Целесообразность применения конденсационных котлов

Общие достоинства конденсационных котлов
Термин "конденсационный котел" означает, что в данном аппарате максимально утилизируется, т. е. передается нагреваемой воде, тепло водяных паров, образовавшихся в результате сгорания водорода топлива (Н2->О2->Н2О). Для достижения максимального эффекта продукты сгорания должны быть охлаждены ниже температуры конденсации водяных паров, которая, в зависимости от содержания водяных паров в уходящих газах и их состава, в т.ч. концентрации СО2 и, для серосодержащих топлив, SO2(SO3), составляет не более 55...60°С. В этом случае, учитывая значительную величину "скрытой теплоты" конденсации водяных паров - около 540 ккал на 1 кг конденсата, максимальный прирост полезного тепла, например, при сжигании природного газа, в конденсационном котле может достигать 11%.

• Share

Максимальное повышение эффективности использования топлива - КПД котла
При расчетах КПД полезное, т.е. полученное нагреваемой средой, тепло сравнивается с теплосодержанием топлива - количеством тепла, выделившимся в результате сгорания топлива, которое может быть отобрано от продуктов сгорания при их охлаждении до исходной температуры топлива - 20°С. В этом расчете могут использоваться два значения теплосодержания (калорийности) нм3 газообразного или кг жидкого/твердого топлива: так называемого "низшего" (Qн), без учета теплоты конденсации теплосодержания водяных паров, и так называемого "высшего" (Qв), - полного теплосодержания продуктов сгорания, включая "скрытую теплоту" конденсации водяных паров.
Нормативный метод расчета КПД исходит из величины Qн. Это обусловлено тем, что он должен быть универсальным, т.е. должен позволять проводить сопоставление эффективности любых типов котлов, как традиционных, так и конденсационных. При этом следует помнить, что традиционные котлы, в т.ч. наиболее мощные - энергетические и теплофикационные, проектируются так, чтобы исключить конденсатообразование как на поверхностях самого котла, так и по всей длине тракта дымоудаления, это значит, что они могут использовать только величину Qн. Именно исходя из этих соображений в общепринятых рекомендациях по режиму работы традиционных стальных жаротрубных котлов, температура уходящих газов за котлом должна быть не ниже 140°С при сжигании легкого дизельного топлива и не ниже 160°С при сжигании природного газа, а также рекомендации отечественных норм по температуре дымовых газов на выходе из дымовой трубы - не ниже 110°С.
Попытки дооснащения традиционных жаротрубных котлов конденсаторами долгое время заканчивались безуспешно вследствие отсутствия коррозионностойких материалов или, после их появления, (специальных марок нержавеющих сталей), технологии создания компактных и надежных теплообменных поверхностей для таких аппаратов.
В последние годы создание конденсационных котлов для бытовых и промышленных целей осуществляется многими европейскими фирмами. Хотим отметить, что наши самые ближайшие соседи - Польша установили более 50000 конденсационных котлов в 2008 году.

Схема расчета КПД котла в общем виде выглядит следующим образом:

