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Advances In Aeration ControlMWEA Fall Process Seminar

November 6, 201311:15 AM11:15 AM 

East Lansing, MI

Thomas E. Jenkins

President   JenTech Inc.

JenTech Inc.

1

6789 N. Elm Tree Road

Milwaukee, WI 53217

414‐352‐5713

info@jentechinc.com

• Importance of Aeration Control

• Advances in AeratorsDiffused

Advances in Aeration Control

• Diffused

• Mechanical

• New Blower Technologies• Turbo

• Screw Blowers

• Advances in VFDs

2

• Advances in VFDs

• Improved Instrumentation & Control Strategies• DO Control Techniques

• Feedforward Control

2

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2

• More Demanding Permit Requirements

Factors Driving Advances in Aeration Control

• More Complicated Processes

• Higher Energy Costs

3

• Increased Global Technology Transfer

• Improved Instrumentation Hardware

3

• Process Performance Comes First!

Improved Control Means More Stable Processes

• Adapting Automatically to Upsets and Changes Can Improve Performance

• Control Strategies Must Integrate Process Equipment Characteristics

4

• Most Municipal WWTPs Operate at 1/3 of Design Capacity

CONSIDER TAKING TANKS OUT OF SERVICE4

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3

Aeration is the Most Significant Energy Use in a WWTP

Energy Is A significant Concern, and Can Be Used To Justify Systems

WWTP

34%

55%Pumping and Other

HVAC

55

11% Aeration

Most Utilities Offer $ Incentives for Reducing Energy Use

Rates vary with:

• Time of Day

Energy Consump on  ≠  Energy Cost

•On‐peak, Off‐Peak

•Day of Week

• Size of Costumer

•Demand (kW) and Consumption (kWh)

66

The First Goal of an ECM (Energy Conservation Measure) is to Reduce Cost While Maintaining or Improving Process Performance

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Variable Speed  or On/Off Mechanical Aerators

Mechanical Aerators

2.02.5

gth

Power

4 0

SAE

7

0.00.51.01.5

30 50 70 90

bhp/ft. rotor leng

rpm

0

5

10

30 50 70 90

OTR

 lb/hr/ft rotor 

length

rpm

SOTR

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

30 40 50 60 70 80 90

SAE lb/hp hr

rpm

Coarse Bubble

Diffused Aeration

Changing to Fine Pore Diffusers Should Always Be Examined!

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5

New Aeration Technologies:

• Mixing and Aeration Combined

• Actually Re‐invention of Older Technology

• Allows Separate Controlof Oxygen Transfer and 

Mixing Energy

ff

99

• New Diffuser Geometries and Materials

• Fouling Resistance

•Improved OTE

• Proportional to Submergence

• Deeper is Better

Diffused Aeration Energy

• Also Requires Higher Blower Power

• Proportional to Air Flow per Diffuser

• Flux Rate (1 to 10 SCFM/ft2 Typical)

• Lower is better

P ti l t A t l DO C t ti

1010

• Proportional to Actual DO Concentration

• Lower is Better

• DO Control is Significant

• Most Plants Are Too Conservative In DO Setpoint

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4.00

4.50

er

Blower Power Ratio (Compared to 2.0 ppm DO)

actual CQ *

20 0.2

Diffused Aeration

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50Nominal Power M

ultiplie

actualCCQ

*

200.2

1111

Excess DO means significantly more aeration power.

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00

Actual DO Concentration, ppm

Based on 500' ASL, 55 °F, 9.9 ppm Csat

• Lower Air Flow Rates• Reduce Valve Sizes

R S l R l Fl T itt

Impact on Control Systems

• Re‐Scale or Replace Flow Transmitters

• Mixing Limits

• Impact on Blowers• Turndown May Become an Issue

• Verify Pressure Capacity (More Submergence)

1212

•DO Control• Maximizes Savings Opportunity

• Over‐Aeration More Common

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Efficiency Varies with Blower Type

Range is 60% to 80%

Aeration Blowers and Energy

1313

• Efficiency

• Across Actual Load Spectrum

Blower Considerations

• Control

• Constant Pressure or Flow Based

• Control and Protection Should Be Integrated

• Turndown

f h ff

1414

• Often More Important Than Efficiency

• Turndown Limits Must Be Included In Control Strategy

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Example Turbo Blower Characteristics

