Отопление под контролем — гистерезис отопительного котла

«Кабы не клин, да не мох,
Так и плотник бы сдох...»
Е.С. Почечуев

Само слово гистерезис в переводе с греческого означает отставание, запаздывание. Применительно к управлению принято использовать этот термин для обозначения допустимого диапазона отклонения параметра от заданной величины в результате отставания (запаздывания) реакции системы от управляющего воздействия. 

При управлении котлом основным параметром является температура теплоносителя, подаваемая в отопительную систему. Контроллер отправляет котлу уставку температуры подачи (желаемую температуру), и автоматика котла начинает предпринимать все необходимые действия, чтобы на выходе из котла подавался теплоноситель с заданной температурой. 

Если температура теплоносителя через определенное время не соответствует заданной величине, то это является аварийной ситуацией и котел аварийно ее пытается исправить. Однако, отопительная система, в которую котел подает теплоноситель, очень инерционна в силу большого объема теплоносителя. Сам котел – это сложная гидравлическая и термодинамическая  система с большой инерционностью, которая определяется конструктивными и технологическими ограничениями.

Немного подробнее рассмотрим факторы, влияющие на инерционность котла. Основная функция котла – греть теплоноситель. Для этого энергия энергоносителя (газ, электричество) преобразуется в тепловую энергию в топке/ТЭНе и передается теплоносителю через теплообменник. Чем больше тепловая мощность, подведенная к теплообменнику, тем больше скорость нагрева теплоносителя.

В случае газового котла тепловая мощность пропорциональна проценту модуляции горелки (величине открытия газового клапана горелки).

Для обеспечения надежного и безопасного горения горелки модуляция горелки производится с учетом двух ограничений – она не может быть меньше 20 % (у некоторых котлов даже 40%) и изменяться модуляция горелки может только медленно, как вверх, так и вниз (чтобы не происходил отрыв пламени). Еще одной причиной медленного изменения модуляции горелки является необходимость сглаживания тепловых ударов (и связанных с ними тепловых деформаций) на камеру сгорания, теплообменник и трубопроводы теплоносителя. Поэтому, если контроллер поставит котлу задачу быстро нагреть теплоноситель до некоторой температуры, то котел все равно разжигать горелку и увеличивать ее модуляцию будет по своему технологическому графику. То же самое будет происходить и при необходимости уменьшить нагрев теплоносителя – котел будет снижать подачу газа в горелку не быстро, а постепенно. Теплоноситель за это время может быть перегрет из-за запаздывания.

Отклонение параметра регулирования от заданного значения приведет к ошибке. Ошибка приведет к остановке работы системы и к последующей длительной процедуре восстановления работоспособности. Чтобы этого избежать ввели дополнительный параметр – гистерезис температуры теплоносителя. Это допустимая величина отклонения значения параметра от заданного значения. Таким образом, перегрев теплоносителя на 5 градусов (например) не будет считаться ошибочным состоянием, котел через некоторое время снизит тепловую мощность, и температура приблизится к заданной.

Несколько слов о величине гистерезиса применительно к температуре теплоносителя отопительных котлов: изменение температуры теплоносителя в отопительной системе приводит к тепловым деформациям частей системы. Чем меньше изменение температуры, тем меньше деформации и тем долговечнее конструкция системы. Обеспечить регулирование с очень малыми отклонениями технически сложно и дорого. Определяя допустимую величину отклонения (гистерезис), всегда ищут компромисс между желаемым результатом и ценой его достижения.

Современные котлы для управления горелкой используют алгоритмы ПИД-регулирования для управления тепловой мощностью и снижения эффекта перерегулирования и больших отклонений от заданного значения параметра.

График работы котла с ПИД-регулятором

Подбор коэффициентов ПИД в веб-интерфейсе контроллера НЕВОТОН

При правильно рассчитанной и настроенной отопительной системе, работающей в оптимальном режиме, отклонения будут минимальны. Управление модуляцией горелки позволяет работать в непрерывном режиме горения, что обеспечивает экономию энергоносителя и продление ресурса котла. Проблемы начинаются при работе отопительной системы в неоптимальном режиме.

Одним из таких неоптимальных режимов является работа в межсезонье (ранняя осень или поздняя весна при теплой погоде на улице и, следственно, малом отборе тепла от отопительной системы). Рассмотрим подробнее работу котла в таком режиме.

Для определенности предположим, что отопительная система работает в режиме ПЗА (погодозависимой автоматики). В этом случае от котла требуется теплоноситель тем более горячий, чем холоднее температура воздуха на улице. В межсезонье температура воздуха на улице не низкая, а, значит, теплоноситель должен быть негорячим. Чем ниже температура теплоносителя в радиаторах отопительной системы, тем хуже происходит отбор тепла в отапливаемых помещениях. Котел от контроллера получает задание греть теплоноситель до, например, 50 градусов. Включается горелка, она постепенно повышает тепловую мощность до максимального значения, чтобы быстрее нагреть теплоноситель до 50 градусов (в расчете на нормальный отбор тепла). Но отбор тепла в отопительных контурах дома в межсезонье маленький и теплоноситель в отопительной системе быстро нагревается, и его температура приближается к заданному значению. Тогда котел начинает снижать модуляцию горелки, но делает это медленно, с учетом ограничений. В результате температура теплоносителя повышается и выходит за пределы даже установленного гистерезиса +-5 градусов. После этого котел вообще гасит горелку, чтобы температура вернулась в заданные пределы.

Однако, из обратной магистрали отопительной системы в котел продолжает поступать более холодный теплоноситель, он проходит через теплообменник и отправляется на подачу в отопительную систему. Температура становится гораздо меньше 50 градусов. Котел начинает снова разжигать горелку. Эта процедура длится достаточно долго (несколько десятков секунд). За это время температура на подаче в отопительную систему за счет работающей циркуляции еще больше снижается. После включения горелки котел опять постепенно повышает модуляцию до максимальной. И все повторяется   – быстрый нагрев при недостаточном отборе тепла, недостаточная скорость снижения тепловой мощности для стабилизации температуры и, как следствие, перегрев теплоносителя с отключением горелки. Если такие циклы повторяются с периодом менее 10 минут, то можно говорить о «тактовании» котла.

Что можно сделать, чтобы котел поддерживал температуру теплоносителя модулируя горелку без ее полного выключения? Напрашивается ответ – привести условия его работы к расчетным, а именно увеличить отбор тепла в контурах отопительной системы, чтобы снизить скорость набора температуры при работающей горелке и дать запас времени на заблаговременное плавное снижение модуляции. Но этот способ в реальных условиях редко бывает возможен. И тут стоит вспомнить о таком параметре, как гистерезис. Если мы расширим границы допустимого значения температуры, то при нагреве теплоносителя у котла будет больше времени для снижения модуляции горелки. Да, колебания температуры теплоносителя будут больше, но горелка не будет полностью выключаться и котел будет работать с большей эффективностью.

Увеличение величины гистерезиса в большинстве случаев позволяет снизить вероятность «тактования» котла, хотя и не снимает ее полностью. При очень малом отборе тепла в отопительной системе у котла может не хватать возможности регулирования модуляции горелки в меньшую сторону (ведь минимальная возможная модуляция большинства котлов – 20%, а у некоторых даже всего 40%). Если для поддержания температуры теплоносителя при малом отборе тепла потребуется меньшая тепловая мощность, то горелка все равно будет выключаться.

Больше про автоматику и котельное оборудование на нашем Ютуб канале «Тепло на автомате».