Egy kazánrendszer műszeres mérése

2011/7-8. lapszám | VGF&HKL online |  5885 |

Figylem! Ez a cikk 15 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Manapság ugye slágertéma az energiatakarékosság, az öko-gondolkodásmód. Hazánkban, ha ez szóba kerül, szívesen nyúlunk egyből valamilyen „totális” megoldáshoz, például lecseréljük a kazánunkat vagy az egész fűtési rendszerünket. Vagy éppen semmit nem teszünk, mert „nem fér bele a keretbe”, hiszen egy ilyen beavatkozás jelentős költséggel járhat.

Pedig az első lépés az kellene, hogy legyen, hogy megnézzük, hogyan is üzemel a jelenlegi rendszerünk, és miként lehetne optimalizálni. Az orvos sem műti meg a beteg szívét azonnal, hanem különböző műszeres vizsgálatokkal pontosítja a diagnózisát. Régi, elavult vagy szabályozatlan kazánok jelentős túlfogyasztást okozhatnak. Cikkünkben egy figyelemreméltó magyar ötlet egy konkrét eredményét mutatjuk be. Az ötlet: egy mérőeszközökből és egy számítógépből összeállított mobil rendszer segítségével vizsgáljuk meg a fűtési rendszer működési paramétereit egy-két napon keresztül, és vonjunk le belőle következtetéseket. Az adatrögzítést és -elemzést speciális egyedi szoftver segíti. A vizsgált rendszer korszerű, alig néhány éves, és úgy is tűnik elsőre, mintha minden rendben lenne, bár a felhasználók magas fogyasztásra és alacsony téli teljesítményre panaszkodtak.

1. ábra: A kazánrendszer összes mért hőmérsékletértéke és azok különbségei.

Hőtermelők: 2 db öntöttvas tagos kazán, kétfokozatú atmoszférikus égővel.
Fogyasztók: légkezelők, radiátorok. A kazánok 1-1 szivattyúval párhuzamosan kapcsolódnak egy közös hidraulikus váltóra. A hidrováltó szekunder oldalán egy nyomásszabályozott szivattyú található, mely az épületfűtés gerincvezetékét táplálja. A kazánok engedélyezését a BMS-rendszerből vezérlik az előremenő hőmérséklet alapján. A kazánok a saját fokozataikat belső termosztáttal kapcsolják.

A mérő és adatgyűjtő rendszer alkalmazásának lehetőségei

A berendezés a következő rendszerek vizsgálatára alkalmas: Gáztüzelésű fűtőberendezések hatékonyságának mérésére: fűtővizek, kevert körök, hőcserélők, égéstermékek hőmérséklete stb.; kaloriferek, szivattyús körök ellenőrzése. Hűtőberendezések vizsgálata: hőcserélők, kondenzátorok, elpárologtatók hőmérsékletének mérése; kompresszorok, aggregátok áramának mérése üzem közben; hőszivattyús rendszerek komplex mérése: hőmérsékletek, áramfelvétel stb. Felületfűtési rendszerek, hőleadók mérése. Talajköri szondák, kollektorok mérése. Szoláris rendszerek paramétereinek mérése. A berendezés alkalmas egyes hűtő-fűtő rendszerek beüzemelés közbeni ellenőrzésére, beállítására, finomhangolására. A berendezés nagy segítség lehet elavult vagy szabályozás nélküli hidraulikus kapcsolások működésének regisztrálásánál. Különböző szenzorok alkalmazásával egyéb jellemzők, például nyomásszabályozó rendszerek jelleggörbéi is felvehetők. Alkalmas szenzorokkal (nyomás, nedvesség, hőmérséklet) légtechnikai rendszerek jellemzői is vizsgálhatók. A mérőrendszer alkalmas impulzus-kimenetű eszközök, például vízórák, gázmérők, illetve villamos mérők jeleinek fogadására is. Egyes mérésekhez szükség lehet a közegek térfogatáramának ismeretére, ehhez külső műszer, például ultrahangos áramlásmérő szükséges. A műszer képes egy telepített vízóra vagy egy idegen műszer jeleiből vagy impulzusaiból kiszámítani az aktuális térfogatáramot. A műszerhez összesen 128 hőmérő csatlakoztatható. Szükség esetén (ideiglenes mérés) buszként felhasználható egy irodaépület (UTP) informatikai hálózata is. A rendszer részét képezi egy optikai detektor is, melyet a kimenet nélküli gázfogyasztásmérők leolvasására fejlesztettek ki. Ennek segítségével közvetlenül mérhető egy gázfogyasztó berendezés pillanatnyi gázfelhasználása. A mérés pontossága 10-100 l/óra. A detektor vezeték nélküli kapcsolatban áll a mérőberendezéssel, így nem szükséges vezetéket építeni a gázmérőtől. Lehetőség van egyéb fel nem sorolt mennyiségek mérésére is, ha megfelelő szenzor-kimenet rendelkezésre áll. A regisztráció 1-2 órától több héten át is tarthat, a mintavételi idő megfelelő beállításával. Mivel a beépített mérőrendszer szabadon programozható, így magában a műszerben egyszerűbb ideiglenes szabályozási feladatok is megvalósíthatók, például beépített vagy ideiglenesen telepített frekvenciaváltók is csatlakoztathatók a készülékhez. Ennek segítségével valós körülmények között lehet beszabályozni egy-egy kisebb rendszert, vagy egy nagyobb rendszer egy részét. A hangolási paramétereket kiolvasva vagy a gyűjtött adatokat elemezve lehet kialakítani a végleges szabályozást egy BMS-rendszerben.

