Каскадные котельные
котел подключение каскадный
Практика показывает, что в течение значительной части отопительного сезона мощность ряда отопительных котельных используется не более чем на 50%, а в межото- пительный период - не более чем на 20-25% (нагрузка ГВС). Неравномерная и зачастую малая нагрузка котельной обуславливает необходимость в широком диапазоне регулировки тепловой мощности как отдельных котлов, так и котельной в целом, что не всегда представляется возможным без снижения эффективности работы котельных установок, т.е. уменьшения КПД и соответственно увеличения удельного расхода топлива.
Одним из вариантов, предназначенных для решения данной проблемы, является система каскадного подключения малых отопительных котлов (фото 1). Котлы подключаются по теплоносителю в единую систему отопления с программным управлением. В результате становится возможным плавная, почти бесступенчатая регулировка мощности котельной. Например, при установке каскада из 12-ти газовых котлов единичной тепловой мощностью по 90 кВт, суммарная мощность котельной составит 1080 кВт, а минимальная - 36 кВт, т.е. 3,3% ее максимума (с учетом регулирования мощности каждого котла от 40 до 100%). Данная система позволяет обеспечить эффективную работу котельной с необходимой мощностью за счет последовательного подключения/отключения котлов и с учетом загрузки каждого котла при оптимальном значении КПД. Также возможна установка нескольких каскадов в одной котельной.
Программное обеспечение системы автоматического управления составляется таким образом, что ежедневно происходит смена последовательности запуска котлов. Следовательно, если сегодня котел запускается первым, то на следующий день он становится последним в очереди, и его запуск произойдет только при условии необходимости работы котельной на полную мощность. За счет этого достигается более равномерный износ основного оборудования котельной. Выход из строя одного из котлов почти не сказывается на обеспечении требуемой нагрузки (за исключением пиковой), что повышает надежность теплоснабжения. Из этого следует возможность снижения капитальных затрат при сооружении каскадной котельной за счет минимального резервирования тепловой мощности (благодаря применению котлов малой производительности). То есть, применительно к рассмотренному выше варианту каскадной котельной, состоящей из 12-ти котлов по 90 кВт, установка дополнительного котла может не потребоваться или же понадобится только один котел мощностью 90 кВт.
Небольшой вес, легкость доставки котлов к месту установки и простота компоновки обуславливают их применение при сооружении крышных котельных. Не вызывает также особых проблем увеличение установленной мощности котельной уже после начала ее эксплуатации благодаря используемому интерфейсу: технически максимально упрощено подключение системы управления нового котла в общую сеть, не требуется его дополнительная настройка, т.к. все данные уже находятся в памяти одного из котлов, выбранного в качестве управляющего.
Примером реализованного проекта на основе каскадной системы является котельная, построенная на крыше торгового центра в г. Магнитогорске Челябинской области (фото 1-3). В котельной эксплуатируются четыре каскада, в каждом из которых установлено по 12 котлов единичной мощностью 90 кВт. В результате суммарная тепловая мощность котельной составила 4,32 МВт. Диапазон автоматического регулирования мощности - от 36 кВт до 4,32 МВт. Каждый котел оборудован индивидуальной системой дымоудаления.
Проект был осуществлен в 2008 г. и по настоящее время, по отзывам обслуживающей организации, каких-либо проблем в процессе эксплуатации не возникало. Себестоимость производства тепловой энергии за это время менялась от 290 до 580 руб./Гкал в соответствии с повышением стоимости природного газа. На сооружение котельной было затрачено около 5 млн руб., а срок окупаемости составил около двух лет.
Еще одним интересным проектом, реализующим принцип когенерации, в котором использовалась каскадная система, стала мини-ТЭЦ на предприятии по производству металлической мебели в г. Перми. В качестве основного оборудования были применены две микротурбинные установки с утилизаторами тепла суммарной электрической мощностью 130 кВт и тепловой - 240 кВт. С учетом необходимости обеспечения дополнительной отопительной нагрузки в зимнее время на мини-ТЭЦ был установлен каскад из 8-ми газовых котлов единичной тепловой мощностью 45 кВт. Система автоматического управления каскадной котельной позволяет мгновенно реагировать на изменения объемов тепла, утилизируемого после микротурбин. Энергоносителем для мини-ТЭЦ на первом этапе реализации проекта является сжиженный газ. В данный момент идут изыскания по организации газоснабжения сетевым природным газом, который станет основным топливом, а сжиженный газ займет место резервного топлива.
Данная конфигурация мини-ТЭЦ с пиковыми котлами покрывает 50% потребностей предприятия в электроэнергии и 100% потребностей в тепле. При использовании в качестве топлива природного газа стоимость электрической энергии составит 1,3-1,78 руб./кВт.ч, а тепловой 350-495 руб./Гкал (по данным на апрель 2011 г.).
