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.
Во время отопительного сезона и межсезонного периода любая отопительная систему имеет тенденцию к неравномерной и часто малой нагрузке оборудования. Данная проблема нуждается в решении, где появляется необходимость в широком диапазоне регулировки мощности тепла отдельного котла, и котельной системы. Но это часто приводит к понижению эффекта работы котельной установки, снижения КПД, увеличению расхода горючего сырья. Каскадные котельные (рис 1) представляют оптимальное решение проблемы.
Каскад – подключение, которое подразумевает соединение небольших отопительных агрегатов в одну систему.
Рис. 1Принцип работы каскадной установки
Малые котлы, имея программное управление, проходят процесс подключения в одну систему через теплоноситель. Это дает возможность плавно, и бесступенчато регулировать мощность всей котельной системы. Данное котельное оборудование использует информативные технологии, которые позволяют идеально контролировать систему во время работы.
Благодаря интерфейсу, которым наделены новые агрегаты, котлы обмениваются информацией между собой. Это дает возможность в моментальном доступе к параметрам каскада.
Работа системы протекает самостоятельно, нет необходимости во вмешательстве человека. Каскадные котельные – ответ на требования пользователей, а именно потребление тепла и горячей воды.
К примеру, при установке 10 газовых котлов с мощностью каждого в 80 кВт, общая мощность составит 800 кВт (10 * 80 кВт = 800 кВт), а минимум мощности будет 26 кВт (800 * 3,3 / 100 = 26 кВт при регулировке мощности 40 %– 100%).
Преимущества данных отопительных установок:
- возможность получения мощности до 1мВт;
- диспетчеризация;
- незагрязняющее среду оборудование является важным экологическим аспектом;
- финансовая привлекательность;
- экономия в пользовании;
- полная автономия;
- размещение в любом месте (крыша, помещение, пристройка);
- быстрый монтаж подготовленного оборудования и установок;
- долгий срок службы;
- отсутствие сооружения больших и неэстетических внешних тепловых трасс;
- дистанционное управление.
Традиционные котельные системы уступают каскадной котельной в сроке службы. Достижение такой надежности заключается в общей работе нескольких агрегатов, работающих совместно и направленных на одну общую цель. Рабочая система запрограммирована так, что каждый день запуск всего отопительного оборудования берет на себя очередной котел: сегодня работу начинает первый котел, а завтра он будет последний в списке очередности. Поэтому, ресурс каждого котла не исчерпаем.
Рис. 2
Подключение бойлеров для получения горячей воды, кроме главного агрегата, в быту так же является преимуществом каскадной котельной. Соответственно, имея 10 котлов в системе, можно поставить 9 бойлеров. Даже небольшие объемы каждого бойлера дадут в сумме огромный запас воды.
Размещать котельную систему можно где угодно, это не принципиально: чердак, подвал, пристроенное помещение. Программное обеспечение управления котельной (рис 2) системой контролирует заданную температуру на конкретный промежуток времени. Необходимое количество агрегатов привлечено для поддержания нужной мощности. Ошибка не произойдет, так как «человеческий фактор» отсутствует.
Климат-контроль помещений обеспечивается полностью и автономно. В случае превышения температурных показателей, программа сама отключит систему и, если есть необходимость, запустит работу кондиционирования. При заниженном температурном показателе все совершается абсолютно наоборот. Диспетчер, с помощью модема, с собственного компьютера сможет отслеживать, в каком состоянии находиться оборудование.
Где и как поместить оборудование?
Все зависит от особенности здания. Каскадная котельная имеет несколько вариантов размещения, все они имеют преимущества и недостатки.
Главные требования:
- место под отопительное оборудование должно иметь достаточную площадь;
- наличие вентиляционной системы;
- оборудование отвода продуктов сгорания.
Если дом позволяет, то чердачное место – идеальный вариант. И жилая площадь экономится, и не появится необходимость в постройке высокого дымоотвода.
Рис. 3
С каскадной котельной на крыше не сравниться любая другая система. Каскад из настенных котлов, в отличие от стационарных напольных агрегатов, имеет малый вес, легкий в доставке и монтаже. Не нужно их поднимать, используя специальные краны, нет необходимость в разборке покрытия крыши во время замены котлов. В случае поломки или неисправности, агрегат заменяется быстро без дополнительных затрат сил и времени.
Небольшой вес котельной системы, размещенной на стене, не является дополнительной нагрузкой на перекрытие постройки. Газы можно отводить через стену наружу, где и закреплены котлы. Все это дает возможность экономии на постройке дорогой нержавеющей стальной дымоходной системе.