2. ábra: A rendszer primer és szekunder oldali hőmérsékletkülönbsége a kazánteljesítmény tükrében.

A vizsgálat eredményei

A kazánok előremenő hőmérséklete a hidrováltó bemenetén mérve 60-72 °C között változik, ami tulajdonképpen megfelel a beállítottnak. A kazánoldali 8-12 °C-os kapcsolási hiszterézis soknak tűnik. Az előremenő hőmérséklet szabályos szinuszos lengése a teljes mérési idő alatt stabilan megmarad (1. és 4. grafikon). A primer oldali (kazán) T szabálytalan lengést mutat. Értéke nagyon alacsony: átlagosan 6-10 K körül van, a maximuma 15 K (3 alkalommal). Ez egy öntöttvas kazán esetén elég alacsony érték. A gyári adat 10-20 K (1-5. grafikon). Ez a jelenség a kazánkör vagy a hidraulikus váltó nem megfelelő méretezésére utalhat. A folyadék sebességének a hidraulikus váltóba történő belépés után 0,3-0,2 m/s alá kell csökkennie, vagyis lamináris áramlásnak kellene kialakulnia. A hidraulikus váltóból kilépő magas hőmérséklet viszonylag hamar visszatér a kazántestbe, így a kis T miatt az rövid időn belül felmelegszik, és a kazán kikapcsol. Ebben az esetben a kazán-előremenőre szabályozni valószínűleg nem szerencsés. A hidraulikus váltó primer belépő és szekunder kilépő hőmérséklete szorosan követi egymást, terhelésre nem változik. Ennek oka lehet a hidrováltó ki- és bemeneti csonkjának geometriai elhelyezése (pl. szemben vannak egymással), és/vagy a primer (kazánköri) magas folyadéksebesség (1. és 4. grafikon). A szekunder visszatérő hőmérséklet és a T külön figyelmet érdemel. A hidraulikus váltó kilépő oldalán mért T igen nagy lengéseket mutat. A mért értékek 26 K(!) és 41 K(!) között változnak (átlagosan legfeljebb 35 K). A hőleadók tervezett hőmérsékletkülönbsége általában maximum 10-20 K (1-5. grafikon). A jelenségből a hőleadók túlméretezésére vagy a térfogatáramok alacsony értékére lehet következetni. A nyomástartó szivattyú a szekunder gerinchálózat legnagyobb nyomásveszteségére szabályoz. Bizonyos esetekben ez nem a megfelelő mód. Az is előfordulhat, hogy a primerköri két szivattyú „beledudál” a hidraulikus váltó kilépő csonkjába, ott túlnyomást okoz, és megzavarhatja a szivattyú szabályozását. Az alacsony szekunder visszatérő hőmérsékletből (esetenként 25 °C!) következetni lehet a hőleadók helytelen működésére. A radiátorok, kaloriferek felső része meleg, a többi pedig hűvös lehet. A fogyasztói hálózat visszatérő hőmérséklete 32 és 46 °C között változik (1. és 3. grafikon). És ezt tavasszal, 15 °C külső hőmérsékletnél mértük(!), mikor a csővezetékek és szerelvények veszteségei alacsonyak. Télen a helyzet még rosszabb lehet. A kazánok ilyen külső hőmérséklet esetén is maximális teljesítménnyel üzemeltek. Érdemes megvizsgálni a visszatérő hőmérséklet viszonyait: a kazánnal szinkron hőmérsékletváltozáson kívül egy periodikus, alacsony frekvenciájú „moduláció” is látható (1. és 4. grafikon). Ez valószínűleg a légkezelők egyedi szabályozásának válasza lehet a kazán előremenő hőmérsékletének lengésére.

