Станислав Горобченко
Курс Трубопроводная арматура. Модуль-кейс. Выбор регулирующей арматуры для систем управления групповых котельных

Введение

Решение проблемы модернизации старых групповых котельных является довольно актуальной задачей, поскольку произвести замену старой групповой котельной на современную блок-модульную в межотопительный период является сложной задачей. Развёртывание мобильной блок-модульной на время замены групповой котельной, может не покрыть нужды жилых домов. Поэтому модернизация регулирующей арматуры, а, возможно, и последующая модернизация систем автоматического управления позволит модернизировать старые групповые котельные до хорошего уровня.

В модуле рассмотрена возможность модернизации систем управления групповых котельных на основе выбора современной регулирующей арматуры. Рассматриваются групповые котельные, оснащённые чугунно-секционными водогрейными котлами «Энергия-3М».

Рассмотрен выбор следующей регулирующей арматуры в контурах регулирования:

– Арматура в контуре регулирования температуры воды на выходе котла.

– Арматура в контуре регулирования разрежения в топке котла.

– Арматура в контуре регулирования давления воды в системе.

Произведён анализ замены и модернизации арматуры.

Предложена схема реализации управления арматурой.

Произведён расчёт и моделирование регулирующей арматуры с применением программного обеспечения Nelprof 6.2.11 [1].

С учётом расчёта был выявлен оптимальный выбор регулирующей арматуры для контура регулирования температуры воды на выходе котла. Для этого была проанализирована арматура ряда производителей и представлена спецификация технических средств автоматизации.

Работа выполнена с учётом низкой автоматизации котельной, поэтому вариант модернизации регулирующей арматуры прорабатывался с учётом возможной модернизацией автоматики котельной.

1. Описание групповой котельной

1.1 Технические характеристики котельной

Групповая котельная предназначена для теплоснабжения группы домов или комплекса общественных зданий. Котельная располагается в отдельно стоящем здании и находится обычно вблизи отапливаемых домов, в более редких случаях котельные располагаются в оборудованных подвальных помещениях или быстровозводимых пристройках. В последних двух вариантах расположения, как правило, устанавливаются современные модульные жаротрубные котлы, если это не было предусмотрено при постройке здания.

В домовых и групповых котельных устанавливаются чугунные котлы различных типов, стальные жаротрубные котлы, такие как: «Универсал-6»; «Отопитель-1»; «Энергия-3М»; «Братск-1Г»; «Факел»; «Logano GE515» (современный котёл); «Минск-1»; «Тула-3»; Котел КЧВа.

Рассматриваемая групповая котельная состоит из 6 котлов: «Энергия-3М».

Теплопроизводительность: 0,615 МВТ (0,529 Гкал/ч).

Разрешённое давление: 0,6 МПа.

Максимальная температура: +95°С (ограничена автоматикой безопасности).

Автоматика безопасности АГОК-66.

Схема групповой котельной представлена на рис. 1-1.

Рис. 1-1. Схема групповой котельной

Обозначения: ВК-1…ВК-6 – водогрейные котлы «Энергия-3М».

Котельная обладает единым контуром с потребителем и предназначена только для отопления.

Принцип действия котельной

Газ поступает на запальное устройство и воспламеняется, затем оператор производит открытие газовой заслонки и происходит воспламенение основной горелки.

Горелка представляет собой заваренную с одного конца трубу с множеством перфорированных отверстий, расположенных в стороне, обращённой к топочному пространству. Горелки бывают однорожковые и двухрожковые.

Воздух подаётся в топочную камеру через пропорционер и колосниковую решётку.

Принцип действия пропорционера заключается в подачи воздуха, соответствующему давлению газа, подаваемому на горение. Для этого импульсная трубка после газовой заслонки подсоединяется к камере пропорционера и давит на мембрану с жёсткой платформой в центре с закреплённым штоком, отрывающим воздушные заслонки, так же имеет окна для ручной подстройки. Далее воздух нижним дутьём поступает через колосниковую решётку на горение.

Тяга в котле естественная. До замены арматуры она регулировалась шиберными задвижками вручную по средствам троса, противовеса и винтового зажима.

Вода в секциях нагревается и при помощи циркуляционных насосов, расположенных на обратном трубопроводе, и циркулирует по контуру сети отопления, далее уходит к потребителям через прямой трубопровод и возвращается от потребителей через обратный трубопровод обратно в котельную.

Для компенсации теплового расширения воды, а также для предотвращения срабатывания автоматики безопасности по параметру «давление в сети максимальное» при несогласованном перекрытии сети отопления на одном из участков сети, установлен расширительный бак.

Принцип действия расширительного бака заключается в том, что в верхней его половине создаётся воздушная подушка с давлением, равным давлению воды в контуре, и при повышении давления воды переходит в расширительный бак и сжимает воздушную подушку, при обратном снижении давления вода под действием давления воздуха переходит обратно в контур.

Для компенсации потерь воды в системе вследствие утечек, к обратному трубопроводу до группы циркуляционных насосов подсоединён трубопровод подпитки.

При падении давления до первой уставки электроконтактного манометра блок подпитки выдаёт напряжение на катушку электромагнитного клапана подпитки, в результате чего нормально закрытый клапан открывается, и вода из городской сети за счёт большего давления поступает в обратный трубопровод.