Котельная система может размещаться и в помещении, где понадобиться оборудовать дымоход. Дымовая труба должна быть полностью готова к отводу всего объема газов. Расчет делается на компьютерной программе. Проблеме вывода газов, зачастую, уделяют мало внимания. Но это очень важный аспект. Обычно в расчет берется предположительные нормы.
Главное требование – это соединение отдельно каждого котла с отдельной трубой дымохода.
Дымоход (рис. 3) каскадной котельной должен:
- Использовать дымоход, либо трубу круглым сечением.
- Установка дымохода должна быть под уклоном 1:10 к стороне котельного отопительного агрегата.
Не зависимо, в каком состоянии объект, дымоходная система должна быть всегда рассчитана точно. Старого типа котлы на твердом топливе имеют достаточно широкий дымовой канал. Эта ширина позволяет нормальному выводу нескольких дымоходов даже без квадратного сечения. Эффективность тяги зависит от того, насколько сооружен дымоход в высоту. Чем выше – тем лучше тяга и процесс смешения газов с воздухом.
Рис. 4
Для хорошей работы каскадной котельной и всего котельного оборудования, нужно проводить контроль температурных изменений дымовых показателей в дымовой трубе. Это процедура позволить определить процесс конденсации в дыме. Самый результативный показатель на выходе дыма из трубы, там и нужно проводить измерение.
Проектирование такой котельной системы требует большого внимания. Расчет лучше поручить специалисту, чтобы избежать завышенных параметров или недостаточного получения теплового комфорта. Правильный расчет – залог эффективной работы котельного отопления, экономия средств, достаточного количества тепла в помещениях. Особого внимания требует система на твердом топливе. Часто, именно такие каскадные системы и имеют завышенную тепловую мощность.
Закрепить настенные котлы поможет несущая рама (рис 4). Крепиться конструкция и за стену, и в пол. Используются стены только несущие, а не непрочные перегородки. На раму крепятся котлы.
Чтобы каскадная система функционировала правильно, отопительные контуры и котлы должны быть отделены между собой. Это необходимо потому, что расходные объемы воды изменяются от количества котла. В этом поможет гидравлический компрессор динамического давления. Так же понадобиться присутствие стандартизированного гидравлического отсекателя, скомплектованного с коллектором на нужное количество единиц котлов.
Котлы размещаются в единый ряд. Возможно размещение котлов и в два параллельных ряда (задней стороной друг к другу), в случае монтажа каскадной котельной посреди помещения.
При установке бойлеров для горячего водоснабжения, оборудование ежедневно активирует систему антизамерзания. Переходя с зимнего на летний режим использования, ежедневно автоматически запускаются системные насосы, осуществляя прогон теплоносителя системой.
Вентиляция – важный аспект. Любое отопительное оборудование обязано иметь вентиляционную систему. Она должна подавать воздух в котельное помещение для горения котлов, быть интенсивной и влиять на температуру воздуха внутри самого котельного устройства. Воздух, сжигающий продукты сгорания, поступает через дымоход. Но во время расчета системы, нужно учитывать и то, что часть тяги должна находиться в резерве для воздушного привода и сгорания. При не работающей котельной системе, стоить обеспечивать естественную вентиляцию помещения, с помощью окон, дверей. Это даст возможность обмену воздушными массами помещения с улицей.
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.
Каскадное подключение отопительных котлов – эффективное техническое решение, повышающее качество управления системой и позволяющее снизить потребление топлива. Подключение котлов каскадом дает ряд весомых преимуществ в работе средних и крупных систем отопления и ГВС. Материал статьи рассматривает принципы работы и построения каскада, описывает особенности данного теплотехнического решения.
Анализ работы котельного оборудования показывает, что в 80% времени теплогенераторы работают на мощности, не превышающей номинальной производительности в 50%. То есть тепловая мощность отбирается в течение отопительного сезона примерно на 30 – 35%. Это обусловлено изменением температуры окружающей среды, изменением режима горячего водопотребления и так далее.
Мощность котлов рассчитывается всегда по максимуму – это делается для покрытия суммарных тепловых потребностей. Каждый котел имеет минимальное значение тепловой мощности в своей работе, она составляет величину от 25 до 40% номинальной производительности.
При снижении потребления тепла котлоагрегат будет производить количество тепла, находящееся в этом диапазоне. Это количество не всегда требуется – излишек топлива будет сжигаться просто так.
