Blokové kotolne eliminujú problémy vykurovacích sústav

Výhody blokovej kotolne sa využili aj pri rekonštrukcii a modernizácii tepelného hospodárstva v Modre, ktoré malo technologické vybavenie výrobných a distribučných zariadení ešte zo 70. a 80. rokov minulého storočia. 

Vykurovacie sústavy bývajú počas prevádzky v rozličných fázach korózie či zanesenia vodným kameňom a koróznymi produktmi. Stav rozvodov v stenách objektov je potom často veľkou neznámou, takže nemožno zaručiť priechodnosť ani dostatočnú plynotesnosť sústav.

Aplikácie v rozsiahlych vykurovacích sústavách prinášajú aj problémy s dodržaním požadovanej kvality obehovej vody a technologickej disciplíny pri údržbe týchto sústav. Preplachovanie a výmena vody v sústave pri inštalácii nových zdrojov tepla prináša so zväčšujúcim sa objemom sústavy problém s nákladmi aj prevádzkovými prestojmi, a to často s neuspokojivým výsledkom.

Blokové kotolne

Vhodné a technicky čisté riešenie, ktoré rieši uvedené problémy, predstavujú blokové kotolne s tlakovým oddelením zdroja tepla a vykurovacej sústavy. Na strane zdrojov tepla obieha veľmi malé množstvo vody, ktorá má konkrétne a jednoducho udržateľné zloženie. Oddelením kotlového okruhu sa zároveň zabezpečí maximálna možná ochrana kotlov. Medzi výhody tohto riešenia možno počítať, že:

• je zaistená plynotesnosť primárneho rozvodu, ktorá sa dá udržať oveľa jednoduchšie než pri objemnej sústave,
• úprava vody pri malom objeme kotlového okruhu a doskového výmenníka tepla si vyžaduje minimálne náklady a je prevádzkovo nenáročná,
• teplota dosiek výmenníka tepla nepresahuje 90 °C; výmenník sa minimálne zanáša na sekundárnej strane nečistotami z vykurovacej sústavy, pričom táto strana sa môže kedykoľvek vyčistiť chemicky recirkuláciou a nemusí sa pritom vypustiť obehová voda či odstaviť vykurovacia sústava,
• nedochádza k chemickej reakcii s materiálom kotlov vo vodnom roztoku obehovej vody,
• vo vykurovacej sústave sa môžu používať akékoľvek inhibítory korózie a chemické prísady bez rizika poškodenia materiálu teplovýmenných plôch kotlov pri vysokých teplotách.

Blokové kotolne predstavujú kompletné technologické zariadenia na výrobu tepla, ktoré sú pri skompletizovaní v blokoch vhodné aj do mobilných kontajnerov. Sú plnoautomatické, s integrovaným veľkoplošným horákom, riadené na báze procesorových zosieťovaných jednotiek, pričom komunikácia s obsluhou prebieha cez internet. Použitím ostatných technologických členov s podobnou výbavou (čerpadlá, servoventily…) možno celý technologický proces riadiť a dozorovať na diaľku prostredníctvom internetu, a to z ktoréhokoľvek miesta na Zemi. Na nevyhnutnú miestnu kontrolu postačuje obsluha s minimálnym zaškolením.

Modernizácia tepelného hospodárstva v Modre

Aj mesto Modra sa rozhodlo využiť takéto riešenie kotolne. Tepelné hospodárstvo v Modre je riešené centrálnym zásobovacím systémom, ktorý pozostáva z piatich blokových kotolní do výkonu 2 MW. Od roku 2007 spravuje výrobu a distribúciu tepla a teplej vody v meste mestská spoločnosť TEPLO MODRA, s. r. o. Technologické vybavenie výrobných a distribučných zariadení pochádza zo 70. a 80. rokov minulého storočia. Súčasná distribučná sieť je štvorrúrková, s centrálnou prípravou vody. Kotolne sú umiestnené priamo v centrách sídlisk, pričom časť teplovodov vedie v suterénnych priestoroch podľa koncepcie z 80. rokov.

