Об’єкти
Доцільність застосування конденсаційних котлів
Переваги використання конденсаційних котлів перед традиційними очевидні – це економічна та екологічна доцільність, високі технічні та експлуатаційні характеристики, а також багато інших переваг, про що докладно розповість ця стаття.
Загальні переваги конденсаційних котлів
Термін “конденсаційний котел” означає, що в даному апараті максимально утилізується, тобто передається воді, що нагрівається, тепло водяної пари, що утворилися в результаті згоряння водню палива (Н2->О2->Н2О). Для досягнення максимального ефекту продукти згоряння повинні бути охолоджені нижче температури конденсації водяної пари, яка, залежно від вмісту водяної пари в газах, що йдуть, і їх складу, в т.ч. концентрації СО2 і для сірковмісних палив, SO2(SO3), становить не більше 55…60°С. У цьому випадку з огляду на значну величину “прихованої теплоти” конденсації водяної пари – близько 540 ккал на 1 кг конденсату, максимальний приріст корисного тепла, наприклад, при спалюванні природного газу, в конденсаційному котлі може досягати 11%.
Котельня на 900 кВт
Максимальне підвищення ефективності використання палива – ККД котла.
При розрахунках ККД корисне, тобто. отримане середовищем, що нагрівається, тепло порівнюється з тепловмістом палива – кількістю тепла, що виділився в результаті згоряння палива, яке може бути відібрано від продуктів згоряння при їх охолодженні до вихідної температури палива – 20°С. У цьому розрахунку можуть використовуватися два значення тепловмісту (калорійності) нм3 газоподібного або кг рідкого/твердого палива: так званого “нижчого” (Qн), без урахування теплоти конденсації тепловмісту водяної пари, і так званого “вищого” (Qв), – повного тепловмісту продуктів згоряння, включаючи “приховану теплоту” конденсації водяної пари.
Нормативний метод розрахунку ККД виходить із величини Qн. Це пов’язано з тим, що має бути універсальним, тобто. повинен дозволяти проводити зіставлення ефективності будь-яких типів котлів, як традиційних, і конденсаційних. У цьому слід пам’ятати, що традиційні казани, зокрема. найбільш потужні – енергетичні та теплофікаційні, проектуються так, щоб виключити конденсатоутворення як на поверхнях самого котла, так і по всій довжині тракту димовидалення, це означає, що вони можуть використовувати тільки величину Qн. Саме виходячи з цих міркувань у загальноприйнятих рекомендаціях щодо режиму роботи традиційних сталевих жаротрубних котлів, температура газів, що йдуть за котлом, повинна бути не нижче 140°С при спалюванні легкого дизельного палива і не нижче 160°С при спалюванні природного газу, а також рекомендації вітчизняних норм щодо температурі димових газів на виході з димаря – не нижче 110°С.
Спроби дооснащення традиційних жаротрубних котлів конденсаторами тривалий час закінчувалися безуспішно внаслідок відсутності корозійностійких матеріалів або після їх появи (спеціальних марок нержавіючих сталей) технології створення компактних і надійних теплообмінних поверхонь для таких апаратів.
В останні роки створення конденсаційних котлів для побутових та промислових цілей здійснюється багатьма європейськими фірмами. Хочемо відзначити, що наші найближчі сусіди – Польща встановили понад 50 000 конденсаційних котлів у 2008 році.
Схема розрахунку ККД котла у загальному вигляді виглядає так:
де
Q1 – корисне паливо;
Q2 – втрати тепла з газами, тобто. теплоутримання газів, що йдуть;
Q3 – те з хімічної неповнотою згоряння, тобто. тепловміст горючих газів у продуктах згоряння (СО+Н2+СН4+СnHm);
Q4 – те ж із механічною неповнотою згоряння, тобто теплозміст піролізної сажі (у продуктах згоряння мазуту);
Q5 – те ж у навколишнє середовище (через огороджувальні поверхні котла);
Q6 – те ж від механічного недопалу при спалюванні твердого палива (віднесення вугільного пилу з газами, що йдуть, або “провал” незгорілого палива через колосник і втрати тепла зі шлаком).
Тут доречно відзначити, що деякі виробники в рекламних проспектах на свою продукцію наводять значення ККД, розраховані і Qн і Qв. Для сучасних котлів, що працюють на газоподібному або легкому рідкому паливі, реальними є лише втрати Q2 і Q5, причому останні при розрахунку ККД не враховуються і в технічних характеристиках часто не наводяться. Для побутових котлів при цьому є певна логіка, т.к. Втрати тепла через теплову ізоляцію котла все одно йдуть на опалення будівлі. Для сучасних промислових котлів втрати Q5 не перевищують частку відсотка.
