冷水機組群控系統在北京地鐵的應用

翁雪飛

(北京市軌道交通建設管理有限公司 100037)

1 冷水機組系統概述

隨著中央空調系統在地鐵中的廣泛應用，系統節能已經成為地鐵建設單位、運營單位、設計單位、設備供應商所關注的焦點。在地鐵的實際運營中，地鐵通風空調系統的耗電僅次于列車牽引用電。冷水機組的能耗往往是空調系統能耗的重要組成部分，在實際工程中，冷水機組系統的電耗占到空調系統總電耗的一半以上，其運行效率對空調系統的整體效率有顯著影響。因此，冷水機組系統的高效節能成為空調系統節能的關鍵。

為了節省地下空間和適應負荷的變化，目前的北京地鐵地下車站冷凍機房內一般設置3臺水冷螺桿式機組。在高峰負荷時，啟動3臺冷水機組，可滿足大小系統冷量需求;當設備管理用房單獨使用時，開啟1臺冷水機組即可滿足需求。車站空調水系統一般采用定水量系統，即冷水機組和水泵的流量不變，在末端設備(組合式空調箱等)設置電動二通閥，在機房的集水器、分水器之間設置電動壓差旁通調節閥，通過改變水流量來適應空調區域負荷的要求，從而達到節能的目的?？照{系統的冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔采用一對一的設置，系統選用低噪聲變頻控制橫流式冷卻塔。

2 冷水機組群控系統

冷水機組的群控是指利用自動控制技術對制冷站內部的相關設備(冷水機組、水泵、冷卻塔、閥門等)進行自動化監控，使制冷站內的設備達到最高效的運行狀態。群控系統會采集和控制各類輸入輸出信號，實現多臺冷水機組的遠程管理控制，同時也把冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔等的聯鎖控制納入管理。冷水機組群控系統中的監控計算機監測和控制這些設備的各種重要參數，并作為管理者的操作界面。在該界面上，通過對設備運行狀態的了解，設定或修改各類運行參數，如設定冷機運行時間表、修改冷機的出水溫度控制值等。

群控系統可根據需要自動調節，監控和管理空調系統，使系統處于最佳的工作狀態和保持最少的能源消耗。每座地鐵車站的冷水機組系統獨立設置一套群控系統，實現監控功能和聯鎖保護功能。圖1為北京地鐵某線的群控系統控制界面。

3 群控系統功能及作用

群控系統主要監控的設備有:冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、水處理設備、定壓補水裝置等。群控系統現場元件的組成有:冷凍水進水溫度傳感器、冷卻水進水溫度傳感器、冷凍水出水溫度傳感器、冷卻水出水溫度傳感器、水流開關、電動蝶閥及執行器、冷凍水壓差旁通閥及執行器、電動三通閥等。

圖1 群控系統控制界面

3.1 群控系統功能

3.1.1 監視保護功能

群控系統的主要功能是:監視冷水機組、冷卻塔風機、冷凍泵、冷卻泵、電動壓差旁通閥、冷凍水電動蝶閥、冷卻水電動蝶閥、定壓補水裝置、水處理設備和加藥裝置等的運行狀態，監測冷凍水供/回水溫度、冷凍水流量、冷卻水供/回水溫度、冷卻水流量、冷凍水流開關狀態、冷卻水流開關狀態，并分別累計冷水機組、冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔的運行時間。群控系統能夠根據具體工況，進行設備的啟?？刂啤⒗渌畽C組臺數控制、冷卻水溫控制、補水箱的自動補水控制、電動閥門的控制，自動監測冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、定壓補水裝置、水處理設備的故障過載報警。

3.1.2 聯鎖保護功能

1)開機順序:冷卻塔風機→冷卻水閥→冷卻泵→冷凍水閥→冷凍泵→制冷機組。關機順序:制冷機組→延時3 min關冷凍泵→冷凍水閥→冷卻泵→冷卻水閥→冷卻塔風機。相關設備的開/關需經確認后，才能開/關下一設備，如遇故障則自動停泵。

2)保護控制:冷凍泵、冷卻泵啟動后，水流開關檢測水流狀態，如遇故障則群控系統自動停泵。相關設備的開/關狀態需經群控系統確認后才能開/關下一設備，如遇故障則自動停止，系統運行返回初始狀態，并上傳故障信號至環境與設備監控系統(buildingautomation system，BAS)。

