Provozní požadavky na regulační armatury
Z příspěvku je patrné, že na nevhodně vyprojektovaném, a do provozu uvedeném zařízení, se může stát, že pro zajištění požadovaných funkcí již nepomůže ani profese M+R.
Recenzent: Vladimír Galád
1. Úvod
Nejčastější propojení mezi systémy vytápění a větrání je případ zapojení teplovodního zdroje na primární straně a ohřívače vzduchu na straně sekundární.
Návrh soustavy tedy spočívá především ve správném hydraulickém zapojení okruhu otopné vody, na kterém je přímo závislý výkon ohřívače ve vzduchotechnické jednotce. Výchozí údaje pro návrh a dimenzování jsou jednak technické parametry ohřívače (jmenovitý výkon, teplotní spád, tlaková ztráta výměníku na straně vody, atd.), které použijeme v hydraulickém výpočtu, ale v první řadě je třeba zvolit vhodné hydraulické zapojení, které nám umožní přesnou regulaci výkonu výměníku ve vzduchotechnické jednotce. A to především s ohledem na okrajové podmínky, jako je skutečný provoz, potřeba a požadavky uživatele daného objektu popř. místnosti.
Hlavním způsobem, jak předcházet problémům, které nastanou po nákladné instalaci technického zařízení a jejich uvedení do provozu, je ideální projektová spolupráce mezi těmito čtyřmi subjekty (obr. 1).
2. Požadavky na regulační armatury
Jedná se o případ typického směšovacího zapojení, v kterém proudí přes trojcestný regulační ventil příp. klapku konstantní množství vody o různé teplotě dle výstupní teploty vzduchu z ohřívače. Tímto jsme popsali způsob regulace daného okruhu.
V reálné instalaci se jedná o strojovnu vzduchotechniky a chlazení, kde jsou takto sériově zapojeny tři okruhy vzduchotechnických jednotek, určené pro technologii. Jsou zásobovány společným přívodním potrubím s otopnou vodou 80 °C z areálové výměníkové stanice. Dále je na této společné přívodní větvi udržován konstantní diferenční tlak 12 kPa, pomocí čerpadla s plynulou regulací otáček.
Tyto tři vzduchotechnické jednotky pro technologii mají rozdílné výkony (tab. 1).
Hydraulické zapojení těchto tří okruhů je shodné s typovým zapojením na obr. 2, stejně tak použité regulační armatury v příslušných dimenzích a průtokových charakteristikách.
Vzduchotechnika (VZT 1), s velkým průtokem vzduchu a s výkonem pro jeho ohřev 219 kW, slouží pro výměnu vzduchu v laboratoři zkušebny velkých strojů. V těchto podmínkách musí být provedena výměna vzduchu co nejrychleji, protože změna průtoku vzduchu vyvolaná havarijním stavem je otázkou několika sekund. V laboratořích probíhají v průběhu celého roku náročné testy, které můžou být i dlouhodobé, za účelem zjišťování opotřebení strojních komponentů. Z důvodu vzniku spalin při běhu motoru a jejich dovolené maximální koncentrace v ovzduší, musí být výměna vzduchu v laboratoři zajištěna za všech podmínek. Provozovatel tohoto zařízení si však stěžuje na tyto nedostatky:
- Při náběhu, nebo rychlém zvýšení výkonu jednotky, dochází k aktivaci protimrazové ochrany.
- Regulace vzduchotechniky není dostatečné přesná, zejména při nízkých výkonech (přechodná období, vyšší venkovní teplota).
Možnými příčinami mohou na první pohled být:
Add 1)
Instalovaná trojcestná regulační klapka s rychlostí přestavení servopohonu 150 s proporcionálním řízením.
- Doba přestavení klapky 150 s z polohy zavřeno do polohy naplno otevřeno není dostatečně rychlá vzhledem k množství a teplotě vzduchu vstupující do jednotky při náhlém spuštění v případě havarijního stavu. To znamená, že než začne do výměníku proudit dostatečné množství otopné vody o teplotě 80 °C za účelem ohřát studený vzduch, hrozí zamrznutí výměníku při nízkých venkovních teplotách a následně tedy dochází ke spuštění protimrazové ochrany tj. uzavře se přívod venkovního vzduchu a nedochází k potřebné výměně vzduchu ve zkušebně. Probíhající nákladné testy musí být přerušeny.
