Эксплуатация каскадных котельных
Опубликовано: 05 мая 2015 г.
826
Высокая энергоэффективность современных каскадных котельных обусловлена гибким режимом работы, при котором расходуется ровно столько топлива, сколько нужно для отопления и ГВС. Благодаря автоматизированной системе управления каскадом и погодозависимой автоматике (сегодня их предлагает большинство производителей котельного оборудования), каскадные котельные допускают большой диапазон модуляции мощности и снижают нагрузку на каждый из котлов, тем самым увеличивая долговечность их работы. Все статьи номера ЗДЕСЬ,
В каскадных котельных теплоноситель нагревается несколькими котлами напольного или настенного исполнения, которые подключены последовательно. В зависимости от тепловой нагрузки эти котлы могут работать как вместе, так и поочередно. К достоинствам каскадных систем нужно, во-первых, отнести возможность гибкого варьирования мощности. Так, например, каскадная котельная на базе трех котлов с двухступенчатыми горелками может работать на шести различных ступенях мощности. Это позволяет более точно подстраивать тепловую производительность системы в соответствии с суточными, сезонными и другими изменениями нагрузки и более эффективно обеспечивать объект теплом. Во-вторых, каскадные котельные характеризуются высокой надежностью: при выходе из строя одного котла или при проведении регламентных профилактических процедур котел можно отключить для замены или чистки без остановки всей системы. В зимний сезон бесперебойность работы системы позволит избежать ее замораживания. В-третьих, при поочередном включении котлов, когда котельная функционирует с неполной тепловой нагрузкой, увеличивается общий ресурс котлов, поскольку контроллер, управляющий работой каскада, включает котлы в такой последовательности, чтобы их ресурс вырабатывался равномерно. К другим достоинствам каскадных котельных можно отнести массогабаритные преимущества используемых агрегатов: детали и блоки котлов меньшей мощности, как правило, меньше по размерам и легче по весу, заменить их в случае неисправности значительно проще (к тому же они дешевле за счет большей серийности производства). К недостаткам каскадных систем можно отнести расходы, связанные с приобретением дополнительного оборудования (каскадного контроллера, запорных и обратных клапанов, циркуляционных насосов, газового коллектора, дополнительных труб для обвязки и общего дымохода и пр.), а также расходы, связанные с установкой нескольких котлов и монтажом более сложных гидравлической и дымоотводной систем. Но ввиду того, что многие производители предлагают типовые решения для создания каскадных котельных (гидравлические модули, дымоходные системы, а для установки настенных котлов – нередко и рамы с полностью готовой трубной обвязкой), монтажные и пусконаладочные работы сегодня не создают больших сложностей.
Устройство каскадной котельной и ее компоненты
Количество, тип и мощность котлов, которые будут использоваться в каждом конкретном каскаде, необходимо определять с учетом потребления объектом тепла в зависимости от времени года и суток. В некоторых случаях приходится принимать во внимание и другие факторы, которые могут привести к изменению режима потребления тепла. Также необходимо учитывать размер помещения, где будет размещена котельная, и финансовые возможности заказчика.
Сегодня в ассортименте всех основных производителей котельного оборудования представлено несколько серий котлов, которые могут объединяться в каскады. Традиционно занимавшие нишу бытового теплоснабжения настенные газовые и газовые конденсационные котлы сегодня могут быть использованы для отопления промышленных объектов: на рынке представлены настенники мощностью сто и более киловатт, что позволяет формировать на их основе котельные мегаваттных значений. Как правило, каскадные системы состоят из двух, трех или четырех котлов, управляемых единым каскадным контроллером, но встречаются котельные, где работает 8 или 16 агрегатов. Так, серия настенных конденсационных котлов Rendamax R40 (6 моделей номинальной мощностью от 45 до 150 кВт, рис. 1) при каскадном подключении восьми агрегатов позволяет создавать каскадные установки мощностью до 1080 кВт. Котлы оснащены двухтрубчатым теплообменником из нержавеющей стали со встроенной спиралью для предотвращения пристеночной накипи и горелкой с функцией непрерывной электронной плавной модуляции пламени. Среднегодовой КПД котлов достигает 106,2 %, максимальное рабочее давление – 8 бар, максимальная температура – 90 °С. Котлы, работающие в каскаде, обычно размещают в один ряд или устанавливают «спиной к спине».