3.2 群控系統作用

3.2.1 提高運行效率

1)根據系統負荷的大小，準確控制制冷機組的運行數量和每臺制冷機組的運行工況，從而達到節能并降低運行費用的目的。群控系統具有機組運行時間安排、負荷分段卸載等功能，為地鐵運營提供最高效的能耗管理策略。

2)操作者可以在短時間內對系統故障報警做出反應，保持空調系統的舒適性，提高能源效率。

3)群控系統能夠提供設備運行時間和能耗量等數據，為地鐵實際運營做能耗分析，為決策提供有效的依據。

3.2.2 降低勞動強度

1)集中監控大大減輕了人工手動操作的勞動強度，縮短了排除故障的過程，避免了由于人工手動操作疏忽而造成的設備損壞。

2)通過機組輪換、故障保護、負荷調節等控制程序，確保冷水機組的安全，有利于延長機組的使用壽命，降低設備的維護成本。

3.2.3 強化診斷能力

1)為操作者提供了辨別設備非正常運行狀態和對其他設備產生影響的功能。

2)所有的維護請求需要進行現場或遠程操作的確認，不會自動清除。

3.2.4 完成協同工作

通過控制網絡的數據互交換功能，使用專用的通信模塊，可以實現與BAS系統的雙向數據通信，將群控系統內部的參數上傳到車站管理系統。

4 群控系統控制原理

4.1 冷水機組控制

冷水機組控制采用微電腦PLC(programmable logic controller可編程控制器)控制系統，機組的所有元器件都裝在一個控制箱內。

冷水機組具有啟?？刂啤⒗鋬鏊鏊疁囟瓤刂?、防反復啟動控制、壓縮機和節流裝置的調節等控制功能，具有吸氣壓力過低保護、排氣壓力過高保護、油溫過高保護、油壓差過低保護、電流過大保護、冷凍水及冷卻水水量過小保護、冷凍水溫度過低保護、低電壓保護、缺相保護、短路保護、壓縮機故障停機保護、冷水機組啟動延時保護、急停保護等功能，具有故障狀態信息記錄顯示功能。冷水機組接受群控系統的指令。

4.2 群控系統控制

4.2.1 啟停控制

冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、電動蝶閥與冷水機組聯鎖，1臺冷水機組對應1臺冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵。群控系統接到BAS發出的動作指令后，由群控系統計時器決定開啟運行時間相對較短的無故障冷水機組，冷水機組給對應的冷卻水泵、冷凍水泵及電動蝶閥等發出動作指令，實現相應設備的啟停。

冷水機組接到開機命令后，首先進行系統自檢，檢測系統中的冷卻水電動蝶閥、冷凍水電動蝶閥是否打開，冷卻水泵、冷凍水泵是否正常運轉，水流開關檢測是否有系統運行需要的最低水量，冷卻水溫度是否滿足開機要求。當檢測完畢達到開機條件時，冷水機組啟動。群控系統發出的開啟指令為非強制性指令，當任一設備或部件不能正常工作時，冷水機組均不能開啟，以保護設備、不影響其使用壽命。在運行過程中，當任一設備或部件發生問題時，冷水機組均停止工作，重新開啟能正常運行的設備。

在系統運行過程中，當外界負荷變化時，群控系統自動調整設備的運行臺數，實現相應設備的啟?？刂?。

4.2.2 加載和卸載

1)加載過程:當系統啟動時，不論群控系統中存在幾臺冷水機組，冷水機組均為順序啟動，即逐臺開啟。1#冷水機組從最低負荷開始加載，當到達某一負荷率、檢測到的水溫在設定的范圍內時，則冷水機組處于此時的負荷水平工作;若該冷水機組已達到滿載狀態，但檢測到的水溫仍高于設定值時，2#冷水機組啟動，為保證系統的高效性(螺桿冷水機組部分負荷效率遠高于滿負荷效率)，1#冷水機組卸載，2#冷水機組加載，當兩臺冷水機組達到均衡值時，同時加載;若兩臺機組均滿負荷，且水溫仍高時，依次開啟3#冷水機組。

