1.1 換熱站系統的構成

     在集中供熱系統中，熱源廠將一次熱源水處理至高溫高壓狀態，經過一次熱源首站及熱網送至各個子換熱站處，經過換熱站的熱交換，熱量被輸送到二次熱網循環水中，再由二次網將熱水送至各用戶處。冷卻后的二次網循環水通過二次回水網返回至換熱站中，換熱站的系統簡圖如圖2.1所示。     
     換熱站是連接熱源與網用戶端的重要樞紐，在集中供熱系統中占據非常重要的位置[28]。換熱站是利用一次熱網管道和二次熱網管道將熱源與用戶連接起來的，一次熱網管道是連接熱源首站與換熱站之間的管網；二次熱網管道是連接換熱站與用戶之間的管網。換熱站是除了連接一次熱網與二次熱網的管道之外，還包括了相關換熱設備、測量儀表與控制設備的綜合機房，是完成熱源與熱用戶的熱量交換、熱量分配、監控、調節、及管理的重要樞紐。
換熱站的主要功能是作為整個集中供熱系統進行熱量交換與分配的實施場所，通過控制系統來維持和調節一次熱網與二次熱網管道中的壓力、水溫及流量與熱量的穩定，從而實現安全可靠的運行狀態，為用戶提供良好的供熱品質。換熱站的主要設備包括：換熱器、循環水泵、離心式補水泵、軟化水裝置、軟化水箱、各類控制閥、調節閥、安全閥、自動排氣裝置以及控制需求相關的各類現場傳感器和儀表裝置[29]。
換熱站從控制角度可以細分為熱交換系統、循環水系統和補水系統。換熱站的硬件原理圖如圖2.2所示
   

     1.2 換熱站的基本原理

       換熱站的基本工作原理是：熱源廠提供的熱量經過一次熱網管道輸送至換熱站中，經過換熱站換熱后，并進行控制與調節再通過二次熱網管道輸送至熱用戶處。冷卻后的水則經過二次管網返回至換熱站中，通過換熱加熱后再次循環至熱用戶處[30]。
換熱站根據集中供熱系統的實際運行工況與熱用戶的負荷，通過對水溫和各類循環泵的控制，進而控制二次熱網管道內的水溫及流量、流速，從而實現對供熱量的實時調節。換熱站系統在運行過程中，因為管道的封閉性、用戶對熱水的消耗造成不可避免的循環水損失，因此就需要對補水泵進行控制，保證循環水的充足；以及對循環泵進行控制，從而保證供回水壓差的穩定。換熱站對循環泵的控制是通過控制變頻器的頻率輸出，來控制循環泵的工作頻率，改變頻率會改變電機的轉速，最終決定循環泵水量的輸出。
溫度的控制是由二次網供水溫度來決定的，根據調節一次網供水閥門的開度，來改變一次網供水的流量，最終保持二次網供水溫度的恒定。溫度的控制策略基本采用的是溫差調節的辦法，即根據用戶的需求，例如西安地區暖氣片采暖供水溫度設定為65°C，地幅熱采暖供水溫度設定為55°C。將傳感器測得的二次熱網出水溫度作為實際值，將調節閥開度作為控制變量，控制系統會根據二次管網的實際值和參考值來調節電動閥開度，從而將二次網供水溫度保持在設定值附近。
從控制角度來講，集中供熱系統換熱站控制主要由3個控制回路組成，即：二次供水溫度調節控制回路、二次供回水壓差調節控制回路、二次定壓補水控制回路。

    2 換熱站的運行調節

      我國的集中供熱系統因為建筑物特性及管道特性的不同，經常出現有的用戶室內溫度過高，有的用戶室內溫度不達標。為了解決這個問題，我們需要引入換熱站供熱系統理論，選擇合適的供熱調節方式，來保證用戶舒適性統一的體驗。

