Řízení plynových kotelen s nízkoteplotními kotli

Úvod

V současné době se při projektování teplovodních plynových kotelen o tepelných výkonech v rozsahu 100 až 400 kW nejčastěji navrhují nízkoteplotní kotle. Jsou to kotle převážně litinové článkové s atmosférickými hořáky s předsměšováním plynu se spalovacím vzduchem. Hořáky této konstrukce umožňují měnit výkon kotle spojitě od 100 do 50 %. Do kotlů může vstupovat zpětná oběhová voda o teplotě až 40 °C, aniž by na teplosměnné ploše vznikala tzv. nízkoteplotní koroze vlivem kondenzace vlhkosti ze spalin zemního plynu.

Příspěvek se týká řešení řízení kotelen, které pracují jednak do vytápěcích soustav s konstantním odporem, jednak do vytápěcích soustav s proměnným odporem. Rovněž je zahrnuta varianta se zásobníkovým ohřevem vody.

Všeobecné poznámky

Zkoumány budou kotelny se 2 nízkoteplotními kotli se spojitě řízenými tepelnými výkony v rozsahu 100 až 50 %. Řízení tepelného výkonu kotelny, resp. tohoto typu kotlů, může být potom přímé pomocí ekvitermického regulátoru, který bývá součástí kotle. Přímým ekvitermickým řízením se rozumí řízení bez regulačních armatur, kdy je tepelný výkon kotle řízen dle teploty výstupní vody z kotle v závislosti na venkovní teplotě. Tuto závislost v grafické formě známe pod názvem topné křivky.

Jmenovitý (výpočtový) stav je samozřejmě dán při běhu obou kotlů za plného výkonu. Běh kotlů, tj. jejich postupné (kaskádové) spouštění a řízení tepelného výkonu, zajišťuje řídicí systém již popsaným přímým ekvitermickým způsobem. S ohledem na snížení tepelných ztrát z povrchu kotle do kotelny je nutné, aby vypnutý kotel byl odstaven od soustavy uzavřením jedné armatury na úseku kotle. Na spalinovém hrdle kotle má být osazena spalinová klapka s elektropohonem, která při klidu kotle zamezí vychlazování jeho vnitřku nežádoucím prouděním vzduchu.

Ukážeme, že pro kotelny s daným typem kotlů je výhodnější, když řízenou teplotou bude namísto teploty výstupní vody z kotle vstupní voda do kotle, případně střední hodnota z obou teplot vody. Prozkoumáme změny průtoků v kotlích a ve vlastní soustavě během provozu a zjistíme, která varianta přímého ekvitermického řízení nejlépe vyhoví odběru tepla ve vytápěcí soustavě. Budeme pracovat s pojmy jako je charakteristika oběhového čerpadla a charakteristika potrubní sítě soustavy. Obě jsou závislostmi tlakového rozdílu nebo tlakové ztráty na objemovém průtoku.

Vytápěcí soustavy s konstantním odporem

V těchto vytápěcích soustavách má odběrová část soustavy konstantní odpor, takže průtok není odběrovou částí ovlivňován. V odběrové části totiž nejsou regulační armatury pracující na principu škrcení průtoku. Jsou to např. dvou i trojcestné regulační ventily s elektropohony, termostatické radiátorové ventily a škrticí regulátory tlakového rozdílu. Průtok v těchto soustavách se bude měnit pouze při připojení nebo odpojení jednoho z kotlů. Uvedené soustavy mohou být vybaveny buď společným čerpadlem nebo čerpadly kotlovými.

