Автор Денис Рындин, главный инженер ТД «Водная Техника»

Каскадирование котлов — это эффективный технический прием для увеличения единичной мощности отопительного аппарата, который на протяжении многих лет используется специалистами-теплотехниками. Концепция приема проста: разделяем суммарную тепловую нагрузку между двумя или более независимо контролируемыми котлами и включаем в каскад только те котлы, которые удовлетворяют потребности в данной нагрузке в определенное время.

Каждый котел представляет свою «ступень» теплопроизводительности в общей мощности системы.

Интеллектуальный контроллер (микроконтроллер) постоянно отслеживает температуру подачи теплоносителя и определяет, какие ступени системы следует включать для поддержания заданной температуры.

Перечислим основные преимущества каскадной системы отопления:

1) повышение надежности (если выходит из строя один котел, то остальные могут частично или полностью покрыть требуемую тепловую нагрузку);

2) повышение экономичности (обычные котлы теряют довольно много эффективности при работе на частичной мощности);

3) упрощение монтажа (отдельные элементы каскада намного проще доставить на место и смонтировать, чем один котел большой мощности).

Очевидно, что система из нескольких котлов вместо одного способна эффективнее обеспечивать условия расчетных нагрузок. Исходя из этого, можно предположить, что чем больше ступеней в каскадной системе, тем лучше она удовлетворит нагрузки отопительной системы. Это особенно эффективно, когда необходимо обеспечить невысокие показатели мощности. Однако с увеличением количества ступеней увеличивается и площадь поверхности теплоотдачи системы (теплопотери через обшивки котлов), через которую происходит потеря тепла. Это, в конечном счете, может свести на нет преимущества повышенного КПД такой системы. Поэтому использование более четырех ступеней не всегда целесообразно.

Неотъемлемое ограничение системы «простого» каскада (котлы с одноступенчатыми или двухступенчатыми горелками) — пошаговое регулирование теплопроизводительности (мощности системы), а не беспрерывный регулируемый процесс.

Несмотря на то, что использование более двух ступеней значительно снижает теплопроизводительность каждого котла, идеальным решением будет система «модулируемого» каскада (котлы с модулируемыми горелками).

Модулируемые горелки позволяют бесступенчато регулировать мощность в зависимости от потребности в теплоте. Последняя тенденция в решении каскадных систем — система модулируемого каскада. В отличие от использования ступенчатых горелок, котлы с модулируемыми горелками способны плавно изменять объем подачи топлива, а следовательно, и контролировать уровень теплопроизводительности в широком диапазоне значений.

На сегодняшний день на рынке отопительного оборудования широко представлены навесные котлы повышенной мощности с модулируемыми горелками, способные плавно изменять производительность котла в диапазоне 30-100% от номинальной тепловой мощности. Способность котлов с модулируемыми горелками снижать расход топлива часто называют коэффициентом рабочего регулирования горелки (т.е. отношение максимальной тепловой мощности котла к минимальной). Например, коэффициент рабочего регулирования горелки котла с максимальной тепловой мощностью 50 кВт и минимальным расходом топлива 10 кВт будет равен 50 кВт/10 кВт или 5:1. Суммарный коэффициент рабочего регулирования установленных в каскадную систему котлов значительно превышает коэффициент отдельного котла.

Например, если в каскадной системе используются три котла с максимальной тепловой мощностью 50 кВт и минимальной 10 кВт, суммарное регулирование производительности будет осуществляться в диапазоне от 150 до 10 кВт. Следовательно, коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 15:1.

Необходимые условия для «модулируемого» каскада

Существуют три важных условия, которые следует выполнить при проектировании системы «модулируемого» каскада.

Во-первых, подводки магистралей и контроллеров должны быть реализованы так, чтобы была возможна независимая регулировка циркуляции потока через каждый котел. Вода не должна циркулировать через неработающий котел, иначе тепло теплоносителя будет рассеиваться через теплообменник или кожух котла.

Это также касается и системы простого каскада. Независимая регулировка потока теплоносителя достигается благодаря оснащению каждого котла индивидуальным циркуляционным насосом. При параллельной установке циркуляционных насосов для предотвращения обратного потока теплоносителя через неработающие котлы вниз по потоку насосов следует установить обратные клапаны.

Подача теплоносителя в каждый котел с помощью индивидуальных циркуляционных насосов позволяет повышать давление в теплообменнике работающего котла в целях предотвращения кавитации и взрывного парообразования.

Во-вторых, подключение подающей и обратной магистралей для каждого котла должно быть выполнено параллельно (особенно при использовании конденсационных котлов).

Это позволяет поддерживать одинаковую температуру воды на входе в каждый котел и при необходимости исключать переток теплоносителя между контурами. Низкая температура подающегося в котел теплоносителя способствует конденсации водяных паров из продуктов сгорания и повышению КПД системы. Некоторые каскадные контроллеры для котлов с модулируемыми горелками оснащены функцией «выдержки времени», то есть способны включать циркуляционный насос определенного котла незадолго до включения горелки.

Кроме того, они могут поддерживать работу насосов некоторое время после выключения горелки.

Первое обеспечивает нагрев теплообменника котла теплым подающимся теплоносителем системы, что предотвращает тепловой удар вследствие значительного перепада температур (и конденсацию топочных газов для обычных котлов) при зажигании горелки. Второе — утилизировать остаточное тепло теплообменника, а не отводить его через систему вентиляции после окончания работы котла.

И, в-третьих, очень важно, чтобы циркуляционные насосы обеспечивали адекватный поток теплоносителя через работающие котлы, независимо от показателя расхода системы отопления. Естественным решением данного вопроса является применение гидравлического разделителя низкого давления.