      2.1 換熱站供熱調節的基本理論

       換熱站供熱系統調節的本質是根據外界氣溫的變換，來調節換熱站的輸出熱量，使用戶室內溫度達到穩定狀態。在不計二次熱網管道損耗的前提下，換熱站系統穩定運行時，用戶的熱負荷值與房間內的取暖熱負荷相同，也等于換熱站的熱量輸出。由熱平衡理論可得知下列方程[31]：      其中，為用戶的熱負荷，單位是W；為暖氣片、地暖管等散熱器散發給用戶的熱量，單位是W；是通過換熱站后輸出給用戶的熱量，單位是W；是標準規定的用戶單位面積內的采暖標準，單位為 ；V是用戶采暖的建筑面積；是采暖季內用戶室內的溫度；是采暖季室外溫度；是散熱器正常運行時的有效熱系數；F是散熱器的安裝面積，是二次管網正常工況下的平均供水溫度；是換熱站正常工況下的平均回水溫度；G是換熱站系統正常工況下的循環水流量。
散熱器的熱傳遞系數可用下式來表示：     則將（2-5）、（2-6）代入式（2-3）中，可得為：     上式中，A為散熱器的安裝散熱面積；B為散熱器的熱傳遞系數，根據行業標準及工程經驗取值為0.37-0.17。
     換熱站系統在正常工況下運行時，在持續固定的室外溫度下，換熱站的設計預測熱負荷與實際需求熱負荷之比稱為相對熱負荷，用來表示。換熱站實際運行參數與式（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）一致，可用不同偏差系數表達為        式（2-9）是集中供熱系統中換熱站系統內進行調節的基本依據，從公式中我們可以看出，通過改變二次熱網的管道循環泵的流量，或者通過調節一次熱網供水管道上的電動調節閥的開度來實現換熱站系統的調節。影響用戶熱負荷和換熱站輸出熱量的最主要的變量因素是室外溫度，所以根據室外溫度的差異及變化對集中供熱系統進行科學有據的調節，是顯而易見與十分重要的。

     2.2 換熱站的運行調節方法

     隨著室外溫度的預測及變化來實時調節換熱站與熱網內的不同參數，最終達到按照用戶的熱負荷需求的換熱站運行調節方法主要由以下四種：量調節、質調節、分時變流量調節與隨機調節四種方式[32-33]。
（1）質調節理論：集中供熱系統在一般工況下運行時，二次熱網管道的循環泵運行頻率不變，所以管道內流量也幾乎沒有變化，所以此時管道內的流量用表示，用戶側根據熱損耗所需的管道流量為，此時=，也可表達為，此時集中供熱系統針對熱負荷的變化只需要調節系統的供回水溫度到達所需設計要求值，我們把這種調節模式稱質調節。根據供回水溫度的調節辦法表達式為：     調節方法的優點在于只改變了集中供熱系統中二次網的供水溫度，控制方式比較簡單，控制邏輯比較單一可靠。因為此調節方法并沒有控制二次網中的循環泵系統，所以二次網管道中的流量比較穩定，所以整個系統中的水力狀況比較穩定[34]。
（2）量調節理論：集中供熱系統在一般工況下運行時，如果系統的供水溫度比較穩定，基本保持不變時，即，此時保持供水溫度不變，通過改變變頻器的變頻輸出而改變二次網循環泵的轉速，達到調節二次熱網管道內的流量的辦法，最終保證用戶熱負荷的的調節方法，我們稱之為量調節[35]。通過式（2-10）可得，相對流量比和二次熱網管道內的回水溫度關系式為：      在采暖季出現室外溫度較高的情況時，若集中供熱系統繼續采用量調節，此時系統中的循環泵流量會迅速變小，回水溫度也會相應的變低；當室外溫度繼續升高，并且到達一定溫度值時，供回水溫差會成為負值，這對系統是不利的，采暖的效果也十分不理想。所以當采暖季室外溫度較高的天氣出現時，我們通過調節辦法適當的降低回水溫度，并且增大變頻器的頻率輸出，使得循環泵的流量增大。量調節的優缺點顯而易見，其優點是節能能源，對熱量的利用率較高；其缺點是統一造成整個系統的熱力不穩定，嚴重時可造成熱力失調。
（3）分時變流量調節理論：集中供熱系統在一般工況下運行時，根據網絡下發的天氣預報作為基礎，疊加實時采集的室外溫度預測回歸，分時段調節二次熱網管道循環泵的頻率的方法，我們稱之為分時段變流量調節法[36]。根據采暖季室外溫度的不同而采取不同的控制策略，室外溫度較高時，采用上述質調節；室外溫度較低時，采用上述量調節辦法。但是在一段時間內，二次熱網管道的熱水流量是基本保持恒定的，即∮=是一個常數。∮是某種特點狀況下的相對流量比[37]。其表達式如下：        此種調節辦法同時結合了質調節與量調節的優點，完美的將兩種辦法結合起來，并且根據實際情況有效的規避這兩種辦法的缺點。
    （1）隨機調節理論：集中供熱系統在一般工況下運行時，不改變任何水泵的工作狀態，并保證供回水溫度、系統流量的穩定性，僅僅通過直接關斷閥門來控制每天對用戶的供暖時間，這種辦法被稱為隨機調節方法。用戶的熱負荷所需的供暖時間是隨著室外溫度變化而改變的，它們之間的關系式如下：     式中h為用戶所需熱負荷的總體時間；表示隨機調試進行下實時采集的室外溫度。隨機調節方法并不是集中供熱系統中的主要方法，這種方法常用作室外溫度較高時的輔助調節辦法，尤其是在采暖季剛開始時及采暖季即將結束時。