Каскадная система из котлов с модулируемыми горелками. - Журнал С.О.К. Сантехника Отопление Кондиционирование

Каскадный способ подключения котлов используется уже на протяжении многих лет. Концепция проста: разделили суммарную тепловую нагрузку между двумя или более независимо контролируемыми котлами и включайте только те котлы, которые удовлетворяют потребности в данной нагрузке в данное время. Каждый котел представляет свою «ступень» теплопроизводительности, составляющую общую мощность системы. Интеллектуальный контроллер (микроконтроллер) постоянно контролирует температуру подачи теплоносителя и определяет какие ступени системы следует включать для поддержания температуры близкой к заданной.

Преимущества использования каскадной системы:

Повышенная сезонная эффективность системы в сравнении с использованием одного мощного котла.
Частичное покрытие нагрузки даже в случае, если один котел находится на профилактике. Это особенно важно в суровых климатических условиях, когда низкие температуры могут быстро заморозить неработающую систему.
Установка каскадной системы происходит намного легче в сравнении с одним большим котлом, особенно при модернизации системы. Также запчасти для менее мощных котлов стоят дешевле.
Возможность одновременно обеспечивать как высокие нагрузки по ГВС или анти-облединению, так и намного меньшие по отоплению.

На рис. 1 представлены рабочие характеристики двух разных каскадных систем по отношению к гипотетичной диаграмме нагрузки.

В первой системе используются два котла с одноступенчатыми горелками, каждый способен обеспечить 50% расчетной нагрузки. Во второй системе используются 4 котла с одноступенчатыми горелками, каждый из них может обеспечить 25% расчетной нагрузки. Очевидно, что система из 4 котлов вместо двух способна лучше обеспечить условия расчетных нагрузок. Исходя из этого можно предположить, что чем больше ступеней в каскадной системе, тем лучше она удовлетворяет нагрузкам. Это особенно эффективно при низких требованиях нагрузок. Однако с увеличением количества ступеней увеличивается площадь поверхности теплоотдачи системы (обшивка котлов), через которую происходит потеря тепла,что в конечном счете может компенсировать преимущества повышенного КПД такой системы. Поэтому не всегда целесообразно использование более четырех ступеней.

Неотъемлемым ограничением системы «простого» каскада (котлы с одноступенчатыми или двухступенчатыми горелками) является 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 является система «модулируемого» каскада (котлы с модулируемыми горелками). Модулируемые горелки позволяют бесступенчато изменять мощность в зависимости от потребности в теплоте, не изменяя количественного соотношения топливо/воздух, т. е. когда в зависимости от количества подаваемого воздуха и аэродинамического сопротивления в камере сгорания изменяется подача топлива. Это обеспечивает стабильный КПД котла и минимальные концентрации загрязняющих веществ в уходящих газах при переменной тепловой нагрузке.

Последней тенденцией в решении каскадных систем является система модулируемого каскада. В отличие от использования ступенчатых горелок, котлы с модулируемыми горелками способны плавно изменять уровень подачи топлива, а следовательно, и контролировать уровень теплопроизводительности в широком диапазоне значений. На сегодняшний день на рынке отопительного оборудования широко представлены маломощные котлы 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, составит 50 кВт/10 кВт или 5:1.

Когда котлы с модулируемыми горелками устанавливаются в каскадную систему, суммарный коэффициент рабочего регулирования такой системы значительно превышает коэффициент отдельного котла. Например, если в каскадной системе используются четыре котла с максимальной тепловой мощностью 50 кВт и минимальной — 10 кВт, суммарное регулирование производительности будет осуществляться в диапазоне 200 кВт-10 кВт. Следовательно, коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 20:1. В условиях низкой тепопроизводительности теплообменник котла с модулируемой горелкой работает при сравнительно низкой температуре теплообменных поверхностей котла со стороны сгорания. Когда такой котел используется для удовлетворения низких нагрузок по напольному отоплению, работа котла обычно сопровождается непрерывной конденсацией топочных газов. Во избежание повреждений теплообменника вследствие конденсации в современных котлах с модулируемыми горелками используют теплообменники из нержавеющей стали или алюминия. При работе в условиях низких температур КПД таких котлов может превышать 95%.

