Sterowanie spalaniem w kotłach na paliwo stałe

Sterowanie spalaniem w kotłach na paliwo stałe (1). Proces regulacji

Zadaniem kotła jest uzupełnianie strat ciepła z ogrzewanych pomieszczeń, czyli ogrzewanie wody od temperatury, z jaką woda powraca do kotła, do temperatury, jaką ktoś (człowiek) lub coś (jakieś urządzenie sterujące) zada mu jako wartość zadaną temperatury wody wylotowej.

Często spotykamy się z pytaniem: ile spala twój samochód? A przecież nie jest to pytanie prawidłowe. Przecież powinno ono brzmieć: ile spalasz, jeżdżąc swoim samochodem? To użytkownik podejmuje decyzję, jaki samochód kupić. To użytkownik podejmuje decyzję, z jakimi prędkościami jedzie. To również on podejmuje decyzję, po jakich drogach jechać i w jaki sposób manipulować biegami oraz hamulcem. Wreszcie odpowiada on za to, jak dobrze (czy jak źle) umie to robić.

Z kotłem na paliwo stałe jest podobnie tylko jeszcze wyraźniej, bo kocioł jest urządzeniem znacznie prymitywniejszym technicznie. Nie rozwijając nadmiernie tego zagadnienia (wszyscy doskonale wiedzą, ile kłopotów sprawia obsługa takiego kotła), podsumuję to tak: najsłabszym ogniwem łańcucha technologicznego ogrzewania mieszkań jest najczęściej użytkownik kotła. Mam tu oczywiście na myśli proces ogrzewania za pomocą paliw stałych. Niewielka wiedza i niewysokie kwalifikacje technologiczne przeciętnych użytkowników kotłów (a nierzadko po prostu ich brak – bez obrazy, to żadna ujma) są tego podstawową przyczyną.

W przypadku samochodu można sobie w tym pomóc, wybierając automatyczną skrzynię biegów. „Eksperci” od zużycia paliwa oburzą się – przecież samochody z automatem zużywają więcej paliwa niż te z manualem. Tak, manuale zużywają mniej paliwa w czasie testu normatywnego. W czasie normalnej jazdy manuale także zużywają mniej paliwa, jeśli siedzi w nich wprawny kierowca. Jeśli siedzi w nich kierowca przeciętny, manuale nie zużyją mniej od automatów. A jeśli poprowadzi je kierowca niemający za wiele pojęcia o tym, co robi? Szkoda gadać…

W przypadku kotłów też możemy wybierać pomiędzy sterownikiem ręcznym i automatycznym. Oba rodzaje sterowników występują na naszym rynku. Oba są już dostatecznie sprawdzone praktycznie, aby można było o nich pisać. Spróbujmy więc usystematyzować nieco ten temat .

Proces ogrzewania domów za pomocą instalacji centralnego ogrzewania opartej na kotle zasilanym paliwem stałym składa się z wielu procesów składowych o różnym charakterze. Najważniejsze z nich to (idąc po kolei):
* proces spalania paliwa (proces wytwarzania ciepła – podstawowy proces, bez którego nie byłoby całej reszty) zachodzący w palniku i komorze dopalania kotła,
* proces wymiany ciepła pomiędzy gorącymi spalinami (o temperaturze od ponad 1000˚C do poniżej 100˚C) a ciepłą wodą (o temperaturze od poniżej 90˚C do ponad 40˚C), zachodzący w kotle, w wymienniku ciepła,
* proces rozdziału wody (nośnika ciepła) na poszczególne układy i obiekty instalacji wodnej,
* proces wymiany ciepła pomiędzy ciepłą wodą (o temperaturze od poniżej 90˚C do ponad 40˚C) a powietrzem (o temperaturze około 20˚C), zachodzący w grzejnikach, zlokalizowanych w ogrzewanych pomieszczeniach.

