Specific Features of Applying Heat Recovery Equipment at Sewage Pumping Stations
Abstract
The specific features relating to the operation of heat pumps in urban wastewater disposal system structures are considered. Specific examples of installing heat pumps at various sewerage system facilities in the Russian Federation are given. Alternative heat and electricity generation sources for wastewater treatment plants are studied. The possibilities of using the wastewater heat for various heat-consuming engineering systems serving to maintain the microclimate conditions in the wastewater disposal system buildings or structures are considered. Other possibilities of using the wastewater heat for other engineering systems of housing and municipal services are analyzed. The possibilities of installing heat pumps at a sewage pumping station are elaborated in an in-depth manner. Both positive and negative features of heat pump operation are pointed out, which depend on the potential layout of the heat pump condensing-and-evaporating unit equipment at a sewage pumping station. The specific features relating to the design of heat pumps installed at low-voltage and high-voltage sewage pumping stations in settlements and cities are outlined. The results from studying the main process-related problems encountered at real municipal service system facilities are presented. The main difficulties encountered during installation of heat pumps and in the course of their operation at sewage pumping stations are described. The survey the results of which are presented in the article was carried out in the period from 2019 to 2021 at the JSC Mosvodokanal sewage pumping stations in which heat pumps are used. The possibility of reducing the cost of heat pump equipment manufacture based on the existing energy sector branches (for example, geothermal energy) and the Russian economy industrial sector has been analyzed. The article may be of interest for designers and engineers working in the energy sector and urban housing and municipal services, in particular, in the urban wastewater disposal system.
References
1. Bakman I. High-efficiency Predictive Control of Centrifugal Multi-pump Stations with Variable-speed Drives. Tallinn: TUT Press, 2016.
2. Venkatesh G. Systems Performance Analysis of Oslo's Water and Wastewater System. Trondheim: NTNU, 2011.
3. Николаев В.Г., Махров С.В. Потенциал энергосбережения и его практическая реализация для насосов и воздуходувных машин систем водоотведения // Водоснабжение и канализация. 2013. № 1—2. С. 100—115.
4. Пат. № 2094397 РФ. Устройство для сушки осадка сточных вод на иловых площадках / В.И. Прохоров, И.И. Горбатов // Бюл. изобрет. 1997. № 10.
5. Makisha N., Shevchenko-Enns E. Review of Energy Saving and Energy Efficiency Approaches Applied in Water Sector in Russia // Proc. XXII Intern. Sci. Conf. Construction the Formation of Living Environment. 2019. P. 01040.
6. Бабаев В.Н., Горох Н.П., Коринько И.В. Энергетический потенциал метанообразования при мезофильном анаэробном разложении органической составляющей отходов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2011. № 4(6). С. 59—65.
7. Chernova R. e. a. Analysis of Landfill Gas Thermo-physical Properties for Communal Services // Proc. Advanced Technologies in Material Science, Mechanical and Automation Engineering Conf. Krasnoyarsk, 2019. P. 62044.
8. Shcherbakov V.I., Pomogaeva V.V., Chizhik K., Koroleva E. Biomass Resource of Domestic Sewage Sludge // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2019. V. 983. Pp. 361—372.
9. Rudenko R.R., Vasilevich E.E., Stom D.I., Zhdanova G.O., Topchiy I.A., Chizhick K.I. The Use of Urban Sewage Sludge as a Substrate in a Microbial Fuel Cell // Intern. J Eng. and Technol. 2018. V. 7. No. 2. Pp. 277—280.
10. Bakman I., Gevorkov L., Vodovozov V. Optimization of Method of Adjustment of Productivity of Multi-Pump System Containing Directly Connected Motors // Proc IX Intern. Electric Power Quality and Supply Reliability Conf., 2014. Pp. 209—214.
11. Khohlov V. e. a. Energy Saving in Municipal Sewage Pumping Station // Proc. III Conf. Problems of Thermal Physics and Power Engineering — Energy Saving — Theory and Practice. 2020. P. 052003.
12. Баженов В.И., Устюжанин А.В., Королева Е.А. Установки когенерации для компенсации потребности станций аэрации в энергетических ресурсах // Водоснабжение и санитарная техника. 2021. № 4. С. 40—49.
13. Битиев А.В. и др. Прогнозирование энергосберегающего эффекта управляемой подачи воздуха для Ново-Люберецких очистных сооружений // Водоснабжение и санитарная техника. 2018. № 9. С. 47—56.