Vytápěcí soustavy se společným čerpadlem

Tyto soustavy (obr. 1) se vyznačují jedním čerpadlem a dvěma uzavíracími armaturami s elektropohony na kotlových úsecích, které se otevírají a uzavírají při spouštění a odstavování kotle řídicím systémem. Změny průtoků soustavou při spouštění a odstavování kotlů zjistíme graficky pomocí charakteristiky oběhového čerpadla (křivka procházející body HECK), charakteristiky potrubní sítě samotné soustavy (křivka procházející body OB), charakteristiky úseku 2 kotlů (křivka procházející body OC) a charakteristiky úseku 1 kotle (křivka procházející body OED). Při výpočtovém průtoku (V_n) je v rovnováze tlakový rozdíl oběhového čerpadla (pořadnice AC) se součtem tlakových ztrát soustavy (pořadnice AB) a paralelních úseků obou kotlů (pořadnice BC). Provozní bod (C) je dán průsečíkem charakteristik oběhového čerpadla a součtové charakteristiky soustavy a 2 kotlů (křivka procházející body OB).

Když bude jeden z kotlů odstaven, bude muset projít jedním kotlem dvakrát větší průtok oproti průtoku úsekem se dvěma kotli. Tím se zvětší tlaková ztráta úseku druhého kotle na čtyřnásobek hodnoty tlakové ztráty při totožném průtoku, neboť tlaková ztráta se mění s druhou mocninou průtoku. Takže pořadnice BD = 4 BC. Nový provozní bod (E), daný průsečíkem charakteristik oběhového čerpadla a výsledné charakteristiky soustavy a 1 kotle (křivka procházející body OED), vytyčuje nový snížený průtok V₁.

Obr. 1 - Vytápěcí soustava se společným čerpadlem

Když pomocí uvedených charakteristik posoudíme situace, kdy tlaková ztráta soustavy zásadně převládá nad tlakovou ztrátou úseku kotlů, zjistíme, že průtok V₁ při běhu 1 kotle klesne poměrně málo (např. na 90 %) vzhledem k výpočtovému průtoku při běhu 2 kotlů. Naopak, když tlaková ztráta soustavy klesá k nule, klesne průtok při běhu 1 kotle téměř na 50 % výpočtového průtoku.

Z uvedeného vyplývá, že při provozu soustavy nastávají dva průtoky. Jeden výpočtový V_n při běhu obou kotlů a druhý V₁ snížený při běhu jednoho kotle v rozsahu 50 až 90 % průtoku výpočtového. V dalším postupu budeme pro zjednodušení předpokládat, že V₁ = 0,5 . V_n. Jak se projeví snížení průtoku na dodávaném tepelném výkonu? Pokud je dodáván určitý výkon s menším průtokem, zvětší se rozdíl teplot přívodní a zpětné vody.

Topné křivky (obr. 2) zadané řídicímu systému musí být upraveny tak, aby výpočtové topné křivky (bez změny průtoku) byly převedeny do nového tvaru. Když při potřebě polovičního a menšího výkonu kotelny (poměrný tepelný výkon q = 0,5) bude odpojen 1 kotel, což se děje při vnější teplotě t_em, nastane snížení průtoku V₁ a následné zvětšení rozdílu teplot podle vztahu

T_u = T . V_n / V₁

Obr. 2 - Obraz teplot ve vytápěcí soustavě s konstantními odpory

kde:

Tu	- je upravený rozdíl teplot = T1u - T2u	(K)
T	- normální rozdíl teplot = T1 - T2	(K)
T1u	- teplota přívodní vody daná upravenou topnou křivkou	(°C)
T2u	- teplota zpětné vody daná upravenou topnou křivkou	(°C)
T1	- teplota přívodní vody daná normální topnou křivkou	(°C)
T2	- teplota zpětné vody daná normální topnou křivkou	(°C)
Vn	- výpočtový průtok (při běhu 2 kotlů)	(m3.h-1)
V1	- snížený průtok (při běhu 1 kotle)	(m3.h-1).