З визначення величини Q2 зрозуміло, що вона залежить від складу/обсягу продуктів згоряння – елементарного складу палива та співвідношення “повітря-паливо” (надлишку повітря), і від температури газів. Остання є визначальним параметром величини Q2. Для наближених оцінок цілком припустимо прийняти, що в реальному діапазоні зміни температури газів сучасних наддувних котлів (100 … 200 ° С) зміна температури газів, що відходять на 20 ° С еквівалентно зміні Q2, тобто. ККД казана, приблизно на 1%.
Отже, наведені вище мінімально-допустимі температури газів, що відходять однозначно визначають граничні значення ККД традиційних наддувних котлів – близько 92% для газових і близько 93% для дизельних. Для газових атмосферних котлів, що працюють при більших надлишках повітря, ніж котли з дутьовими пальниками, максимальні значення ККД дещо нижчі і не можуть перевищувати 90%.
У технічних характеристиках європейських виробників можна зустріти і вищі значення ККД до 95…96% для наддувних казанів. Як показано вище, це означає, що такий котел працює з температурою газів не більше 100…80°С. При цьому не має принципового значення, наведені такі величини ККД для номінального навантаження котла або є величинами так званого “середньорічного” ККД, що враховує реальну зміну навантаження котла. Природно, що для чавунного котла “настінника”, виготовленого з нержавіючої сталі або так званого “низькотемпературного” сталевого котла із захищеними від конденсатної корозії “хвостовими” конвективними пучками та димовим коробом, режими з Тyx=100…80°С є експлуатаційно-надійними та, для котельної установки в цілому, в погодних умовах Західної Європи цілком допустимі. Однак в Україні, за набагато нижчих зимових температур, такі режими, насамперед для побутових котлів, не повинні використовуватися. Обмерзання вихлопних “наконечників” настінних газових котлів або утворення “наледі” на димових трубах та покрівлі будівель, промокання димових каналів усередині будівлі та руйнування “оголовків” цегляних труб в ході експлуатації “надекономічних” газових та наддувних котлів красномовніше за будь-які технічні доводи.
Виходячи з “природи” конденсаційного котла, зрозуміло, що його ККД безпосередньо залежить від температури води, що нагрівається, що визначає як повноту конденсації водяної пари, так і глибину подальшого доохолодження конденсату і осушених газів. Для досягнення максимального ефекту в конденсаторах завжди реалізується протиточна схема – продукти згоряння, для вільного зливу конденсату з теплообмінної поверхні, рухаються “зверху вниз”, а вода, що нагрівається, навпаки, “знизу вгору”. Таким чином, визначальною температурою процесу є температура обратки, і саме до неї “прив’язана” величина температури газів, що відходять, причому різниця обох температур для кращих конденсаційних котлів становить всього 5-15°С.
А. Традиційний, тобто неконденсаційний, при температурі води 80/60°С (деякі виробники розглядають режим 75/60°С). За цих умов ККД конденсаційних котлів (Qn) на номінальному навантаженні досягає 97…98%, тобто на 5…6% вище ККД традиційних котлів.
Б. Конденсаційний, при температурі води 50/30°С (або 40/30°С). У умовах ККД конденсаційного котла (по Qн) на номінальному навантаженні досягає 103…106%, підвищуючись у міру зниження потужності, тобто підвищення повноти конденсації, до 108…109% (при розрахункової потужності 30%).
Таким чином, конденсаційні котли характеризуються максимально високим рівнем ККД – вищий клас “чотири зірки” за європейською класифікацією ефективності згідно з Директивою СЕЄ 92/42.
Якщо врахувати (див. вище), що повна утилізація тепла водяної пари може забезпечити ККД (за Qн) близько 110%, то зрозуміло, що фізично “суворий” ККД (за “вищою” теплотою згоряння Qв) у цьому випадку становить 97. .98%, що вказує на наявність реальної залишкової кількості водяної пари в димарі сучасних конденсаційних котлів.
Цілком доречним є питання, чи немає тут протиріччя з тим, що йшлося дещо вище про допустимі режими експлуатації котлів у нашій кліматичній зоні? Дійсно, кислотний конденсат, що постійно “виробляється” конденсаційним котлом, так само як і холодні (при температурах не більше 60..80°С) і перезволожені гази, що йдуть, виглядають вельми незвично для наших погодних умов. Але ми в жодному разі не пропонуємо розглядати конденсаційний котел у відриві від опалювальної установки, а тільки разом з повним набором відповідних вимог і до схеми зливу, і при необхідності нейтралізації конденсату, і матеріалів, конфігурації, і температурного режиму димового тракту таких установок.
