В настоящей публикации мы вновь возвращаемся к вопросам каскадного подключения котлов, руководствуясь актуальностью каскадных технологий и их растущей популярностью на рынке теплоснабжения. Также мы затронем вопросы, связанные с автоматикой для каскадов, её совместимостью с разными котлами, масштабируемостью и функциональными возможностями контроллеров.
Требования сводов правил
СП 89.13330.2016 «Котельные установки» требует установки не менее двух котлов. Кроме того, «При выходе из строя наибольшего по производительности котла в котельных первой категории оставшиеся котлы должны обеспечивать отпуск тепловой энергии потребителям первой категории в количестве, определяемом:
- режимом температуры воздуха наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 на отопление и ГВС при отсутствии возможности отключения нагрузки ГВС» (п. 4.16).
Как мы видим, необходимость установки нескольких котлов прописана в актуальных сводах правил. Причём требования по подбору количества и единичной мощности котлов таковы, чтобы при выходе одного котла из строя обеспечивать объект теплом почти в полном объёме. Этого можно достичь только установкой каскада.
Следует отметить, что под регламент СП 89.13330.2016 попадают котельные установки мощностью свыше 360 кВт.
Согласно СП 281.1325800.2016, каскадная схема не является обязательным требованием — документ лишь рекомендует её применение как один из предпочтительных вариантов организации теплогенераторных мощностью до 360 кВт: «Допускается строительство теплогенераторных с каскадным размещением теплогенераторов в блочно-модульном исполнении» (п. 5.19).
Основные преимущества каскадной системы отопления
Каскадные системы теплогенерации обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с использованием двух котлов большой мощности. К числу ключевых достоинств каскадных систем относятся:
1. Повышенная надёжность: отказ одного из котлов не приводит к критическому снижению мощности, поскольку оставшиеся котлоагрегаты способны частично или полностью компенсировать требуемую тепловую нагрузку.
2. Экономичность: традиционные котлы демонстрируют снижение эффективности при работе в режиме тактования («включение/выключение»), в то время как каскадная система позволяет поддерживать работу каждого котла в оптимальном диапазоне, что снижает эксплуатационные расходы на топливо и обслуживание.
3. Упрощение монтажа: отдельные котлы в составе каскада имеют меньшие габариты и массу по сравнению с одним крупногабаритным котлоагрегатом, что облегчает их транспортировку и монтаж на объекте.
4. Упрощение ремонта и замены котельного оборудования из-за меньших веса и габаритов котлов.
На рис. 1 приведены эксплуатационные характеристики двух типов каскадных систем по отношению к расчётной диаграмме нагрузки. Первая система состоит из двух котлов, оснащённых одноступенчатыми горелками, каждый из которых рассчитан на покрытие 50% проектной тепловой нагрузки. Вторая система включает четыре котла с аналогичными горелками, причём каждый агрегат способен обеспечить 25% расчётной нагрузки.
Рис. 1. Характеристика двух разных каскадных систем (A и B) по отношению к гипотетической диаграмме нагрузки
Очевидно, что система, состоящая из четырёх котлов, обеспечивает более гибкое и эффективное покрытие тепловых нагрузок. Чем больше количество котлов в каскаде, тем точнее система реагирует на переменные требования по мощности, что особенно важно при необходимости поддержания малых значений тепловых нагрузок. Целесообразность использования оптимального количества котлов в каскаде, как правило, определяется совокупностью различных факторов.
Ограничения и конструктивные особенности каскадов
Современные системы управления позволяют выводить котлы, не задействованные в работе, в «тёплый резерв». То есть после выключения горелки и остановки котлового насоса котёл «засыпает», и его температура может снижаться до температуры воздуха в помещении котельной, тем самым сводя потери через обшивку котла к возможному минимуму.