Практика показывает, что 80% времени отопительного сезона производительность котла используется лишь на 50%. Это значит, что в течение всего года в среднем расходуется лишь 30% мощности котла. Такая слабая нагрузка на часто ведет к низкой эффективности его использования. Поэтому для рационального использования энергии зачастую требуется комплексный подход. Отличным решением может стать каскадная система котлов. Она обеспечивает потребителя таким количеством тепла, которое требуется в данный момент, постепенно подключая одним за другим несколько малых котлов.
В чем же преимущества такой системы?
- Во-первых, высокая надежность. Если один из котлов вышел из строя, это не означает, что остановилась вся система – остальные котлы восполнят необходимую нагрузку.
- Во-вторых, повышение общего ресурса котлов. В теплое время года можно задействовать лишь часть котлов, отключив остальные вручную или с помощью встроенной автоматики.
- В-третьих, экономный расход энергии за счет меньшей потери эффективности при работе на неполной мощности.
- В-четвертых, простота монтажа. Несколько котлов небольшой мощности проще транспортировать и установить, чем один мощный крупногабаритный котел.
- В-пятых, доступный ремонт и техобслуживание. Детали к котлам большой мощности достать намного проблематичнее за счет меньших объемов производства.
Принцип каскадного подключения котлов
Принцип каскадного подключения заключается в объединении нескольких котлов с целью увеличения мощности каждой единицы оборудования.
Для осуществления приема каскада нужно разделить суммарную тепловую нагрузку между несколькими котлами и включить в каскад лишь те, мощность которых соответствует необходимой нагрузке в определенный период. При этом один из котлов выступает в роли «ведущего» и начинает работу в первую очередь, а остальные котлы включаются по мере необходимости.
Весь процесс контролируется автоматикой управления, которая может передавать роль основного котла, а так же регулировать порядок и необходимость подключения второстепенных котлов для поддержания заданного режима. В системе каскадов каждый котел представляет собой определенную «ступень» производительности тепла. Система управления поддерживает необходимый уровень температуры, подключая или отключая отдельные ступени. В случае неисправности одного котла, автоматика распределяет нагрузку на остальную систему. Если же в тепле нет необходимости, автоматика выключает все котлы, восстанавливая работу по требованию.
Ступенчатая система каскадного подключения позволяет с большой эффективностью восполнять нагрузки отопительной системы. Однако нельзя рассчитывать, что чем больше котлов в системе, тем эффективнее их работа. Пропорционально увеличению количества единиц увеличиваются потери тепла через поверхности неработающих котлов, поэтому специалисты советуют остановиться на каскаде максимум из четырех котлов. Для бесперебойной работы системы необходима установка гидравлического разделителя между отопительным и котловым контурами. Он обеспечит снижение гидравлического сопротивления и гидравлический баланс котлового и отопительного контуров.
Какие бывают каскады котлов?
Типы каскадов принято различать по типу использования в них горелочных устройств:
- «Простой» каскад включает в себя котлы с одноступенчатыми или двухступенчатыми горелками. Такая система увеличивает ступени мощности котла – к примеру, объединение двух котлов с одноступенчатой горелкой образует более экономную двухступенчатую систему.
- Каскад «смешанного» типа объединяет котлы, один из которых оснащен модулируемой горелкой. Именно на этот котел устанавливается система управления, которая регулирует температуру котловой воды.
- В состав «модулирующего» каскада входят котлы с модулируемыми горелками. В отличае от «простого» и «смешанного» каскадов, данная система способна изменять объем подачи топлива в плавном режиме и регулировать теплопроизводительность в широком диапазоне.
Расчет проекта каскадной котельной базируется на определении номинальной тепловой мощности источника тепла. Эта величина представляет собой тепловую мощность, необходимую для восполнения тепла, расходованного объектом и мощность потребления тепла другими объектами системы.
Производительность котельной определяется не суммой всех потребляемых мощностей, а рассчитывается для каждой системы индивидуально.
Норма ЧСН 06 0310 определяет расчеты для следующих объектов:
- Отопление с прерываемым нагревом воды и вентиляцией:
- Отопление с непрерывным технологическим нагреванием и постоянной вентиляцией:
- Отопление и нагрев воды проточным способом с преимуществом контура ГВС:
- Гидравлический отсекатель;
- Гидравлическое присоединение котлов;
- Группа безопасности;
- Нагрев контура ГВС;
- Дополнительные компоненты.
- Установка креплений и котлов;
- Монтаж гидравлических коллекторов, газовой магистрали и дренажной линии;
- Подключение группы безопасности и гидравлического разделителя;
- Подключение коллектора дыма
Qобщ=0,7хQOтоп+0,7QВент+QГВС(Вт, кВт.)
