Работая 20 лет с пароконденсатными системами, мы регулярно получаем запросы на установки, которые не могут работать. В технических заданиях указываются принципиальные схемы систем, которые будут работать неудовлетворительно, с высокими эксплуатационными затратами и больше принесут пользователю проблем, нежели пользы. Порой видишь схемы из далекого прошлого. Работа с такими запросами непростая. Необходимо объяснить заказчику, в чем состоит ошибка в задании, и сделать это таким образом, чтобы заказчик не решил, что его обманывают. Не известно, откуда берутся такие запросы и кто их составляет. Но известно одно – не следует соглашаться предлагать и продавать заказчику систему, которая заранее обречена на проблемы. Кажется, что это совершенно очевидно, однако далеко не всегда будущие пользователи готовы слушать. Играет роль и бюрократия, и ложное чувство, что раз написано в задании, значит кто-то уже обо всем подумал, и прочие подобные аргументы, напоминающие самогипноз. Между тем у заказчика всегда есть шанс исправить ошибку еще на бумажной стадии. Если ошибочная схема будет воплощена в жизнь, то исправление недочетов может составить двойную или тройную цену установки. А это большие деньги.
Существуют системы, которые практически никогда хорошо не работают, однако же хорошо продаются. Виной тому их низкая цена, а также отсутствие опыта и желания идти в ногу со временем, как у продавцов, так и у пользователей. Ведь чтобы жизнь стала лучше – надо улучшать ее самим. Это не всегда просто, но всегда необходимо.
Поговорим про установки для нагрева воды для горячего водоснабжения. Это системы, состоящие из теплообменного оборудования, множества единиц запорно-предохранительной арматуры и автоматики. Главное требование, предъявляемое к установкам, нагревающим воду для ГВС при помощи пара, – отсутствие колебаний температуры воды на выходе теплообменника. Действительно, кому же хочется мыться в душе или мыть руки, когда из крана течет то кипяток, то холодная вода. Есть даже термин, пришедший из каменного века, – «пропускать воду». В современном мире это означает – смывать деньги в канализационную систему. Почти все знают, что это такое – дождаться, когда же из крана потечет вода с нужной температурой. Кстати, водоканал от этого тоже не выигрывает. Ввиду многих причин, главной из которых является ставка на «мне бы подешевле», сложилось так, что пользователь даже не предполагает, что такие установки могут и должны работать много лет и не требовать постоянного обслуживания. А ведь в современном мире так принято давно. Современное промышленное оборудование при изначальных затратах на закупку в дальнейшем требует минимальных затрат на содержание.
В подавляющем большинстве случаев рынок предлагает системы, не способные гарантировать выполнение основного требования – стабильного получения горячей воды при меняющемся водоразборе. Известно, что системы отопления характеризуются весьма большой инерционностью. А в системах горячего водоснабжения нагрузка, то есть расход воды, может меняться очень быстро. Она может быстро расти от самого нуля и быстро уменьшаться до полного прекращения. Расход воды может колебаться в процессе работы в зависимости от потребности в большую и меньшую сторону. Пароводяные теплообменники могут быть обвязаны хорошей трубопроводной арматурой, современными средствами автоматизации, но при этом попросту не работать так, как этого от них ждут. Имеет место достаточно простая вещь. Для обвязки любого пароводяного теплообменника любого назначения, такого как водяное отопление, ГВС, воздушное отопление, технологические нужды, применяется одна и та же принципиальная схема. Это является фатальной ошибкой, которая почему-то абсолютно игнорируется всеми. Не стоит и говорить, что перечисленные системы имеют разные режимы работы и разные требования. Так зачем же все делать по одному сценарию?
