Каскадне підключення декількох котлів

Каскадування котлів - це ефективний технічний прийом для збільшення одиничної потужності опалювального апарату, який протягом багатьох років використовується фахівцями-теплотехніки. Концепція прийому проста: поділяємо сумарну теплову навантаження між двома або більше незалежно контрольованими котлами і включаємо в каскад тільки ті котли, які задовольняють потреби в даному навантаженні в певний час.

Кожен котел являє свою «щабель» теплопродуктивності в загальній потужності системи.

Інтелектуальний контролер (мікроконтролер) постійно відстежує температуру подачі теплоносія і визначає, які ступені системи слід включати для підтримки заданої температури.

Перелічимо основні переваги каскадної системи опалення:

1) підвищення надійності (якщо виходить з ладу один котел, то інші можуть частково або повністю покрити необхідну теплове навантаження);

2) підвищення економічності (звичайні котли втрачають досить багато ефективності при роботі на частковій потужності);

3) спрощення монтажу (окремі елементи каскаду набагато простіше доставити на місце і змонтувати, ніж один котел великої потужності).

Очевидно, що система з декількох котлів замість одного здатна ефективніше забезпечувати умови розрахункових навантажень. Виходячи з цього, можна припустити, що чим більше ступенів в каскадної системі, тим краще вона задовольнить навантаження опалювальної системи. Це особливо ефективно, коли необхідно забезпечити невисокі показники потужності. Однак зі збільшенням кількості ступенів збільшується і площа поверхні тепловіддачі системи (тепловтрати через обшивки котлів), через яку відбувається втрата тепла. Це, в кінцевому рахунку, може звести нанівець переваги підвищеного ККД такої системи. Тому використання більше чотирьох ступенів не завжди доцільно.

Невід'ємне обмеження системи «простого» каскаду (котли з одноступінчастими або двоступінчастими пальниками) - покрокове регулювання теплопродуктивності (потужності системи), а не безперервний регульований процес.

Незважаючи на те, що використання більше двох ступенів значно знижує теплопродуктивність кожного котла, ідеальним рішенням буде система «модулируемого» каскаду (котли з модульований пальниками).

Модульовані пальника дозволяють безступінчатий регулювати потужність в залежності від потреби в теплоті. Остання тенденція в рішенні каскадних систем - система модулируемого каскаду. На відміну від використання східчастих пальників, котли з модульований пальниками здатні плавно змінювати обсяг подачі палива, а отже, і контролювати рівень теплопроизводительности в широкому діапазоні значень.

На сьогоднішній день на ринку опалювального обладнання широко представлені навісні котли підвищеної потужності з модульований пальниками, здатні плавно змінювати продуктивність котла в діапазоні 30-100% від номінальної теплової потужності. Здатність котлів з модульований пальниками знижувати витрата палива часто називають коефіцієнтом робочого регулювання пальника (тобто відношення максимальної теплової потужності котла до мінімальної). Наприклад, коефіцієнт робочого регулювання пальника котла з максимальною тепловою потужністю 50 кВт і мінімальною витратою палива 10 кВт буде дорівнює 50 кВт / 10 кВт або 5: 1. Сумарний коефіцієнт робочого регулювання встановлених в каскадну систему котлів значно перевищує коефіцієнт окремого котла.

Наприклад, якщо в каскадної системі використовуються три котла з максимальною тепловою потужністю 50 кВт і мінімальної 10 кВт, сумарна регулювання продуктивності буде здійснюватися в діапазоні від 150 до 10 кВт. Отже, коефіцієнт робочого регулювання такої системи складе 15: 1.

Необхідні умови для «модулируемого» каскаду

Існують три важливих умови, які слід виконати при проектуванні системи «модулируемого» каскаду.

По-перше, підводки магістралей і контролерів повинні бути реалізовані так, щоб була можлива незалежне регулювання циркуляції потоку через кожен котел. Вода не повинна циркулювати через непрацюючий котел, інакше тепло теплоносія буде розсіюватися через теплообмінник або кожух котла.

Це також стосується і системи простого каскаду. Незалежне регулювання потоку теплоносія досягається завдяки оснащенню кожного котла індивідуальним циркуляційним насосом. При паралельній установці циркуляційних насосів для запобігання зворотного потоку теплоносія через непрацюючі котли вниз по потоку насосів слід встановити лічильники води.

Подача теплоносія в кожен котел за допомогою індивідуальних циркуляційних насосів дозволяє підвищувати тиск в теплообміннику працюючого котла з метою запобігання кавітації і вибухового пароутворення.

По-друге, підключення прямого та зворотного магістралей для кожного котла має бути виконано паралельно (особливо при використанні конденсаційних котлів).

Це дозволяє підтримувати однакову температуру води на вході в кожен котел і при необхідності виключати перетікання теплоносія між контурами. Низька температура подається в котел теплоносія сприяє конденсації водяної пари з продуктів згорання і підвищенню ККД системи. Деякі каскадні контролери для котлів з модульований пальниками оснащені функцією «витримки часу», тобто здатні включати циркуляційний насос певного котла незадовго до включення пальника.

Крім того, вони можуть підтримувати роботу насосів деякий час після виключення пальника.

Перше забезпечує нагрів теплообмінника котла теплим що подається теплоносієм системи, що запобігає тепловий удар внаслідок значного перепаду температур (і конденсацію топкових газів для звичайних котлів) при запалюванні пальника. Друге - утилізувати залишкове тепло теплообмінника, а не відводити його через систему вентиляції після закінчення роботи котла.

І, по-третє, дуже важливо, щоб циркуляційні насоси забезпечували адекватний потік теплоносія через працюючі котли, незалежно від показника витрати системи опалення. Природним рішенням даного питання є застосування гідравлічної низького тиску.

