Проектировщикам о схемах тепловой защиты водогрейных котлов
Опубликовано: 21 июля 2010 г.
609
А. Мировски, Г. Ланге, И. Елень
Многообразие водогрейных котлов разных типов и конструкций, представленных на рынке многочисленными отечественными и зарубежными производителями, создает при проектировании определенные трудности. Это связано с частым отсутствием специальных инструкций и рекомендаций изготовителя по проектированию и подключению оборудования. Из-за расхождения в конструкциях применение схем и рекомендаций, разработанных для одних котлов, зачастую невозможно в других случаях. В этих условиях очень востребованы универсальные пособия по проектированию, издаваемые компанией Viessmann. В них рассматривается применимость различных схем, в том числе и для низкотемпературных контуров, в едином контексте с конструктивными, мощностными и другими особенностями водогрейных котлов.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Предлагаемая статья посвящена особенностям проектирования схем температурной защиты водогрейных котлов от конденсации водяного пара из продуктов сгорания в зависимости от реализуемых тепловых схем и рабочих контуров теплоснабжения.
Как известно, минимальная допустимая температура котловой воды, а также обратной магистрали системы теплоснабжения зависит от типа котла и вида топлива. В последнем случае это связано с различными значениями температуры начала конденсации водяного пара в уходящих газах (точка росы), которая для природного газа составляет 57 °С (при содержании в уходящих газах СО2 10,5 %) и для дизельного топлива – 47 °С (содержание СО2 – 13,5 %).
Одноступенчатая схема температурной защиты, как правило, реализуется в установках с котлами бытовых серий и строится за счет использования температурных датчиков (или термостатов) для измерения температуры котловой воды и (или) «обратки».
Создание такой защиты не представляет каких-либо затруднений, но может применяться только в системах с небольшим водяным объемом и при управлении отопительными контурами с помощью смесительных клапанов, расположенных вместе с коллекторами в непосредственной близости от котлов. Подробно одноступенчатая схема рассмотрена в книге «Материалы для проектирования котельных и современных систем отопления», изданной компанией Viessmann на Украине.
На практике чаще приходится сталкиваться с проектированием систем отопления больших водяных объемов, для которых вопросы повышения и (или) стабилизации температуры обратной воды наиболее актуальны. В таких системах рекомендуется применение двухступенчатых систем защиты котлов от конденсации водяного пара из продуктов сгорания.
Отметим: вторая ступень защиты в рассматриваемых ниже схемах, использующая существенное ограничение количества теплоносителя, проходящего через котел, применима только для котлов, не имеющих ограничения по минимальному расходу воды. Рассмотрим некоторые из двухступенчатых систем защиты.
Защита с использованием одного смесительного насоса
Эта система рекомендуется для систем теплоснабжения при условии управления отопительными контурами с помощью смесительных клапанов, расположенных вместе с коллекторами в котельной, то есть в непосредственной близости от котлов. На рис. 1 показан пример гидравлической схемы каскадной котельной с двухступенчатой системой защиты котлов с применением общего смесительного насоса (часто называемого насосом подмеса).
Применение смесительного насоса РМ, предназначенного для нагнетания горячего теплоносителя из подающей магистрали непосредственно в обратную магистраль котельной (смесительный узел Z), – одно из простейших решений периодической стабилизации (повышения) температуры обратного потока (ступень І). Сигнал о включении-выключении насоса РМ выдается на основании сигнала датчика Т2, осуществляющего постоянный контроль температуры обратного потока. Уставка зависит от типа котла и вида топлива.
Работа ступени ІІ защиты основана на уменьшении как расхода котловой воды, так и подачи «захоложенного» обратного потока к котлам, которое осуществляется с помощью закрытияоткрытия смесительных клапанов на отопительных контурах теплосети. Периодический сигнал на закрытие-открытие смесительных клапанов выдается на основании показаний датчика Т1 постоянного контроля температуры обратного потока для каждого котла. Работа горелок, включающихся по сигналу от датчика Т1, и интенсивная естественная циркуляция, усиленная работающим смесительным насосом (поскольку датчик Т1 устанавливается за датчиком Т2 по ходу обратного потока), ведут к повышению температуры котловой воды. После достижения соответствующей температуры, регистрируемой датчиком Т1, посылается сигнал на открытие смесительных клапанов, и отпуск тепла потребителям переходит в нормальный режим – согласно потребности. При дальнейшем повышении температуры обратного потока, которое регистрируется датчиком Т2, посылается сигнал на выключение смесительного насоса (отсюда и понятие периодической стабилизации температуры).
Следует особо отметить, что подмешивание теплоносителя в обратную магистраль с помощью одного смесительного насоса должно быть одинаковым для всех котлов, входящих в схему, поэтому многокотловую установку с общим смесительным насосом нужно выполнять с попутным движением теплоносителя, а не по тупиковой схеме.
На рис. 2 представлена модификация рассмотренной схемы для систем, в которых необходимо ускорить начало стабилизации температуры обратного теплоносителя (например, если значительная доля теплопотребления приходится на напольное отопление с низкой температурой обратного теплоносителя) и допускается периодическое уменьшение отбора тепла. Этот же вариант рекомендуется для котельных, работающих на низкокалорийном топливе (биогаз и др.).