Qобщ=QOтоп+QТехн(Вт, кВт.)
Qобщ=максимальное значение расхода тепла на отопление или нагрев ГВС
Qобщ –общая мощность котлов
Qотоп – теплопотеря объекта при наружной расчетной температуре
Qвент – потребность тепла вентиляционной техники
QГВС – потребность тепла для нагрева контура ГВС
Qтехн – потребность тепла для вентиляции или технологического нагрева
Расчет котельной требует серьезного и профессионального подхода, иначе погрешности в расчетах могут привести к неэффективной и неэкономичной эксплуатации системы.
Сборка и монтаж системы
Система каскадной котельной состоит из следующих основных частей:
Подключение системы каскада выполняется в несколько этапов:
Сперва производится соединение в каскад двух котлов, затем присоединяются остальные. После объединения котлов подключается группа безопасности и производится настройка автоматики.
Ни для кого не секрет, что централизованное обеспечение теплом уже существующих и вновь строящихся объектов с каждым годом становится все более проблематичным. В частности: отсутствие возможности объективного учета, большие потери тепла при транспортировке, субъективность при определении стоимости, монополистический характер деятельности поставщиков тепла, невозможность наращивания существующей мощности, а, следовательно, и запрет на подключение дополнительных потребителей – вот только некоторые проблемы, из-за которых взгляды специалистов обращаются в сторону автономного отопления и горячего водоснабжения.
В связи с этим, в последние годы в нашей стране все большей популярностью пользуются блочные котельные, модульные котельные или каскадные котельные.
Компания Термона-Бел продвигает на отечественном рынке отопительное оборудование Чешской фирмы Thermona (Термона), которая уже много лет работает в направлении совершенствования оборудования для автономного отопления. Одними из первых в мире, специалисты фирмы Thermona (Термона) 13 лет назад пришли к идее создания на основе настенных газовых котлов каскадных котельных мощностью от 8 до 1440 кВт.
Каскад на базе котлов THERM - это последовательное подключение нескольких котлов (до 16-ти единиц) в единую систему отопления с программным управлением. Особенность подсоединения и конструкции котлов Therm позволяет плавно регулировать суммарную мощность всех котлов в каскаде от минимальной мощности одного из котлов. Например, при установке каскада из 16-ти котлов THERM TRIO 90, суммарная мощность котельной составит 1440 кВт, а минимальная – 36 кВт, т.е. 2,5 % ее максимума. Для сравнения – современный котел мощностью 1500 кВт обеспечивает диапазон регулирования от 1050 кВт до 1500 кВт это от 70 до 100% мощности.
В технике отопительных систем каскадная котельная на базе котлов THERM является новаторским методом для оптимизации работы систем отопления с большой мощностью. Вполне очевидно, что теплопотери объекта, а соответственно и мощность котельной рассчитывается исходя из самых низких температур в данном регионе, а реальная нагрузка на котельную значительно ниже установленной.
Практикой подтверждено, что в отопительный сезон примерно 80% рабочего периода мощность котельной используется не более чем на 50%, а за сезон эксплуатации загрузка составляет, в среднем, 25-45%. Следовательно, при такой неравномерной и зачастую малой нагрузке один котел большой мощности (традиционная система) будет излишне расходовать энергоресурсы и неэффективно компенсировать тепловые затраты. В противоположность этому каскадная система плавно обеспечивает работу котельной на необходимой мощности (в широком диапазоне) независимо от времени года за счет последовательного подключения одного за другим нескольких малых котлов. При помощи каскадного регулирования с программным управлением решается проблема определения оптимального соотношения мощности котельной и системы отопления. Таким образом, в межсезонье и в условиях теплых зим каскадная котельная может длительно работать при низких температурах теплоносителя, что уменьшает расходы на теплоизлучение и периоды режимов ожидания системы. При этом улучшаются температурные условия объекта, то есть комфорт пользователя.
Применение котлов THERM DUO, TRIO и KD в каскаде позволяет достичь оптимального соотношения занятой площади к установленной мощности котельной с сохранением одного из основных преимуществ каскадного подключения - несравнимо широким диапазоном плавной модуляции мощности. В организации котельной применяются одноконтурные настенные котлы мощностью 20, 28, 45 и 90 кВт. Собирать в каскад можно от 2 до 16 агрега-тов, в зависимости от необходимой мощности. Все котлы – современные, технически совершенные газовые приборы, имеющие КПД до 94%, со сроком службы не менее 15-20 лет.
