Automatyka/elektronika w systemach ogrzewania cz.6 - Parametry kotła a proces spalania

Z doświadczenia autora wynika, że wiele osób, nie posiadając dostatecznej wiedzy, próbuje samodzielnie modyfikować kluczowe parametry sterowników, a hasła serwisowego do kontrolera szukają w Internecie. Jest to działanie co najmniej bardzo nieodpowiedzialne.

Ustawienia rozpalania w systemie ogrzewania

Nastaw rozpalania nigdy nie należy modyfikować samodzielnie. Jak wcześniej wspomniano, zbyt duża dawka paliwa użyta do rozpalania grozi wytworzeniem dużej ilości gazów palnych i wybuchowym spalaniem. Efekt ten występuje w przypadku używania jako paliwa drewna i jego pochodnych, wytwarzających dużą ilość gazów palnych podczas podgrzewania.

Grzałka (zwana też zapalarką) służy do wytwarzania ciepła potrzebnego do zapalenia paliwa. Nieprawidłowy dobór czasu pracy znacznie przyczynia się do skrócenia jej żywotności. Przy prawidłowo dobranych parametrach kocioł wyposażony w palnik z automatycznym podawaniem paliwa jest urządzeniem całkowicie bezpiecznym. Nastawy rozpalania ukrywane są przez producentów w menu serwisowym, zabezpieczonym odpowiednim hasłem. Przykładowa konstrukcja palnika pelletowego pokazana jest na fotografii 1.

Fot.1 Przykładowa konstrukcja palnika pelletowego

Normalna praca palnika na pellet

Po zakończeniu rozpalania palnik przechodzi do trybu pracy, gdzie jego zadaniem jest efektywne wytworzenie energii cieplnej. Wielu producentów umożliwia modyfikację parametrów pracy palnika. Związane jest to z dużą zmiennością parametrów paliw dostępnych na rynku oraz wpływu na proces spalania takich czynników jak przekrój i wysokość komina (wartość ciągu kominowego).

Producenci kotłów dostarczają własne, wstępnie dobrane nastawy czasów podawania i przerwy podawania paliwa. Użytkownik kotła pelletowego ma najczęściej jedynie możliwość korekcji wydajności podajnika i (lub) wentylatora w ograniczonym zakresie. Znacznie szersze możliwości regulacji parametrów pracy kotła użytkownik ma zwykle w przypadku kotłów retortowych, spalających węgiel. Jest to związane z dużą zmiennością parametrów tego paliwa. Na fotografii 2 widać różne gatunki pelletu.

Fot.2 Różne gatunki pelletu

Pokazane na zdjęciu pellety różnią się wyraźnie wartością opałową i materiałem, z którego zostały wykonane, np. pellet oznaczony numerem dwa zawiera dodatek wytłoków z nasion słonecznika. W przypadku, gdy palnik może spalać różne rodzaje paliw, producenci umożliwiają wybór zastosowanego paliwa. Wybranemu paliwu przypisane są odpowiednie strumienie paliwa i moce nadmuchu.

Pierwszą czynnością, jaką powinniśmy wykonać po zainstalowaniu kotła, jest określenie wydajności podajnika paliwa. Czynność tę wykonuje zwykle serwisant podczas pierwszego uruchomienia kotła. W przypadku, gdy nie była ona wykonana, możemy ją wykonać samodzielnie. Wydajność podajnika wyznacza się, uruchamiając podajnik na określony czas i mierząc masę przetransportowanego paliwa.

Większość obecnie produkowanych regulatorów ma odpowiedni wizard (program pomocniczy do konfiguracji) uruchamiany podczas pierwszego włączenia kotła lub wywoływany na żądanie, który wylicza wydajność podajnika, a po podaniu kaloryczności paliwa wylicza automatycznie strumień paliwa wymagany do osiągnięcia zadanej mocy palnika.

Wyznaczenie wydajności podajnika pozwala również obliczyć aktualne zużycie paliwa oraz oszacować jego poziom w zasobniku. Kalibracja wydajności podajnika jest niezbędna, gdyż jego wydajność – a tym samym strumień paliwa – zależy od wielu czynników, takich jak granulacja, rodzaj użytego paliwa, a w przypadku kotłów z zewnętrznym podajnikiem nawet od kąta nachylenia podajnika.

Ilość ciepła, jaką może wytworzyć kocioł, zależy od sprawności palnika, strumienia paliwa i jego kaloryczności, strumienia powietrza oraz sprawności wymiennika.

Sposoby podawania paliwa (pelletu)

Najczęściej stosuje się dwa sposoby podawania paliwa. W pierwszym z nich definiujemy czas całego cyklu (sumę czasu podawania i czasu przerwy). Kontroler automatycznie wylicza czas podawania paliwa i przerwy, aby „zmieścić się” we wcześniej założonym czasie cyklu.