14. Усачев А.П. Методика оценки эффективности частотного регулирования производительности насосных агрегатов КНС // Водоснабжение и санитарная техника. 2020. № 1. С. 42—51.
15. Темеров А. и др. Обзор реальных проектов ВИЭ в регионах. М.: Изд-во Российской инженерной академии, 2019.
16. Шилкин Н.В. Утилизация тепла канализационных стоков // Сантехника. 2003. № 1. С. 12—14.
17. Кокорин О.Я., Волков В. Применение теплового насоса с целью энергосбережения и повышения экологичности работы систем вентиляции помещений для ванн очистки сточных вод // Холодильная техника. 2012. № 6. С. 29—31.
18. Волков В.В. Повышение энергетической и экологической эффективности систем вентиляции в помещениях с емкостями для очистки сточных вод: автореф. …. канд. тех. наук. М.: НИИСФ РААСН, 2020.
19. Khavanov P., Volkov V. Ensuring Energy Efficiency and Environmental Friendliness of the Ventilation Systems with Baths Wastewater Treatment // Proc. Intern. Multi-conference Industrial Eng. and Modern Technol. 2019. P. 8934406.
20. Кокорин О.Я., Волков В.В. Повышение эффективности станций очистки сточных вод // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2012. № 7(127). С. 22—25.
21. Fu H.D., Pei G., Ji J. e. a. Experimental Study of a Photovoltaic Solar-Assisted Heat-pump/Heat-pipe System // Appl. Thermal Eng. 2012. V. 40. Pp. 343—350.
22. Похил Ю.Н. и др. Использование теплоты неочищенных сточных вод в качестве теплоносителя // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 3. С. 25—27.
23. Rymarov A. e. a. Specialized Method of Calculating Heat Input from Wastewater in the Premises of the Sewage Pumping Stations // IOP Conference Series: Materials Sci. and Eng. 2018. V. 463. P. 032073.
24. Дубровский С.В. Отопление удалённой канализационной насосной станции тепловым насосом // Энергосовет. 2013. № 1(26). С. 30—31.
25. Прохоров В.И., Белоглазов А.Р., Разаков М.А. Качественная и количественная оценка теплопоступлений от сточных вод в помещение канализационной насосной станции // Естественные и технические науки. 2017. № 7(109). С. 143—146.
26. Разаков М.А. Особенности расхода сточных вод в канализационных насосных станциях // Сб. докл. XVI Междунар. науч.-техн. конф., посвященной памяти академика РАН С.В. Яковлева. М.: Мир науки, 2020. C. 189—192.
27. Яковлев И.В., Попов А.И. Использование тепловых сбросов на энергетические потребности города // Перспективные энергетические технологии. Экология, экономика, безопасность и подготовка кадров: Материалы науч.-практ. конф. Екатеринбург: Изд-во Уральского федерального ун-та им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2016. С. 102—104.
28. Шелгинский А.Я., Яковлев И.В. Анализ применения теплонасосных установок в системах теплоснабжения // Вестник МЭИ. 2018. № 2. С. 42—52.
29. Васильев Г.П., Абуев И.М., Горнов В.Ф. Автоматизированная теплонасосная установка, утилизирующая тепло сточных вод г. Зеленограда // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2004. № 5. С. 50—52.
30. Васильев Г.П. и др. 12-летний опыт эксплуатации теплонасосной установки на районной тепловой станции // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2016. № 4. С. 30—32.
31. Слесаренко В.В., Князев В.В., Вагнер В.В., Слесаренко И.В. Перспективы применения тепловых насосов РПИ утилизации теплоты городских стоков // Энергосбережение и водоподготовка. 2012. № 3(77). С. 28—31.
32. Бутузов В.А., Амерханов Р.А., Григораш О.В. Геотермальное теплоснабжение в России // Теплоэнергетика. 2020. № 3. С. 3—14.
---
Для цитирования: Прохоров В.И., Разаков М.А. Особенности применения теплоутилизационного оборудования на канализационных насосных станциях // Вестник МЭИ. 2022. № 2. С. 45—55. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-2-45-55.
#
1. Bakman I. High-efficiency Predictive Control of Centrifugal Multi-pump Stations with Variable-speed Drives. Tallinn: TUT Press, 2016.