Кроме того, современная автоматика, управляющая каскадом, может учитывать конструктивные особенности котлов. Например, традиционные котлы показывают наибольшую эффективность при максимальной мощности, а конденсационные, наоборот, при минимальной. Поэтому при работе в каскаде традиционных котлов каскадная автоматика будет стараться включить меньшее количество котлов, чтобы они работали на максимальной мощности, а с конденсационными — большее количество на минимальной. Таким образом достигается повышение эффективности работы всей системы в целом.
К недостаткам каскадных систем на традиционных котлах (с одноили двухступенчатыми горелками) относится их ступенчатое регулирование теплопроизводительности, при котором отсутствует возможность плавного изменения мощности в широком диапазоне. Несмотря на то, что увеличение числа котлов снижает удельную нагрузку на каждый агрегат, оптимальным решением является применение каскадов на котлах с модулируемыми горелками. Такие горелки обеспечивают плавное, бесступенчатое регулирование мощности в зависимости от текущей потребности в тепловой энергии. Это является современной тенденцией.
Модулируемое регулирование в каскаде
В отличие от ступенчатых горелок, модулируемые позволяют плавно изменять подачу воздуха и топлива для изменения уровня тепловой мощности в широком диапазоне. Глубина модуляции котлов определяется как отношение максимальной тепловой мощности котла к минимальной.
Суммарный диапазон регулирования всей каскадной системы значительно превышает аналогичный показатель для одного котла. Например, при использовании в каскаде трёх котлов с максимальной мощностью по 100 кВт и минимальной по 20 кВт диапазон регулирования системы составит от 20 до 300 кВт, что соответствует диапазону регулирования 15:1 против 5:1 для одного котла. Что позволяет повысить эффективность системы.
Типы каскадов
В каскадных системах применяются различные схемы подключения котлов, которые можно разделить на несколько основных видов (табл. 1).
Котлы для каскадных систем
Для организации каскадных систем могут использоваться как конденсационные, так и традиционные газовые котлы типа, а также современные электрические котлы с поддержкой каскадного управления. Сегодня особую популярность приобретают конденсационные котлы настенного и напольного исполнения благодаря их высокой эффективности и продвинутой автоматике.
Основным требованием к котлам для каскадных систем является поддержка каскадного управления (наличие функции, встроенной в автоматику или интерфейса для внешнего каскадного контроллера).
В табл. 2 мы попытались собрать наиболее популярные модели котлов различных отечественных и зарубежных производителей, применяемые для каскадных схем.
Необходимые условия для работы модулируемого каскада
Модуляция мощности увеличивает срок службы котла. Для корректной и эффективной работы модулируемого каскада необходимо соблюдение ряда следующих принципиальных условий, определяющих надёжность и энергоэффективность всей установки:
1. Проектирование гидравлической схемы и системы управления должно обеспечивать возможность независимого регулирования циркуляции теплоносителя через каждый отдельный котёл. Недопустима ситуация, при которой теплоноситель продолжает циркулировать через неработающий котёл, что ведёт к некорректным тепловых режимам у котлов, находящихся в режиме ожидания. Аналогичное требование справедливо и для традиционных (ступенчатых) каскадных систем.
2. Обеспечение независимой циркуляции достигается благодаря индивидуальным циркуляционным насосам для каждого котла, подключённым к котловой автоматике. Для предотвращения обратного протока теплоносителя через неработающие котлы целесообразно устанавливать обратные клапаны на линиях подачи котлов. Такая схема также обеспечивает поддержание необходимого давления в теплообменнике работающего котла, что минимизирует риск возникновения кавитации в насосе и вскипания котловой воды.
3. Подающие и обратные магистрали каждого котла должны быть подключены к коллекторам параллельно, особенно при использовании конденсационных котлов. Такая схема обвязки обеспечивает равномерное распределение тепловой нагрузки на каждый котёл. Поддержание низкой температуры входящего теплоносителя способствует повышению эффективной работы конденсационных котлов и в целом КПД системы.