Горячая вода в промышленности используется не только для бытовых нужд, таких как душевые и умывальники. Столовые, моечные станции, технологические резервуары и другие приложения требуют быстрого получения нужного количества горячей воды с требуемой температурой. Не приблизительно, плюс-минус, а точно такой, какая требуется для процесса. Здесь часто происходит подмена понятий. Когда заказчик просит изготовить систему, нагревающую воду для ГВС, он имеет в виду не то, чтобы система была способна нагреть определенное количество воды до определенной температуры, а несколько иное. Заказчик хочет, чтобы система обеспечивала нужное количество воды с необходимой температурой на всех режимах: при пуске, при резко изменяющемся расходе – растущем, снижающимся – и… даже после останова. Да, это не шутка – после прекращения водоразбора, то есть когда вода уже не нужна. Правда в том, что после закрытия кранов на потребителях вода может попросту перегреться в паровом теплообменнике и во время следующего старта потребитель получит сюрприз – мощную порцию кипятка! Таким образом, ГВС – это непростая штука.
Но в технических заданиях на станции ГВС никаких таких требований о стабильности температуры практически не встретишь. Их там нет. В заданиях пишут то, что современная молодежь называет «просто жесть». Вы можете подумать, что автор сильно преувеличивает. И сейчас скажет, что это само собой разумеющиеся вещи – иметь стабильную температуру воды на выходе. Так может, это и напишем в задании? Но на деле происходит так. Проектировщики тиражируют вот такие одинаковые схемы, как на рис. 1. Подобные схемы рисуют в своих каталогах оптовые поставщики трубопроводной арматуры и называют их типовыми. Затем заказчику приходит узел с пластинчатым паровым теплообменником и кучей трубопроводной арматуры. А после запуска поставщик говорит: «Так это же пар, конечно температура воды будет колебаться, как ее удержишь – нужен бак, а его в задании у вас не было». Можно часто встретиться с этим глубоко укоренившимся стереотипом. На схеме уже нарисована проблема для пользователя. Он не получит воду с нужной температурой на всех режимах. Обратим внимание, что указывается обычно в требованиях обычного технического задания от заказчика:
• запорные клапаны производства «Х»;
• конденсатоотводчики с левым/правым расположением поплавковой камеры;
• применить пластинчатые теплообменники;
• регулирующие клапаны с электрическим приводом;
• насосы с частотным приводом.
И так далее. Все что угодно, но нет ни одного слова про стабильное поддержание температуры. Пластинчатые теплообменники имеют столько ограничений для работы на паре, что редко они могут быть одобрены внимательным к деталям заказчиком. Кто часто менял «высокотемпературные прокладки» на «паровых пластинчатых» теплообменнниках, поймет, о чем речь. А ведь это часть затрат на содержание при изначально низкой стоимости. Говоря по-простому, кто-то хорошо зарабатывает на всем этом. Догадываетесь кто?
Почему же, когда мы греем воду в пароводяном теплообменнике, есть риск перегреть воду или недогреть при резкой смене нагрузки? Ответ очень прост. Пар – высокопотенциальный теплоноситель. В единице массы пар содержит энергии в несколько раз больше, чем вода. Нагрев в скоростном, то есть проточном пароводяном подогревателе происходит довольно быстро. Управляет нагревом система автоматики – регулирующий клапан, датчик температуры, контроллер. Но почти всегда этого мало. Простейшая автоматика не поможет. Отвод конденсата также невероятно важен. Приведем пошаговый пример (рис. 2).
Шаг 1. Водоразбора нет. Регулирующий клапан (1) закрыт. Температура воды на выходе теплообменника низкая и равна температуре входа.
Шаг 2. Включаем систему. Контроллер (2) видит, что вода холодная, и дает сигнал клапану (1) открыться. Если не включить циркуляционный насос (4), то ничего не выйдет – клапан откроется, температура воды в теплообменнике вырастет, и он закроется снова. Вода в системе так и останется холодной. Если есть циркуляция, то даже при отсутствии водоразбора автоматика доведет температуру воды до заданной и клапан постепенно закроется. Система вся прогреется и будет готова к обеспечению потребителей горячей водой.
