que desarrolle una práctica de consultoría de calidad eléctrica.. El rol del representante local es donde vive la relación con el cliente..

Referencias

1. [1] Mirus Internacional Inc., “Estudio de caso: Proyecto de reemplazo de turbosopladores de planta de control de calidad de agua,” Estudio de caso de aplicación, brampton, Ontario, Canadá. Disponible: mirusinternacional.com
2. [2] IEEE Std 519-2022, “Estándar IEEE para control de armónicos en sistemas de energía eléctrica,” IEEE, Nueva York, Nueva York, 2022.