Як бачимо, що більша теплова потужність опалювальної установки та вартість газу, то більший економічний ефект від застосування конденсаційних котлів. За збереження тарифів на газ, що діють на 1 жовтня 2009 року, окупність установки конденсаційного котла на сьогодні в середньому 1-2 опалювальних сезони. Але, враховуючи тенденцію до збільшення ціни на газ, що чітко простежується, ці терміни можуть бути набагато меншими.
Для вітчизняних великих комунальних котелень, тим паче за її реконструкції, тобто. при збереженні існуючого опалювального обладнання розрахунковим опалювальним режимом залишається графік 95/70°С. Ця обставина враховується деякими виробниками, які для потужних конденсаційних котлів із нержавіючої сталі допускають роботу за температури води на виході котла до 100°С. Звичайно ж, при температурному режимі 95/70°С ККД конденсаційного котла буде вищим за ККД традиційного котла лише дуже незначно.
Разом з тим, не слід забувати, що і при такому економічно невигідному температурному режимі роботи конденсаційного котла зберігаються не тільки повна захищеність усієї установки від кислотної корозії при пусках з холодного стану і при будь-яких часткових навантаженнях, але, що головне, інші переваги конденсаційного котла , кожне з яких може стати визначальним при виборі типу котла для тих чи інших умов експлуатації:
Котельня у Ватикані
Зниження шкідливих викидів в атмосферу (NОx та СО)
Якщо завдання забезпечення мінімальних залишкових концентрацій в димових газах досить успішно вирішується і при використанні сучасних газових вентиляторних і інжекційних пальників Low Nox, то в плані боротьби з оксидами азоту (NОx) у конденсаційних котлів немає гідної альтернативи.
Як відомо, “вихід” NОx залежить від температури та швидкості процесу горіння, “часу перебування” продуктів згоряння в зоні максимальних температур, тобто швидкості охолодження високотемпературного газового потоку, та концентрації в останньому вільного кисню – надлишку повітря. У переважній більшості газових конденсаційних котлів використовуються ІЧ (інфрачервоні) пальники з повним попереднім змішуванням газу та повітря, що подається вентилятором пальника. Ефективне перемішування газо-повітряного потоку відбувається за вентилятором, у змішувачі – трубі Вентурі, після чого приготовлена суміш з дуже високою швидкістю (т.зв. “кінетичне” горіння зі швидкістю, близькою до швидкості хімічних реакцій) згоряє власне ІЧ-пальнику, що надає собою плоский або циліндричний екран із спеціальної жаростійкої сітки. На виході ІЧ-пальника повністю відсутній блакитний або слабосвітящийся газовий факел, властивий інжекційним або дутевим пальникам. У разі останніх газове паливо і повітря подаються в змішувальний вузол-дифузор, встановлений на виході пальника, окремими потоками, внаслідок чого приготування горючої суміші відбувається безпосередньо в обсязі камери топки, і в результаті процес згоряння відбувається з набагато меншою швидкістю (так зване “дифузійне” горіння зі швидкістю, що визначається дифузією, перемішуванням потоків палива та повітря) та більшою світністю внаслідок утворення у факелі (в зонах з нестачею кисню) вільного вуглецю. Тому в традиційних казанах процес згоряння розтягується майже на всю довжину камери згоряння.
Подальше охолодження продуктів згоряння в теплообмінниках-конденсаторах конденсаційних котлів також протікає за рахунок набагато більш досконалих поверхонь, як за своєю поверхнею, що припадає на одиницю об’єму теплообмінника, і за інтенсивністю теплообміну з газового боку набагато швидше і ефективніше, ніж у димогарних трубних пучках або чавунних канали традиційних котлів.
В результаті всі конденсаційні газові котли з ІЧ-пальниками мають вищий клас якості по виходу NОx “п’ять зірок” згідно з європейськими нормативами EN 297/A3 і EN 483.
Широкий діапазон зміни потужності котла
Усі пальники повного попереднього змішування конденсаційних котлів є модуляційними, тобто з безступеневим регулюванням потужності за допомогою частотного регулювання обертів вентилятора пальника. Це дозволяє забезпечити набагато більший діапазон зміни потужності котла, зі збереженням практично постійним оптимального надлишку повітря, до 1:5…1..7 для кращих зразків “однорічкових” конденсаційних котлів порівняно з 1:2,5 для надувних котлів з модуляційними. пальниками або 1:2,6…3,0 для настінних газових казанів з модуляцією потужності інжекційних пальників.
