Головна / Статті / Проектувальникам про схемах теплового захисту водогрійних котлів
А. Міровскі, Г. Ланге, І. Єлень
Різноманіття водогрійних котлів різних типів і конструкцій, представлених на ринку численними вітчизняними і зарубіжними виробниками, створює при проектуванні певні труднощі. Це пов'язано з частою відсутністю спеціальних інструкцій і рекомендацій виробника щодо проектування та підключення обладнання. Через розбіжності в конструкціях застосування схем і рекомендацій, розроблених для одних котлів, часто неможливо в інших випадках. У цих умовах дуже затребувані універсальні посібники з проектування, видаються компанією Viessmann. У них розглядається можливість застосування різних схем, в тому числі і для низькотемпературних контурів, в єдиному контексті з конструктивними, потужностними і іншими особливостями водогрійних котлів.
Одноступінчата схема температурного захисту, як правило, реалізується в установках з котлами побутових серій і будується за рахунок використання температурних датчиків (або термостатів) для вимірювання температури котла і (або) «обратки».
Створення такого захисту не представляє будь-яких труднощів, але може застосовуватися тільки в системах з невеликим водяним об'ємом і при управлінні опалювальними контурами за допомогою змішувальних клапанів, розташованих разом з колекторами в безпосередній близькості від котлів. Детально одноступенева схема розглянута в книзі «Матеріали для проектування котелень і сучасних систем опалення», виданій компанією Viessmann на Україні.
На практиці частіше доводиться стикатися з проектуванням систем опалення великих водяних обсягів, для яких питання підвищення і (або) стабілізації температури зворотної води найбільш актуальні. У таких системах рекомендується застосування двоступеневих систем захисту котлів від конденсації водяної пари з продуктів згорання.
Відзначимо: другий ступінь захисту в розглянутих нижче схемах, що використовує істотне обмеження кількості теплоносія, що проходить через котел, може бути застосована тільки для котлів, які не мають обмеження по мінімальній витраті води. Розглянемо деякі з двоступеневих систем захисту.
Захист з використанням одного насоса змішувача
Ця система рекомендується для систем теплопостачання за умови управління опалювальними контурами за допомогою змішувальних клапанів, розташованих разом з колекторами в котельні, тобто в безпосередній близькості від котлів. На рис. 1 показаний приклад гідравлічної схеми каскадної котельні з двоступеневою системою захисту котлів із застосуванням загального насоса змішувача (часто званого насосом підмішування).
Застосування насоса змішувача РМ. призначеного для нагнітання гарячого теплоносія з магістралі, що подає безпосередньо в зворотну магістраль котельні (змішувальний вузол Z), - одне з найпростіших рішень періодичної стабілізації (підвищення) температури зворотного потоку (ступінь І). Сигнал про включення-вимикання насоса РМ видається на підставі сигналу датчика Т2. здійснює постійний контроль температури зворотного потоку. Уставка залежить від типу котла і виду палива.
Робота ступені ІІ захисту заснована на зменшенні як витрати котельної води, так і подачі «захоложенного» зворотного потоку до казанів, яке здійснюється за допомогою закритіяоткритія змішувальних клапанів на опалювальних контурах тепломережі. Періодичний сигнал на закриття-відкриття змішувальних клапанів видається на підставі показань датчика Т1 постійного контролю температури зворотного потоку для кожного котла. Робота пальників, що включаються за сигналом від датчика Т1. і інтенсивна природна циркуляція, посилена працюючим змішувальним насосом (оскільки датчик Т1 встановлюється за датчиком Т2 по ходу зворотного потоку), ведуть до підвищення температури котла. Після досягнення відповідної температури, що реєструється датчиком Т1. надсилається сигнал на відкриття змішувальних клапанів, і відпустку тепла споживачам переходить в нормальний режим - відповідно до потреби. При подальшому підвищенні температури зворотного потоку, яке реєструється датчиком Т2. надсилається сигнал на вимикання насоса змішувача (звідси і поняття періодичної стабілізації температури).
Слід особливо відзначити, що підмішування теплоносія в зворотній магістраль за допомогою одного насоса змішувача повинно бути однаковим для всіх котлів, що входять в схему, тому многокотловую установку із загальним змішувальним насосом потрібно виконувати з попутним рухом теплоносія, а не по тупикової схемою.
На рис. 2 представлена модифікація розглянутої схеми для систем, в яких необхідно прискорити початок стабілізації температури зворотного теплоносія (наприклад, якщо значна частка теплоспоживання доводиться на підлогове опалення з низькою температурою зворотного теплоносія) і допускається періодичне зменшення відбору тепла. Цей же варіант рекомендується для котелень, що працюють на низькокалорійному паливі (біогаз та ін.).