Шаг 3. Начало интенсивного водоразбора (в цеху закончилась смена и все пошли в душ / закончился технологический процесс и началась мойка оборудования). Объем воды в трубах совсем небольшой, и за считанные секунды вся теплая вода уходит через кран потребителя. Вместо нее резко идет холодная. Датчик температуры (3) с запаздыванием несколько секунд докладывает регулятору температуры (2) о понижении, и тот дает сигнал клапану (1) открыться. Привод открывает клапан. Разумеется, этот процесс также занимает время. Но оно уже вышло – потребители начали получать холодную воду. Поскольку температура воды снизилась быстро и сильно отличается от уставки – клапан открывается полностью и провоцирует очень интенсивный нагрев. Но потребитель о нем еще ничего не знает…
Шаг 4. Температура воды быстро растет, через полминуты выскакивает за уставку и продолжает расти. Разумеется, автоматика реагирует, но поздно – температура уже выросла и потребители вместо теплой воды получили слишком горячую. Клапан получает новую команду – закрыться. И все повторяется. Типичный колебательный процесс.
Конечно, ПИД-регулятор реагирует адекватно, и если водоразбор не меняется продолжительное время, то колебания успокаиваются. Но характер систем ГВС таков, что потребление воды часто может меняться в любую сторону и колебания температуры продолжаются. Пар очень быстро нагревает воду в скоростных теплообменниках. Это одновременно и плюс – потребители быстро получат горячую воду. И минус – на выходе происходят колебания температуры.
Не секрет, что регулирующие клапаны подбираются с запасом по пропускной способности. Таким образом, паровые клапаны практически всегда переразмерены.
Если давление пара источника нестабильное, а это тоже частая ситуация, то инженер, подбирающий клапан, разумеется, себя обезопасит. Он подбирает Kvs клапана, исходя из пессимистичного прогноза, то есть минимально рабочего перепада давления и максимального рабочего расхода пара. Учитывая традицию принимать запас по мощности, порой регулирующие клапаны переразмерены в два, три или четыре раза. Представляете, как быстро такой клапан сможет ускорить прирост температуры за короткое время. Это проблема. Двигаемся далее. Быстрый рост нагрузки, так же как и ее снижение, провоцирует обводнение теплообменника конденсатом. Если смена нагрузки происходит быстро, то конденсатоотводчик не успевает так же быстро вывести конденсат и теплообменник не может снова быстро разогнаться. Особенно обводнение конденсатом характерно для конденсатопроводов, имеющих противодавление. В таком случае колебания температуры просто гарантированы! Процесс довольно прост: когда регулирующий клапан прикрывается настолько, что давление за клапаном сравнивается с противодавлением в конденсатопроводе, конденсат уже не может уходить и теплообменник затапливается. Раз он затапливается, то поверхности теплообмена уже недостаточно для нагрева и вода перестает нагреваться. Автоматика реагирует только тогда, когда температура воды идет вниз. Клапан открывается, давление в теплообменнике растет, и конденсат начинает уходить. Но время уже упущено – колебание температуры произошло. Обводнение конденсатом влечет и следующую проблему – гидроудары в конденсатной линии. Во время отвода конденсата, если холодный конденсат резко сменяет горячий и наоборот, в конденсатопроводе происходят гидроудары.
Решение проблемы колебаний температуры имеет несколько вариантов. Разумеется, схема на рис. 1 – это просто частный случай. Она не может и не должна применяться всегда и везде.
Вариант 1 – применение емкостных подогревателей (рис. 3). Это надежный способ избежать колебаний за счет большого объема накопленной горячей воды. Емкости должно быть достаточно, чтобы покрыть пиковый водоразбор. Такие системы требуют большого пространства, наличия емкости из нержавеющей стали, находящейся под давлением сетевой воды. Если же применить емкость атмосферного типа, то потребуются повысительные насосы и множество дополнительных затрат на автоматизацию и управление. Такие системы практически не применяются в настоящее время и давно уже считаются устаревшими.