Особливе положення у ряді “промислових” (потужністю 100 кВт і більше) конденсаційних котлів займають багатогорілчані (модульні) котли, які складаються з декількох автономних теплових секцій. Система управління котла забезпечує його роботу за будь-якої кількості “справних” секцій, чим досягається не тільки виняткова висока їх маневреність, але й надійність теплопостачання. Крім того, на відміну від традиційної багатокотлової (каскадної) установки, секції таких котлів включаються в роботу не по черзі, а водночас тобто. ці котли працюють з мінімально можливою (при даному тепловому навантаженні установки) потужністю секцій, тобто за максимального рівня ККД котла.
Повертаючись до діапазону регулювання потужності (коефіцієнта модуляції) модульних котлів, досягає значення 1:39.
Такий унікальний діапазон перекриває навіть при встановленні в котельні тільки одного котла будь-які реальні варіанти регулювання теплового навантаження.
Частотне регулювання кількості обертів котлового насоса
Якщо для традиційних котлів цей захід має на меті економію витрати електроенергії та зниження рівня шуму в котельні на часткових навантаженнях, то для конденсаційних котлів він застосовується в першу чергу для зменшення падіння перепаду температур води в котлі на часткових навантаженнях, збереження температури обратки на рівні, достатньому для забезпечення максимального ефекту конденсації, тобто забезпечення максимальних значень ККД на часткових навантаженнях.
Результати зіставлення конденсаційних та традиційних котлів
А. За питомою вагою котла
Конденсаційні котли значно легші (1…1,5 кг/кВт), ніж традиційні (близько 3..4 кг/кВт для “легких” чавунних атмосферних та сталевих двоходових наддувних).
Б. За питомою площею підлоги, займаної котлом
Конденсаційні котли компактніші, близько (3…4)* 10-3 м2/кВт, традиційних котлів, близько (6..7) *10-3м2/кВт та (4…4,5)*10-3м2 / кВт для сталевих наддувних потужністю, відповідно, 240 і 800… 900 кВт.
В. За питомими витратами на пальне
Конденсаційні котли забезпечують за будь-яких температурних режимів роботи, як з конденсацією водяної пари, так і без конденсації, суттєву економію витрат на паливо. За прийнятого графіку зміни навантаження (див. вище) для погодних умов України річна економіка природного газу становить :
За існуючих цін на газ – 0,4826 грн./м3 для приватних та 0,685 грн./м3 для комунальних підприємств, це призводить до річної економії витрат на паливо:
Для оцінки вартості вираження доцільності застосування конденсаційного котла приймемо два варіанти встановлення конденсаційного котла – “побутовий” – 50 кВт (Варіант 1) та “промисловий” 900 кВт (Варіант 2): Варіант 1. |
Слід зазначити, що прийнята схема розрахунку – за постійного ККД традиційних котлів, веде до заниження ефективності застосування конденсаційних котлів. Насправді ККД атмосферних котлів зі зниженням навантаження неминуче падає, насамперед рахунок збільшення надлишку повітря. Треба також мати на увазі, що навіть у європейських виробників ККД котлів цього типу нерідко становить лише 89…88%.
Наддувні котли мають, порівняно з конденсаційними, вельми обмежений робочий діапазон зміни потужності – в межах 75 (80) … 100% номінальної. Ці обмеження обумовлені, головним чином, допустимим зниженням температури газів, що йдуть, до рівня не менше 140… 160°С.
Тому реальним шляхом забезпечення часткових навантажень залишається лише вимкнення котла. Відомо, що в такому режимі роботи наддувного котла його середньосезонний ККД знижується на 1…3% (залежно від типу пальника) через збільшення втрат тепла на розігрів охолодженого котла і, що найбільше, зниження повноти згоряння при розпалі палива. Крім усього іншого, не варто забувати, що при включенні вентиляторного пальника відбувається продування камери згоряння протягом однієї хвилини, при якій неминуче відбувається “винос” тепла з котла. І що більше таких включень, то більше втрачається тепла.
Однак і за такої, явно “консервативної”, схеми оцінки ефективності застосування конденсаційного котла термін окупності останнього тільки за рахунок економії палива становить у межах 1-3 років. При цьому, природно, не враховується економія будівельних витрат, найбільш суттєва при використанні легших та компактніших конденсаційних котлів для вбудованих та дахових котелень.