• Share

где
Q1 - полезное топливо;
Q2 - потери тепла с уходящими газами, т.е. теплосодержание уходящих газов;
Q3 - то же с химической неполнотой сгорания, т.е. теплосодержание горючих газов в продуктах сгорания (СО+Н2+СН4+СnHm);
Q4 - то же с механической неполнотой сгорания, т.е теплосодержание пиролизной сажи (в продуктах сгорания мазута);
Q5 - то же в окружающую среду (через ограждающие поверхости котла);
Q6 - то же от механического недожога при сжигании твердого топлива (унос угольной пыли с уходящими газами или "провал" несгоревшего топлива через колосник и потери тепла со шлаком).
Здесь уместно отметить, что некоторые изготовители в рекламных проспектах на свою продукцию приводят значения КПД, рассчитанные и по Qн и по Qв. Для современных котлов, работающих на газообразном или легком жидком топливе, реальными являются только потери Q2 и Q5, причем последние при расчете КПД не учитываются и в технических характеристиках часто вообще не приводятся. Для бытовых котлов для этого есть определенная логика, т.к. потери тепла через тепловую изоляцию котла все равно идут на отопление здания. Для современных промышленных котлов потери Q5 не превышают долей процента.
Из определения величины Q2 понятно, что она зависит от состава/объема продуктов сгорания - элементарного состава топлива и соотношения "воздух-топливо" (избытка воздуха), и от температуры уходящих газов. Последняя является определяющим параметром величины Q2. Для приближенных оценок вполне допустимо принять, что в реальном диапазоне изменения температуры уходящих газов современных наддувных котлов (100... 200°С) изменение температуры уходящих газов на 20°С эквивалентно изменению Q2, т.е. КПД котла, примерно на 1%.
Следовательно, приведенные выше минимально-допустимые температуры уходящих газов однозначно определяют предельные значения КПД традиционных наддувных котлов - около 92% для газовых и около 93% для дизельных. Для газовых атмосферных котлов, работающих при больших избытках воздуха, чем котлы с дутьевыми горелками, максимальные значения КПД несколько ниже и не могут превышать 90%.
В технических характеристиках европейских производителей можно встретить и более высокие значения КПД до 95...96% для наддувных котлов. Как показано выше, это означает, что такой котел работает с температурой уходящих газов не более 100...80°С. При этом не имеет принципиального значения, приведены такие величины КПД для номинальной нагрузки котла или представляют собой величины так называемого "среднегодового" КПД, учитывающего реальное изменение нагрузки котла. Естественно, что для чугунного котла "настенника", изготовленного из нержавеющей стали или так называемого "низко -температурного" стального котла с защищенными от конденсатной коррозии "хвостовыми" конвективными пучками и дымовым коробом, режимы с Тyx=100...80°С являются эксплуатационно-надежными и, для котельной установки в целом, в погодных условиях Западной Европы вполне допустимы. Однако в Украине, при гораздо более низких зимних температурах, такие режимы, прежде всего для бытовых котлов, не должны использоваться. Обмерзание выхлопных "наконечников" настенных газовых котлов или образование "наледи" на дымовых трубах и кровле зданий, промокание дымовых каналов внутри здания и разрушение "оголовков" кирпичных труб в ходе эксплуатации "сверхэкономичных" газовых и наддувных котлов красноречивее любых технических доводов.
Исходя из "природы" конденсационного котла, понятно, что его КПД напрямую зависит от температуры нагреваемой воды, определяющей как полноту конденсации водяных паров, так и глубину дальнейшего доохлаждения конденсата и осушенных уходящих газов. Для достижения максимального эффекта в конденсаторах всегда реализуется противоточная схема - продукты сгорания, для свободного слива конденсата с теплообменной поверхности, движутся "сверху вниз", а нагреваемая вода, наоборот, "снизу вверх". Таким образом, определяющей температурой процесса является температура обратки, и именно к ней "привязана" величина температуры уходящих газов, причем разница обеих температур для лучших конденсационных котлов составляет всего 5-15°С.
А. Традиционный, т.е неконденсационный, при температуре воды 80/60°С (некоторые изготовители рассматривают режим 75/60°С). При этих условиях КПД конденсационных котлов (по Qн) на номинальной нагрузке достигает 97...98%, т.е на 5...6% выше КПД традиционных котлов.
Б. Конденсационный, при температуре воды 50/30°С (или 40/30°С). В этих условиях КПД конденсационного котла (по Qн) на номинальной нагрузке достигает 103...106%, повышаясь по мере снижения мощности, т.е повышения полноты конденсации, до 108...109% (при расчетной мощности 30%).
Таким образом, конденсационные котлы характеризуются максимально высоким уровнем КПД - высший класс "четыре звезды" по европейской классификации эффективности согласно Директиве СЕЕ 92/42.
Если учесть (см. выше), что полная утилизация тепла водяных паров может обеспечить КПД (по Qн) около 110%, то понятно, что физически "строгий" КПД (по "высшей" теплоте сгорания Qв) в этом случае составляет 97...98%, что указывает на наличие реального остаточного количества водяных паров в дымовой тракте современных конденсационных котлов.
Вполне уместен вопрос, нет ли здесь противоречия с тем, что говорилось несколько выше о допустимых режимах эксплуатации котлов в нашей климатической зоне? Действительно, кислотный конденсат, постоянно "вырабатываемый" конденсационным котлом, равно как и холодные (при температурах не более 60..80°С) и переувлажненные уходящие газы, выглядят весьма непривычно для наших погодных условий. Но мы ни в коем случае не предлагаем рассматривать конденсационный котел в отрыве от отопительной установки, а только вместе с полным набором соответствующих требований и к схеме слива, и при необходимости нейтрализации конденсата, и к материалам, конфигурации, и температурному режиму дымового тракта таких установок.