4. Современные каскадные контроллеры для котлов с модулируемыми горелками часто обладают функцией временной задержки старта горелки, позволяющей запускать циркуляционный насос котла за некоторое время до её включения. Кроме того, контроллеры обеспечивают задержку выключения насоса после отключения горелки (выбега насоса). Первый механизм способствует предварительному прогреву теплообменника, предотвращая тепловой удар и избыточную конденсацию топочных газов при запуске котла. Второй — обеспечивает утилизацию остаточного тепла теплообменника и снижет тепловые потери через дымовой канал после завершения работы котла.
5. Крайне важно, чтобы циркуляционные насосы обеспечивали номинальный расход теплоносителя через действующие котлы вне зависимости от текущего расхода в системе отопления. Наиболее эффективным решением данной задачи является внедрение гидравлического разделителя, который стабилизирует гидравлические режимы и предотвращает неравномерное распределение потоков теплоносителя между котлами и потребителями.
Ввиду того, что в различные периоды эксплуатации может функционировать различное количество котлов, входящих в состав каскадной котельной установки, а также учитывая необходимость применения циркуляционного насоса системы отопления, производительность которого превышает расход котловых насосов, между контуром каскада и основным насосом отопления требуется обязательная установка гидравлического разделителя. Некорректный подбор или отсутствие гидравлического разделителя могут привести к нарушениям в работе системы.
К числу обязательных элементов каскадной котельной также относятся температурные датчики, обеспечивающие измерение температуры теплоносителя на общей подающей линии, а также соответствующие датчики и регуляторы на контурах отопления, необходимые для управления системой теплоснабжения.
* Примечание:
встроенный контроллер — функция каскадного управления интегрирована в котловую автоматику, подключения котлов в каскад по шине осуществляются штатным или обычным кабелем;
через дополнительный модуль — функция каскадного управления интегрирована в котловую автоматику, для подключения котлов в каскад требуется установка дополнительного модуля (шлюза);
внешний контроллер — функция каскадного управления отсутствует в котловой автоматике, для управления каскадом котлов требуется установка внешнего контроллера и подключение к нему каждого котла.
Контроллеры для управления каскадами котлов
Если со встроенной автоматикой всё достаточно просто, так как производители предусмотрели в автоматике возможность работы своих котлов в каскадах, то при подборе внешних контроллеров нужно учитывать их совместимость с котлами, которая определяется поддержкой соответствующих протоколов и спецификациями оборудования (табл. 3). Ниже приведён обзор основных протоколов управления.
OpenTherm
Разработан Honeywell и продан Ассоциации OpenTherm в 1996 году
Открытый протокол для обмена данными по двухпроводному кабелю, обеспечивающий гибкость, надёжность и совместимость между устройствами разных производителей.
Совместимость: поддерживается большинством современных настенных газовых котлов европейских и российских производителей (ACV, BaltGaz, Baltur, BAXI, Beretta, Bosch, Buderus, De Dietrich, Federica Bugatti, Ferroli, Fondital, Immergas, Lamborghini, Thermona, Viessmann, Warm, Wolf, «Лемакс» и др.). Модули и шлюзы OpenTherm могут работать с внешними датчиками температуры, комнатными модулями управления, а также управлять котлами по этому протоколу.
eBUS
Был изначально внедрён немецкой компанией Vaillant в конце 1990-х годов
Внутренний протокол производителя для подключения котлов и модулей в единую систему.
Совместимость: используется несколькими производителями котлов. Применяется для подключения автоматики и котлов одного производителя. С помощью адаптера возможна интеграция в систему «умный дом» по протоколу KNX.
LPB
Local Process Bus — закрытый цифровой протокол компании Siemens, впервые применён на котельном оборудовании в конце 1990-х годов
Собственная цифровая шина компании Siemens, разработанная для организации связи между котлами, контроллерами и модулями управления контурами, погодозависимой автоматикой и дополнительными устройствами в составе сложных систем теплои холодоснабжения.