Pomiar strat ciepła

Czy potraficie sobie Państwo wyobrazić pomiar dziesiątków (a może setek) strumyków ciepła uciekającego z domu przez ściany, okna, drzwi, nieszczelności, mostki cieplne itp.? Być może ktoś powie, że przecież można założyć licznik ciepła na obiegu wodnym. Można. Czy jednak ten licznik ciepła będzie mierzył straty ciepła z budynku? Nie będzie. On będzie mierzył ilość ciepła podanego do budynku (wytworzonego przez kocioł). Statystycznie – w dłuższej perspektywie czasowej – pomierzona ilość ciepła podanego do budynku będzie równa stratom ciepła z tego budynku. Ta perspektywa czasowa jest jednak zbyt długa z punktu widzenia prowadzenia procesu regulacji kotła. Ponadto relacje pomiędzy chwilowymi stratami ciepła z budynku i chwilową wydajnością cieplną kotła są „zakłócane” wpływem ogromnej bezwładności cieplnej budynku, czyli kilkuset tysięcy kilogramów różnych materiałów, które cały czas na przemian oddają i odbierają ciepło ogrzewanym pomieszczeniom.

Dlatego w procesie regulacji kotła nie możemy opierać się na pomiarach mocy chwilowej, choć w rzeczywistości regulujemy właśnie moc kotła. Musimy oprzeć się na pomiarach innych parametrów, które mają związek ze stratami ciepła z budynku i z mocą kotła, choć nie dają bezpośredniej informacji o ich chwilowej wartości. Takim parametrem jest temperatura wody wylotowej z kotła. Temperatura wody wylotowej rośnie, jeśli kocioł wytwarza więcej ciepła, niż potrzeba do zrównoważenia strat ciepła, a maleje, jeśli wytwarza mniej ciepła niż potrzeba do zrównoważenia strat ciepła z budynku. Na tej prawidłowości opiera się proces regulacji kotła. W praktyce wygląda to tak, że wszystkie występujące na naszym rynku sterowniki kotłów wymagają od użytkownika nastawy wartości zadanej temperatury wody wylotowej.

Wartość zadana

Nie ma jakiejś jednej konkretnej wartości zadanej temperatury wylotowej, która powinna być stosowana we wszystkich kotłach. Ba, nie ma także jakiejś jednej konkretnej wartości zadanej temperatury wylotowej, która powinna być stosowana w jednym kotle przez cały okres jego pracy. W procesie ogrzewania domów za pomocą instalacji centralnego ogrzewania wartość zadana temperatury wody wylotowej nie jest parametrem bezwzględnym (w odróżnieniu od niektórych procesów technologicznych opartych na ogrzewaniu). Wartość zadana temperatury wody wylotowej jest parametrem operacyjnym, dobieranym przez użytkownika w zależności od szeregu czynników obiektywnych i subiektywnych.

Wartość zadana temperatury wody wylotowej nie może być oczywiście wyższa od temperatury, która zapewnia stosowny margines bezpieczeństwa dla „wybiegu” kotła powyżej wartości zadanej temperatury wody wylotowej przy szybkim dochodzeniu do tej temperatury, aby nie przekroczyć temperatury bezpieczeństwa. Ten margines może być różny, w zależności od algorytmu sterowania pracą kotła.

Wartość zadana temperatury wody wylotowej nie może być oczywiście niższa od temperatury wymaganej przez zainstalowane odbiorniki ciepła. Rodzaj i jakość grzejników, w powiązaniu z pożądanym komfortem cieplnym, determinują wysokość temperatury wody zasilającej te grzejniki. Rodzaj i jakość zbiornika c.w.u., w powiązaniu z pożądaną temperaturą c.w.u., determinują wysokość temperatury wody ogrzewającej zbiornik c.w.u. Wartość zadana temperatury wody wylotowej nie może być niższa od temperatury zabezpieczającej żądany poziom temperatury wody powrotnej w powiązaniu z aktualną rzeczywistą mocą kotła (aktualną różnicą temperatur wody wylotowej i powrotnej). Ten żądany poziom temperatury wody powrotnej może wynikać z warunków gwarancyjnych narzuconych przez producenta lub z własnej woli użytkownika (jedni użytkownicy uważają, że niska temperatura wody powrotnej nie jest zagrożeniem z punktu widzenia żywotności kotła, inni uważają, że jest).

To tylko przykłady takich czynników, bowiem trudno wymienić je wszystkie, nie narażając się na zarzut opuszczenia któregoś z ważnych, szczególnie tych subiektywnych. W następnym odcinku zajmę się m.in. kwestią wpływu układu wodnego na sterowanie kotłem.

dr inż. Jacek Zawistowski
Źrodło:
"Magazyn Instalatora"
http://www.instalator.pl
Wrzesień 2011

Wróć do sklepu