Каждый котел, входящий в каскад, необходимо оборудовать отдельными вентилями подающей и обратной линий, газовым краном. С их помощью вышедший из строя котел можно отключить от гидравлической системы без остановки котельной. Так же каждый котел оснащают отдельными краном для заполнения и слива воды и механическим фильтром, обратным клапаном. Для того чтобы съем тепла с котлов и их охлаждение осуществлялись равномерно, каждый котельный контур рекомендуется оборудовать индивидуальным циркуляционным насосом.
Как правило, дымоходы котлов каскадной системы сводят в общий дымоходный канал, расположенный в помещении котельной. Он присоединяется к основной дымовой трубе здания. К одному дымоходному каналу можно подключать дымоходы не более, чем от четырех котлов. При проектировании дымохода для каскадных котельных необходимо руководствоваться СП 42-101-2003 «Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб».
Для упрощенного монтажа каскадных котельных ряд производителей, например компания Navien (Корея), предлагает гидравлические модули – готовые гидроузлы, смонтированные на несущей стальной раме, которые рассчитаны на 4 или 8 котлов и включают циркуляционные насосы, трубную разводку радиаторного и напольного отопления и все необходимые контрольно-измерительные приборы. Модули Navien оснащаются встроенной автоматикой погодозависимого управления; сервоприводы и датчики подключены к каскадному контроллеру, на котором температурные графики, временные программы и параметры контуров выставляются индивидуально для каждого котлоагрегата. При работе с газовыми и газовыми конденсационными настенными котлами Navien, под габариты и присоединительные размеры которых разрабатывались данные инсталляции, практически полностью устраняются все возможные ошибки при проектировании, монтаже и пусконаладке котельной.
Гидравлический разделитель
Обычно гидравлическая система каскадных котельных включает несколько котельных (первичных) и несколько отопительных (вторичных) контуров, разделенных коллектором. Все первичные и некоторые вторичные контуры оснащаются отдельными насосами. Режимы работы насосов отопительных контуров определяются потребностью объектов в тепле, и согласовать их с режимами работы насосов котельных контуров довольно сложно. Это может привести к следующим негативным последствиям:
– снижению производительности и даже выходу насосов из строя (под действием более мощных насосов);
– работе системы отопления в условиях, отличающихся от расчетных и, как результат, снижению качества теплоснабжения объекта, дополнительному расходу энергии, выходу из строя элементов системы, ее разбалансировке;
– повышению уровня шума при увеличении скорости движения воды.
Для того чтобы этого не происходило, большинство производителей котельной техники настоятельно рекомендует оборудовать каскадные системы гидравлическим разделителем (гидравлической стрелкой). Это устройство разделяет котельные и отопительные контуры и снижает перепад давления на коллекторе почти до нуля. Также в гидравлическом разделителе может происходить подмешивание воды подачи к обратной воде и наоборот. Такая необходимость может возникнуть, например, когда нужно понизить температуру теплоносителя, поступающего в низкотемпературный контур. Гидравлические разделители рекомендуется использовать, если расчетная разница между давлением на входе и выходе коллектора превышает 40 мбар. В некоторых случаях (конденсационные котлы, подключенные в каскад, наличие смесительного контура и др.) их использование является обязательным.
Управление каскадной котельной
Относительно простые каскадные системы (небольшое количество котлов и отопительных контуров, постоянная тепловая нагрузка) могут управляться без применения каскадного контроллера. Для этого на каждом котле достаточно установить требуемую температуру выходной воды. Для управления сложными отопительными системами (три или более котлов, несколько отопительных контуров, работающих в разных температурных режимах, тепловая нагрузка, меняющаяся на протяжении суток) необходимо использовать каскадные контроллеры.
Современные каскадные контроллеры обладают большим количеством функций, и к ним можно подключать самые различные дополнительные устройства: температурные датчики, насосы, приводы смесительных клапанов и другие устройства. Одной из основных функций контроллера является обеспечение такого режима, при котором время работы всех котлов, входящих в каскад, было бы одинаковым. Для этого в прошивку контроллера вводят таблицы ротации, определяющие порядок включения котлов во время определенного периода времени. Если каскад состоит из котлов с модулируемыми горелками, контроллер включит столько приборов, чтобы их суммарная мощность превышала существующую нагрузку. В результате горелки будут работать на частичной мощности, тепловая нагрузка на детали котлов снизится, и их технический ресурс будет вырабатываться медленней.