3. ábra: A 3. és 4. grafikonok egy kiragadott részletet mutatnak. Jól látszik, hogy a primeroldali T (kazán) akkor is eléri a maximumát, ha a kazán kisebb fokozatba kapcsol, és akkor sem nő meg, ha a kazán maximum teljesítményen „dübörög”.

A periódusidő valószínűleg a csőszakasz hosszával és a folyadéksebességgel van összefüggésben. Az is kiderül a grafikonokból, hogy míg a kazán előremenője a maximumon van, addig a rendszerből visszatérő hőmérséklet max. 35-45 °C. Úgy tűnik, mintha a kazán nem is ezt a kört fűtené… A kazánteljesítmény nincs megfelelő csatolásban a hálózattal. A kazánteljesítmény elegendőnek tűnik, mivel az előremenő minden ciklusban eléri a beállítottat. A sűrű kazánindítás az elvételezés hibájára utalhat. A 3., 4. és 5. grafikonok egy-egy kiragadott részletet mutatnak. Jól látszik, hogy a primeroldali T (kazán) akkor is eléri a hőmérséklet maximumát, ha a kazán kisebb fokozatba kapcsol, és akkor sem nő meg, ha a kazán maximum teljesítményen „dübörög”. A jelenség a 12:41-től 13:06-ig jól látható. A kazánteljesítmény 130 kW-ra esett vissza, mégis, a T-n semmilyen csökkenés nem volt látható. A kazánok fogyasztás alapján mért átlagos teljesítménye 400 kW körül mozog. Ez az érték a 90%-os hatásfokkal lett kalkulálva. A 4. grafikonon a gázfogyasztás látható, az előbbi értékekhez rendelve. Jól látható, hogy a kazánok állásideje kb. 50%, és szinte folyamatosan 42 m³/óra fogyasztást produkálnak. A gázfogyasztás grafikonjának tetején látható „szőr” az, ameddig a kazán megy. A hosszú tüskék jelzik, mikor indulnak újra a kazánok. A mérési idő alatt elfogyasztott gázmennyiség 103 m³, vagyis az épületbe bevezetett primer energia kb. 972 kW 5 óra alatt. Az épület energiafogyasztása 194 kWh körül van, +10-15 °C-os külső hőmérséklet mellett. Ez egy alulbecsült érték, mivel a kazánokat egy időre kikapcsoltuk. Az épület gázfogyasztása a mért adatok alapján naponta kb. 494, havonta 14 832 m³. Ezekkel a feltételekkel a havi fűtési költség 86 Ft-os nettó gázárral számolva 1 275 552 Ft körül lehet (tavasszal is!), amely nem tartalmazza a gázdíjra rakódó egyéb költségeket, alapdíjakat.