System Curve

1515

Example Screw Blower Characteristics

65.0%

66.0%

67.0%

68.0%

25.0

30.0

35.0

40.0

fficiency

kW

Typical Screw Blower Performance at Constant Speed55 °F Ti 14.4 pi

60.0%

61.0%

62.0%

63.0%

64.0%

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0

Adiabatic Ef

SCFM

/k

psig Discharge

SCFM/kW

Wire to Air Efficiency

1616

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• Blower Control Usually Included In Packages 

• Screw Blowers

Blower Control Considerations

• Typically More Turndown

• Control Simpler

• Turbo Blowers

• Often More Efficient and Lower Cost (CHANGING)

d l d d l

1717

• Turndown Limits Must Be Included In Control Strategy – Surge Is a Concern

• VFDs Are More Reliable And Less Costly

VFD Applications Have Changed

• Many Utilities Offer “Automatic” VFD Incentives

• Can Be Applied to ALL Types of Blowers 

• Proper Selection and Engineering is Required

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• Medium Voltage (> 600 Volts) Now Cost Effective

• Increased Competition,  Lower Prices 

• Typically Greater Than 750 hp

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Payback on Medium Voltage Drives Can Be Good

$6,000,000

$8,000,000

$10,000,000

$12,000,000

$14,000,000

um

ula

tive

En

erg

y

Cumulative Operating Cost Exisitng Guide Vane Control

New 2000 hp motor, 2000 hp VFD

1919

$-

$2,000,000

$4,000,000

0 5 10 15 20Cap

ital

+ C

u

Years of Operation

DO Control Can Be Very Cost Effective•Will Save 25% Or More Compared to Manual

• Matches Air Supply To Demandll S bili• Usually Improves Process Stability

• DO Is An Indirect Indicator of Process Performance

• Low Capital Cost May Make Payback Shorter Than Other Changes

• Control Complexity Should Be Matched to System• Total Blower Air Flow Only

2020

o a o e o O y• Individual Basin Flow Control• Separate Grid DO and Flow Control Within Basins

• New Strategies Improve Efficiency• Most‐Open‐Valve• Direct Flow Control Eliminates Pressure Control

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• MOST‐Open‐Valve (MOV) Control is NOT Necessary for DO Control or Blower Control

Most‐Open‐Valve Control

•Technique for Minimizing System Pressure by Keeping at Least One Basin Valve at Max Position at All Times

2121

• Older Systems Work By Adjusting Pressure Setpoint

• Newer Strategies Work Directly With Flow Control

Pressure Control

• If Constant Pressure Is Maintained Changes in One Valve Won’t Affect Other Basin’s Air Flows

Typical Centrifugal Blower & System Curves

re, p

sig

9.0

8.0

10.0

Pressure Setpoint

• If Pressure Setpoint is Too High Power Is Wasted

2222

5.0

Flow, SCFM

Pre

ss

u

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

7.0

6.0

Pressure Setpoint

Wasted Power

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Direct Flow Control• Is Simpler and More Stable

• Typically Reduces Blower Power 5% to 10%

2323

• Optical DO Probes Replacing Membrane Types

• Multi‐Channel and Remote Transmitters

New Analytic Instruments for  Control

• New Nutrient Analysis Instruments

• Chiefly for Nutrients – Nitrification/Denitrification

• Many Still Maintenance Intensive

• Most Ammonia Control Strategies Used In Conjunction with DO Control

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Conjunction with DO Control

• New Feedforward Controls Based on Measuring Process Demand

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Offgas Based Feed Forward Control• Determines Air Demand By Measuring OUR and OTE

• More Stable and Precise

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• Process Requirements Come First!

Use Simple Payback To Calculate Cost Effectiveness

• Use Present Worth for Longer Time Periods

• Implementation for Energy Conservation Should Be Justified By Best Payback

2626

ngsAnnualSavi

ostEquipmentCyearsPayback,

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Over Life of Equipment:

Energy Cost is more Significant than Equipment, Installation, or Maintenance Costs

Aeration and Energy

2727

Questions?

2828

http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd‐1118389980.html