Rekonštrukčné práce na Výmenníkovej stanici II – sídlisko Leopoldov, pohľad z exteriéru

Z analýz tepelného hospodárstva v rokoch 2004 až 2014 vzišiel návrh na riešenie postupnej modernizácie s finančným plnením tak, aby výsledná cena tepla týmito investíciami zásadne nevzrástla a v horizonte štyroch až piatich rokov začala klesať. To znamenalo potrebu prudkého zvýšenia účinnosti výroby v kotolniach z hodnoty 0,87 na hodnotu 0,96, ktorá by skompenzovala rast fixnej zložky vplyvom investovaných peňazí (odpisy, úroky). Rozhodujúce odporúčania potom vyplynuli z týchto požiadaviek:

1. Nemeniť technickú koncepciu zásobovania teplom, keďže mesto sa nachádza v pásme veľmi tvrdej vody s nižšou hodnotou pH, ktoré vytvára korozívne produkty v rúrach. Tie následne po zmiešaní s tvrdou vodou tvoria pevné nánosy na stenách rúr. V prípade prechodu na dvojrúrkový systém by sa výrazne zvýšili prevádzkové náklady na údržbu zariadení prípravy teplej vody.
2. Použiť nové moderné kondenzačné kotly s oddeľovacím výmenníkom miesto hydraulického vyrovnávača tlaku. Modernizácia vykurovacích sústav priamo v domoch prináša do tlakového systému ÚK kombináciu rôznych materiálov od železa cez farebné kovy až po plasty. Táto materiálová skladba vytvára vysoké nároky na udržovanie kvality vody z pohľadu tvrdosti, vodivosti a zužuje pásmo prípustného pH vody.
3. Budúce technologické riešenie kotolne musí byť v koncepcii po blokoch. Túto podmienku bolo nevyhnutné dodržať, aby sa modernizácia mohla riešiť po etapách bez zbytočných provizórnych zapojení, ktoré vytvárajú ďalšie náklady.
4. Všetky technické zariadenia musia umožňovať diaľkovú správu prostredníctvom internetu z dôvodu zníženia nákladov na servis a opravy.

Súčasťou analýzy bol aj časový a investičný rozvrh, vplyv na cenu tepla pre odberateľov sa riešil v ekonomickej časti. V prvej fáze sa muselo pristúpiť k modernizácii zdrojov, v ktorých klesol pôvodný inštalovaný príkon 3 MW po hromadnom znížení vykurovacieho príkonu v obytných domoch na súčasnú požadovanú hodnotu – v priemere 1,5 MW.

Rekonštrukčné práce v kotolni Majolika II, stav s pôvodným kotlom

Začiatkom roka 2015 vykonala spoločnosť TEPLO MODRA, s. r. o., trhový prieskum na dodávku príslušných technologických blokov a na ich realizáciu. Na základe technických a cenových ponúk padlo rozhodnutie pre zariadenia spoločnosti Wolf Slovenská republika, s. r. o., ktorá má vo svojom výrobnom portfóliu takmer celý sortiment zariadení používaných v koncepcii blokových teplovodných kotolní. Základné zdrojové zariadenia (kotly a kotlové bloky) sú koncipované ako autonómne jednotky s vlastnou procesorovou reguláciou. Na mieste inštalácie sa pri montáži pripájajú na blok už len jednotlivé médiá, takže možno začať hneď so skúšobnou prevádzkou.

„Skladačkový“ systém je vybavený internetovým rozhraním, pripojiteľným na centrálny web spoločnosti Wolf alebo na nadradený riadiaci systém s prístupom cez diaľkovú správu. Kotlovú blokovú zostavu možno vyskladať až do výkonu 5 MW. Spravidla sa odporúča doplniť dvojblok o tretí kotol, aby sa splnili potreby letnej prevádzky, spoločne s pripojením bloku prípravy teplej vody priamo do primárneho kotlového okruhu.

V kotolniach v Modre sú ešte ďalšie zariadenia dodávané ako bloky – blok úpravy vykurovacej vody spolu s úpravou vody na vstupe do ohrevu teplej vody a s posilňovacím tlakovým čerpadlom –, keďže sídliská obsahujú aj 13-podlažné výškové bytovky. Distribúcia vykurovacej vody do sídliskových vetiev je riešená ako samostatný blok s integrovanou reguláciou, spravidla s dvomi samostatnými vetvami.