Как видим, чем больше тепловая мощность отопительной установки и стоимость газа, тем больший экономический эффект от применения конденсационных котлов. При сохранении тарифов на газ действующих на 1 октября 2009 года, окупаемость установки конденсационного котла на сегодня в среднем 1-2 отопительных сезона. Но, учитывая четко прослеживающуюся тенденцию к увеличению цены на газ, эти сроки могут быть гораздо меньше.
Для отечественных крупных коммунальных котельных, тем более при их реконструкции, т.е. при сохранении существующего отопительного оборудования, расчетным отопительным режимом остается график 95/70°С. Это обстоятельство учитывается некоторыми производителями, которые для мощных конденсационных котлов из нержавеющей стали допускают работу при температуре воды на выходе котла до 100°С. Конечно же, при температурном режиме 95/70°С КПД конденсационного котла будет выше КПД традиционного котла лишь весьма незначительно.
Вместе с тем, не следует забывать, что и при таком экономически невыгодном температурном режиме работы конденсационного котла сохраняются не только полная защищенность всей установки от кислотной коррозии при пусках из холодного состояния и при любых частичных нагрузках но, и, что главное, другие достоинства конденсационного котла, каждое из которых может стать определяющим при выборе типа котла для тех или иных условий эксплуатации:

минимальная нагрузка на окружающую среду.

Снижение вредных выбросов в атмосферу (NОx и СО)
Если задача обеспечения минимальных остаточных концентраций СО в дымовых газах достаточно успешно решается и при использовании современных газовых вентиляторных и инжекционных горелок Low Nox, то в плане борьбы с оксидами азота (NОx) у конденсационных котлов нет достойной альтернативы.
Как известно, "выход" NОx зависит от температуры и скорости процесса горения, "времени пребывания" продуктов сгорания в зоне максимальных температур, т.е скорости охлаждения высокотемпературного газового потока, и концентрации в последнем свободного кислорода - избытка воздуха. В подавляющем большинстве газовых конденсационных котлов используются ИК (инфракрасные) горелки с полным предварительным смешением газа и воздуха, подаваемого вентилятором горелки. Эффективное перемешивание газо-воздушного потока происходит за вентилятором, в смесителе - трубе Вентури, после чего приготовленная смесь с очень высокой скоростью (т.н. "кинетическое" горение со скоростью, близкой к скорости химических реакций) сгорает в собственно ИК-горелке, предоставляющей собой плоский или цилиндрический экран из специальной жаростойкой сетки. На выходе ИК-горелки полностью отсутствует голубоватый или слабосветящийся газовый факел, присущий инжекционным или дутьевым горелкам. В случае последних газовое топливо и воздух подаются в смесительный узел-диффузор, установленный на выходе горелки, отдельными потоками, вследствие чего приготовление горючей смеси происходит непосредственно в объеме топочной камеры, и в результате процесс сгорания происходит с гораздо меньшей скоростью (так называемое "диффузионное" горение со скоростью, определяемой диффузией, перемешиванием потоков топлива и воздуха) и большей светимостью вследствие образования в факеле (в зонах с недостатком кислорода) свободного углерода. Поэтому в традиционных котлах процесс сгорания растягивается почти на всю длину топочной камеры.
Последующее охлаждение продуктов сгорания в теплообменниках-конденсаторах конденсационных котлов также протекает за счет гораздо более совершенных поверхностей, как по своей поверхности, приходящейся на единицу объема теплообменника, и по интенсивности теплообмена с газовой стороны, гораздо быстрее и эффективнее, чем в дымогарных трубных пучках или чугунных каналах традиционных котлов.
В результате все конденсационные газовые котлы с ИК-горелками имеют высший класс качества по выходу NОx "пять звезд" согласно европейским нормативам EN 297/A3 и EN 483.