Существенным преимуществом каскадной котельной на базе котлов THERM перед традиционными котельными является ее высокая надежность и увеличенный срок эксплуатации. Высокая надежность котельной достигается за счет совместной работы нескольких котлов в одной системе, причем, выход из строя одного из котлов не останавливает работу системы отопления в целом. Программное обеспечение, положенное в основу работы каскадной котельной составлено таким образом, что ежедневно происходит смена последовательности запуска котлов. Следовательно, если сегодня котел запускается первым, то на следующий день он становится последним в очереди и его запуск произойдет только при условии необходимости работы котельной на полную мощность. За счет этого увеличивается эксплуатационный ресурс каждого котла, что и приводит к увеличению срока службы котельной в целом. Несомненным плюсом в каскадной котельной является возможность подключения бойлера косвенного нагрева к каждому котлу (за исключением управляющего). Таким образом, в котельной из 16 котлов можно подключить 15 бойлеров от 200 до 1000 литров каждый и тем самым удовлетворить любые потребности в горячем водоснабжении. Автоматика котла отдает предпочтение подготовке ГВС, а при отсутствии необходимости ее подготовки - котел переходит к работе в систему отопления совместно с другими котлами. При переходе работы каскадной котельной из зимнего – в летний режим эксплуатации остается режим подготовки ГВС, насосы системы отопления один раз в сутки в автоматическом режиме запускаются, прогоняя теплоноситель по системе, а также активной остается функция антизамерзания. К преимуществам каскадного подключения котлов, бесспорно, относится возможность выбора множества вариантов котельной: расположение и размещение. Осуществить монтаж котельной можно практически где угодно: в подвальном или чердачном помещениях, в специально сделанной пристройке.
В случае организации котельной на крыше – огромным преимуществом каскада из настенных котлов перед стационарными напольными является небольшой вес и легкость их доставки к месту установки. Нет необходимости в применении специальных кранов для подъема оборудования при установке или демонтаже. Не нужно разбирать крышу в случае замены котла. Неисправные комплектующие котла заменяются на месте. Малый вес оборудования и размещение его на стене – позволяют избежать нежелательных нагрузок на перекрытия здания. Отвод дымовых газов при применении котлов в варианте «турбо» возможен непосредственно через стену, на которой крепится котел. Это позволяет экономить на строительстве дорогостоящего дымохода из нержавеющей стали. Неоспоримым достоинством является автоматическая регуляция работы котельной. Программатор обеспечивает управление в соответствии с заданной на данный промежуток времени температурой в помещении. Он привлекает к работе необходимое количество котлов из каскада и на такую мощность, которая действительно необходима. Отсутствие «человеческого фактора» исключает ошибки в управлении. В целом, создается универсальная система климат-контроля здания. При возрастании в помещении температуры свыше заданной, программатор отключает работу котельной, а при необходимости термостат системы кондиционирования включает в работу систему кондиционирования. В случае снижения температуры – все происходит в обратной последовательности. Приборы контроля котельной позволяют диспетчеру сервисной организации со своего компьютера через модем видеть текущее состояние всего оборудования.
Компания Термона-Бел является официальным дилером чешской фирмы Термона на территории РБ. Основными направлениями деятельности компании Термона-Бел являются оптово-розничная торговля котельными, обучение заинтересованных специалистов, монтаж и пуско-наладочные работы котлов, гарантийное и сервисное обслуживание котельных, поставка запасных частей для котлов и другие мероприятия, направленные на продвижение оборудования на территории РБ.
Вкратце сформулировать основные преимущества каскадных котельных на базе котлов THERM можно следующим образом:
выгодное капиталовложение;
экономичность эксплуатации за счет широкого диапазона плавной модуляции мощности (минимальный порог от 20% при установке 2-х котлов и от 3% при 16 котлах);
полная автоматизация управления;
погодозависимое регулирование;
дистанционный контроль и управление работой котельной через программатор или ПК;
отсутствие необходимости содержать штатных работников в котельной;
высокая эксплуатационная надежность за счет работы нескольких котлов в одной системе;
увеличенный срок эксплуатации котельного оборудования;
простота и наглядность технического решения;
простота монтажа и пуска в эксплуатацию;
простое и понятное управление;
небольшая площадь занимаемого помещения;
использование пола для других компонентов котельной;
удобное присоединение внешних резервуаров для подготовки ГВС;
возможность монтажа котельной большой мощности без устройства дорогостоящего дымохода;
бережное отношение к окружающей среде.
Правильный выбор источника тепла поможет сэкономить очень много средств при сохранении требуемого комфорта. При сравнении экономических показателей эксплуатируемых жилых домов и других объектов перед установкой каскадных систем Therm и после их установки пользователи часто достигают невероятной экономии энергии до 40% в год, поэтому окупаемость инвестиций происходит очень быстро и очевидно!
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.
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)