Ступінь І захисту - періодична стабілізація (підвищення) температури зворотного потоку. Вже згадана захист працює точно так само, як описано в попередньому випадку, з тією лише різницею, що змішувальний насос РМ підключений до незалежного джерела живлення і включається термостатом Т2. В цьому випадку слід додатково вимикати насос при виключенні котельні або відсутності потреби в теплі (літній режим).
Ступінь ІІ - періодичне зменшення відбору тепла.
Вже згадана захист працює точно так само, як описано в попередньому випадку. Різниця лише в тому, що за вузлом змішування (точка Z) здійснюється повторне контрольне вимірювання температури зворотного потоку термостатом Т3. Закриття змішувальних клапанів проводиться за допомогою замикання Безпотенційні контактів термостатом Т3 при зниженні температури зворотного потоку нижче встановленого значення. В цей же час відбувається включення пальників при відпрацюванні сигналу про низьку температуру датчика Т1. Далі в результаті роботи пальників та інтенсивної природної циркуляції, посиленою працюючим змішувальним насосом РМ. підвищується температура котла. Після досягнення відповідної температури, підтвердженої термостатом Т3. відкриваються змішувальні клапани, і відпустку тепла споживачам переходить в нормальний режим - відповідно до потреби. При подальшому підвищенні температури зворотного потоку, який реєструється термостатом Т2. вимикається змішувальний насос.
Захист з використанням індивідуальних змішувальних насосів
У разі роботи котельні з системою опалення великого водяного обсягу при великій відстані опалювальних контурів від котельні або відсутності можливості управління опалювальними контурами кожен котел повинен постачатися індивідуальною системою для підвищення і стабілізації температури зворотного потоку. Дане рішення - перший ступінь захисту по температурі зворотного потоку. В якості другого ступеня використовується поділ (відключення) контуру котла від опалювальних контурів, що здійснюється шляхом закриття поворотних заслінок або закриттям триходового клапана на котельної прямому трубопроводі, що рівнозначно надзвичайно зменшення відбору тепла (витрати теплоносія через котел).
При такій схемі (рис. 3), коли виконавчий механізм другого ступеня захисту розміщений в безпосередній близькості від котла (відразу за змішувальним насосом), в управління опалювальними контурами можна стояти осторонь. Вони здатні працювати повністю незалежно.
Ступінь І захисту - періодична стабілізація (підвищення) температури зворотного потоку. Як і в попередніх варіантах, завданням насоса змішувача для кожного котла є подача гарячого теплоносія з магістралі подачі безпосередньо в зворотну лінію - до вузла змішування (точка Z). У більшості випадків сигнал на включення-виключення насоса змішувача подається на підставі результатів постійного вимірювання температури зворотного теплоносія датчиком Т2.
Ступінь ІІ - періодичне поділ (перекриття) котелень і опалювальних контурів.
Вже згадана захист працює при обов'язковій установці датчика Т1 для повторного контрольного вимірювання температури зворотного теплоносія (встановлюється за вузлом змішування - точкою Z). При зменшенні температури зворотного теплоносія нижче встановленого значення видається сигнал на закриття Двоходові клапанів - перекриття магістралі подачі, і як, наслідок, - зменшення відбору котельної води і подачі «захоложенного» зворотного теплоносія до казанів.
Далі, в результаті роботи пальників та інтенсивної природної циркуляції, посиленою працюючим змішувальним насосом РМ. підвищується температура котла. Після досягнення відповідної температури, підтвердженої датчиком Т1. відкриваються двоходові клапани, і відпустку тепла споживачам переходить в нормальний режим - відповідно до потреби. При подальшому підвищенні температури зворотного потоку, який реєструється датчиком Т2. вимикається змішувальний насос.
Розглянута схема має модифікацію, в якій двоходові клапани замінені триходовими змішувальними клапанами на другому ступені захисту. Даний варіант дозволяє подавати воду до циркуляційних насосів опалювальних контурів по байпасній лінії захисного клапана котла.
Захист з використанням мережевого (розподільного) насоса
При роботі котельної з великим (понад 20 м) видаленням від 3 кПа котлів розподільних колекторів рекомендується двоступенева схема захисту з використанням постійно діючого мережевого насоса (рис. 4). Велике (понад 3 кПа) гідравлічний опір трубопроводів, які транспортують теплоносій від котла до споживачів тепла, створює небезпеку нестабільного теплопостачання всіх опалювальних контурів і кавітації в циркуляційних насосах.
Необхідні умови для функціонування даної схеми - управління опалювальними контурами за допомогою змішувальних клапанів і виконання котельні з попутним рухом теплоносія, а не по тупикової схемою, для рівномірного розподілу зворотного потоку води між котлами однакової потужності.
Ступінь І захисту - постійна стабілізація температури подачі і зворотного теплоносія.
Завдання мережевого насоса PR - подолання гідравлічного опору трубопроводів між котлами і розподільними колекторами. Додаткова функція - підвищення (стабілізація) температури зворотного теплоносія за рахунок підмішування прямий води через байпас S. розташований між колекторами. Це необхідно для того, щоб в протяженном трубопроводі між збірним колектором і зворотним патрубком котла не було холодної води, здатної викликати конденсацію водяної пари з продуктів згорання.