Ступень І защиты – периодическая стабилизация (повышение) температуры обратного потока. Рассматриваемая защита работает точно так же, как описано в предыдущем случае, с той лишь разницей, что смесительный насос РМ подключен к независимому источнику питания и включается термостатом Т2. В этом случае следует дополнительно выключать насос при выключении котельной или отсутствии потребности в тепле (летний режим).
Ступень ІІ – периодическое уменьшение отбора тепла.
Рассматриваемая защита работает точно так же, как описано в предыдущем случае. Разница лишь в том, что за узлом смешения (точка Z) осуществляется повторное контрольное измерение температуры обратного потока термостатом Т3. Закрытие смесительных клапанов производится посредством замыкания беспотенциальных контактов термостатом Т3 при снижении температуры обратного потока ниже установленного значения. В это же время происходит включение горелок при отработке сигнала о низкой температуре датчика Т1. Далее в результате работы горелок и интенсивной естественной циркуляции, усиленной работающим смесительным насосом РМ, повышается температура котловой воды. После достижения соответствующей температуры, подтвержденной термостатом Т3, открываются смесительные клапаны, и отпуск тепла потребителям переходит в нормальный режим – согласно потребности. При дальнейшем повышении температуры обратного потока, который регистрируется термостатом Т2, выключается смесительный насос.
Защита с использованием индивидуальных смесительных насосов
В случае работы котельной с системой отопления большого водяного объема при большом удалении отопительных контуров от котельной или отсутствии возможности управления отопительными контурами каждый котел должен снабжаться индивидуальной системой для повышения и стабилизации температуры обратного потока. Данное решение – первая ступень защиты по температуре обратного потока. В качестве второй ступени используется разделение (отключение) контура котла от отопительных контуров, осуществляемое путем закрытия поворотных заслонок либо закрытием трехходового клапана на котловой подающей магистрали, что равнозначно высшей степени уменьшения отбора тепла (расхода теплоносителя через котел).
При такой схеме (рис. 3), когда исполнительный механизм второй ступени защиты размещен в непосредственной близости от котла (сразу за смесительным насосом), в управление отопительными контурами можно не вмешиваться. Они способны работать полностью независимо.
Ступень І защиты – периодическая стабилизация (повышение) температуры обратного потока. Как и в предыдущих вариантах, задачей смесительного насоса для каждого котла является подача горячего теплоносителя из магистрали подачи непосредственно в обратную линию – к узлу смешения (точка Z). В большинстве случаев сигнал на включение-выключение смесительного насоса подается на основании результатов постоянного измерения температуры обратного теплоносителя датчиком Т2.
Ступень ІІ – периодическое разделение (перекрытие) котельных и отопительных контуров.
Рассматриваемая защита работает при обязательной установке датчика Т1 для повторного контрольного измерения температуры обратного теплоносителя (устанавливается за узлом смешения – точкой Z). При уменьшении температуры обратного теплоносителя ниже установленного значения выдается сигнал на закрытие двухходовых клапанов – перекрытие магистрали подачи, и как, следствие, – уменьшение отбора котловой воды и подачи «захоложенного» обратного теплоносителя к котлам.
Далее, в результате работы горелок и интенсивной естественной циркуляции, усиленной работающим смесительным насосом РМ, повышается температура котловой воды. После достижения соответствующей температуры, подтвержденной датчиком Т1, открываются двухходовые клапаны, и отпуск тепла потребителям переходит в нормальный режим – согласно потребности. При дальнейшем повышении температуры обратного потока, который регистрируется датчиком Т2, выключается смесительный насос.
Рассмотренная схема имеет модификацию, в которой двухходовые клапаны заменены трехходовыми смесительными клапанами на второй ступени защиты. Данный вариант позволяет подавать воду к циркуляционным насосам отопительных контуров по байпасной линии защитного клапана котла.
Защита с использованием сетевого (распределительного) насоса
При работе котельной с большим (более 20 м) удалением от 3 кПа котлов распределительных коллекторов рекомендуется двухступенчатая схема защиты с использованием постоянно работающего сетевого насоса (рис. 4). Большое (свыше 3 кПа) гидравлическое сопротивление трубопроводов, транспортирующих теплоноситель от котла к потребителям тепла, создает опасность нестабильного теплоснабжения всех отопительных контуров и кавитации в циркуляционных насосах.
Необходимые условия для функционирования данной схемы – управление отопительными контурами с помощью смесительных клапанов и выполнение котельной с попутным движением теплоносителя, а не по тупиковой схеме, для равномерного распределения обратного потока воды между котлами одинаковой мощности.
Ступень І защиты – постоянная стабилизация температуры подачи и обратного теплоносителя.
Задача сетевого насоса PR – преодоление гидравлического сопротивления трубопроводов между котлами и распределительными коллекторами. Дополнительная функция – повышение (стабилизация) температуры обратного теплоносителя за счет подмешивания прямой воды через байпас S, расположенный между коллекторами. Это необходимо для того, чтобы в протяженном трубопроводе между сборным коллектором и обратным патрубком котла не было холодной воды, способной вызвать конденсацию водяного пара из продуктов сгорания.
