Рассмотрим два одинаковых 24-этажных здания с тепловой нагрузкой отопления 0,6 Гкал/ч. Первое отапливается городской теплосетью (теплопункт расположен в подвальном помещении) с температурным графиком, заданным в технических условиях, вида 150/90/70 °C. Второе здание отапливается газовой котельной, расположенной на крыше (такой же теплопункт в подвальном помещении), с температурным графиком 90/70 °C. После пуска систем отопления внутри зданий установилась температура +24 °C. Расход теплоносителя в котельной второго здания 18 м³/ч, расход в первом здании — 6 м³/ч. Системы работают без сбоев, замечаний к работе систем нет, про оплату за потреблённое тепло на этапе пусконаладочных работ никто не задумывался.

Однако далее, поскольку жильцы в здания не заселены, была поставлена задача жёстко экономить денежные средства, для чего необходимо поддерживать температуру в зданиях около +12 °C. Специалисты настроили управляющие контроллеры систем на соответствующие температурные графики. Оба здания оснащены системами диспетчеризации и управления с использованием веб-технологий. Имеется возможность в режиме «онлайн» просматривать текущие параметры. По архивным данным можно анализировать отчёты за дневной и недельный период работы оборудования, а также корректировать параметры системы.

Системы с новыми настройками контроллеров проработали два дня. Проанализировав графики подающего и «обратного» теплоносителя и показания теплосчётчика за день, выяснилась следующая картина:

1. В первом здании оплата за тепло по теплосчётчику составила 30 единиц, колебания температуры подающего теплоносителя происходили в пределах 6 °C с периодом в два часа.

Наблюдались совпадения температур подающего и «обратного» теплоносителей в течение 20 минут.

При работе системы отопления расход теплоносителя по теплосчётчику колеблется в пределах G = 2 м³/ч, наружная температура при этом не изменялась.

2. Во втором здании оплата за газ (по счётчику газа) составила 55 единиц и котельная работала в автоколебательном режиме.

Отсюда возникает вопрос: почему разная оплата за потреблённое тепло и почему происходят автоколебательные процессы в системах?

Проанализируем два разработанных и согласованных со всеми инстанциями проекта. По формуле (1) в проектной документации произведён расчёт расхода теплоносителя:

Температурные графики при расчёте газовой котельной. 5/2018. Фото 1

где G — расход теплоносителя, м³/ч; Q — тепловая нагрузка здания в Гкал/ч; tп — температура в подающем трубопроводе; tо — температура в «обратном» трубопроводе. 

Расход теплоносителя в первом здании составляет G = 7,5 м³/ч, в теплопункте установлены ограничительные «шайбы» соответствующих диаметров. Во втором случае расход составляет G = 30 м³/ч.

Расход теплоносителя для отопления абсолютно одинаковых зданий отличается в четыре раза! В реальности температурные графики подаваемого в систему теплоносителя для обоих зданий совершенно одинаковые. Привычка при проектировании не задумываться об использовании температурных графиков — это одна из причин, которая и приводит к некорректной работе в дальнейшем. При «шайбировании» расхода 7,5 м³/ч мощности вышеприведённой котельной достаточно для того, чтобы отопить четыре здания.

Технологическая схема системы приведена на рис. 1 (поскольку теплопункты одинаковы, оба варианта подачи теплоносителя для отопления здания представлены на одном рисунке). На рис. 1 задвижка типа «баттерфляй» с приводом обозначается цифрой 1, седельные клапаны с приводом — 2, частотный преобразователь — 3. Рассмотрим работу контура теплопункта. В передаточных функциях замкнутый контур теплопункта изображён на рис. 2.

Температурные графики при расчёте газовой котельной. 5/2018. Фото 2

Седельный регулирующий клапан 2 на рис. 1 (с линейной характеристикой) поддерживает заданный температурный график для обеспечения в здании внутренней температуры +12 °C.

Проанализировав графики системы диспетчеризации, увеличиваем интегральную составляющую закона — PIDрегулирования — и следим в онлайн-режиме за изменением температур теплоносителя. Переходный процесс в контуре теплопункта становится апериодическим, колебаний нет. Температура подающего теплоносителя отличается от температуры «обратного» на 4 °C. При внешний температуре +1 °C температура подающего теплоносителя — +28 °C, а «обратного» — +24 °C. Расход теплоносителя при этом G = 1,4 м³/ч, при этом оплата за тепло уменьшилась. Работу теплового пункта можно считать идеальной.

Работа котельной представляется несколькими замкнутыми контурами.

Первый, стандартный контур (показан на рис. 3) — это защита котла от низкотемпературной «обратки». Для регулирования температуры применяется задвижка типа «баттерфляй» с приводом 1 (рис. 1), которая имеет нелинейную характеристику управления. Второй контур (рис. 4) поддерживает перепад давления в системе насосом с частотным преобразователем 3 (рис. 1). Необходимый перепад давления, поддерживаемый контуром, составляет 0,8 бар.

Температурные графики при расчёте газовой котельной. 5/2018. Фото 3

Третий контур управляет горелкой котла по датчику температуры, установленному в подающем трубопроводе (в данном случае это 70 °C). При закрытии клапанов 2 (рис. 1) до необходимого расхода теплоносителя G = 1,4 м³/ч весь теплоноситель через открытую задвижку вида «баттерфляй» первого контура проходит в обратный трубопровод. Температуры подающего и «обратного» теплоносителей выравниваются. Контур, управляющий газовой горелкой, останавливает подачу газа, и котёл затухает.

Через 20–30 минут котёл необходимо запускать, так как клапаны 2 (рис. 1) начинают открываться, и цикл повторяется. Таким образом, система работает в автоколебательном режиме.

Самый простой и часто применяемый выход из данной ситуации — это перевод клапанов 2 (рис. 1) в ручной режим и их открытие на 50 % хода штока, то есть обеспечение отдачи тепла в окружающую среду и обеспечение расхода для сетевых насосов. Для нормальной работы котла необходимы минимальный сброс тепла и расход теплоносителя. Таким образом работает большинство систем: обеспечивается сброс тепла и минимально возможный расход теплоносителя для сетевых насосов, и котёл не затухает. В данном случае минимальный расход теплоносителя составляет 12 м³/ч. Поэтому и оплата за газ в данном случае больше, чем оплата по теплосчётчику.

Выводы

Из всего вышесказанного можно сделать несколько выводов:

1. Для расчёта котельных необходимо применять следующий температурный график — 150/90/70 °C с 20 %-м запасом по расходу теплоносителя. При использовании такого температурного графика мощности котельной будет достаточно для обогрева только одного здания, а не квартала.

2. При проектировании котельных следует рассчитывать минимальный расход теплоносителя, на котором может работать котельная, а в документации представлять работу систем в передаточных функциях для упрощения пусконаладочных работ.

3. Настройкой контуров невозможно добиться нормальной работы котельной при 5 %-м расходе теплоносителя от проектного.

4. Для регулирования нежелательно применять исполнительные механизмы с нелинейной характеристикой (например, задвижку типа «баттерфляй»).