Некоторые ошибки при разработке тепломеханической части автономных источников теплоты

П. А. Хаванов, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой теплотехники и котельных установок МГСУ, ведущий специалист компании «Селект»;

К. П. Барынин, главный инженер компании «Селект»

Надежность эксплуатации и функциональное соответствие автономного источника теплоты (АИТ) всему комплексу тепловых нагрузок преимущественно определяется техническим уровнем разработки и обоснованности принятых решений по принципиальной тепловой схеме.

Теплогидравлическая схема автономного источника теплоты представляет сложный комплекс функционального взаимосвязанного оборудования, согласующего режим выработки теплоты теплогенераторами и режимы потребления теплоты с учетом особенностей исходных условий: вид используемого топлива, тип и число теплогенераторов, качество исходной воды, конструктивное исполнение систем отопления (центральной, напольной и др.), условия потребления воды на цели горячего водоснабжения, режим работы систем вентиляции и др.

Технические решения требуют тщательного обоснования выбора теплогидравлической схемы, анализа режимов работы, обеспечения надежности функционирования и защиты оборудования от нерасчетных и недопустимых условий эксплуатации.

Целью данной публикации является рассмотрение отдельных конкретных ошибок в технических решениях принципиальных тепловых схем АИТ с комментариями и рекомендациями для разработчиков систем теплоснабжения малой мощности.

Основная масса ошибок при проектировании обусловлена простым переносом устаревших технических решений простейших тепловых схем АИТ для одно-, двухфункциональных систем потребления теплоты на современные, сложные системы теплоснабжения, включающие в себя несколько потребителей систем отопления, обогрева «теплых» полов, горячего водоснабжения, приточной вентиляции, подогрева воды в бассейнах, обогрева зимних садов и др.

1. В первую очередь следует отметить, что в проектах АИТ достаточно часто подбор числа и мощности устанавливаемого оборудования осуществляется только по максимально зимнему режиму, для температуры холодной пятидневки, т. е. по максимальной мощности без расчета основных режимов работы:

- для средней температуры холодного месяца;

- для средней температуры отопительного периода.

Достаточно часто не осуществляется расчетная оценка «летнего» режима работы.

Встречаются технические решения без необходимого расчетного обоснования эксплуатационных режимов и количества устанавливаемого оборудования. Например, с установкой только одного котла, подобранного по максимальной мощности, который на частичных нагрузках работает в режимах позиционного регулирования «включено-выключено» со значительной амплитудой колебания температуры теплоносителя и невыгодными режимами эксплуатации оборудования, что снижает эффективность использования топлива и сокращает срок службы оборудования.

2. Использование современных эффективных форсированных котлов с высокой степенью интенсификации процессов сжигания топлива и теплообмена в поверхностях нагрева наиболее остро ставит следующие требования:

- обеспечение постоянства расхода теплоносителя через котел (в соответствии с требованиями изготовителя котла);

- недопустимость снижения температуры теплоносителя на входе в котел «обратной» воды ниже уровня, исключающего низкотемпературную коррозию (для неконденсационных котлов).

Опыт эксплуатации местных систем отопления с применением термостатических клапанов на отопительных приборах показывает, что даже при использовании «погодозависимого» регулирования (не говоря уже о «термостатическом» регулировании) отпуска теплоты работа системы отопления характеризуется значительными колебаниями расхода теплоносителя. Часовая и суточная неравномерность потребления теплоты на цели горячего водоснабжения и периодичность работы ряда систем (подогрев воды в бассейне, «теплые» полы и др.) еще более увеличивают колебания расхода и температуры теплоносителя в системе теплоснабжения.

Рисунок 1. (подробнее) Традиционно используемая тепловая схема

Применение простейших тепловых схем (рис. 1) будет непосредственно переносить процесс изменения расхода теплоносителя в местных системах на расход теплоносителя через котлы. В тепловой схеме (рис. 1) нет принципиальной возможности воздействовать на температуру обратного теплоносителя и обеспечить защиту котла от «холодной» обратной воды. По этим причинам применение тепловых схем АИТ с отсутствием циркуляционных насосов котлов является нерациональным.

3. Значительная группа ошибок обусловлена переносом принципов качественного регулирования отпуска теплоты отопительно-вентиляционных нагрузок на системы теплоснабжения с элементами количественного регулирования в местных системах отопления, и особенно при приоритете отпуска теплоты на горячее водоснабжение в традиционно используемых схемах (например, рис. 1), что приводит к существенным колебаниям расхода теплоносителя через котел, как отмечалось ранее.

Поэтому необходимо управление работой тепловой схемы организовать таким образом, чтобы даже при существенных изменениях отпуска теплоты (максимумы потребления горячей воды, случаи массового срабатывания, например закрытия термостатических клапанов, отбор теплоты на подогрев воды в бассейне и др.) при использовании «термостатического» регулирования по температуре воды t₁ в подающем трубопроводе котлов переменным параметром должен быть не расход воды через котел, а температура обратной воды t₂.

