1.1 換熱站系統(tǒng)的構(gòu)成

     在集中供熱系統(tǒng)中，熱源廠將一次熱源水處理至高溫高壓狀態(tài)，經(jīng)過一次熱源首站及熱網(wǎng)送至各個子換熱站處，經(jīng)過換熱站的熱交換，熱量被輸送到二次熱網(wǎng)循環(huán)水中，再由二次網(wǎng)將熱水送至各用戶處。冷卻后的二次網(wǎng)循環(huán)水通過二次回水網(wǎng)返回至換熱站中，換熱站的系統(tǒng)簡圖如圖2.1所示。     
     換熱站是連接熱源與網(wǎng)用戶端的重要樞紐，在集中供熱系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的位置[28]。換熱站是利用一次熱網(wǎng)管道和二次熱網(wǎng)管道將熱源與用戶連接起來的，一次熱網(wǎng)管道是連接熱源首站與換熱站之間的管網(wǎng)；二次熱網(wǎng)管道是連接換熱站與用戶之間的管網(wǎng)。換熱站是除了連接一次熱網(wǎng)與二次熱網(wǎng)的管道之外，還包括了相關(guān)換熱設(shè)備、測量儀表與控制設(shè)備的綜合機(jī)房，是完成熱源與熱用戶的熱量交換、熱量分配、監(jiān)控、調(diào)節(jié)、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(tǒng)進(jìn)行熱量交換與分配的實施場所，通過控制系統(tǒng)來維持和調(diào)節(jié)一次熱網(wǎng)與二次熱網(wǎng)管道中的壓力、水溫及流量與熱量的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)安全可靠的運行狀態(tài)，為用戶提供良好的供熱品質(zhì)。換熱站的主要設(shè)備包括：換熱器、循環(huán)水泵、離心式補(bǔ)水泵、軟化水裝置、軟化水箱、各類控制閥、調(diào)節(jié)閥、安全閥、自動排氣裝置以及控制需求相關(guān)的各類現(xiàn)場傳感器和儀表裝置[29]。
換熱站從控制角度可以細(xì)分為熱交換系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)。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(jīng)過一次熱網(wǎng)管道輸送至換熱站中，經(jīng)過換熱站換熱后，并進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)再通過二次熱網(wǎng)管道輸送至熱用戶處。冷卻后的水則經(jīng)過二次管網(wǎng)返回至換熱站中，通過換熱加熱后再次循環(huán)至熱用戶處[30]。
換熱站根據(jù)集中供熱系統(tǒng)的實際運行工況與熱用戶的負(fù)荷，通過對水溫和各類循環(huán)泵的控制，進(jìn)而控制二次熱網(wǎng)管道內(nèi)的水溫及流量、流速，從而實現(xiàn)對供熱量的實時調(diào)節(jié)。換熱站系統(tǒng)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(huán)水損失，因此就需要對補(bǔ)水泵進(jìn)行控制，保證循環(huán)水的充足；以及對循環(huán)泵進(jìn)行控制，從而保證供回水壓差的穩(wěn)定。換熱站對循環(huán)泵的控制是通過控制變頻器的頻率輸出，來控制循環(huán)泵的工作頻率，改變頻率會改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終決定循環(huán)泵水量的輸出。
溫度的控制是由二次網(wǎng)供水溫度來決定的，根據(jù)調(diào)節(jié)一次網(wǎng)供水閥門的開度，來改變一次網(wǎng)供水的流量，最終保持二次網(wǎng)供水溫度的恒定。溫度的控制策略基本采用的是溫差調(diào)節(jié)的辦法，即根據(jù)用戶的需求，例如西安地區(qū)暖氣片采暖供水溫度設(shè)定為65°C，地幅熱采暖供水溫度設(shè)定為55°C。將傳感器測得的二次熱網(wǎng)出水溫度作為實際值，將調(diào)節(jié)閥開度作為控制變量，控制系統(tǒng)會根據(jù)二次管網(wǎng)的實際值和參考值來調(diào)節(jié)電動閥開度，從而將二次網(wǎng)供水溫度保持在設(shè)定值附近。
從控制角度來講，集中供熱系統(tǒng)換熱站控制主要由3個控制回路組成，即：二次供水溫度調(diào)節(jié)控制回路、二次供回水壓差調(diào)節(jié)控制回路、二次定壓補(bǔ)水控制回路。