W drugiej metodzie czas podawania jest stały (ustawiony przez serwisanta), a czas przerwy jest zmienny. Czas cyklu jest wtedy sumą tych wartości. W każdym wypadku ważne jest, by nie stosować zbyt dużych przerw pomiędzy poszczególnymi podaniami kolejnych dawek paliwa, gdyż powoduje to dużą zmienność chwilowych parametrów palnika ze względu na nadmierne wypalanie się paliwa w palniku.

Autor ustawia zwykle czas pomiędzy podaniami kolejnych dawek paliwa do 20s w przypadku podajników pelletowych, a do 40 sekund w przypadku palników retortowych. Lepsze rezultaty uzyskuje się, stosując krótsze czasy przerwy pomiędzy podaniem kolejnych dawek paliwa.

Najczęściej stosuje się trzy tryby/metody regulacji mocy kotła.

Tryby/metody regulacji mocy kotła

W pierwszym z nich kocioł pracuje ze stałą mocą bez względu na zapotrzebowanie na ciepło. Palnik pracujący w tym trybie również jest najprostszy w regulacji, musimy znaleźć jedynie wartość wydajności wentylatora, pozwalającą na jak najlepsze spalanie paliwa. Niekorzystna jest zarówno zbyt mała ilość powietrza użyta w procesie spalania, jak i zbyt duża jego objętość. W obu wypadkach obserwuje się pogorszenie sprawności spalania.

W praktyce znacznie bardziej niekorzystny jest zbyt mały strumień powietrza. Praca palnika ze stałą mocą pozwala uzyskać największą sprawność palnika. Średnia moc, z jaką pracuje kocioł, zależy od stosunku czasu pracy i przerwy pracy palnika. Ten tryb regulacji zasadniczo stosowany jest tylko w przypadku kotłów węglowych.

W dwóch następnych metodach regulacji mocy, kocioł pracuje z regulowaną mocą, zależną od zapotrzebowania na ciepło. Aktualne zapotrzebowanie na ciepło wyliczane jest najczęściej za pomocą algorytmu PID. Zakres regulacji mocy palnika wynosi zwykle 3 do 1. W praktyce trudno jest uzyskać szerszy zakres regulacji mocy palnika bez znaczącego pogorszenia jego sprawności.

Każdej mocy kotła – strumieniowi paliwa przypisany jest odpowiedni strumień powietrza/wydajność wentylatora. W przypadku kotłów z płynnie regulowaną mocą musimy określić wydajność wentylatora dla różnych wartości strumieni paliwa. W praktyce optymalną moc wentylatora określa się dla kilku poziomów mocy palnika, a dla pozostałych mocy wydajność wentylatora jest wyliczana na zasadzie interpolacji.

W trzeciej ze stosowanych metod regulacji mocy palnika stosuje się kilkustopniową regulację mocy (w praktyce najczęściej trójstopniową). Gdy różnica między temperaturą zadaną a aktualną jest duża, palnik pracuję z mocą maksymalną, gdy różnica zmniejsza się, palnik pracuje na mocy pośredniej, gdy różnica temperatur zadanej i mierzonej jest mała, palnik pracuje z mocą minimalną.

W metodzie tej musimy określić jedynie trzy nastawy wentylatora, odpowiadające kolejno mocy maksymalnej, pośredniej i minimalnej oraz wartość różnic temperatur zadanej i mierzonej, dla których następuje przełączenie między kolejnymi poziomami mocy.

Nie ma możliwości określenia na drodze teoretycznej wymaganego strumienia powietrza (nastawy wentylatora) dla określonej mocy palnika zapewniającej optymalne spalanie. Nastawa wentylatora, dla poszczególnych mocy palnika, zależy bardzo silnie od konstrukcji palnika, zastosowanego układu sterowania wentylatorem oraz charakterystyki samego wentylatora oraz jak wcześniej wspomniano, wartości ciągu kominowego.

Rys.3 Przykładowa wyznaczona optymalna charakterystyka emisji CO palnika (i stężenie tlenu)

Podstawowym kryterium jakości spalania jest jak najniższe stężenie tlenku węgla w spalinach. Minimum emisji tlenku węgla pokrywa się z maksymalną sprawnością palnika. Różnym mocom palnika odpowiadają różne możliwe do otrzymania minimalne stężenia tlenku węgla w spalinach. Ze spadkiem mocy palnika obserwuje się zwykle wzrost stężenia tlenku węgla i poziomu tlenu w spalinach oraz niecałkowite spalanie paliwa. Różnym wartościom mocy palnika odpowiadają również różne optymalne stężenia tlenu w spalinach.