Další veličiny, používané v této části, představují:

q	- poměrný tepelný výkon = Q / Qn	(-)
Q	- okamžitý tepelný výkon	(kW)
Qn	- výpočtový tepelný výkon	(kW)
Ts	- střední teplotu oběhové vody = 0,5. (T1 - T2)	(°C)
ten	- výpočtovou vnější teplotu	(°C)
tem	- vnější teplotu při polovičním poměrném výkonu	(°C)
tin	- výpočtovou vnitřní teplotu	(°C).

Normální přívodní topná křivka (procházející body ABO) musí přejít v místě q = 0,5 na upravenou křivku (procházející body CO). Podobně normální zpětná topná křivka (procházející body DEO) musí přejít v místě q = 0,5 na upravenou křivku (procházející body FO).

Odběrná část vytápěcí soustavy má dostávat tepelný výkon daný výpočtovým průtokem a normálním rozdílem teplot daným teplotami přívodní a zpětné vody podle normální křivky. Vlivem snížení průtoku při běhu 1 kotle se zvýší rozdíl teplot. Aby kvalita tepelného výkonu pro otopná tělesa zůstala zachována, musí být zachována střední teplota oběhové vody. Znamená to, že řízení tepelného výkonu kotelny musí být v celém rozsahu prováděno podle střední teploty oběhové vody T_s. Kromě vnější teploty musí být snímány i teploty přívodní a zpětné vody, ze kterých řídicí systém stanoví hodnotu T_s.

Řízení podle teploty přívodní vody při provozu 1 kotle by vedlo k nedotápění, protože by byla nízká střední teplota oběhové vody. Naopak řízení podle teploty zpětné vody by vedlo k přetápění. V řídicím systému je potřeba zajistit jistou necitlivost po zapnutí nebo vypnutí kotlů. Zapnutím druhého kotle se totiž rychle zvýší teplota přívodní vody, což by mohlo vést k odstavení kotle.

Vytápěcí soustavy s kotlovými čerpadly

Tyto soustavy (obr. 3) se vyznačují tím, že na každém kotlovém úseku je oběhové čerpadlo (kotlové čerpadlo) a zpětná armatura. Při startování kotlů řídicím systémem se zapínají i příslušná oběhová čerpadla. Změny průtoků soustavou při spouštění a odstavování kotlů zjistíme opět graficky pomocí redukované charakteristiky oběhového čerpadla (křivka procházející body HUL). Tu získáme jako rozdíl charakteristiky oběhového čerpadla (křivka procházející body HTRQ) a charakteristiky celého úseku kotle (křivka procházející body OZR). Jeden bod redukované charakteristiky získáme tak, že od pořadnice TS odečteme pořadnici ZS.

Obr. 3 - Vytápěcí soustava s kotlovými čerpadly

Pokud redukované charakteristiky pro paralelně zapojená oběhová čerpadla zakreslíme do dalšího diagramu s charakteristikou soustavy (obr. 3), získáme dva provozní body. Jednak provozní bod (C) při výpočtovém průtoku při běhu obou kotlů V_n, jednak provozní bod (E) při sníženém průtoku při běhu 1 kotle V₁. Přitom víme, že charakteristiky pro paralelně zapojená oběhová čerpadla získáme součtem průtoků jednoho čerpadla při konstantním tlakovém rozdílu. Např. nový bod (P) charakteristiky získáme ze vztahu pořadnic PM = 2 . MN.

Opět lze z diagramů vyvodit, že při provozu soustavy nastávají dva průtoky. Jeden výpočtový při běhu obou kotlů V_n a druhý snížený při běhu jednoho kotle V₁ v rozsahu 50 až 90 % průtoku výpočtového. Je zajímavé, že rozsah sníženého průtoku je totožný s rozsahem, který náleží vytápěcí soustavě se společným čerpadlem.

