+7 (812) 309 18 21
 +7 (495) 103 43 43

Каскад конденсационных котлов

Каскадные схемы котельных в том или ином виде существуют на протяжении фактически всей истории существования данной техники, в независимости от вида топлива и сферы применения. Обычно необходимость применения таких решений была связана с ограничением мощности отдельного котлового агрегата либо диапазона допустимых для него режимов работы. Однако с развитием технологий применяемых как в тепломеханической части конструкции котлов, так и в сфере автоматизации, использование каскадных решений все чаще становится не вынужденной мерой, а наиболее технически и экономически целесообразным выбором.

В данной статье мы рассмотрим основные преимущества применения каскадов на базе конденсационных котлов, различные тепломеханические схемы и вопросы автоматизации таких котельных.

Мы не будем акцентировать внимания на преимуществах отдельного конденсационного котла перед неконденсационным (традиционным). Как то значительно больший КПД и отказоустойчивость. Однако отметим выгоды применения таких котлов именно в каскаде.
 

Основные преимущества применения каскадов котлов

Большая часть перечисляемых ниже преимуществ может быть отнесена не только к конденсационным котлам, но мы будем отдельно обращать внимание на то, чем конкретно выделяется данный вид техники в рамках соответствующей темы.

Увеличение общего диапазона модуляции мощности

Как было отмечено выше, главная причина для установки нескольких котлов в каскад - увеличение максимальной мощности котельной при ограничении на производительность отдельного агрегата. С данной точки зрения любые котлы находятся, можно сказать, в равном положении.

В тоже время не стоит забывать о том, что к современным системам теплоснабжения предъявляются повышенные требования с точки зрения энергоэффективности. И одним из основных принципов в обеспечении данного принципа является обеспечение текущей мощности генераторов тепла равной потребности системы, не большей и не меньшей. Соответственно, нижняя граница модуляции производительности котельной так же играет важную роль. Применение каскада помогает значительно уменьшить данную границу. Стоит так же помнить о том, что для средних широт большую часть года потребность в тепле составляет не более 30-40 % от максимальной.

При использовании в каскаде одинаковых теплогенераторов нижняя граница мощности определяется просто делением минимальной производительности отдельного котла на их количество. И здесь легко увидеть, в насколько выгодном свете выступают конденсационные котлы. Минимальная модуляция для наиболее современных котлов настенного исполнения составляет примерно 15 %. Соответственно, применяя, например, четыре таких котла мы получаем общий диапазон бесступенчатой модуляции 4-100 %. Причем, в отличие от традиционных котлов, КПД конденсационных только растет со снижением модуляции.
 

Обеспечение высокого уровня отказоустойчивости котельной

Достаточно очевидное преимущество. Чем большее количество котлов в каскаде используется, там меньше падение общей мощности при выходе из строя и обслуживании отдельного теплогенератора.
 

Удобство монтажа и обслуживания оборудования

В независимости от общей мощности котельной, часто мы сталкиваемся с ограничениями по доступному пространству как при проектировании, так и при монтаже. 
 

Каскад газовых котлов С точки зрения проектировщика использование каскада из нескольких котлов позволяет более гибко использовать доступные площади, особенно это заметно при применении настенных котлов. Для большинства серий промышленных настенных котлов существуют готовые гидравлические решения по организации каскадов.
Напольный каскад котлов Наиболее современные напольные конденсационные котлы так же предусматривают возможность компактной установки и удобной гидравлической обвязки.

Удобство для монтирующих и обслуживающих организаций заключается в легкости доставки отдельного котла к месту непосредственного монтажа на любом этапе. Особенно это актуально для крышных котельных, где в случае необходимости замены теплогенератора (хоть и крайне маловероятном), его легкость и компактность может сыграть критическую роль. В данном контексте так же не стоит забывать о предыдущем пункте данного раздела.
 

Возможность последовательного увеличения мощности котельной

Все чаще применяемая в последнее время возможность, позволяющая распределить инвестиции на различные этапы строительства.

Каскадные решения позволяют последовательно добавлять мощности в существующую систему. Естественно, что гидравлическая часть должна предусматривать возможность такого расширения.
 

Статья: Каскадные решения напольных котлов HL

 

Гидравлические схемы

Гидравлических схем по обвязке каскадных котельных существует огромное множество. Мы рассмотрим основные, которые применяются при работе с конденсационными котлами. Общим требованием к таким схемам является возможность независимой с точки зрения гидравлики работы отдельных теплогенераторов. Это требование в первую очередь означает обязательное наличие отдельного циркуляционного насоса для каждого котла. В наиболее современных настенных котлах промышленных серий данный насос является встроенным. Для того, чтобы величина циркуляции через отдельный котел не зависела как от других котлов, так и от работы систем потребителей, обычно применяются гидравлические разделители, которые известны так же под названием “гидравлические стрелки”. Однако возможны так же и другие способы решения данной задачи.