Каскадные котроллеры подключаются к разъемам, предназначенным для присоединения индивидуальных комнатных термостатов, или к специальным разъемам. Как правило, их устанавливают на один из котлов (ведущий). Управление другими котлами (ведомыми) контроллер осуществляет через коммуникационные шины (например, через шину LON). Через специальные коммуникационные модули к контроллеру можно подключать блоки управления отопительными контурами. Некоторые модели каскадных контроллеров могут одновременно регулировать температуру в нескольких десятках отопительных контуров.
Необходимо отметить, что стоимость каскадных контроллеров колеблется от 500 до 1800 евро, стоимость различных приборов, используемых для управления котельной (приводы, температурные датчики, коммуникационные модули и т. д.), – от 40 до 300 евро. Соответственно, стоимость полной автоматизации даже относительно простой каскадной котельной может составить несколько тысяч евро.
Каскадные системы с конденсационными котлами
Традиционно при определении КПД котла сравнивают выделяемое им тепло и низшую теплоту сгорания топлива (ее принимают равной 100 %). В конденсационных котлах для получения дополнительной тепловой энергии используется тепло, которое выделяется при конденсации водяного пара из дымовых газов и утилизируется специальным теплообменником. Количество тепла, выделяемое при конденсации пара, в первую очередь будет зависеть от температуры обратной воды (теплоносителя). Для обеспечения устойчивости прохождения процесса необходимо, чтобы температура воды, поступающей в теплообменник, была ниже температуры точки росы (для природного газа – 57 °С) на 10–15 °С. При соблюдении этого условия КПД котла может достигать 109 %.
Конденсационные котлы обладают рядом достоинств. Во-первых, их оборудуют модулируемыми горелками. У мощных конденсационных котлов в камере сгорания создается высокое избыточное давление, и они не зависят от колебаний тяги. Такие котлы могут без потери эффективности работать в диапазоне модулирования от 20 до 100 % мощности, и их производительность можно сверхточно подстраивать к изменениям тепловой нагрузки. Во-вторых, в дымовых газах конденсационных котлов содержится очень небольшое количество CO и NОx, и их можно эксплуатировать в крупных городах и природоохранных зонах. В-третьих, на всей протяженности дымоходов мощных конденсационных котлов создается избыточное давление. Такие агрегаты можно оснащать низкими дымовыми трубами небольшого диаметра.
Согласно заявлениям некоторых производителей, при благоприятных условиях для производства одного и того же количества тепла на протяжении длительного времени конденсационным котлам требуется на 35 % газа меньше, чем традиционным котлам. Соответственно, их использование в мощных каскадных системах позволит пользователю значительно сократить расходы, связанные с приобретением топлива. Однако приобретение и эксплуатация таких котлов связаны с определенными трудностями. Во-первых, конденсационные котлы отличаются высокой стоимостью, во-вторых, для эффективной работы им необходимо обеспечить подачу обратки с температурой ниже 45 °С. Наконец, работа конденсационных котлов сопровождается выделением большого количества конденсата, который необходимо утилизировать.
В странах Европы широкое распространение получили каскадные котельные, созданные на базе одного конденсационного (основного) и одного обычного (резервного) котла. Большую часть отопительного периода в котельной работает экономичный конденсационный котел. Обычный котел включается только для покрытия пиковых тепловых нагрузок или при временной остановке основного агрегата, связанной с его поломкой или проведением регламентных работ. Такая комбинация позволяет сократить стоимость котельной и снизить расход топлива.