Add 2)
Opět může být zásadní problém v instalovaném regulačním prvku na straně vody a jeho skutečné charakteristiky při jednotlivých stupních otevření ventilu.
- Už vzhledem k regulačním vlastnostem a schopnostem klapky oproti ventilu, nemůže takto náročné požadavky na provoz a rozsah výkonu daná armatura plnit. Je to dáno jak otáčivým pohybem těla klapky, z toho plyne omezený regulační rozsah, tak i neurčitá regulační charakteristika.
- Dále, instalovaná klapka má velmi malou dimenzi DN25, vzhledem k průtoku otopné vody daným okruhem převážně v dimenzi DN50.
3. Diagnostika hydraulických poměrů
Při stávajícím stavu zapojení došlo na kontrolu a měření jednotlivých průtoků, a následnému vyregulování pomocí vyvažovacích ventilů, instalovaných na vratných potrubích a ve zkratech na všech třech okruzích. Stávající naměřené hodnoty se však nijak zásadně nelišily od projektovaných jmenovitých hodnot.
Při snaze profese MaR softwarově regulovat vzduchotechnickou jednotku se nepodařilo tyto provozní problémy eliminovat.
Dalším krokem byla experimentální diagnostika skutečných hydraulických poměrů regulačního okruhu vzduchotechnické jednotky za účelem vyhledání příčin omezené regulace a odstranění provozních problémů tak, že:
U zmíněné VZT 1 (219 kW) bylo postupně měněno řídicí napětí servopohonu trojcestné směšovací klapky a byly zároveň měřeny tyto veličiny:
- Průtok otopné vody v okruhu – sl. 1
- Průtok otopné vody výměníkem – sl. 5
- Tlakový rozdíl na přívodní větvi před okruhem – sl. 4
- Teploty otopné vody vstupující a vystupující do/z výměníku – sl. 2/3
- Výkon výměníku byl stanoven výpočtem z naměřených hodnot průtoku a teplot – sl. 7
3.1 VZT 1
Na grafu 1 můžeme vidět velký nárůst výkonu výměníku pouze na cca 30 % zdvihu klapky, což můžeme označit, jako silnou nelineární závislost mezi otevřením regulační klapky a výkonem výměníku. Průtok výměníkem lehce vzrostl, ale je z grafu vidět, že tato změna nemá vliv na křivku samotného výkonu výměníku. Naopak, křivka výkonu plně odpovídá změně teploty přívodní vody do výměníku resp. rozdílu teplot přívodní a vratné vody, jak nám ukazuje graf 2.
Tedy, změna průtoku výměníkem nemá zásadní vliv na deformaci regulační charakteristiky klapky. Ta je obecně lineární, jak uvádí její výrobce, ale v krajních polohách je tato regulace horší a nedostačující, vzhledem k velkému rozsahu výkonu (219 kW) regulovaného zařízení. Lépe by v tomto případě bylo použití směšovacího regulačního ventilu s ekviprocentní charakteristikou.
Musíme ale zohlednit fakt, že měření probíhalo při venkovní teplotě +16 °C. To může být také důsledek rychlejšího dosažení maximálního výkonu výměníku již při částečném otevření klapky a následném ustálení teplot otopné vody a výkonu (graf 2). Jinak by vypadal průběh křivky výkonu při minimální výpočtové venkovní teplotě vzduchu nebo při snížené teplotě přívodní otopné vody. V oblasti nízkého výkonu (vyšší venkovní teplota, nízký průtok vzduchu) je však charakteristika klapky špatná, právě díky použité regulaci směšováním, kdy tyto okrajové podmínky mají vliv na výslednou teplotu otopné vody dodávanou do zařízení, nejen tedy poloha otevření směšovací klapky.
Problém spouštění protimrazové ochrany spočívá v omezeném nárůstu výkonu výměníku pro ohřev velkého množství přiváděného vzduchu do jednotky. To je dáno především rychlostí resp. dobou přestavení použitého servopohonu regulačního prvku, která je v tomto případě 150 s. Navíc, vzhledem k velkému objemu vody v potrubích tohoto okruhu (DN50) a vodnímu objemu výměníku, kde tato výměna obsahu probíhá o to pomaleji, než by se jednalo o okruh s menším výkonem v malých dimenzích.