Совместимость: используется с оборудованием Siemens и производными — в отличие от OpenTherm, который стандартизирован, LPB — проприетарное решение. Для подключения к котлам или сторонним системам применяются специальные шлюзы или интерфейсные платы.
BSB
Boiler System Bus — протокол цифровой шины котлов с автоматикой управления Siemens (ряд котлов BAXI, Elco, Gassero, Kentatsu и др.). BSB позволяет котлу обращаться к нескольким устройствам на внутренней шине, но не используется в системах с более чем одним отопительным котлом. При наличии внешнего контроллера обеспечивает возможность связи и управления котлом.
Modbus
Был разработан Modicon (теперь Schneider Electric) и впервые опубликован в 1979 году
Промышленный протокол для интеграции оборудования в автоматизированные системы управления (АСУ).
Совместимость: используется для подключения автоматики к контроллерам, ПЛК, системам «умный дом» и SCADA. Некоторые котлы поддерживают Modbus напрямую, но чаще применяются шлюзы OpenTherm-Modbus для преобразования команд.
BACnet
Был принят в 1995 году и стал международным стандартом ISO 16484‑5 в 2003-м
Открытый коммуникационный протокол для систем автоматизации зданий. Разработан Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE).
Протокол обеспечивает взаимодействие различных контроллеров, датчиков, устройств и систем внутри здания, таких как системы HVAC, системы контроля доступа, системы пожарной сигнализации, системы управления освещением и другие связанные системы. Прямая поддержка BACnet в котлах реализуется редко, но возможна через шлюзы, например, Vitogate 300 от Viessmann.
Особенности совместимости
1. Котлы с поддержкой OpenTherm. Могут управляться любой автоматикой, поддерживающей этот протокол, независимо от производителя. Для интеграции в промышленные системы или системы «умный дом» используются шлюзы OpenTherm-Modbus.
2. Котлы с поддержкой Modbus. Могут напрямую подключаться к промышленным контроллерам и системам автоматизации.
3. Котлы, оснащённые автоматикой Siemens Albatros-2 тип LMS. В данной автоматике используется протокол BSB. Для управления котлами возможно применение внешних контроллеров, которые могут использовать данный протокол (например, MyHeat, ZONT). При использовании штатной автоматики Siemens, для работы по шине LPB требуется интерфейсная плата OCI 345, которая конвертирует протокол BSB в общую шину LPB для объединения котлов в каскад, а также модулей управления контурами. Для удалённого управления котлами и устройствами, работающими по шине LPB, через сеть интернет, необходимо использовать устройство Siemens OZW672 и русифицированное приложение от Siemens.
4. Котлы без цифровых интерфейсов:
- релейное управление есть почти во всех котлах и является универсальным;
- не имеет возможности модулировать мощность большинства котлов;
- не дают обратной связи по ошибкам и показаниям датчиков самого котла, только данные датчиков контроллера;
- могут управляться модуляцией через аналоговый сигнал (ШИМ), осуществляя релейное подключение котлов, если автоматика поддерживает такой режим;
- могут управляться модуляцией через сигналы 0–10 В, осуществляя релейное подключение, если автоматика поддерживает такой режим [принцип PWM (Pulse-Width Modulation) был разработан в 1970-х годах и начал активно применяться для управления котлами и насосами с середины 2000-х, аналоговый сигнал управления, поддерживается некоторыми моделями контроллеров и котлов].
5. Котлы и автоматика от одного производителя максимально совместимы и позволяют полностью реализовать потенциал оборудования.
Совместимость автоматики для каскадирования котлов обеспечивается поддержкой протоколов OpenTherm, Modbus и в ряде случаев аналоговых сигналов (ШИМ). Многие современные газовые котлы европейских и отечественных производителей совместимы с автоматикой, поддерживающей OpenTherm, а шлюзы OpenTherm-Modbus позволяют интегрировать их в промышленные и «умные» системы управления.
Редакция журнала СОК выражает благодарность компаниям за предоставленные данные и содействие в подготовке материала.
