地鐵環控系統集中供冷監控策略研究

馮曉青 劉宏燦

(1.廣州地鐵建設事業總部,510380,廣州;

2.國電南瑞科技股份有限公司,210061,南京∥第一作者,工程師)

地鐵在運營過程中,環境控制(以下簡稱“環控”)系統的用電量占了相當的比重。特別是帶有空調的環控系統的用電量約占地鐵車站耗電量的40%[1]左右。

集中冷站系統是采用集中制冷、分散供冷方式,集中設置冷凍機房,通過敷設冷凍水管,依靠二次泵將冷凍水送至各相關站點的空調系統。該系統將多個站點的制冷設備集中在一起,可實現統一的運行管理與冷量分配,同時也減少了冷卻塔等環境污染源的分布點。廣州地鐵2、3、4號線的站內空調系統主要都采用集中冷站供冷的方式。采用集中供冷方式,相鄰幾個車站的冷負荷變化要疊加于冷站供冷負荷,使得冷站工況變化較大,故必須選取適當的控制方式,以獲得滿意的控制效果。廣州地鐵4號線的集中冷站系統充分發揮了自動控制技術的作用,使系統運行效率得到了明顯的提高。

1 系統結構與監控任務

1.1 冷源系統結構

廣州地鐵4號線集中冷站設置在大學城南站,冷站的輸水系統按泵組劃分共有2條支路:

(1)1號支路,有水泵5臺;其中調速泵4臺(同型規格),定速泵1臺;用戶為大學城南站、官洲車站,型式為異程。

(2)2號支路,有水泵3臺;其中調速泵2臺(同型規格),定速泵1臺;用戶為大學城北站,型式為異程。

2條支路分別由2組水泵供水,構成兩個管網系統。這兩個管網系統根據車站的不同需求,完成冷凍水的輸送任務。系統結構如圖1所示。

1.2 主要監控內容

(1)末端電動二通閥與末端房間溫度之間的自動調節;

(2)變頻泵頻率與最不利點壓差之間的自動調節;

(3)變頻泵根據頻率的臺數控制;

(4)冷機根據分水器出水流量的臺數控制。

2 集中冷站監控系統控制策略

以大學城南站、官洲站為例(空調系統供水最不利點在官洲車站AHU-02處),其冷站監控系統如圖2所示。空調機組回風溫度與二通閥做比例積分微分(PID)自動調節,最不利點供、回水管之間壓差與變頻泵做PID自動調節。變頻泵根據自身頻率做臺數控制,冷水機組根據設置在集中冷站供水總管的流量計確定臺數。

圖1 集中冷站供水示意圖

圖2 空調機組控制回路示意圖

2.1 末端支路控制

采用“最不利末端壓差”恒定監控方式對變頻水泵進行調節控制。

控制基點:結合水系統現狀實際已安裝了壓差傳感器的地方。大系統末端空調機組壓差為ΔPab。

控制范圍:ΔP ab不低于滿負荷工況時的最小值 ΔP ab,min。

調節手段:壓差-變頻器頻率PID調節。

控制參數(現場調試選定壓差最不利點):

1號支路水系統為官洲車站,用戶編號AH U-02,ΔPab,min=0.135 MPa;用戶編號 AHU-01,ΔPab,min=0.074 MPa。

2號支路水系統為大學城北站,用戶編號AHU-01,ΔPab,min=0.177 MPa。

2.2 二次泵增減臺數的判據調試

增一臺水泵條件:用水需求超出了現有運行水泵的最大能力。

減一臺水泵條件:現有運行水泵的最大能力超出需求的部分,達到1臺水泵的最大能力。

為最大限度地節能,二次泵采用全變頻設計,調頻水泵多臺并聯運行時,其頻率是同步的。在增減泵的過程中,遵循該原則。經過調試,監控系統能自動根據數據正確判斷、實施二次泵的增減,使供水與需求保持一致。

2.3 集中冷站控制策略

根據設計工藝要求,冷機出水溫度為7℃,回水最高溫度為16℃。在該工況設定下冷機實際滿載制冷量Q=168 m3/h。

冷負荷原則:

設Q1為利用制冷機的蒸發器進出水溫度測量值和流量值計算出的冷機制冷量。若:

Q1≤KQ,投運1臺冷機;

KQ ＜Q1≤K(Q×2),投運2臺冷機;K(Q×2)＜Q1,投運3臺冷機。

式中:

Q——經過調試測定的制冷機實際制冷量額定值;

K——系數,根據工程實際取用。

流量原則:

當冷凍水從集水器流向分水器時,為了避免由于集水器中的“熱”水流到分水器中引起大滯后,其流量只要大于0,則增開1臺冷機。

當冷凍水從分水器流向集水器時,其流量只要大于1臺一次泵的水量時,則減開1臺冷機。

經測試得知:投運1臺冷機時,一次側水量為168 m3/h;投運 2臺冷機時,一次側水量為 336 m3/h。因此,把二次側(用戶側)檢測得到的流量與上述數據比較,即可知是否需要增減冷水機組運行。

3 結語

通過上述控制方式在廣州地鐵4號線中的應用,結合廣州地鐵的實際經驗,筆者認為:

(1)地鐵車站采用集中供冷的方式可大大減少車站空間,降低土建成本;

(2)集中供冷車站采用適當的控制方式,可滿足各用戶末端的用冷需求;

(3)集中供冷方式自動控制策略選取合適,可大大降低能耗,降低運行成本;

(4)集中供冷方式冷站設備可集中管理,便于運營維護。

北京地鐵4號線列車

[1]李高潮.地鐵環控系統采用變頻調速可行性的探討[J].鐵道建筑,2002,42(11):30.

[2]王玲.地鐵車輛的空調、暖通系統設計[J].電力機車設計,2002,25(3):32.

[3]張柏春.廣州地鐵2號線首期工程北部冷站設計[J].鐵道標準設計,2002,46(1):54.

[4]李邁,秦小光.淺析設備監控系統(EMCS)及在深圳地鐵項目中的應用[J].重慶大學建筑學報,2002,24(3):117.

[5]安秋香,龍惟定.一種地鐵空調冷站設備的監控方式[J].建筑熱能通風空調,2004,23(1):87.

[6]張鯤.地鐵車站集中供冷與分散供冷比較[J].甘肅科技縱橫,2007(1):36.

[7]曲小平,劉宏燦.廣州地鐵四號線集中冷站監控系統控制策略[C]∥江蘇省自動化學會學術年會會議論文集.南京:江蘇自動化協會,2008:261.