Маломощные котлы с модулируемыми горелками обычно проектируютсяс закрытой камерой сгорания, что расширяет набор проектных решений для систем подвода воздуха и отвода продуктов сгорания, поскольку дымоходы таких котлов не обязательно должны быть прямыми. Дымоходы обычно выполняются из оцинкованной листовой стали, нержавеющей стали или алюминия. Но для некоторых моделей котлов, например для Vaillant VU 505, успешно применяется система гибких полипропиленовых дымоходов (их можно закладывать в старые, непрямые или непригодные для обычных режимов дымовые каналы).

Существуют три важные особенности, которые следует учитывать при проектировании системы «модулируемого» каскада.

Первое. Особенности подводки магистралей и контроллеров должны позволять независимую регулировку 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 (рис. 2). При параллельной установке циркуляционных насосов, для предотвращения обратного потока теплоносителя через неработающие котлы, вниз по потоку насосов следует установить обратные клапаны. Оптимальным решением в этой ситуации может стать циркуляционный насос с мокрым ротором с встроенными запорными клапанами. Подача теплоносителя в каждый котел с помощью индивидуальных циркуляционных насосов позволяет повышать давление в теплообменнике работающего котла в целях предотвращения кавитации и взрывного парообразования (см. рис. 2).

Вторым важным моментом является параллельное подключение подающей и обратной магистралей для каждого котла (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 повышениюКПД системы. Некоторые каскадные контроллеры для котлов с модулируемыми горелками оснащены функцией «выдержка времени», то есть способны включать циркуляционный насос определенного котла незадолго до включения горелки. Также 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 позволяет утилизровать остаточное тепло теплообменника котла, 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. Близко расположенные т-образные сочленения (рис. 2) или коллекторы с малыми перепадами давления (рис. 3) обеспечивают отведение потока от потока системы для обеспечения адекватного потока котла независимо от изменений расхода в распределительной системе. Близко расположенные т-образные трубные сочленения на первичном/вторичном контуре используются для «снятия» перепада давления контуров.

Многоступенчатый контроллер для системы простого каскада с помощью ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование) постоянно измеряет температуру подающегося в систему теплоносителя, сравнивает ее с расчетным значением и определяет, какую горелку следует включить, а какую отключить. Для управления каскадом котлов и достижения экономичного расхода топлива необходимо использовать специальную автоматику. В каскаде один из котлов является ведущим 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 с выдержкой времени.

В большинстве систем «модулируемого» каскада способ контроля другой. Как правило, контроль направлен на максимализацию времени работы котлов в низком температурном диапазоне и при неполной мощности. Хотя разные производители предлагают разные системы управления, общепринятый подход заключается в следующем: включение котла, далее модулирование его работы до уровня теплопроизводительности, удовлетворяющего необходимой нагрузке. Если понадобится дополнительная подача тепла, теплопроизводительность первого котла значительно снижается, включается второй котел, и далее происходит соответствующее модулирование теплопроизводительности обоих котлов для удовлетворения существующих нагрузок.

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, и 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 условиям, тогда второй котел снижает расход топлива, включается третий котел и происходит параллельное модулирование теплопроизводительности 2-й и 3-й ступеней. В некоторых системах первый котел способен также снижать расход топлива при активированных остальных ступенях, следовательно, все три ступени мощности могут регулироваться параллельно.

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 контролируют работу главного циркуляционного насоса и связаны с системой диспетчеризации инженерного оборудования здания.

Отношение физических размеров к теплопроизводительности некоторых котлов с модулируемыми горелками поистине впечатляет. Например, отдельные производители предоставляют 8-ступенчатые системы «модулируемого» каскада с диапазоном теплопроизводительности 30 кВт — 960 кВт. Следовательно коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 32:1. Такая система может размещаться в помещении площадью всего лишь 50 фт