地鐵地下車站集中冷站供配電設計探討

潘元欣

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

廣深地區某線因站間距較短、部分含有配線的車站具有可開發空間特點，利用車站多余空間角落等待重新回填可做蓄冷密度水池有利條件，環控專業研究認為分站供冷蓄冷水池相對較小，不利于提高蓄冷水池的容積效率，故在合理的供冷半徑范圍內采用集中水蓄冷方案可行。集中冷站采用大溫差蓄冷和供冷系統，通過優化工藝運行方案，實現在低電價時期進行蓄冷，高電價時期盡量由蓄冷水池獨立供冷，提供本站、兩端相鄰4個車站及區間市政配套空間的冷源，針對不同工況下的設備運行情況，筆者就地下車站集中冷站配電方案做以下討論。

2 環控工藝簡介

根據環控系統設計，集中冷站除設置蓄冷水池，還有冷水機組，以及相應的蓄冷泵、放冷泵、冷凍泵、冷卻水泵、一次冷凍水泵、二次冷凍水泵及冷卻塔等設備。由于采用集中供冷方式，各供冷分站的揚程阻力不同，全空調系統采用二次泵系統，一次冷凍泵主要是機房側設備運行，基本采用定流量系統，二次冷凍泵用于末端側設備運行，采用變流量變頻系統。工藝根據不同季節、不同時段調節設備運行方案，不同工況下的設備開啟臺數及設備安裝容量見表1。由表1可以看出，最大運行方式出現在100%工況下第1種情況，約為每年6～9月份，晚上3臺冷水機組及輔機均開啟，邊蓄冷邊供冷，使主機始終保持高效運行，實現最大供冷量;集中冷站的最小運行方式出現在每年1～2月份，約為25%工況，蓄冷水池獨立供冷;除滿足最大、最小運行方式外，工藝還要求事故情況下蓄冷池及主機聯合供冷，1臺冷水機組開啟，蓄冷池提供最大供冷量通過釋冷泵和板式換熱器實現。

3 集中冷站供配電設計

3.1 負荷分級

根據《地鐵設計規范》(GB50157—2003)14.5.1條第3款相關規定，在地下標準車站設計中冷水機組及輔機通常按三級負荷考慮，事故情況予以切除。由于地鐵車站屬人員集中的重要公共場所，且與該站相鄰車站為人員密集的換乘站，區間市政配套空間冷源也由該冷站提供，若集中冷站設備中斷供電將會造成地下車站特別是換乘站的秩序混亂，根據《供配電系統設計規范》(GB50052—2009)3.0.1條第3款，該站的集中冷站設備按二級負荷考慮。

3.2 配電方式選擇

集中冷站作為二級負荷，冷水機組單臺設備容量較大且運行工況具有較明顯的季節性變化特點，根據車站建筑條件，分別設置車站集中冷站專用跟隨所和環控電控室，跟隨所內設置2臺變壓器，由車站兩路高壓回路分別供電，跟隨所低壓系統采用單母線分段運行。正常情況下，2臺變壓器同時運行，母線分段斷路器斷開，當一臺變壓器故障或停電時，切除2臺冷水機組及其連鎖設備，母線分段斷路器投入，由另一臺變壓器向一臺冷水機組及其連鎖設備供電，冷水機組由跟隨所低壓配電柜單路放射式供電。集中冷站各配套輔機與相應的冷水機組都是作為一個完整的工藝系統需協調運行，冷凍機組成套設備自帶控制單元，在不同工藝運行模式下調整輔機的數量，以蓄冷池、主機聯合供冷工況為例，開機順序:冷卻泵→冷卻塔風機→模式蝶閥→釋冷泵→一次冷凍泵→二次冷凍泵→冷水機組，停機順序與開機順序完全相反，可以看出冷水機組啟動前的任何一個輔機環節出現問題，冷水機組將無法正常工作，因此輔機設備的配電亦按二級負荷考慮。與冷水機組供電方式不同，輔機由集中冷站環控電控室電控柜配電，增加了環控室配電級數，因此在環控室設置了3段二級母線段，由跟隨所兩段低壓母線分別引入主、備用電源，母線段的電源進線開關自動切換后單回路引至輔機設備。各母線段負荷分配情況見表2，其中第Ⅲ段二級母線配電是按故障情況下的一臺冷水機組及輔機運行要求并且做到各級開關的投切次數最少設計。如果第Ⅲ段二級母線出現故障或由該母線配電的某一輔機出現故障，冷水機組的控制單元可按預先設定的工作模式調整為1號或2號冷水機組及其他2段母線所對應的輔機運行;如果2號變壓器出現故障可通過跟隨所母線分段斷路器合閘調整到1號變壓器供電。跟隨所及環控電控室低壓配電主接線系統如圖1所示。

3.3 負荷計算

根據表1設備運行工況，分別以100%工況下第1種情況、75%工況下的第4種運行方式及25%工況下的第2種運行方式分別進行負荷計算，據此進一步討論供電電源正常和事故情況下供配電方案。集中冷站環控室不同工藝情況下集中冷站電控室各段二級母線負荷分配情況見表2。

表2 集中冷站環控室二級負荷母線負荷分配

正常情況下跟隨所變壓器負荷計算見表3，事故情況下跟隨所變壓器負荷計算見表4。

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表4 事故情況下跟隨所單臺變壓器負荷計算

通過以上負荷計算可以看出，由于冷水機組共3臺且單臺設備容量較大，特別是集中冷站采用專用變壓器供電方案，2臺變壓器負荷不易分配平衡，設計時既要考慮正常情況下2臺變壓器負荷分配情況，還要兼顧事故情況下工藝調整為1臺冷水機組及輔機運行工藝要求，盡量減少各級開關的投切次數，實現所有設備累計運行時間大致相同，根據季節變化調整冷水機組及輔機的運行模式，積累合理的工藝調整方案做到經濟運行。

4 結語

在車站集中冷站供配電系統設計中，除了對設備負荷等級做出正確分級，還應盡量詳盡了解設備工藝運行情況，需要對正常工作時可調節負荷的控制方案及效果做出較為合理判斷，變壓器的選擇及計算既要按用電設備的工作需要進行，又有要考慮到運營后應實現“平峰填谷”的節能效果，同時對于集中冷站這類季節性特征明顯的負荷，利用系統調節能力，采用不同的供配電方案，通過定時、定量控制提高電力使用效能，在供電系統出現故障、一路電源缺失或2臺變壓器中的一臺出現故障必須保證二級負荷供電，使可調節負荷在滿足工藝要求下低功率運行，在正常情況下利用邊界參數計算保證設備的高負荷全運行，實現變壓器最高效率。

[1]GB50157—2003，地鐵設計規范[S].

[2]GB50054—1995 低壓配電設計規范[S].

[3]GB50054—1993 通用用電設備配電設計規范[S].

[4]JGJ16—2008 民用建筑電氣設計規范[S].

[5]住房和城鄉建設部質量安全監司，中國建筑標準設計研究院.2009JSCS—5 全國民用建筑工程設計技術措施－電氣[Z].北京:2009.

[6]中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].北京:中國電力出版社，2005.

[7]《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京:冶金工業出版社，1996.