Этапы монтажа системы

Подключение системы каскада выполняется в три этапа ( рис. 1 ):

1) гидравлической увязки котлов и системы;

2) подключения в единый коллектор дыма;

3) настройки автоматики каскада.

Благодаря модульной системе монтажа, которую можно сравнить со сбором детского конструктора, достигается высокая скорость инсталляции и надежность работы системы.

Основные этапы монтажа каскадной теплогенерирующей установки показаны на рис. 2 .

Естественно, что основным способом согласования нескольких теплогенерирующих единиц и системы теплоснабжения является гидравлический коллектор низкого давления.

Методы расчета подбора и монтажа его уже неоднократно описывались в специализированной литературе, поэтому в рамках этой статьи не стоит вновь возвращаться к этому вопросу.

Cистема гидравлического согласования котлов состоит из нескольких стандартных шагов подключений:

❏ двух котлов в каскад;

❏ третьего котла в каскад;

❏ группы безопасности каскада ( рис. 3 ).

В зависимости от необходимой мощности можно собирать каскад из двух или трех котлов.

Материалом основы служат толстостенные никелированные трубы, которые соединяются с помощью быстроразъемных соединений (так называемых «американок»). В комплект поставки входят все необходимые элементы, начиная от запорных кранов и заканчивая прокладками.

Такая комплектация позволяет максимально оперативно и аккуратно осуществить монтаж каскада.

Модулируемое управление

Многоступенчатый контроллер для системы простого каскада с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования (ПИД) постоянно измеряет температуру подающегося в систему теплоносителя, сравнивает ее с расчетным значением и определяет, какую горелку следует включить, а какую выключить. Для управления каскадом котлов и достижения экономичного расхода топлива необходимо использовать специальную автоматику.

Один из котлов каскада выполняет роль «ведущего» и включается в первую очередь, остальные — «ведомые» — подключаются по мере необходимости. Автоматика управления позволяет передавать роль «ведущего» от одного котла к другому, а также осуществлять очередность включения «ведомых» котлов и температурные дифференциалы включения каждой последующей ступени.

При возникновении неисправности ведущего котла осуществляется автоматическая смена приоритета. Если запрос на тепло не приходит ни от одной из зон, регулятор выключит все котлы, а при поступлении сигнала требования запустит их в эксплуатацию. После отключения последнего котла циркуляционный насос выключается через определенный промежуток времени. В большинстве систем «модулируемого» каскада способ контроля другой. Как правило, цель — увеличение времени работы котлов в низкотемпературном диапазоне и при неполной мощности.

Компания Immergas рекомендует использовать для своих котлов Victrix 50 контроллеры Honeywell серии Smile SDC 12-31 ( рис. 4 ). Хотя разные производители предлагают разные системы управления, общепринятый подход такой: включение котла, далее модулирование его работы до уровня теплопроизводительности, которая удовлетворяет необходимую нагрузку.

Если понадобится дополнительная подача тепла, теплопроизводительность первого котла значительно снижается, включается второй котел, и далее происходит соответствующее модулирование теплопроизводительности обоих котлов для удовлетворения требуемой нагрузки.

Такая схема обеспечивает работу обоих котлов при более низких показателях теплопроизводительности, а значит, в более щадящем режиме, в отличие от работы одного котла на полной мощности. Это повышает площадь поверхности теплообмена, следовательно, повышается вероятность конденсации водяных паров из продуктов сгорания, а также КПД системы.

Предположим, что нагрузка продолжает возрастать, и два котла, работающих при сравнительно высоком уровне теплопроизводительности, не могут удовлетворить ее условия. Тогда второй котел снижает расход топлива, включается третий, и происходит параллельное модулирование теплопроизводительности второй и третьей ступеней.

В некоторых системах первый котел способен также снижать расход топлива при активированных остальных ступенях, следовательно, все три ступени мощности могут регулироваться параллельно.

Рабочие режимы контроллеров

Большинство каскадных контроллеров способны работать по крайней мере в двух рабочих режимах. В режиме отопления осуществляется погодозависимый принцип регулирования, то есть заданное значение температуры подающегося в систему теплоносителя зависит от внешней температуры.

Чем ниже внешняя температура, тем выше заданное значение температуры подающегося теплоносителя. Эта система устраняет необходимость использования смесителя между котлом и потребителями отопления.

В режиме ГВС осуществляется программное регулирование системы, когда заданное значение температуры подающегося теплоносителя не зависит от внешних температур. Другими словами, задается определенное, достаточно высокое значение температуры, что обеспечивает высокий уровень теплопередачи через вторичный теплообменник.

Такой режим обычно используют для обеспечения более высокой температуры теплоносителя, подающегося через теплообменник к потребителям ГВС и системам антиобледенения. Модулирование мощности котла приводит к существенному уменьшению дифференциала между требуемой и реальной температурами теплоносителя, что предотвращает частое «тактирование» (включение/выключение) котла.

Некоторые контроллеры также отвечают за работу главного циркуляционного насоса и связаны с системой диспетчеризации инженерного оборудования здания. Современное поколение маломощных котлов с модулируемыми горелками обеспечивает экономию площади помещения, высокий КПД, тихую работу и надежность. Это идеальное решение в низкотемпературных системах; такие котлы идеально подходят для напольного отопления, системы антиобледенения, обогрева бассейна, системы ГВС, а также системы тепловых насосов, в том числе геотермальных. Они уже завоевали позицию в области отопления частных домов.

Как часть каскадной системы котлы с модулируемыми горелками представляют собой новую альтернативу системам промышленного отопления. ■