Решением этой проблемы стало каскадирование котлов . В каскад устанавливается несколько теплогенераторов – это позволяет качественно изменить управление мощностью, сделать его ступенчатым или плавным. Плавность регулировки дает возможность производства именно требуемого количества теплоты.
Это свойство каскада повышает гибкость системы. В случае установки одного мощного теплогенератора достичь подобной гибкости невозможно.
В каскады чаще всего объединяют газовые и . Причем для интегрирования автоматики котлы должны быть одной марки (производителя). Соединение котлов разных производителей возможно, но это требует применения дополнительных узлов, схем управления и автоматики.
Схема каскада котлов
Схема подключения каскадом является классическим образцом применения гидравлического разделителя. Котлы в первичном контуре присоединяются параллельно к прямому и обратному коллектору. Коллекторы, в свою очередь, подключаются к гидравлической стрелке.
На каждый котел на подачу устанавливается (если не имеется встроенного) и обратный клапан. Клапан препятствует протоку теплоносителя через неработающий котел и потерям тепла на его теплообменнике.
На обратном трубопроводе котла устанавливается сетчатый фильтр, защищающий котел от загрязнения. Каждый котел отсекается запорной арматурой с разборным соединением. Это позволяет снимать котел для ремонта и профилактики без остановки системы.
Коллекторная группа котлов оснащается группой безопасности – предохранительным сбросным клапаном, автоматическим воздухоотводчиком и термоманометром. Установка группы производится в обязательном порядке, даже при наличии встроенных групп безопасности котлов.
Обязательный элемент системы – (экспанзомат). Присоединение его может быть произведено как в контур котлов, так и в контур потребителей. Расчет его производится на общий объем теплоносителя в системе.
Выбор коллекторов котлов производится из расчета того, что их проходное сечение должно быть не меньше суммарного сечения подводящих трубопроводов котлов в каскаде. Гидравлическая стрелка также должна иметь диаметр патрубков подключения не меньше диаметра коллекторов.
Управление каскадом котлов
Управление работой первичного контура производится следующими способами:
- Ручное управление работой каждого отдельного котла;
- Ступенчатое управление посредством каскадных переключателей;
- Плавная регулировка блоком каскадного управления (БКУ).
Ручное управление производится заданием параметров работы каждого котла, прежде всего температуры. Этот вариант регулировки требует постоянного присутствия человека.
Ступенчатое управление производится с помощью каскадных переключателей. Они руководят системой как набором ступеней мощности, при изменении нагрузки включают (выключают) отдельные котлы каскада.
Наиболее эффективным является плавное регулирование с помощью БКУ. В этом случае достигается минимальный шаг изменения мощности. Котлы при этом должны быть оборудованы модулируемыми горелками. Блоки каскадного управления могут интегрироваться с датчиками температуры в помещениях и системами погодозависимой автоматики.
Дымоудаление каскада котлов
Дымоудаление системы зависит от типа газовых котлов и реализуется следующими методами:
- Отдельные коаксиальные дымоходы;
- Раздельные дымоходы турбированных котлов;
- Групповое дымоудаление с обратными дымовыми клапанами;
- Естественное дымоудаление – групповое или индивидуальное.
При групповом дымоудалении к общему дымоходу подключают не более 4 котлов. При коаксиальном коллективном дымоудалении каждый котел оборудуется обратным дымовым клапаном. Он препятствует проникновению дыма в помещение при простое теплогенератора.
Дымоходы сооружаются с уклоном от 5 до 10% в сторону котлов. При сооружении дымовой системы для котлов с открытой камерой сгорания необходимо произвести аэродинамический расчет общего дымохода для обеспечения необходимой тяги.
Преимущества и недостатки каскада
Главными преимуществами каскадного подключения котлов являются:
- Надежность системы – постоянное наличие резерва;
- Гибкость регулирования – экономия топлива;
- Увеличение продолжительности службы котлов – реализация «щадящего» режима работы;
- Возможность оперативного ремонта и профилактики каждого отдельного котлоагрегата;
- Облегченные условия монтажа – при сооружении крышных котельных облегчается их доставка на место.
Также каскад обладает и следующими недостатками:
- Общее удорожание оборудования;
- Для размещения каскада требуется более просторное помещение.
Удорожание системы из-за экономии топлива окупает себя. Каскадное подключение котлов является выгодным как с технической, так и с экономической точки зрения. Самостоятельное сооружение каскада вряд ли возможно – существует необходимость привлечения специалистов для монтажа и наладки автоматики, проведения расчетов дымовых трактов и так далее.