При достижении второй уставки электроконтактного манометра блок подпитки перестаёт подавать напряжение на катушку нормально закрытого электромагнитного клапана, в результате чего подпитка городской водой прекращается.

В целом котельная обладает очень низким уровнем автоматизации. Реализованы следующие элементы АСУ:

– Автоматика безопасности АГОК-66;

– Автоматическая система сбора показаний для коммерческого учёта;

– Автоматическая система подпитки.

Автоматическая система контроля загазованности СО и СН₄.

На рис.1-2 приведена схема устройства котла «Энергия». На ней хорошо видно, как открываются шиберные заслонки (номер 15 на схеме).

На рис.1-3 приведено фото фронта котла, на нём можно увидеть пропорционер (под клапаном ВНД-80, окрашенный в серо-голубой цвет), а также импульсные трубки от горелки.

На рис. 1-4 приведено изображение групповой котельной.

Рис. 1-2.

Общий вид

котла «Энергия»

Рис. 1-3. Фронт чугунно секционного котла Универсал

Рис. 1-4. Групповая котельная с котлами «Энергия 3М»

1.2. Описание технологического процесса

Нагрев воды происходит за счёт передачи тепла от нагретых за счет сгорания газа поверхностей секций котла. Мощность нагрева зависит от количества сжигаемого топлива и площади нагревающейся поверхности (количества секций котла).

Разогретая вода циркулирует в контуре сети за счёт работы циркуляционного насоса, дублирование насосов позволяет в случае аварии одного перейти на другой.

Тепловое расширение воды вызывает рост давления в контуре, для его компенсации к трубопроводу прямой воды подсоединяется расширительный бак, также он предотвратит срабатывание автоматики безопасности по параметру «Давление воды в сети максимальное» при несанкционированном перекрытии одного из потребителей. Вода возвращается в котельную от потребителей по обратному трубопроводу, где повторяется её нагрев.

Подача воздуха происходит естественной тягой нижним дутьём. Подача воздуха регулируется с помощью изменения пропускной способности пропорционера при изменении давления газа, давящего на мембрану с закреплённым штоком механически связанного с заслонками, и ручной подстройкой окон.

Разрежение в котле естественное (без применения дымососа). Газоход, расположенный с тыльной части котла – двойной, затем соединяющийся и переходящий в общий газовый тракт, и ведет к дымовой трубе.

Регулирование производится оператором вручную, изменением пропускной способности газоходов за счёт изменения положения шиберных задвижек.

Естественные утечки компенсируются подпиткой из сети городского холодного водоснабжения, через нормально закрытый клапан. Давление городской воды выше, чем давление в обратном трубопроводе, поэтому вода поступает в контур самотёком без применения насоса, подпиточный насос используется при просадках давления городской воды.

1.3. Регулирующая арматура групповых котельных

Для регулирования технологических процессов применяются различные типы арматуры.

Регулирующая трубопроводная арматура предназначена для регулирования параметров рабочей среды посредством изменения расхода или проходного сечения. Она не обязательно должна обеспечивать полное перекрытие проходного сечения, и ее не следует применять в качестве запорной арматуры. Равно как нежелательно, а иногда недопустимо, перекладывать «обязанности» регулирующей арматуры на запорную арматуру. Для одновременного выполнения функций запорной и регулирующей арматуры существует комбинированный вид ─ запорно-регулирующая арматура.

Основные параметры регулирующей арматуры: пропускная способность, пропускная характеристика, относительная утечка, диапазон регулирования.

Для регулирования разрежения применяются поворотные затворы и заслонки. Они различаются геометрией сечения и количеством осей заслонок. Высокая температура дымовых газов приводит к необходимости использовать арматуру с высоким пределом температуры среды.

Для регулирования давления газа применяются поворотные газовые заслонки. Диаметр подбирается исходя из давления газа при максимальном режиме работы котла.

Для регулирования давления воды в закрытом контуре применяются электромагнитные клапаны, нормально закрытые. Они подбираются в соответствии с расходом и давлением воды.

Большинство современной арматуры поворотного типа могут поставляться с исполнительными механизмами (ИМ), предусмотренными к данному изделию. А наличие выходного вала позволяет использовать ИМ по требованию заказчика.

Для анализа используемой арматуры был опрошен ряд производителей арматуры касательно решений по модернизации регулирующей арматуры. Компания «ТермоБрест» предлагает использование газовой рампы как комплексное решение модернизации регулирующей арматуры в контуре регулирования температуры воды на выходе котла. Решение с газовой рампой представлено на рис. 1-5.

Рис. 1-5. Блоки клапанов с заслонками регулирующими (алюминиевые корпуса, схема 17).

К сожалению, это решение потребует комплексной модернизации котельной: так как затрагивает не только регулирование, но и запорную арматуру, дополнительные параметры защиты перед розжигом котла, и сброса давления газа в атмосферу при срабатывании автоматики безопасности котельной. АГОК 66 не может обеспечить все функции газовой рампы. Также это потребует значительного изменения газопровода на тракте подачи газа к котлу. Однако, в случае комплексной модернизации решение будет оптимальным.