Výmena zdroja tepla v kotolni Majolika II

Realizácia sa začala v druhej polovici roka 2015 riešením akútnych poruchových stavov prípravy teplej vody a expanzných systémov, v ďalšom roku sa osamostatnila jediná výmenníková sídlisková stanica osadením takto koncipovaného technologického systému na samostatný zdroj. Súčasne sa na pôvodnom zdroji tepla, z ktorého sa primárnym teplovodným kanálom zásobovala táto odovzdávacia stanica, pristúpilo k náhrade jedného 40-ročného teplovodného kotla technologickým kotlovým dvojblokom (zatiaľ iba s jedným kotlom, druhý kotol sa doplní v ďalšom roku).

Požiadavka na vybavenie zariadení na diaľkovú správu priniesla predovšetkým skrátenie času ostrého nábehu nového zariadenia do prevádzky na minimum. Nevyhnutné odstávky boli iba niekoľkohodinové, a to za plnej vykurovacej prevádzky aj v decembri.

Riadiace systémy sú vybavené internetovým webovým a komunikačným rozhraním, ktoré umožňuje zmenu parametrov priamo pri zariadení cez tablet, diaľkovo internetom z centrálnej miestnosti obsluhy alebo servisným pracovníkom výrobcu, prípadne programátorom z hociktorého miesta s prístupom na internet. Súčasťou je aj pripojenie na centrálne servery dodávateľa.

Nový zdroj tepla v kotolni Majolika II

Zaškolenie kuričov a zapojenie riadiacich pracovníkov do informačného systému prebiehalo postupne, najmä však bez zbytočnej novej technológie, ktorá by si vyžadovala iné ako zaužívané postupy riadenia. Na diaľku bude prebiehať aj identifikácia príčin porúch, čím sa výrazne znížia náklady a čas na servis.

Kotolňu ako celok (t. j. blokovú kotolňu) dodávala firma BYTAS, s. r. o., z Trenčína. Riešenie je koncipované na báze kotlových jednotiek WOLF MGK-2 v zapojení s rozoberateľným doskovým výmenníkom na tlakovo nezávislé oddelenie kotlového okruhu od sekundárneho okruhu spotrebiteľskej siete. Vo Výmenníkovej stanici II sú osadené dva zdroje WOLF MGK-2-630 KW, v kotolni Majolika II je tepelný zdroj WOLF MGK-2-1000 kW.

Prevádzkovateľ a investor sa môže spoľahnúť na:

• rovnakú účinnosť kotlov počas ich celej životnosti, 
• dlhšiu životnosť kotlov s malým objemom primárnej obehovej vody, pri ktorej sa sledujú dovolené parametre; zvýšenie prevádzkovej spoľahlivosti, 
• zníženie variabilných prevádzkových nákladov (nižšie náklady na údržbu vody v sústave, nižšie náklady znížením spotreby elektrickej energie, nižšie náklady vďaka udržaniu stálej účinnosti, nižšie náklady vďaka účinnej regulácii),
• zvýšenie účinnosti systému osadením obehového čerpadla riadeného kotlom podľa množstva vyrobeného tepla.

Technické riešenie

Samostatný tlakovo oddelený okruh zdroja tepla

Kotlový okruh je vybavený v poistnom úseku poistným ventilom, odvzdušňovacou armatúrou a hrdlami na pripojenie snímačov tlaku – všetko je združené v poistnej skupine. V potrubí spiatočky je nainštalované kotlové čerpadlo s riadením otáčok podľa výkonu kotla alebo na konštantný teplotný spád. V poistnom úseku kotla je ďalej vypúšťacia armatúra a pripojenie na ochrannú expanznú nádobu kotla.

Kotol je vybavený uzatváracími armatúrami, v prípade viacerých kotlov v kaskáde pripojených na spoločný oddeľovací výmenník aj spätnou klapkou vo výstupe každého kotla. Potrubný rozvod je pripojený cez uzatváracie armatúry na primárnu stranu doskového výmenníka tepla. Potrubia sú v prívode aj v spiatočke vybavené priamymi teplomermi. Prietok na sekundárnej strane oddeľovacieho výmenníka tepla zabezpečujú obehové čerpadlá vykurovacej sústavy.