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 в общей мощности системы. Интеллектуальный контроллер (микроконтроллер) постоянно отслеживает температуру подачи теплоносителя и определяет, какие ступени системы следует включать для поддержания заданной температуры.
ПРЕИМУЩЕСТВА
использования каскадной системы:
Повышенная сезонная эффективность системы по сравнению с использованием одного мощного котла;
-частичное покрытие нагрузки даже если один из котлов отключен, например, для проведения сервисных работ. Это особенно важно в суровых климатических условиях, когда из-за низкой температуры неработающая система может замерзнуть очень быстро;
-каскадную систему установить намного легче, чем один большой котел, особенно при модернизации системы. Кроме того, запчасти для менее мощных котлов стоят дешевле;
-возможность одновременно обеспечивать как высокие нагрузки по ГВС или антиоблединению, так и намного меньшие по отоплению.
Представляем рабочие характеристики двух разных каскадных систем по отношению к гипотетичной диаграмме нагрузки. В первой системе используются два котла с одноступенчатыми горелками, каждый из которых способен обеспечить 50% расчетной нагрузки. Во второй системе используются четыре котла с одноступенчатыми горелками, каждый из них может обеспечить 25% расчетной нагрузки. Очевидно, что система из четырех котлов вместо двух способна эффективнее обеспечивать условия расчетных нагрузок. Исходя из этого можно предположить, что чем больше ступеней в каскадной системе, тем лучше она удовлетворяет нагрузкам. Это особенно эффективно при невысоких показателях требуемой мощности. Однако с увеличением количества ступеней увеличивается площадь поверхности теплоотдачи системы (обшивка котлов), через которую происходит потеря тепла, что в конечном счете может свести на нет преимущества повышенного КПД такой системы. Поэтому не всегда целесообразно использование более четырех ступеней. 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, не изменяя количественного соотношения топливо/воздух, т.е. когда в зависимости от объема подаваемого воздуха и аэродинамического сопротивления меняется количество подаваемого в камеру сгорания топлива. Это обеспечивает стабильный КПД котла и минимальные концентрации загрязняющих веществ в уходящих газах при переменной тепловой нагрузке. Следующий шаг. 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 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 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 четыре котла с максимальной тепловой мощностью 50 кВт и минимальной 10 кВт, суммарное регулирование производительности будет осуществляться в диапазоне от 200 кВт до 10 кВт. Следовательно, коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 20:1. В условиях низкой теплопроизводительности теплообменник котла с модулируемой горелкой работает при сравнительно низкой температуре теплообменных поверхностей котла со стороны сгорания. Когда такой котел используется для удовлетворения низких нагрузок, например, напольного отопления, его работа 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 проектируются с 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. Обычно дымоходы изготавливают из оцинкованной листовой или 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).
Особенности системы
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.При параллельной установке циркуляционных насосов, для предотвращения обратного потока теплоносителя через неработающие котлы, вниз по потоку насосов следует установить обратные клапаны. Оптимальное решение этой ситуации - установка циркуляционного насоса с мокрым ротором со 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.
Второй важный момент - 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 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. 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 - 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. 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.
Модулируемое управление
Многоступенчатый контроллер для системы простого каскада с помощью ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциа льное регулирование) постоянно измеряет температуру подающегося в систему теплоносителя, сравнивает ее с расчетным значением и определяет, какую горелку следует включить, а какую выключить. Для управления каскадом котлови 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 с выдержкой времени. В большинстве систем «модулируемого» каскада способ контроля другой. Как правило, контроль направлен на максимизацию времени работы котлов в низком температурном диапазоне и при неполной мощности. Хотя разные производители предлагают разные системы управления, общепринятый подход следующй: включение котла, далее модулирование его работы до уровня теплопроизводительности, удовлетворяющей 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 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, 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 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
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.
Небольшой, тихий и мощный
Отношение физических размеров к теплопроизводительности некоторых котлов с модулируемыми горелками поистине впечатляет. Например, отдельные производители предоставляют восьмиступенчатые системы «модулируемого» каскада с диапазоном теплопроизводительности 30–960 кВт. Следовательно коэффициент рабочего регулирования такой системы составит 32:1. Такая система может размещаться в помещении небольшой площади. Дополнительное преимущество - малошумность системы. 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 т.ч. 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.
Загрузка...