Proto není na místě navrhnout regulační prvek s dobou odezvy 150 s, ale mnohem preciznější, jako např. elektroventil s lineárním servopohonem s dobou odezvy menší než 15 s. S touto rychlostí ovládacích prvků v teplovodním okruhu zdroje úzce souvisí i rychlost snímání teploty vzduchu za ohřívačem ve VZT jednotce. Měl by být tedy v jednotce zároveň instalován snímač teploty vzduchu s takovou rychlostí odezvy, aby odpovídal rychlosti pohonu regulačního ventilu. Celé toto zapojení musí tvořit dohromady jeden plnohodnotný proces, aby bylo dosaženo požadovaného výsledku.
3.2 VZT č. 2
Stejným způsobem byly měřeny parametry na okruhu VZT 2 s výkonem ohřívače 16 kW, kde je hlavním regulačním prvkem opět trojcestná klapka. Na tuto jednotku však nejsou kladeny tak náročné provozní požadavky, jako v předchozím případě VZT 1.
Přesto jsou tvary křivek na grafu 3 obdobou průběhů křivek u VZT 1. Můžeme pozorovat naopak ještě výrazněji náhlou změnu výkonu výměníku ve zhruba střední poloze otevření klapky. Průtok výměníkem dokonce mírně klesá a tvar křivky výkonu výměníku kopíruje křivku změny rozdílu teplot.
4. Závěr
Provedená diagnostika hydraulických poměrů okruhů vzduchotechnických jednotek prokázala, že tak náročné provozní požadavky není takto instalované technické zařízení schopno splnit přesto, že stávající zapojení funguje ve své podstatě a v rámci svých regulačních možností správně. Přesvědčilo nás, že i když se jedná o relativně používaný a běžný způsob hydraulického zapojení tj. trojcestná armatura ve směšovací funkci, nemusí být tento způsob zapojení vždy optimální a bezproblémový pro daný účel a funkci. Nezbytné a konkrétní požadavky na provoz daného zařízení by měly být předem známy a zohledněny již při návrhu jak hydraulického způsobu zapojení, tak hlavní regulační armatury.
Možnou nápravou stávajícího stavu zapojení za účelem splnění náročných provozních požadavků jsou tato doporučení:
- Výměna stávající trojcestné regulační klapky za ventil s ekviprocentní (nelineární) charakteristikou s rychlejší dobou přestavení menší než 15 s a odpovídajícím servopohonem s proporcionálním řízením a snímačem teploty vzduchu uvnitř jednotky.
- Použití regulace změnou průtočného množství pomocí dvoucestných regulačních ventilů s ekviprocentní charakteristikou namísto stávající regulace směšováním.
- Nebo, pokusit se využít jak výhod regulace směšováním, tak i zároveň předností regulace průtokem a zvolit tzv. „dvoustupňovou“ regulaci, při které soustava s proměnlivou teplotou otopné vody bude schopna rychle reagovat na změny, právě díky okamžité změně průtoku.
Článek vznikl za podpory specifického výzkumu FAST-S-11-33, identifikační číslo 22190.
Literatura
[1] PETRŮJOVÁ, Hana. Rychlost regulačních armatur nejen v teplovodních soustavách, Sborník anotací
13. odborné konference Juniorstav 2011, VUT Brno: CERM, 2011, ISBN 978-80-214-4232-0.
[2] Firemní – Landis & Staefa, Směšovací zapojení otopných okruhů z pohledu regulace, Topenářství
instalace, 2002, roč. 36, č. 6, str. 40. ISSN 1211-0906.
[3] Kolektiv autorů. Topenářská příručka 3. Praha: Agentura ČSTZ 2007. 378 s. ISBN 978-80-86028-13-2
[4] JAUSCHOWETZ, Rudolf. Srdce teplovodního topení – hydraulika. Wien: Herz Armaturen, 2004.
144 s.
[5] Studijní a typizační ústav v Praze. Sborník technických řešení staveb a jejich částí –
Měření a regulace díl I. – Měření a regulace pro vytápění, Pardubice, 1988, 345 s.
[6] Firemní katalogy pro měření a regulaci na https://www.cee.siemens.com
[7] Firemní katalogy http://www.honeywell.cz
[8] Esbe Catalogue 2010 – Ventily a servopohony
[9] Firemní, Belimo – Katalog výrobků a cen pro rok 2011
Operational requirements for control valves
Air handling unit connection is solved in this article. Authors deal with analysis of air handling unit (AHU) connected with three way valve to heating system. Detail measurements shows technical limits of AHU operation and regulation.
Keywords: AHU operation, regulation