4. ábra

A mérő és adatgyűjtő rendszer felépítése

A berendezés alapja egy PLC készülék, mely egy számítógéppel van összekapcsolva. A készülékben található töltő-tápegység gondoskodik a beépített biztonsági akkumulátor megfelelő állapotáról. A készüléknek beépített, kontrollált szellőzése van. A szenzorok színjelöléssel ellátott, robusztus csatlakozókkal csatlakoznak a készülékhez. Az egyedileg kifejlesztett tapintó érzékelők kb. 4 mm2 felületű, néhány tized grammos, kerámia alapú platinaszenzort tartalmaznak. A kis tömegnek köszönhetően a beállási idejük rendkívül rövid. A szenzor chip-ek párba válogatva kerülnek beépítésre. A mérések kijelzési pontossága 0,001 °C, de a gyakorlati pontosság 0,1 °C-nál jobb. A készülékhez más kivitelű (pl. hengeres, merülő, levegő) érzékelők is csatlakoztathatók. A berendezés egy időben rögzíti az összes konfigurált paramétert, így az elemzéskor a rendszerben mért különböző fizikai mennyiségek időbeli és egymáshoz viszonyított viselkedése a grafikonokon jól követhető. 

Javaslatok

• A kazánköri szivattyúk fordulatszámának csökkentése, illesztése a kazánteljesítményhez ( T), esetleg frekvenciaváltóval.
• A szekunder oldali főköri szivattyú szállításának, beállításának ellenőrzése.
• A kazánok szabályozási algoritmusának átgondolása, például minimális kazánidő, külsőhőmérséklet-függő kaszkád, egyes kazánok időszakos letiltása, több kazán lépcsőinek kombinálása, teljesítményalapú szabályozás stb.
• Elsősorban a hidraulikai rendszert lenne szükséges illeszteni.
• A kazánköri szivattyúk utánfutási idejének csökkentése, mert a két szivattyú által keltett térfogatáram egy kazán egy fokozatához sok lehet.
• A készenléti veszteség csökkentése egy kazán kiiktatásával, így a nem üzemelő kazánon csökken a kéményveszteség.
• Érdemes lenne megvizsgálni az égési levegő ventilátorának szállítását is.
• A kazánház viszonylag zárt, ezért a fix befúvás túlnyomást okozhat, pl. egy kazán kisebb fokozatánál. A szellőzés a két kazán maximális égésilevegő-igényénél magasabbra lett tervezve.
• Előfordulhat, hogy kisebb fokozatoknál a túlnyomás hígítja a keveréket.
• Ezek a kazánok atmoszférikus nyomásra lettek tervezve, vagyis a kéményhuzatot és ezzel a beszívott égési levegő mennyiségét a felszálló meghatározott hőmérsékletű füstgáz adott keresztmetszeten történő távozása határozza meg. Bármilyen változás az égés minőségét, a teljesítményt befolyásolhatja. A túlnyomás a deflektoron és az égéstéren keresztül is távozik, így visszahűtheti az égésterméket az üzemelő kazánnál, melynek eredményeként csökkenhet a tervezett kéményhuzat. Nem üzemelő kazánnál növeli a kéményveszteséget, vagyis a működő kazán vize üzemmelegen tartja a másik kazántestet, melyet a huzat visszahűt.
• Érdemes lenne a befúvást szabályozni (ha a túlnyomás bizonyítható), esetleg nyomásméréssel, vagy több előre definiált fordulattal üzemeltetni. A kazán leállásakor ajánlott kikapcsolni a szellőzést és a keringtető szivattyúkat is.
  A légkezelők szelepeinek szabályozását blokkolni lehetne a kazánok üzemjelével, hogy ne lengessék a rendszert, ha nincs hőtermelés. Ausztriában elfogadott megoldás a kikapcsolt kazánok kéményének motoros csappantyúval történő lezárása is.

5. ábra: A kazánteljesítmény-fokozatok, a hidrováltó előtti és mögötti hőmérsékletkülönbségek viszonyai.

Összegezve

Ilyen pontossággal a beépített kazánházi műszerek segítségével és emberi erőforrással sem lehetséges az ehhez hasonló problémák felderítése. Egyes BMS-rendszerek mintavételi sebessége nem alkalmas erre a feladatra. Megfelelő műszerek megvásárlása vagy fix telepítése és üzemeltetése indokolatlanul magas költségekkel járhat, és növeli a megtérülés idejét. Tehát esetenként érdemesebb csak mérési szolgáltatást igénybe venni.

Mező Gábor

---