Kotly sú riadené kaskádovým modulom Wolf KM‐2. Pri použití kompletného systému WOLF WRS-2 je pod kontrolou celá sústava a výkon kaskády je regulovaný podľa požiadaviek sústavy. Ak sa vyžaduje riadenie nadradeným systémom, rozhraním medzi kotlami a nadradeným systémom je modul KM-2, ktorý prijíma napäťový signál 0 ‒ 10 V z nadradenej regulácie. Na základe tohto signálu reguluje potrebný výkon alebo teplotu kotlov v kaskáde. Modul KM‐2 riadi kotly v kaskáde na základe servisného nastavenia parametrov.

Samostatným zariadením je demineralizačná úpravňa vody pre primárny okruh. Kapacita úpravne je daná objemom ionexovej náplne potrebnej na prvé naplnenie primárneho okruhu a úpravu minimálne jedného objemu náplne vody. Používa sa jednoduchý demineralizačný filter s armatúrami, pohotovostným meradlom vodivosti a vodomerom.

Okruh odovzdávania tepla

Výmenníky tepla na oddelenie kotlového okruhu sú navrhnuté tak, aby sekundárna strana mala čo najnižší odpor a minimálne ovplyvňovala čerpaciu prácu čerpadiel vykurovacích okruhov. Ďalším dôležitým parametrom je rozdiel teplôt medzi primárnou a sekundárnou stranou výmenníka, ktorý by nemal prevyšovať 3 až 5 K. Sekundárna strana výmenníka tepla sa pripája cez výstup vykurovacej vody na rozdeľovač a cez vstup vratnej vody na zberač. Odbočky na sekundárnej strane výmenníka umožňujú cirkulačné čistenie výmenníka bez odstávky sústavy. Vykurovacia sústava využíva jestvujúci expanzný systém a musí byť vybavená poistným zariadením.

Uvedenie do prevádzky a optimalizácia

Na dosiahnutie optimálnej prevádzky sa musí vykonať základné nastavenie kotla (kotlov) – ide najmä o hraničné teploty a výkony, hranice výkonu čerpadla a nastavenie modulu KM-2. Primárny prietok sa reguluje podľa výkonu kotla na konštantný teplotný spád, prípadne lineárne s výkonom kotla. Režim sekundárnej strany výmenníka tepla stanovujú čerpadlá vykurovacích okruhov. Ak sa nepoužijú regulované čerpadlá, je potrebné systém hydraulicky vyvážiť a zabezpečiť potrebný prietok sekundárnej strany.

Sledovanie prevádzky

Na zabezpečenie optimalizačných procesov a sledovanie prevádzky je určený modul ISM7, ktorý priamo komunikuje s regulačným systémom WOLF WRS-2 až po hladinu parametrov kotlov a regulátorov. Modul sa používa na diaľkové sledovanie a okamžitú optimalizáciu prevádzky. Na pripojenie postačuje len aktívny router v mieste inštalácie, možné je aj pripojenie na router káblom alebo prostredníctvom WiFi. Jednou zo silných zbraní modulu ISM7 je generovanie priebehov vybraných veličín v čase a tvorba grafov.

Čo presvedčilo investora?

„Inštaláciou moderných kondenzačných kotlov sme ušetrili inštalačnú plochu, riešenie s oddeleným výmenníkom umožní lepšie optimalizovať prevádzku, znížia sa prevádzkové variabilné náklady a zabezpečí sa vyrovnaná účinnosť kotla. Diaľkový dohľad znižuje aj požiadavky na obsluhu kotolne.

Samozrejme, očakávame značnú finančnú úsporu. Vzhľadom na to, že rekonštrukcie prebiehali pred koncom roka 2016, prvé čiastočné relevantné údaje sa ešte len zbierajú. Ušetrené finančné prostriedky by sme chceli investovať v budúcnosti do rekonštrukcie rozvodov tepla, kde prichádza k najväčším únikom, a poskytnúť tak obyvateľom Modry efektívne vykurovanie.“

Mgr. art. Jakub Liška, MRes, konateľ TEPLO MODRA, s. r. o.

Článok vznikol v spolupráci so spoločnosťami Wolf Slovenská republika, s. r. o., BYTAS, s. r. o., Trenčín a TEPLO MODRA, s. r. o.
Foto: spolupracujúce firmy

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 3/2017.