2. Venkatesh G. Systems Performance Analysis of Oslo's Water and Wastewater System. Trondheim: NTNU, 2011.
3. Nikolaev V.G., Makhrov S.V. Potentsial Energosberezheniya i Ego Prakticheskaya Realizatsiya dlya Nasosov i Vozdukhoduvnykh Mashin Sistem Vodootvedeniya. Vodosnabzhenie i Kanalizatsiya. 2013;1—2:100—115. (in Russian).
4. Pat № 2094397 RF. Ustroystvo dlya Sushki Osadka Stochnykh Vod na Ilovykh Ploshchadkakh. V.I. Prokhorov, I.I. Gorbatov. Byul. izobret. 1997;10. (in Russian).
5. Makisha N., Shevchenko-Enns E. Review of Energy Saving and Energy Efficiency Approaches Applied in Water Sector in Russia. Proc. XXII Intern. Sci. Conf. Construction the Formation of Living Environment. 2019:01040.
6. Babaev V.N., Gorokh N.P., Korin'ko I.V. Energeticheskiy Potentsial Metanoobrazovaniya pri Mezofil'nom Anaerobnom Razlozhenii Organicheskoy Sostavlyayushchey Otkhodov. Vostochno-Evropeyskiy Zhurnal Peredovykh Tekhnologiy. 2011;4(6):59—65. (in Russian).
7. Chernova R. e. a. Analysis of Landfill Gas Thermo-physical Properties for Communal Services. Proc. Advanced Technologies in Material Science, Mechanical and Automation Engineering Conf. Krasnoyarsk, 2019:62044.
8. Shcherbakov V.I., Pomogaeva V.V., Chizhik K., Koroleva E. Biomass Resource of Domestic Sewage Sludge. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2019;983:361—372.
9. Rudenko R.R., Vasilevich E.E., Stom D.I., Zhdanova G.O., Topchiy I.A., Chizhick K.I. The Use of Urban Sewage Sludge as a Substrate in a Microbial Fuel Cell. Intern. J Eng. and Technol. 2018;7;2:277—280.
10. Bakman I., Gevorkov L., Vodovozov V. Optimization of Method of Adjustment of Productivity of Multi-Pump System Containing Directly Connected Motors. Proc IX Intern. Electric Power Quality and Supply Reliability Conf., 2014:209—214.
11. Khohlov V. e. a. Energy Saving in Municipal Sewage Pumping Station. Proc. III Conf. Problems of Thermal Physics and Power Engineering — Energy Saving — Theory and Practice. 2020:052003.
12. Bazhenov V.I., Ustyuzhanin A.V., Koroleva E.A. Ustanovki Kogeneratsii dlya Kompensatsii Potrebnosti Stantsiy Aeratsii v Energeticheskikh Resursakh. Vodosnabzhenie i Sanitarnaya Tekhnika. 2021;4:40—49. (in Russian).
13. Bitiev A.V. i dr. Prognozirovanie Energosberegayushchego Effekta Upravlyaemoy Podachi Vozdukha dlya Novo-Lyuberetskikh Ochistnykh Sooruzheniy. Vodosnabzhenie i Sanitarnaya Tekhnika. 2018;9:47—56. (in Russian).
14. Usachev A.P. Metodika Otsenki Effektivnosti Chastotnogo Regulirovaniya Proizvoditel'nosti Nasosnykh Agregatov KNS. Vodosnabzhenie i Sanitarnaya Tekhnika. 2020;1:42—51. (in Russian).
15. Temerov A. i dr. Obzor Real'nykh Proektov VIE v Regionakh. M.: Izd-vo Rossiyskoy Inzhenernoy Akademii, 2019. (in Russian).
16. Shilkin N.V. Utilizatsiya Tepla Kanalizatsionnykh Stokov. Santekhnika. 2003;1:12—14. (in Russian).
17. Kokorin O.Ya., Volkov V. Primenenie Teplovogo Nasosa s Tsel'yu Energosberezheniya i Povysheniya Ekologichnosti Raboty Sistem Ventilyatsii Pomeshcheniy dlya Vann Ochistki Stochnykh Vod. Kholodil'naya Tekhnika. 2012;6:29—31. (in Russian).
18. Volkov V.V. Povyshenie Energeticheskoy i Ekologicheskoy Effektivnosti Sistem Ventilyatsii v Pomeshcheniyakh s Emkostyami dlya Ochistki Stochnykh Vod: Avtoref. …. Kand. Tekh. Nauk. M.: NIISF RAASN, 2020. (in Russian).