2)卸載過程:系統運行過程中，當檢測到的溫度低于設定溫度時，冷水機組自動卸載，當單臺機組負荷率低于45%時，由計時器記錄的運行時間最長的冷水機組先停止運行，未停止運行的冷水機組加載，以使水溫在設定范圍內。當外界負荷較小、水溫較低，負荷低于單臺冷水機組的最低運行負荷時，冷水機組停止運行;當水溫升高，滿足開機條件時，由群控系統自動識別，開啟運行時間最短的冷水機組。

群控系統能根據外界負荷的變化，自動計算系統實際所需的目標負荷，自行調整冷水機組的運行狀況和臺數，實現最大程度的節能。

4.2.3 冷卻水溫控制

冷卻塔選用變頻控制橫流冷卻塔，通過檢測冷卻塔回水管上的冷卻水溫度，自動調整風機變頻器的運行頻率。冷卻塔風機是否運行由冷卻塔總出水溫度決定，通過冷卻塔風機的啟停來維持冷卻水出水溫度的設計值(假設為32℃);系統實時監測冷卻水回水溫度，計算實際值與設計值的差Δt(實際值－設計值);控制系統將保證在冷卻塔工作時維持風機持續運行;在夏季負荷高峰時期，如果冷水機組的冷卻水出水溫度持續高于設計值且冷卻塔風機已開啟，冷凍水的總出水溫度將被重新設定，以維持能使機組正常運行的冷卻水和冷凍水溫差。

4.2.4 定壓補水裝置控制

定壓補水裝置為自帶控制系統的成套設備，它根據水系統管路的壓力自動啟停補水泵，以保持系統壓力恒定，群控系統只給出自動運行的允許信號，并監視其運行和故障狀態。

4.2.5 補水箱補水控制

在補水箱中設置液位計，在補水泵運行過程中，液位計檢測補水箱中的水位，根據水位自動控制進水電磁閥的開啟和閉合，使補水箱中的水位維持在允許范圍內。

4.2.6 壓差旁通閥門控制

維持系統的供回水壓差穩定對整個空調系統的性能有著重要意義，當供水壓力穩定時，末端調節供冷量的穩定性也大大提高。在冷凍水系統的分集水器之間設置電動調節閥，設置壓力傳感器來檢測供回水壓差，自動調節電動閥閥門的開度來維持供回水壓差的穩定。分集水器間的電動壓差旁通閥為獨立執行部件，群控系統只顯示其閥位反饋狀態和手/自動運行狀態，不對其動作指令進行控制。

4.2.7 水處理設備控制

水處理設備自帶控制箱，實現設備的啟停動作。在系統運行過程中，水處理設備亦處于工作狀態，群控系統僅監視其相應狀態，不對其進行控制。

5 冷水機組群控系統接口

冷水機組群控箱與冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、電動蝶閥、定壓補水裝置、水處理器等有接口，圖2為冷水機組群控系統接口。

圖2 冷水機組群控系統接口

所有的開關量信號為無源干結點信號，模擬量信號為0～10 V/4～20 mA的標準信號，信號電纜采用低煙、無鹵、阻燃的控制電纜。冷水機組和群控箱的通信接口為RJ45以太網接口，通信電纜采用5類雙絞線。

冷水機組群控系統與BAS之間的接口在群控箱內，是標準的 RS485通信接口，通信協議為 Modbus-RTU。冷水機組群控系統接收BAS發來的啟?？刂菩盘?，完成冷水機組的啟停，上傳冷水機組的狀態及故障報警信息。

6 結語

由于地鐵工程建設的特殊性，目前車站內的集中空調設備為一次性投資到位，其容量對應的負荷值均為遠期晚高峰時段的空調負荷值。但在近期的運營階段，負荷相對較小?？照{系統大部分時間都在低于設計負荷的工況下運行，且負荷隨客流量不斷變化。近幾年開通的北京地鐵新線，采用了冷水機組群控系統，做到了空調系統的智能自動化監控，將車站溫度控制在合理區域內，避免了傳統控制方式下按時間表開啟冷水機組、風機、水泵等設備，避免了車站溫度過低而造成的能源浪費，實現了節能運行。

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