Vytápěcí soustavy s proměnným odporem

V těchto vytápěcích soustavách se průtok mění vlivem chování odběrové části soustavy, protože v odběrové části jsou osazeny regulační armatury pracující na principu škrcení průtoku. Větší snižování průtoků u kotlů s minimální tepelnou kapacitou, blížících se kotlům průtočným, je většinou nežádoucí. Důvodem je možnost přehřívání kotle v jeho horní části, což vede k velmi častému vypínání kotle. Dalším důvodem je velké ohřátí vody v kotli (velký rozdíl teplot vstupní a výstupní vody), které vede ke značnému mechanickému pnutí v materiálu kotle.

Pokud výrobce kotle předepíše zajištění jistého minimálního průtoku do kotle, musíme tento průtok zajistit přepouštěním části přívodní vody do vody zpětné. K tomu jsou určeny vyrovnávací spojky ve tvaru svislé trubky mezi přívodním a zpětným potrubím nebo ve tvaru propojení rozdělovače se sběračem. U kotlů malých výkonů zastupuje funkci vyrovnávací spojky případně i čtyřcestný směšovač.

Kotlům s velkým vodním obsahem většinou nebývá předepisováno zajištění minimálního průtoku do kotle. Potom lze použít zapojení a řízení shodné s vytápěcími soustavami s konstantním odporem.

Vytápěcí soustavy s vyrovnávací spojkou

Obr. 4 - Vytápěcí soustava s vyrovnávací spojkou

Soustavy s vyrovnávací spojkou (obr. 4) se vyznačují tím, že spojka rozděluje soustavu na kotlový a na tělesový okruh. Oba okruhy jsou vybaveny oběhovými čerpadly. Spojka zajišťuje stabilizaci průtoku v kotlovém okruhu, na který pak nepůsobí změny průtoku v tělesovém okruhu při činnosti regulačních armatur. Kotlový okruh může být samozřejmě vybaven kotlovými čerpadly nebo společným čerpadlem. V obou okruzích musí být pro výpočtový stav zajištěny potřebné shodné průtoky. Na hrdlech vyrovnávací spojky mají být osazeny 4 teploměry, které slouží pro seřízení průtoků v okruzích škrcením na některé armatuře.

Shoda obou průtoků se projeví shodou teploty oběhové vody na 2 teploměrech na přívodu (např. 90 °C) a současně na 2 teploměrech na zpátečce (např. 70 °C). Pokud jsou průtoky v kotlovém a v tělesovém okruhu shodné, nedochází ve spojce k výměně vody mezi přívodem a zpátečkou a tím ke změnám teploty vody vystupující ze spojky. Když přechází spojkou přívodní voda do vody zpětné, jedná se o přepouštění s přihříváním zpětné vody kotlového okruhu. Když přechází spojkou zpětná voda do vody přívodní, jedná se o směšování s ochlazováním přívodní vody tělesového okruhu.

Pokud zvolíme způsob řízení tepelného výkonu kotelny podle teploty zpětné vody v kotlovém okruhu (obr. 5), pracujeme při neomezovaném průtoku v tělesovém okruhu s normální zpětnou topnou křivku (prochází body DO). Normální přívodní topná křivka (procházející body ABO) se však v oblasti běhu 1 kotle sama upraví směšováním z důvodů změny průtoku v kotlovém okruhu, které byly již uvedeny, na tvar posunutých křivek (procházejí body ABCO).

Obr. 5 - Obraz teplot na vyrovnávací spojce

Další veličiny, používané v této části, představují:

T1	- teplotu vody vstupující z kotlového okruhu do spojky	(°C)
T2	- teplotu vody vystupující ze spojky do kotlového okruhu	(°C)
t1	- teplotu vody vstupující z tělesového okruhu do spojky	(°C)
t2	- teplotu vody vystupující ze spojky do tělesového okruhu	(°C)
Vkn	- výpočtový průtok kotlovým okruhem (při běhu 2 kotlů)	(m3.h-1)
Vk1	- snížený průtok kotlovým okruhem (při běhu 1 kotle)	(m3.h-1)
Vtn	- výpočtový průtok tělesovým okruhem = Vkn	(m3.h-1)
Vt	- okamžitý průtok tělesovým okruhem	(m3.h-1)