19. Khavanov P., Volkov V. Ensuring Energy Efficiency and Environmental Friendliness of the Ventilation Systems with Baths Wastewater Treatment. Proc. Intern. Multi-conference Industrial Eng. and Modern Technol. 2019:8934406.
20. Kokorin O.Ya., Volkov V.V. Povyshenie Effektivnosti Stantsiy Ochistki Stochnykh Vod. Santekhnika, Otoplenie, Konditsionirovanie. 2012;7(127):22—25. (in Russian).
21. Fu H.D., Pei G., Ji J. e. a. Experimental Study of a Photovoltaic Solar-Assisted Heat-pump/Heat-pipe System. Appl. Thermal Eng. 2012;40:343—350.
22. Pokhil Yu.N. i dr. Ispol'zovanie Teploty Neochishchennykh Stochnykh Vod v Kachestve Teplonositelya. Vodosnabzhenie i Sanitarnaya Tekhnika. 2004;3:25—27. (in Russian).
23. Rymarov A. e. a. Specialized Method of Calculating Heat Input from Wastewater in the Premises of the Sewage Pumping Stations. IOP Conference Series: Materials Sci. and Eng. 2018;463:032073.
24. Dubrovskiy S.V. Otoplenie Udalennoy Kanalizatsionnoy Nasosnoy Stantsii Teplovym Nasosom. Energosovet. 2013;1(26):30—31. (in Russian).
25. Prokhorov V.I., Beloglazov A.R., Razakov M.A. Kachestvennaya I Kolichestvennaya Otsenka Teplopostupleniy ot Stochnykh Vod v Pomeshchenie Kanalizatsionnoy Nasosnoy Stantsii. Estestvennye i Tekhnicheskie Nauki. 2017;7(109):143—146. (in Russian).
26. Razakov M.A. Osobennosti Raskhoda Stochnykh Vod v Kanalizatsionnykh Nasosnykh Stantsiyakh. Sb. Dokl. XVI Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf., Posvyashchennoy Pamyati Akademika RAN S.V. Yakovleva. M.: Mir Nauki, 2020:189—192. (in Russian).
27. Yakovlev I.V., Popov A.I. Ispol'zovanie Teplovykh Sbrosov na Energeticheskie Potrebnosti Goroda. Perspektivnye Energeticheskie Tekhnologii. Ekologiya, Ekonomika, Bezopasnost' i Podgotovka Kadrov: Materialy Nauch.-prakt. Konf. Ekaterinburg: Izd-vo Ural'skogo Federal'nogo Un-ta Im. Pervogo Prezidenta Rossii B.N. El'tsina, 2016:102—104. (in Russian).
28. Shelginskiy A.Ya., Yakovlev I.V. Analiz Primeneniya Teplonasosnykh Ustanovok v Sistemakh Teplosnabzheniya. Vestnik MEI. 2018;2:42—52. (in Russian).
29. Vasil'ev G.P., Abuev I.M., Gornov V.F. Avtomatizirovannaya Teplonasosnaya Ustanovka, Utiliziruyushchaya Teplo Stochnykh Vod g. Zelenograda. AVOK: Ventilyatsiya, Otoplenie, Konditsionirovanie Vozdukha, Teplosnabzhenie i Stroitel'naya Teplofizika. 2004;5:50—52. (in Russian).
30. Vasil'ev G.P. i dr. 12-letniy Opyt Ekspluatatsii Teplonasosnoy Ustanovki na Rayonnoy Teplovoy Stantsii. Santekhnika, Otoplenie, Konditsionirovanie. 2016;4:30—32. (in Russian).
31. Slesarenko V.V., Knyazev V.V., Vagner V.V., Slesarenko I.V. Perspektivy Primeneniya Teplovykh Nasosov RPI Utilizatsii Teploty Gorodskikh Stokov. Energosberezhenie i Vodopodgotovka. 2012;3(77):28—31. (in Russian).
32. Butuzov V.A., Amerkhanov R.A., Grigorash O.V. Geotermal'noe Teplosnabzhenie v Rossii. Teploenergetika. 2020;3:3—14. (in Russian).
---
For citation: Prokhorov V.I., Razakov M.A. Specific Features of Applying Heat Recovery Equipment at Sewage Pumping Stations. Bulletin of MPEI. 2022;2:45—55. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-2-45-55.