Это обеспечит соответствующее отбираемой мощности значение перепада температур в источнике теплоты D_t = t₁ – t₂ = f(Q_к), вплоть до повышения температуры воды в обратной магистрали, при отсутствии потребления теплоты до значений t₂, близких, или даже равных, значению t₁.

Указанное в полной мере относится и к режимам работы источника при «погодозависимом» регулировании. Вместе с тем, для АИТ, учитывая наличие нагрузки горячего водоснабжения, «термостатическое» регулирование при двух сезонных режимах, например в теплый период t₁ = 70 °С, а в холодный период t₁ = 95 °С, является более рациональным при условии обеспечения постоянства расхода теплоносителя через котел и защиты его от «холодной» обратной воды.

4. Поднять температуру обратной воды и обеспечить требуемый расход теплоносителя через котел можно путем установки рециркуляционного насоса НРЦ (рис. 2), однако в этом случае подающий коллектор и подающий трубопровод А—В оказываются участками наименьшего гидростатического давления в системе. Это необходимо учитывать при организации подпитки (по гидростатическому давлению на участке А—В) и подборе насосов местных систем (НМ) и рециркуляционного насоса (НРЦ) (рис. 2).

Рисунок 2. (подробнее) Тепловая схема с рециркуляционным насосом

5. Для защиты котла от нерасчетных режимов работы может применяться установка циркуляционного насоса котла (НЦ) в подающем (рис. 3а) или обратном трубопроводе системы (рис. 3б) с организацией рециркуляционной линии, например линия А—В (рис. 3а), или, если это допускает конструкция местных систем, с устройством замыкающего участка малого перепада давления, например «гидравлический регулятор» (ГР) (рис. 3б).

При прочих равных условиях установку циркуляционного насоса в подающем трубопроводе за котлом (рис. 3а) следует считать нерациональной, поскольку он оказывается в зоне максимальных температур теплоносителя, что ухудшает условия эксплуатации насоса и увеличивает угрозу возникновения кавитации в нем (особенно при максимальных нагрузках), по сравнению с установкой циркуляционного насоса в обратной линии. Поэтому установка циркуляционного насоса в подающей линии необходима только тогда, когда имеют место большие потери давления в разводящих (внешних) трубопроводах и узлах местных систем (при зависимом гидравлическом подключении), при этом установка циркуляционного насоса в обратной линии потребует высокого давления на входе в котел, значение которого может превысить рабочее давление котла.

Рисунок 3. (подробнее) Тепловая схема с циркуляционным насосом: а) в подающем трубопроводе с организацией рециркуляционной линии (А—В); б) в обратном трубопроводе с устройством замыкающего участка малого перепада давления (гидравлический регулятор)

При зависимом (гидравлически) подключении местных систем (рис. 3а) для стабилизации расхода воды через котел в различных режимах работы потребуется монтировать замыкающий участок А—В с установкой балансировочного крана С.

6. При использовании в качестве местных источников теплоты двухконтурных котлов со встроенными теплообменниками системы горячего водоснабжения и установленным в котле циркуляционным насосом системы отопления (практически все двухконтурные проточные настенные термоблоки) достаточно часто подбор котлов производится по отопительной нагрузке.

Это может быть ошибкой, т. к. проточные двухконтурные настенные котлы всех без исключения производителей этого оборудования конструируются и работают с приоритетом нагрузки горячего водоснабжения. Основной областью их применения являются многоквартирные жилые здания, в которых расчетная отопительная нагрузка составляет в среднем 5—6 кВт, а пиковая нагрузка горячего водоснабжения — около 20—25 кВт. Устанавливаемый в двухконтурных котлах циркуляционный насос не предназначен для использования в системах отопления с теплопотреблением, соответствующим полной мощности котла, и не может обеспечить необходимую подачу и напор в протяженной и разветвленной системе отопления, поэтому котел не выходит на полную мощность, отключаясь по перегреву теплоносителя. Исключить отмеченное обстоятельство при использовании одного или нескольких двухфункциональных котлов позволит применение коллекторов малого перепада давления («гидравлический регулятор», короткозамкнутый коллектор) с использованием циркуляционных насосов местных систем, например схема (рис. 4).

Рисунок 4. (подробнее) Тепловая схема с применением коллекторов малого перепада давления с использованием циркуляционных насосов местных систем

7. Достаточно часто для защиты системы отопления и источника теплоты от «размораживания» рекомендуется использовать «незамерзающие» теплоносители, причем считается, что переход может быть осуществлен простой заменой воды на содержащие моноэтиленгликоль (пропиленгликоль) водные смеси.

Однако это является в большинстве случаев недопустимым, т. к. физические свойства «незамерзающих» жидкостей по теплопроводности, вязкости, плотности и теплоемкости отличаются от воды, в системе и котле потребуются большие расходы теплоносителя и циркуляционные напоры насосов. В ряде случаев, например при использовании проточных котлов, применение водогликолевых смесей вообще не допустимо (более подробно анализ условий применения «незамерзающих теплоносителей» см. в журнале «АВОК», 2003, № 7). 

Тел. (095) 120-90-07