Вариант 2 – применение скоростных подогревателей совместно с емкостями (рис. 4). Похожий на предыдущий вариант с той разницей, что обслуживание и эксплуатация несколько проще за счет более гибкого набора компонентов. Отдельные теплообменник и емкость легче отремонтировать, обслужить, заменить, нарастить мощность. Недостатки все те же – громоздкость и наличие множества насосов и трубопроводной арматуры для полноценной эксплуатации.
Вариант 3 – установка SteamAqua (рис. 5). Это совершенно иной уровень техники и технологий, который и рядом не стоит с предыдущими вариантами. Кожухотрубный теплообменник работает на порядок дольше любого пластинчатого аппарата и не требует такого же частого обслуживания. Он дешевле в эксплуатации в несколько раз. В ряде случаев такие аппараты работают по 10 и более лет без ремонта и обслуживания. Емкость для промежуточного хранения воды не требуется. Система автоматики и обвязка теплообменника позволяют получать горячую воду без колебаний на всех режимах. От быстрого старта до полного останова. А также при частых и резких колебаниях расхода воды. Процент открытия регулирующего клапана адаптируется к максимальному рабочему расходу и даже при резком всплеске нагрузки. Клапан не откроется больше, чем необходимо, и его переразмеренность ликвидируется настройками автоматики. Система преднагрева воды отводимым конденсатом существенно снижает риски перегрева воды на старте и на переходных режимах. За счет преднагрева вода на входе в основной теплообменник имеет заранее более высокую температуру. Средства быстрого захолаживания теплообменника после полного прекращения расхода в свою очередь позволяют избежать перегрева теплообменника. Остатки пара после закрытия парового клапана конденсируются за счет обратного потока холодной воды через теплообменник, а не за счет уже нагретой воды. Обводнение теплообменнику не грозит, так как на выходе установлен перекачивающий конденсатоотводчик. Он не позволяет теплообменнику обводняться конденсатом никогда, даже при наличии высокого противодавления в конденсатной линии. Это по-настоящему совершенная система нагрева воды для ГВС, занимающая пространство чуть больше современного двухкамерного холодильника и проходящая в стандартный дверной проем. Другими словами, SteamAqua – это простой и универсальный узел, лишенный проблем, присущих большинству типовых решений.
Опытные пользователи уже давно поняли, что дешевле установить систему заводской готовности, чем проектировать, закупать, монтировать, испытывать и налаживать вновь разработанную систему ГВС. В первом случае время ввода в эксплуатацию в два раза короче. Затраты на ведение проекта минимальны. Не требуется контроль многочисленных подрядчиков. Следовательно, и риски ошибок на всех этапах работ исключены.
Существует много разных причин для оправдания применения явно устаревших и приносящих прямые убытки, особенно в длительной перспективе, технических решений. Тем более, применения одного решения, также из прошлого века, для всех случаев, где необходима система нагрева воды для ГВС. Но большая часть таких причин снимается грамотным техническим и экономическим подходом.
Системы заводской готовности малых мощностей – это и есть то будущее инженерных систем. А главное – это простое и быстрое решение ваших проблем с системами ГВС. Компактные готовые решения способствуют внедрению современной трубопроводной арматуры. Например, рынок паровых регулирующих клапанов со встроенным сепаратором, фильтром и конденсатоотводчиком (рис. 5) довольно сложен. Мало кто готов повсеместно их применять по причине того, что на один такой клапан есть два десятка предложений традиционных регулирующих клапанов. В компактных установках отлично находят применение и универсальные гибридные клапаны, и перекачивающие конденсатоотводчики, которые нечасто встретишь на заводах. Современные технологии не где-то там далеко. Они уже здесь и сейчас.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, № 1 (63)