Мощности современных конденсационных котлов напольного исполнения могут достигать нескольких мегаватт. Соответственно, на базе одного конденсационного и одного обычного котла можно создать каскадную котельную для теплоснабжения большинства крупных гражданских или промышленных объектов. В числе производителей, выпускающих конденсационные котлы промышленной мощности, можно назвать такие компании, как Bosch, De Dietrich, Ferroli, Unical, Viessmann и некоторые другие. Международный концерн Bosch является одним из немногих производителей, выпускающих трехходовые конденсационные котлы. В номенклатуре теплоэнергетического оборудования этой фирмы наиболее мощными конденсационными котлами являются серии SB745 и SB825. Линейка SB745 (рис. 2) включает три модели максимальной производительностью от 790 до 1200 кВт при температурном режиме 40/30 °С (или от 723 до 1098 кВт при температурном режиме 75/60 °С). Эти котлы оснащаются теплообменниками из нержавеющей стали и работают со сменными одно-, двухступенчатыми и модулируемыми вентиляторными горелками. Стандартизированный КПД составляет 109 %, максимальное рабочее давление – 5,5 бара. Серия трехходовых жаротрубных газовых конденсационных котлов SB825 включает 16 типоразмеров с максимальной полезной мощностью от 750 до 19 200 кВт. Данные котлы оснащаются съемными вентиляторными горелками. Стандартизированный КПД также может достигать 109 %, допустимое избыточное давление котлов составляет 6 или 10 бар (опция).
В ряду конденсационных котлов промышленной мощности интерес представляют котлы De Dietrich серии C 610 Eco (рис. 3), в основе которых – комбинация из двух котлов C 310 Eco. По сути дела это каскадная котельная в одном заводском корпусе, имеющая единую систему управления и общую системы дымоотведения. Серия включает 4 модели максимальной мощностью от 706 до 1146 кВт при работе в температурном режиме 50/30 °С (или от 654 до 1062 кВт при температурах на выходе–входе 80/60 °С). При максимальной мощности и температурном режиме 70 °С КПД котла составляет от 97,3 до 98,5 %, а при 20 % мощности и 30 °С – от 107,7 до 108,9 %.
Как видно из вышеприведенных данных, наиболее эффективно конденсационные котлы работают в составе низкотемпературных (40/30 °С) систем отопления (напольное или низкотемпературное радиаторное отопление, системы теплоснабжения технологических процессов и др.). В этом случае их КПД может достигать 109 %. В то же время даже в системах с достаточно высокой расчетной температурой обратной воды (от 50 до 70 °С) условия, при которых начинается конденсация, могут быть выполнены. Практика показывает, что в котлах, установленных в средней полосе России и управляемых погодозависимой автоматикой, среднегодовой КПД может составить от 100 до 104 %. Также достаточно низкую температуру обратной воды можно обеспечить, если хотя бы один отопительный контур системы является низкотемпературным и его мощность превышает 15 % мощности всей системы. В этом случае обратную воду из этого контура нужно подмешать к общей обратной линии или направить ее непосредственно на конденсационный теплообменник котла (в некоторых моделях конденсационных котлов гидравлические контуры основного и конденсационного теплообменников имеют раздельное подключение).
Система с попутным движением теплоносителя
Если расход теплоносителя не соответствует мощности котла (ниже требуемого), то агрегат не сможет стабильно работать и его горелка будет «тактировать» – слишком часто включаться и выключаться. Каждое включение горелки сопровождается повышенной эмиссией вредных веществ, резким увеличением механической и тепловой нагрузок на различные элементы горелки (это ускоряет износ этих элементов), дополнительным расходом энергии на продувку камеры сгорания, подогрев жидкого топлива и т.д. Поэтому съем тепла со всех котлов, работающих в каскаде, должен осуществляться равномерно, в соответствии с их мощностью. Охлаждение котлов обратной водой из системы отопления тоже необходимо осуществлять равномерно. В противном случае может возникнуть ситуация, когда один котел, входящий в каскад, будет перегрет, а другой охлажден до температуры ниже точки росы. При этом в нем может начаться конденсация водяных паров (из продуктов сгорания).
В каскадной котельной, где используются котлы равной мощности, съем тепла и охлаждение котлов будут осуществляться равномерно только в том случае, если через них будет проходить равное количество теплоносителя. Для этого необходимо, чтобы гидравлическое сопротивление всех параллельных контуров было одинаковым. Особенно важно выполнить это условие в каскадах, где используются котлы с небольшим объемом воды. Для выравнивания гидравлического сопротивления рекомендуется использовать гидравлический разделитель и оснащать каждый котловой контур насосом. Если по какой-либо причине сделать это не удается, равный расход теплоносителя можно обеспечить, используя систему с попутным движением теплоносителя. В западной литературе ее называют схемой Тихельмана. В этом случае длины всех котловых контуров будут равными, а разница между их гидравлическим сопротивлением окажется незначительной. Это позволит выравнять расход воды котлов, работающих в каскаде.
Статья из журнала «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ» (№ 2/29 2015)