Сетевой насос должен работать непрерывно при минимальной потребности в тепле (если работает насос хотя бы одного отопительного контура). Это обеспечивает постоянную стабилизацию температуры прямой и обратной воды.
Ступень ІІ – периодическое уменьшение отбора тепла. При необходимости ускорить момент начала уменьшения отбора тепла нужно использовать термостат с регулируемой настройкой для измерения температуры в точке Т3. Он осуществляет постоянное измерение температуры обратного потока за сборным коллектором. Если температура воды опускается ниже величины настройки, термостат подает команду на закрытие смесительных клапанов. При этом происходит уменьшение отбора тепла и возврата «захоложенного» обратного теплоносителя. Одновременно по команде от датчиков Т1 происходит включение горелок.
Далее, в результате работы горелок и интенсивной естественной циркуляции, усиленной работающим сетевым насосом РR, повышается температура котловой воды. По достижению соответствующей температуры, подтвержденной термостатом Т3, открываются смесительные клапаны, и отпуск тепла потребителям переходит в нормальный режим – согласно потребности.
В связи с повышенным содержанием влаги в топливе этот вариант защиты рекомендуется также для котельных по сжиганию биогаза, получаемого от канализационных очистных сооружений или свалочного газа.
Защита с использованием насоса котлового контура
В случае работы котельной с большим (или очень большим) водяным объемом и удаленными потребителями тепла, при отсутствии управления ими (реконструкция существующих систем) следует устанавливать насосы на каждый котловой контур. К этому рекомендуется прибегать, когда трубопроводы, соединяющие котлы и коллекторы, имеют большое гидравлическое сопротивление. Постоянно работающий насос котлового контура является первой ступенью защиты котлов; для реализации второй ступени защиты используются трехходовые смесительные клапаны котлов или гидравлическая стрелка.
Рассмотрим принцип действия первой из этих схем (рис. 5) в системе с большим гидравлическим сопротивлением трубопроводов, соединяющих котлы с распределительными коллекторами, и при отсутствии управления отопительными контурами.
Ступень І защиты – постоянная стабилизация температуры подачи и обратного теплоносителя.
В данном случае насос котлового контура предназначен для преодоления дополнительных гидравлических сопротивлений трубопроводов, соединяющих котлы с распределительными коллекторами, и подачи теплоносителя в коллектор (стабилизация питания). Дополнительная функция – защита по температуре обратного теплоносителя путем подмешивания прямой воды из подающего коллектора в обратный по байпасу S. Как следствие, уменьшается вероятность конденсации водяного пара из продуктов сгорания в котле.
Если существует хотя бы минимальный отбор тепла (работает как минимум один циркуляционный насос отопительного контура), котловой насос работает постоянно. При этом осуществляется одновременная стабилизация температуры прямой и обратной воды.
Ступень ІІ – периодическое отключение контура котла от отопительных контуров (уменьшение отбора тепла).
В рассматриваемой системе защиты необходима установка датчика Т1, осуществляющего постоянное измерение температуры обратного теплоносителя на входе в котел и за сборным коллектором. Если температура воды опускается ниже величины настройки, термостат подает команду на закрытие смесительных клапанов каждого котла, изолируя контур котла от системы отопления. При этом происходит уменьшение отбора тепла и возврата «захоложенного» обратного теплоносителя. В это же время по команде от датчиков Т1 включаются горелки.
В результате работы горелок и интенсивной естественной циркуляции, усиленной работающим котловым насосом РK, повышается температура котловой воды. После достижения соответствующей температуры, подтвержденной датчиком Т1, открываются смесительные клапаны, и отпуск тепла потребителям переходит в нормальный режим – согласно потребности.
Гидравлическая стрелка в составе вышеописанной защиты (рис. 6) применяется при отсутствии управления отопительными контурами, большом гидравлическом сопротивлении трубопроводов, соединяющих котлы с коллекторами, большой динамике изменения параметров, при различии в требуемой тепловой мощности котлов.
Ступень І – постоянная стабилизация температуры подачи и обратного теплоносителя.
В данном случае насос котлового контура предназначен для подачи теплоносителя к гидравлической стрелке (стабилизация питания) и – дополнительно – для защиты по температуре обратного теплоносителя путем прохождения через гидравлическую стрелку избыточного количества прямой воды. Это условие является обязательным.
Ступень ІІ – периодическое отключение контура котла от первичного контура гидравлической стрелки (уменьшение отбора тепла).
Рассматриваемая защита работает точно так же, как описано в предыдущем случае, с той лишь разницей, что трехходовые клапаны разобщают котловые контуры с первичным контуром гидравлической стрелки.
Рассмотренные выше схемы дают полное представление о логике организации автоматической защиты от образования конденсата практически для всех встречающихся случаев эксплуатации водогрейных котельных. Реализовать эту логику можно любыми подходящими и доступными средствами автоматики.
Статья опубликована в журнале «Аква-Терм» # 1(41) 2008