Широкий диапазон изменения мощности котла
Все горелки полного предварительного смешения конденсационных котлов являются модуляционными, т.е с бесступенчатым регулированием мощности с помощью частотного регулирования оборотов вентилятора горелки. Это позволяет обеспечить гораздо больший диапазон изменения мощности котла, с сохранением практически постоянным оптимального избытка воздуха, до 1:5...1..7 для лучших образцов "одногорелочных" конденсационных котлов по сравнению с 1:2,5 для надувных котлов с модуляционными горелками или 1:2,6 ...3,0 для настенных газовых котлов с модуляцией мощности инжекционных горелок.
Особое положение в ряду "промышленных" (мощностью 100 кВт и более) конденсационных котлов занимают многогорелочные (модульные) котлы, которые состоят из нескольких полностью автономных тепловых секций. Система управления котла обеспечивает его работу при любом количестве "исправных" секций, чем достигается не только исключительная высокая их маневренность, но и надежность теплоснабжения. Кроме того, в отличие от традиционной многокотловой (каскадной) установки, секции таких котлов включаются в работу не поочередно, а одновременно, т.е. эти котлы работают с минимально возможной (при данной тепловой нагрузке установки) мощностью секций, т.е при максимальном уровне КПД котла.
Возвращаясь к диапазону регулирования мощности (коэффициенту модуляции) модульных котлов, достигает значения 1:39.
Такой уникальный диапазон перекрывает, даже при установке в котельной только одного котла, любые реальные варианты регулирования тепловой нагрузки.

Частотное регулирование числа оборотов котлового насоса
Если для традиционных котлов это мероприятие имеет целью экономию расхода электроэнергии и снижение уровня шума в котельной на частичных нагрузках, то для конденсационных котлов оно применяется в первую очередь для уменьшения падения перепада температур воды в котле на частичных нагрузках, сохранения температуры обратки на уровне, достаточном для обеспечения максимального эффекта конденсации, т.е для обеспечения максимальных значений КПД на частичных нагрузках.

• Share

Котельная в Ватикане

Результаты сопоставления конденсационных и традиционных котлов
А. По удельному весу котла
Конденсационные котлы значительно легче (1...1,5 кг/кВт), чем традиционные (около 3..4 кг/кВт для "легких" чугунных атмосферных и стальных двухходовых наддувных).
Б. По удельной площади пола, занимаемой котлом
Конденсационные котлы компактнее, около (3...4)* 10-3 м²/кВт, традиционных котлов, около (6..7) *10-3м2/кВт и (4...4,5)*10-3м2/кВт для стальных наддувных мощностью, соотвественно, 240 и 800... 900 кВт.
В. По удельным затратам на топливо
Конденсационные котлы обеспечивают при любых температурных режимах работы, как с конденсацией водяных паров, так и без конденсации, существенную экономию затрат на топливо. При принятом графике изменения нагрузки (см. выше) для погодных условий Украины годовая экономика природного газа составляет :