    2 換熱站的運行調(diào)節(jié)

      我國的集中供熱系統(tǒng)因為建筑物特性及管道特性的不同，經(jīng)常出現(xiàn)有的用戶室內(nèi)溫度過高，有的用戶室內(nèi)溫度不達(dá)標(biāo)。為了解決這個問題，我們需要引入換熱站供熱系統(tǒng)理論，選擇合適的供熱調(diào)節(jié)方式，來保證用戶舒適性統(tǒng)一的體驗。

      2.1 換熱站供熱調(diào)節(jié)的基本理論

       換熱站供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)的本質(zhì)是根據(jù)外界氣溫的變換，來調(diào)節(jié)換熱站的輸出熱量，使用戶室內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在不計二次熱網(wǎng)管道損耗的前提下，換熱站系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，用戶的熱負(fù)荷值與房間內(nèi)的取暖熱負(fù)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(fù)荷，單位是W；為暖氣片、地暖管等散熱器散發(fā)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用戶單位面積內(nèi)的采暖標(biāo)準(zhǔn)，單位為 ；V是用戶采暖的建筑面積；是采暖季內(nèi)用戶室內(nèi)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(shù)；F是散熱器的安裝面積，是二次管網(wǎng)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(tǒng)正常工況下的循環(huán)水流量。
散熱器的熱傳遞系數(shù)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(shù)，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及工程經(jīng)驗取值為0.37-0.17。
     換熱站系統(tǒng)在正常工況下運行時，在持續(xù)固定的室外溫度下，換熱站的設(shè)計預(yù)測熱負(fù)荷與實際需求熱負(fù)荷之比稱為相對熱負(fù)荷，用來表示。換熱站實際運行參數(shù)與式（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）一致，可用不同偏差系數(shù)表達(dá)為        式（2-9）是集中供熱系統(tǒng)中換熱站系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)的基本依據(jù)，從公式中我們可以看出，通過改變二次熱網(wǎng)的管道循環(huán)泵的流量，或者通過調(diào)節(jié)一次熱網(wǎng)供水管道上的電動調(diào)節(jié)閥的開度來實現(xiàn)換熱站系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。影響用戶熱負(fù)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(jù)室外溫度的差異及變化對集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)有據(jù)的調(diào)節(jié)，是顯而易見與十分重要的。