Przykładową wyznaczoną optymalną charakterystykę emisji CO palnika, wraz z odpowiadającym mu stężeniem tlenu w spalinach dla różnych mocy palnika, pokazano na rysunku 3. Kolorem czerwonym narysowany jest wykres stężenia CO w spalinach (wartości stężeń CO w ppm pokazane są na lewej osi x), kolorem niebieskim narysowany jest wykres stężenia tlenu w spalinach (wartości stężeń tlenu pokazane są na prawej osi x). Zależność tę wykorzystuje się do regulacji nadmuchu tak, by uzyskać jak najlepsze spalanie.

Fot.4 Efekty zbyt dużego strumienia paliwa w stosunku do strumienia powietrza

Efekty zbyt dużego strumienia paliwa w stosunku do strumienia powietrza podczas spalenia pelletu w palniku pelletowym (wrzutkowym) widać wyraźnie na fotografii 4, na dnie komory spalania widoczne są resztki niedopalonego pelletu a na krawędzi palnika jest niedopalone paliwo. Na fotografii 5 pokazano dla odmiany prawidłowo przebiegający proces spalania węgla w kotle retortowym.

Kupując kocioł na pellet, warto wybrać taki kocioł, w którym zastosowany jest regulator z sondą lambda lub mamy możliwość jej dokupienia w późniejszym terminie. W przypadku braku możliwości dokupienia sondy lambda można samodzielnie zoptymalizować pracę palnika, mierząc stężenie tlenku węgla w spalinach lub czynność tę może wykonać serwisant kotła. Projekt analizatora spalin zostanie opublikowany na koniec tego cyklu.

Fot.5 Prawidłowo przebiegający proces spalania węgla w kotle retortowym

Wygaszanie i czyszczenie palnika w kotle pelletowym

Proces wygaszania i czyszczenia kończy proces wytwarzania ciepła przez palnik. Procedury te stosowane są praktycznie wyłącznie w przypadku kotłów pelletowych. W przypadku gdy przewidujemy możliwość używania pelletu gorszego jakościowo, warto zakupić kocioł z mechanicznym czyszczeniem palnika, a nie tylko za pomocą nadmuchu wentylatora.

Nastaw wygaszania i czyszczenia umieszczonych w menu serwisowym nie należy modyfikować samodzielnie, gdyż może to spowodować złą pracę palnika. Powstały po spalaniu pelletu popiół w przypadku jego nieusunięcia z palnika w procesie czyszczenia pogarsza proces spalania. W przypadku czyszczenia palnika tylko za pomocą wentylatora czas między poszczególnymi czyszczeniami nie może być zbyt długi, gdyż powstała gruba warstwa popiołu jest trudna do usunięcia tylko za pomocą nadmuchu.

Warto również co pewien czas wizualnie ocenić stan palnika i w razie potrzeby oczyścić go ręcznie. Efekty źle dobranego czasu między czyszczeniami palnika widać na fotografii 6, na fotografii 7 pokazany jest ten sam palnik po wyczyszczeniu go ręcznie. W przypadku niektórych regulatorów w menu użytkownika jest możliwość ustawienia częstości czyszczenia palnika – w zależności od jakości pelletu możemy określić, po jakim czasie ciągłej pracy palnik się wygasi, wyczyści, rozpali i wróci do pracy.

Fot.6 Efekty źle dobranego czasu między czyszczeniami palnika

Fot.7 Palnik po wyczyszczeniu go ręcznie

Nadzór - omówienie trybu kotła

W trybie tym nie ma zwykle możliwości sprawdzenia, czy zachodzi proces spalania. Palnik pracuje w nadzorze z bardzo małą mocą, podtrzymującą jedynie proces palenia. Podstawowym kryterium pracy w nadzorze jest jak najmniejsze zużycie paliwa. W trybie tym nie ma praktycznie możliwości wpływania na parametry spalania. Użytkownik ma najczęściej jedynie możliwość wpływania na odstępy czasu pomiędzy podaniami kolejnych dawek paliwa.

W przypadku kotłów węglowych pracujących w nadzorze bardzo często nie załącza się nawet wentylator. Wystarczającą ilość powietrza do podtrzymania żaru zapewnia sam ciąg kominowy. Kocioł węglowy bardzo często udaje się rozpalić przez wykorzystanie resztek żaru w palniku nawet do kilku godzin po zaniku zasilania. Regułą w przypadku kotłów węglowych jest, że krótsze czasy pomiędzy poszczególnymi podaniami kolejnych dawek paliwa oraz dłuższy czas nadmuchu należy stosować w przypadku węgla o wyższej kaloryczności.

W przypadku kotłów pelletowych czas nadzoru ustawia się tak, by ograniczyć kolejne rozpalania palnika (wydłużając tym samym żywotność grzałki).