Мережевий насос повинен працювати безперервно при мінімальній потребі в теплі (якщо працює насос хоча б одного опалювального контура). Це забезпечує постійну стабілізацію температури прямої та зворотної води.
Ступінь ІІ - періодичне зменшення відбору тепла. При необхідності прискорити момент початку зменшення відбору тепла потрібно використовувати термостат з регульованою налаштуванням для вимірювання температури в точці Т3. Він здійснює постійне вимірювання температури зворотного потоку за збірним колектором. Якщо температура води опускається нижче величини настройки, термостат подає команду на закриття змішувальних клапанів. При цьому відбувається зменшення відбору тепла і повернення «захоложенного» зворотного теплоносія. Одночасно по команді від датчиків Т1 відбувається включення пальників.
Далі, в результаті роботи пальників та інтенсивної природної циркуляції, посиленою працюючим мережевим насосом РR. підвищується температура котла. По досягненню відповідної температури, підтвердженої термостатом Т3. відкриваються змішувальні клапани, і відпустку тепла споживачам переходить в нормальний режим - відповідно до потреби.
Захист з використанням насоса котлового контуру
У разі роботи котельні з великим (або дуже великим) водяним об'ємом і віддаленими споживачами тепла, при відсутності управління ними (реконструкція існуючих систем) слід встановлювати насоси на кожен котельної контур. До цього рекомендується вдаватися, коли трубопроводи, що з'єднують котли і колектори, мають велике гідравлічний опір. Постійно працює насос котла є першою сходинкою захисту котлів; для реалізації другого ступеня захисту використовуються триходові змішувальні клапани котлів або гідравлічна стрілка.
Розглянемо принцип дії першої з цих схем (рис. 5) в системі з великим гідравлічним опором трубопроводів, що з'єднують котли з розподільними колекторами, і при відсутності управління опалювальними контурами.
Ступінь І захисту - постійна стабілізація температури подачі і зворотного теплоносія.
В даному випадку насос котла призначений для подолання додаткових гідравлічних опорів трубопроводів, що з'єднують котли з розподільними колекторами, і подачі теплоносія в колектор (стабілізація харчування). Додаткова функція - захист по температурі зворотного теплоносія шляхом підмішування прямий води з подає колектора в зворотний по байпасу S. Як наслідок, зменшується ймовірність конденсації водяної пари з продуктів згорання в котлі.
Якщо існує хоча б мінімальний відбір тепла (працює як мінімум один циркуляційний насос опалювального контуру), котельної насос працює постійно. При цьому здійснюється одночасна стабілізація температури прямої та зворотної води.
Ступінь ІІ - періодичне відключення контуру котла від опалювальних контурів (зменшення відбору тепла).
У даній системі захисту необхідна установка датчика Т1. здійснює постійне вимірювання температури зворотного теплоносія на вході в котел і за збірним колектором. Якщо температура води опускається нижче величини настройки, термостат подає команду на закриття змішувальних клапанів кожного котла, ізолюючи контур котла від системи опалення. При цьому відбувається зменшення відбору тепла і повернення «захоложенного» зворотного теплоносія. В цей же час по команді від датчиків Т1 включаються пальники.
В результаті роботи пальників та інтенсивної природної циркуляції, посиленою працюючим котельним насосом РK. підвищується температура котла. Після досягнення відповідної температури, підтвердженої датчиком Т1. відкриваються змішувальні клапани, і відпустку тепла споживачам переходить в нормальний режим - відповідно до потреби.
Гідравлічна стрілка в складі вищеописаної захисту (рис. 6) застосовується при відсутності управління опалювальними контурами, великому гідравлічному опорі трубопроводів, що з'єднують котли з колекторами, великий динаміці зміни параметрів, при розходженні в необхідної теплової потужності котлів.
Ступінь І - постійна стабілізація температури подачі і зворотного теплоносія.
В даному випадку насос котла призначений для подачі теплоносія до гідравлічної стрілкою (стабілізація харчування) і - додатково - для захисту по температурі зворотного теплоносія шляхом проходження через гідравлічну стрілку надмірної кількості прямої води. Ця умова є обов'язковою.
Ступінь ІІ - періодичне відключення контуру котла від первинного контуру гідравлічної стрілки (зменшення відбору тепла).
Вже згадана захист працює точно так само, як описано в попередньому випадку, з тією лише різницею, що триходові клапани роз'єднують котлові контури з первинним контуром гідравлічної стрілки.
Розглянуті вище схеми дають повне уявлення про логіку організації автоматичного захисту від утворення конденсату практично для всіх можна зустріти випадків експлуатації водогрійних котелень. Реалізувати цю логіку можна будь-якими відповідними і доступними засобами автоматики.