     2.2 換熱站的運行調(diào)節(jié)方法

     隨著室外溫度的預(yù)測及變化來實時調(diào)節(jié)換熱站與熱網(wǎng)內(nèi)的不同參數(shù)，最終達(dá)到按照用戶的熱負(fù)荷需求的換熱站運行調(diào)節(jié)方法主要由以下四種：量調(diào)節(jié)、質(zhì)調(diào)節(jié)、分時變流量調(diào)節(jié)與隨機(jī)調(diào)節(jié)四種方式[32-33]。
（1）質(zhì)調(diào)節(jié)理論：集中供熱系統(tǒng)在一般工況下運行時，二次熱網(wǎng)管道的循環(huán)泵運行頻率不變，所以管道內(nèi)流量也幾乎沒有變化，所以此時管道內(nèi)的流量用表示，用戶側(cè)根據(jù)熱損耗所需的管道流量為，此時=，也可表達(dá)為，此時集中供熱系統(tǒng)針對熱負(fù)荷的變化只需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供回水溫度到達(dá)所需設(shè)計要求值，我們把這種調(diào)節(jié)模式稱質(zhì)調(diào)節(jié)。根據(jù)供回水溫度的調(diào)節(jié)辦法表達(dá)式為：     調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點在于只改變了集中供熱系統(tǒng)中二次網(wǎng)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(diào)節(jié)方法并沒有控制二次網(wǎng)中的循環(huán)泵系統(tǒng)，所以二次網(wǎng)管道中的流量比較穩(wěn)定，所以整個系統(tǒng)中的水力狀況比較穩(wěn)定[34]。
（2）量調(diào)節(jié)理論：集中供熱系統(tǒng)在一般工況下運行時，如果系統(tǒng)的供水溫度比較穩(wěn)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(wǎng)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)二次熱網(wǎng)管道內(nèi)的流量的辦法，最終保證用戶熱負(fù)荷的的調(diào)節(jié)方法，我們稱之為量調(diào)節(jié)[35]。通過式（2-10）可得，相對流量比和二次熱網(wǎng)管道內(nèi)的回水溫度關(guān)系式為：      在采暖季出現(xiàn)室外溫度較高的情況時，若集中供熱系統(tǒng)繼續(xù)采用量調(diào)節(jié)，此時系統(tǒng)中的循環(huán)泵流量會迅速變小，回水溫度也會相應(yīng)的變低；當(dāng)室外溫度繼續(xù)升高，并且到達(dá)一定溫度值時，供回水溫差會成為負(fù)值，這對系統(tǒng)是不利的，采暖的效果也十分不理想。所以當(dāng)采暖季室外溫度較高的天氣出現(xiàn)時，我們通過調(diào)節(jié)辦法適當(dāng)?shù)慕档突厮疁囟龋⑶以龃笞冾l器的頻率輸出，使得循環(huán)泵的流量增大。量調(diào)節(jié)的優(yōu)缺點顯而易見，其優(yōu)點是節(jié)能能源，對熱量的利用率較高；其缺點是統(tǒng)一造成整個系統(tǒng)的熱力不穩(wěn)定，嚴(yán)重時可造成熱力失調(diào)。
（3）分時變流量調(diào)節(jié)理論：集中供熱系統(tǒng)在一般工況下運行時，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的天氣預(yù)報作為基礎(chǔ)，疊加實時采集的室外溫度預(yù)測回歸，分時段調(diào)節(jié)二次熱網(wǎng)管道循環(huán)泵的頻率的方法，我們稱之為分時段變流量調(diào)節(jié)法[36]。根據(jù)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(zhì)調(diào)節(jié)；室外溫度較低時，采用上述量調(diào)節(jié)辦法。但是在一段時間內(nèi)，二次熱網(wǎng)管道的熱水流量是基本保持恒定的，即∮=是一個常數(shù)?！邮悄撤N特點狀況下的相對流量比[37]。其表達(dá)式如下：        此種調(diào)節(jié)辦法同時結(jié)合了質(zhì)調(diào)節(jié)與量調(diào)節(jié)的優(yōu)點，完美的將兩種辦法結(jié)合起來，并且根據(jù)實際情況有效的規(guī)避這兩種辦法的缺點。
    （1）隨機(jī)調(diào)節(jié)理論：集中供熱系統(tǒng)在一般工況下運行時，不改變?nèi)魏嗡玫墓ぷ鳡顟B(tài)，并保證供回水溫度、系統(tǒng)流量的穩(wěn)定性，僅僅通過直接關(guān)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(jī)調(diào)節(jié)方法。用戶的熱負(fù)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(guān)系式如下：     式中h為用戶所需熱負(fù)荷的總體時間；表示隨機(jī)調(diào)試進(jìn)行下實時采集的室外溫度。隨機(jī)調(diào)節(jié)方法并不是集中供熱系統(tǒng)中的主要方法，這種方法常用作室外溫度較高時的輔助調(diào)節(jié)辦法，尤其是在采暖季剛開始時及采暖季即將結(jié)束時。