Jak działa detekcja braku paliwa w kotle?

Detekcja braku paliwa, w zależności od rozwiązania zastosowanego przez producenta regulatora, może opierać się na wykryciu płomienia (detekcja optyczna) lub pomiarze temperatury wody lub spalin. W przypadku gdy regulator błędnie wykrywa brak paliwa, należy wydłużyć czas detekcji braku opału.

Najkrótsze czasy detekcji braku opału stosuje się w przypadku detekcji optycznej, rzędu maksymalnie pojedynczych minut, nieco dłuższe przy detekcji wykorzystującej temperaturę spalin. Najdłuższe, sięgające nawet kilkunastu minut, przy detekcji opartej na pomiarze temperatury wody w płaszczu grzejnym kotła.

Ochrona temperatury powrotu - czemu się ją stosuje?

W kotłach stosuje się układy zapewniające minimalną temperaturę powrotu – ma to za zadanie zapobiegać kondensacji wody i ograniczyć korozję kotła. Z tego samego powodu producenci ograniczają minimalną temperaturę zadaną, jaką można ustawić na kotle.

Do ochrony powrotu kotła najczęściej stosuje się zawór czterodrogowy lub rzadziej pompę przewałową. Brak zainstalowanego układu ochrony temperatury powrotu powoduje najczęściej unieważnienie gwarancji na kocioł. Wybór zastosowanego układu ochrony powrotu dokonuje się w menu serwisowym.

Podwyższenie temperatury zadanej

Parametrem tym ustawia się podwyższenie temperatury zadanej kotła względem temperatury obiegu zgłaszającego żądanie grzania. Nie ma możliwości nagrzania odbiornika do wymaganej temperatury, jeśli ustawimy zbyt niską wartość temperatury podwyższenia. W praktyce najczęściej wartość tę ustawia się na poziomie między 5 a 10 stopniami Celsjusza.

Regulacja temperatury w kotłach stałopalnych

W najprostszych kotłach stałopalnych regulacja odbywa się jedynie przez określenie zadanej temperatury wody w kotle, a wentylator pracuje ze stałą mocą, niezależną od temperatury kotła. W przypadku bardziej zaawansowanych algorytmów regulator stara się utrzymać zadaną temperaturę wody, spalin albo wody i spalin, modulując płynnie moc wentylatora w określonych granicach.

W trybie nadzoru regulator uruchamia wentylator na krótki czas co określony czas (przedmuchy). Praca kotłów stałopalnych w nadzorze jest jednak bardzo nieefektywna. Kryterium jakości spalania w kotłach stałopalnych jest jak najniższa sumaryczna emisja tlenku węgla za cały okres palenia, przy jednocześnie jak najniższej wartości stężenia tlenu w spalinach.

Ręczne sterowanie systemem ogrzewania

Funkcja ta pozwala włączyć/wyłączyć każdy element sterowanego układu grzewczego, palnika lub kotła. Pozwala użytkownikowi/ serwisantowi bardzo szybko sprawdzić działanie poszczególnych elementów instalacji/ regulatora. Funkcja ta dostępna jest w menu serwisowym lub w menu użytkownika, zależnie od producenta kotła. Funkcji tej należy używać z bardzo dużą rozwagą, gdyż wyłączone są w niej wszystkie lub prawie wszystkie mechanizmy zabezpieczające.

Czujnik temperatury podajnika/palnika

Czujnik temperatury podajnika/palnika w kotłach pelletowych zapobiega przegrzaniu się palnika, a w kotłach retortowych zapobiega cofnięciu płomienia w palniku. Dokonując jakichkolwiek prac przy kotle, należy zwrócić uwagę, by czujnik ten nie uległ przypadkowemu wysunięciu z tulei, w której jest zamocowany.

Jak i kiedy należy serwisować kocioł?

Przeglądy serwisowe kotła należy wykonywać w okresie letnim lub wczesnojesiennym. Większość użytkowników ignoruje drobne usterki kotła pojawiające się w tym czasie lub nie ma w ogóle możliwości ich zauważenia. Z początkiem sezonu grzewczego serwisanci mają tak dużo pracy, że okres oczekiwania na wizytę wynosi nawet powyżej tygodnia.

Posiadając palnik pelletowy, szczególnie prostszej konstrukcji, warto mieć zapasową grzałkę zapalarki. W wielu konstrukcjach palników jej wymiana jest bardzo prosta i może być wykonana samodzielnie. Grzałka zapalarki jest jednym z najczęściej uszkadzających się elementów palnika pelletowego.

Na zakończenie tej części cyklu autor chce podziękować Kolegom Markowi Malesińskiemu i Łukaszowi Ostaszewskiemu. W następnej części cyklu zajmiemy się „magicznymi” urządzeniami, jakimi są pompy ciepła.