Етапи монтажу системи

Підключення системи каскаду виконується в три етапи (рис. 1):

1) гідравлічної ув'язки котлів і системи;

2) підключення до єдиного колектор диму;

3) налаштування автоматики каскаду.

Завдяки модульній системі монтажу, яку можна порівняти зі збором дитячого конструктора, досягається висока швидкість інсталяції і надійність роботи системи.

Основні етапи монтажу каскадних теплогенеруючої установки показані на рис. 2.

Природно, що основним способом узгодження декількох теплогенеруючих одиниць і системи теплопостачання є гідравлічний колектор низького тиску.

Методи розрахунку підбору і монтажу його вже неодноразово описувалися в спеціалізованій літературі, тому в рамках цієї статті не варто знову повертатися до цього питання.

Cистема гідравлічного узгодження котлів складається з декількох стандартних кроків підключень:

❏ двох котлів в каскад;

❏ третього котла в каскад;

❏ групи безпеки каскаду (рис. 3).

Залежно від необхідної потужності можна збирати каскад з двох або трьох котлів.

Матеріалом основи служать товстостінні нікельовані труби, які з'єднуються за допомогою швидко-з'єднань (так званих «американок»). У комплект поставки входять всі необхідні елементи, починаючи від запірних кранів і закінчуючи прокладками.

Така комплектація дозволяє максимально оперативно і акуратно здійснити монтаж каскаду.

Модульована управління

Багатоступінчастий контролер для системи простого каскаду за допомогою пропорційно-інтегрально-диференціального регулювання (ПІД) постійно вимірює температуру подається в систему теплоносія, порівнює її з розрахунковим значенням і визначає, який пальник слід включити, а яку вимкнути. Для управління каскадом котлів і досягнення економічної витрати палива необхідно використовувати спеціальну автоматику.

Один з котлів каскаду виконує роль «ведучого» і включається в першу чергу, інші - «ведені» - підключаються по мірі необхідності. Автоматика управління дозволяє передавати роль «ведучого» від одного котла до іншого, а також здійснювати черговість включення «відомих» котлів і температурні диференціали включення кожному наступному рівні.

При виникненні несправності ведучого котла здійснюється автоматична зміна пріоритету. Якщо запит на тепло не приходить ні від однієї з зон, регулятор вимкне всі котли, а при надходженні сигналу вимоги запустить їх в експлуатацію. Після відключення останнього котла циркуляційний насос вимикається через певний проміжок часу. У більшості систем «модулируемого» каскаду спосіб контролю інший. Як правило, мета - збільшення часу роботи котлів в низькотемпературному діапазоні і при неповній потужності.

Компанія Immergas рекомендує використовувати для своїх котлів Victrix 50 контролери Honeywell серії Smile SDC 12-31 (рис. 4). Хоча різні виробники пропонують різні системи управління, загальноприйнятий підхід такий: включення котла, далі модулювання його роботи до рівня теплопроизводительности, яка задовольняє необхідне навантаження.

Якщо знадобиться додаткова подача тепла, теплопродуктивність першого котла значно знижується, включається другий котел, і далі відбувається відповідне модулювання теплопроизводительности обох котлів для задоволення необхідного навантаження.

Така схема забезпечує роботу обох котлів при більш низьких показниках теплопроизводительности, а значить, в більш щадному режимі, на відміну від роботи одного котла на повній потужності. Це підвищує площу поверхні теплообміну, отже, підвищується ймовірність конденсації водяної пари з продуктів згорання, а також ККД системи.

Припустимо, що навантаження продовжує зростати, і два котла, що працюють при порівняно високому рівні теплопроизводительности, не можуть задовольнити її умови. Тоді другий котел знижує витрату палива, включається третій, і відбувається паралельне модулювання теплопроизводительности другої і третьої ступенів.

У деяких системах перший котел здатний також знижувати витрата палива при активованих інших щаблях, отже, все три ступені потужності можуть регулюватися паралельно.

Робочі режими контролерів

Більшість каскадних контролерів здатні працювати принаймні в двох робочих режимах. У режимі опалення здійснюється погодозалежний принцип регулювання, тобто задане значення температури подається в систему теплоносія залежить від зовнішньої температури.

Чим нижче зовнішня температура, тим вище задане значення температури подається теплоносія. Ця система усуває необхідність використання змішувача між котлом і споживачами опалення.

У режимі ГВП здійснюється програмне регулювання системи, коли задане значення температури подається теплоносія не залежить від зовнішніх температур. Іншими словами, задається певний, досить високе значення температури, що забезпечує високий рівень теплопередачі через вторинний теплообмінник.

Такий режим зазвичай використовують для забезпечення більш високої температури теплоносія, що подається через теплообмінник до споживачів ГВС і системам антиобледеніння. Модулювання потужності котла призводить до суттєвого зменшення диференціала між необхідної і реальної температурами теплоносія, що запобігає часте «тактирование» (включення / вимикання) котла.

Деякі контролери також відповідають за роботу головного циркуляційного насоса і пов'язані з системою диспетчеризації інженерного обладнання будівлі. Сучасне покоління малопотужних котлів з модульований пальниками забезпечує економію площі приміщення, високий ККД, тиху роботу і надійність. Це ідеальне рішення в низькотемпературних системах; такі котли ідеально підходять для опалення підлоги, системи антиобледеніння, обігріву басейну, системи ГВП, а також системи теплових насосів, в тому числі геотермальних. Вони вже завоювали позицію в області опалення приватних будинків.

Як частина каскадної системи котли з модульований пальниками являють собою нову альтернативу системам промислового опалення.