Равнозначные котлы с гидравлическим разделителем

Схема настенных котлов в каскаде

Наиболее распространенный вариант. Котлы гидравлически равнозначны, независимость обеспечена за счет применения гидравлической стрелки.

Количество котлов, естественно, может быть любым экономически целесообразным. Правильная автоматизация позволяет обеспечить равномерную выработку ресурса котлов на протяжении всего срока службы.  

Каскад котлов Каскад котлов Каскад котлов HORTEK Каскад газовых котлов
 

Существует, однако, ситуация, когда такая схема не является оптимальной при использовании конденсационных котлов. А именно в случае, если потребность системы в мощности на приготовление ГВС может быть обеспечена небольшой частью котлов из всего каскада: одним или двумя. Для наиболее эффективной работы конденсационных котлов желателен низкотемпературный график работы системы потребителей (с температурой обратной воды ниже точки росы), в то же время для быстрого нагрева питьевой воды до требуемых значений требуется высокая температура котловой воды. Для того чтобы не выводить весь каскад из конденсационного режима на время приготовления ГВС, можно использовать следующую схему.
 

Схема с гидравлическим разделителем и отдельным котлом на нужды ГВС

схема настенных котлов в каскаде с бойлером

В данном случае реализована возможность вывода отдельного котла из каскада для разогрева его до высокой температуры и приготовления горячей питьевой воды. Общее КПД установки в таком случае повышается. Среднегодовой рост эффективности выше для систем с низкотемпературными потребителями.

Недостатком такой схемы, в то же время, является большая выработка ресурса котлом или котлами, выделенными на цели обеспечения ГВС.
 

Схема с магистральным коллектором для обеспечения гидравлической независимости

Схема напольных котлов в каскаде

Для иллюстрации того, что гидравлический разделитель не является обязательным компонентом схемы приведем вариант схемы выше.

В данном случае для обеспечения независимости котлов применяется замыкающий участок на распределительном коллекторе, обеспечивающий постоянную циркуляцию теплоносителя через любой теплогенератор. Такая схема может быть удобна в случае использования крышной котельной и расположения распределительных систем для контуров потребителей в подвале, так как позволяет сэкономить пространство, отказавшись от гидравлической стрелки.

Но при этом, проектирование данного решения требует обратить отдельное внимание на подбор котловых насосов, так как они должны обеспечивать так же потери напора на магистральном трубопроводе. По этой же причине такая схема применяется только с напольными конденсационными котлами. В современных настенных котлах насос встроен и диапазон его производительности точно подобран для обеспечения эффективной работы конкретно котла.
 

Автоматизация каскадных котельных

Роль средств автоматизации невозможно переоценить в вопросе удобства организации каскадных котельных, их надежности и эффективности.

Именно автоматика отвечает за то, чтобы “выжать” максимальную эффективность от котлов, работающих в каскаде, обеспечив при этом отзывчивость теплогенераторов на сигналы от потребителей.

В современные конденсационные котлы промышленных серий каскадная логика включается в базовую автоматику и оптимизируется для конкретного оборудования.

Основные функции автоматики каскадной котельной:

  • Сбор требований от потребителей на выработку тепла и определение приоритетов (ГВС, отопление, вентиляция и т.д.)

  • Определение оптимального режима работы каждого отдельного котла для обеспечения требуемой мощности.

  • Обеспечение равномерной выработки ресурса котлов (за редким исключением, рассмотренным выше).

  • Отслеживание аварий на котлах и сигнализация о них.
     

Если говорить об особенности работы автоматики именно с каскадом конденсационных котлов, то она заключается в стратегии включения и вывода котлов из текущей работы. Принципиально выделяют три таких стратегии:

  1. Позже включить, раньше выключить.
    В таком режиме работы дополнительные котлы добавляются в работу как можно позже с ростом потребности в тепле, то есть уже включенные котлы работают на максимальной мощности. При снижении потребности в мощности котлы выводятся из каскада как можно раньше. Данная стратегия обеспечивает наименьшее количество одновременно работающих котлов, их работу на максимальной мощности и наименьшее время работы дополнительных котлов.

    Стандарт для неконденсационных котлов. Связано это с тем, что для неконденсационных котлов наблюдается некоторое снижение КПД при работе на сниженной модуляции.
     

  2. Позже включить, позже выключить.
    Включение дополнительных котлов так же как можно позже, но и выключение как можно позже. Применяется в случае необходимости обеспечения минимального количества операций включения горелок котлов.
     

  3. Раньше включить, позже выключить.
    Включение дополнительных котлов как можно раньше с ростом потребности в тепле и выключение как можно позже с ее снижением.

Именно такая стратегия управления используется с современными конденсационными котлами. При этом каждый отдельных котел работает на минимальной модуляции, обеспечивающей потребность в тепле. Количество работающих котлов максимально. В итоге мы получаем максимальный КПД каскадной установки при наиболее равномерной выработке ресурса котлов.