Pokud není omezován průtok v tělesovém okruhu, jsou v něm zachovány normální topné křivky také při běhu 1 kotle, protože dojde ke směšování na vyrovnávací spojce. Průtok v kotlovém okruhu (V_k1) je totiž menší než v okruhu tělesovém (V_tn). Když průtok v tělesovém okruhu bude snížen zásahem regulačních armatur, dojde na vyrovnávací spojce k přepouštění, protože průtok v tělesovém okruhu V_tn bude menší než V_kn nebo V_k1.

Soustava ohřevu vody
Tato soustava ohřevu vody (SOV) (obr. 6) je napojena na levou stranu kotlů. Sestává ze dvou okruhů. Z ohřívacího a ze zásobníkového. V ohřívacím okruhu je ohřívač tvořen deskovým výměníkem tepla (DVT) a oběhovým čerpadlem. V zásobníkovém okruhu je zásobník (ZÁS) a další oběhové čerpadlo. Zdá se, že oběhové čerpadlo ohřívacího okruhu je nadbytečné, že oběh může zajistit čerpadlo kotle K1. To je ale dimenzováno na nízký tlakový rozdíl samotného kotle, takže by neumožňovalo překonávat vyšší tlakové ztráty deskového výměníku.

Obr. 6 - Soustava ohřevu vody

I když se má obecně dávat přednost ohřevu vody průtočným způsobem, musíme pamatovat na to, že v řadě případů časový nesoulad mezi dodávkou a odběrem tepla při ohřevu vody vyvolává nutnost použít zásobník teplé vody. K tomu přispívá i do jisté míry omezovaný výkon kotle pro zajištění ohřevu vody při jejích špičkových odběrech a omezení rozsahu spojitě řízeného výkonu.

Kotel K1 je preferenčně vyčleňován pro ohřev vody. Preferencí se rozumí okamžité vybavení tepelného výkonu kotle pro ohřev vody i v případě způsobení nedostatku výkonu pro vytápění. Vyčleňování se děje trojcestnou rozdělovací armaturou s elektrickým pohonem napojenou na řídicí systém. Armatura rozděluje výkon kotle buď pro vytápění nebo pro ohřev vody.

Velikost objemu zásobníku teplé vody se stanoví z časových průběhů dodávky tepla na ohřev a odběru tepla v teplé vodě. Velikost zásobníku by měla být taková, aby umožnila chod vyčleněného kotle alespoň po dobu 0,2 h, a to v době bez odběru teplé vody. Obecně platí, že při častějším spínání kotlů se snižuje jejich účinnost a také se zvyšují hodnoty emisí CO a NO_x oproti hodnotám, které jsou dosahovány při ustáleném chodu kotlů.

Dodávka tepla pro ohřev vody se děje většinou za konstatního výkonu kotle, s konstantním průtokem ohřívací vody a s nízkou konstantní teplotou přívodní ohřívací vody, která bývá max. 65 °C. Důvodem je ochrana deskového výměníku před vznikem tvrdých úsad na teplosměnné ploše výměníku na straně teplé vody.

Princip řízení ohřevu vody
Pokud teplota vody v zásobníku snímaná snímačem (T_d) klesne např. na hodnotu 45 °C, zajistí řídicí systém spuštění kotle K1 s předepsaným výkonem a s předepsanou teplotou výstupní vody, přestavění trojcestné rozdělovací armatury do směru ohřevu vody a spuštění oběhových čerpadel v ohřívacím i zásobníkovém okruhu. Když se celý zásobník doplní teplou vodou, začne do ohřívače vstupovat voda ze zásobníku o vyšší teplotě a na výstupu z ohřívače stoupne teplota vody. To zaznamená snímač (T_d), který celý ohřev zastaví. Zařízení je připraveno k dalšímu ohřívacímu cyklu.