關于地鐵車站水系統設備選型及運行工況的分析

周偉

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510030）

1 引言

地鐵車站通風空調按服務區域及范圍分為隧道通風系統、公共區通風空調系統、設備管理用房區通風空調系統及水系統，其運行能耗約占地鐵總耗能的25%～40%，其中水系統能耗占空調系統總耗能的45%左右。本文主要依托福州市軌道交通2號線工程，提出冷水機組、水泵、冷卻塔、調節閥門等設備的選型方法和運行策略，確保水系統的高效可靠運行。

2 設備選型及工況分析

2.1 冷水機組

冷水機組選型冷量應按實際計算冷負荷直接選定，不做附加；如果計算冷負荷與機組的規格型號不匹配，應保證機組選型冷量與計算冷負荷的比值不大于1.1。冷水機組的性能與工作條件（實際運行工況）有關，離開工況來評價機組的性能沒有參考意義，比如冷水機組名義工況下蒸發器水側污垢系數為0.018m2.℃/kW，冷凝器水側污垢系數為0.044m2.℃/kW；而新機組性能測試時，冷凝器和蒸發器的水側應被認為是完全清潔的，實際污垢系數應考慮為0m2.℃/kW，即新機組出廠測試的制冷量應大于銘牌標定的額定制冷量，這是我們工程設計中應關注的。關于冷水機組水側污垢系數修正溫差的計算詳見《蒸汽壓縮循環冷水（熱泵）機組》GB/T18430.1附錄C。福州2號線車站均分別設置2臺相同制冷量的機組，并通過通信接口將負荷數據上傳BAS系統，BAS根據負荷情況對冷水機組進行調節，具體策略如下：(1)單臺機組運行時：如機組的負荷率＞90%，持續時間＞20min，且冷凍水出水溫度＞8℃，預計實際負荷還會繼續上升，則增加1臺機組投入運行；(2)兩臺機組運行時：當兩臺機組的負荷率之和＜90%，持續時間＞20min，且冷凍水供水溫度＜7℃，預計實際負荷會繼續下降，則減少1臺機組運行。

2.2 水泵

福州2號線冷凍水采用一級泵變流量系統，冷卻水采用一級泵定流量系統，水泵與冷水機組、冷卻塔一一對應設置。

2.2.1 水泵運行工況分析

冷凍水泵按工頻運行時的管路特性進行計算選型，假設單臺水泵運行的理論工況為圖1中的A點，但工程實際中，水泵特性基本不可能與管路特性完全匹配，比如管路特性曲線一定時，對水泵流量選型正確，揚程選型偏大，相當于圖1中水泵特性曲線由1變為2，即水泵銘牌的額定數值就是B點的參數，而水泵運行的實際工況卻在C點，此時水泵超流量運行，有燒毀電機的風險。

圖1 冷凍水泵運行工況分析

冷卻水泵定流量運行，假設單臺水泵的額定流量為Q，揚程為H，兩臺水泵并聯運行時，系統的管路特性為曲線2，水泵特性為曲線2，系統的理論工況為圖2中的A點。

圖2 冷卻水泵運行工況分析

當系統負荷降低，只有1臺水泵運行時，單臺水泵的理論工況點C一定會落在單臺水泵實際運行特性曲線1上，即通過O’和C兩點就可以確定水泵實際運行特性曲線1；單臺水泵運行時系統阻抗會增大，循環管路的特性曲線由2變為1。此時單臺水泵的實際運行工況在B點，水泵超流量運行，有燒毀電機的風險。

以上僅是對水泵可能出現的某一種情況進行分析，實際工程中水泵的功能特性與管路的阻力特性很難做到完全匹配，會出現偏離工況點運行的情況，因此設計中需進行詳細的水力計算，對設備進行合理選型，確保系統的可靠運行。

2.2.2 冷凍水泵運行策略

冷凍水泵啟動時，初始運行頻率設置為40Hz，按供回水溫差（設計溫差為5℃）進行變頻調節，當實際溫差大于5℃時提高頻率，反之則降低頻率，冷凍水泵的頻率變化速率按不大于2Hz/min控制。

冷凍水泵變頻運行時，針對最不利空調末端可能出現壓力不夠的情況，還有設置最不利末端壓差保護功能，當最不利末端壓差傳感器實測值小于設定值時，停止按照供回水溫差進行的變頻控制，保持水泵當前運行頻率不變，具體策略如下：

如實測值小于設定值并且持續時間＞5min，則以2Hz/min的速度逐步提高水泵運行頻率，直到實測值大于設定值，停止提高頻率，水泵保持當前運行頻率運行。

如實測值大于設定值并且持續時間＞5min，恢復按照供回水溫差進行變頻控制。

2.3 冷卻塔

冷卻塔是利用空氣濕球溫度較低的特點對冷卻循環水進行等焓冷卻，進風量和進風溫度對冷卻塔散熱效果影響較大，因此對冷卻塔的布置提出如下建議：

進風量保證措施。如圖3，如果圍避物鏤空率＜70% ，冷卻塔與圍避物的間距應滿足S＞h1；如果S＜h1，則應保證圍避物的鏤空率＞70%。

進風溫度保證措施。為防止冷卻塔氣流短路，其出風口上方一定高度范圍內，不應有障礙物。如圖3，如果圍避物鏤空率＜70%，出風口與圍避物頂部的高差（h2-h4）＞h1；如果（h2-h4）＜h1，應保證圍避物的鏤空率＞70%，同時確保（h2-h3）＞h1。

圖3 冷卻塔布置示意圖

冷卻塔校核計算。冷卻塔不能僅根據循環冷卻水水流量進行選型，還應按照使用環境的實際工況進行校核，具體可近似參考下式：

福州2號線冷卻塔定頻運行，若冷卻塔有采用變頻風機，可由設定的出水溫度直接控制風機轉速，以達到節能的目的。

2.4 動態平衡電動調節閥

調節閥廣泛應用于空調水系統的流量調節，它一般與執行器一起完成各種工況的控制任務，其中兩通閥門適用于變水量系統，三通閥適用于定水量系統。

調節閥是通過的流量系數進行選型設計，流量系數是指在給定行程下，閥門兩端壓差為0.1MPa，水密度為1g/cm3時，通過調節閥的水流量，具體可參考下式：

實際工程設計中，應根據系統滿負荷運行時，對應支管路的壓降（可參考末端空調器水盤管阻力降）和流量計算出調節閥的流通能力C，然后再對照閥門廠家的選型樣本曲線選擇合適的閥門即可。

2.5 壓差旁通閥

福州2號線冷凍水泵最低運行頻率為25Hz，且冷水機組蒸發器對掠過的水流量仍有限值要求，因此壓差旁通閥應按照變頻冷凍水泵和冷水機組蒸發器兩者之間最低流量限值的較大值進行設計選型。其中壓差旁通閥的初始壓差設定值按單臺冷凍水泵滿負荷運行時，壓差旁通閥所在支管路與水系統并聯管路分流點和匯流點的實測壓差值確定，其具體控制邏輯參考如下：

當末端冷負荷需求降低時，相應末端設置的動態平衡電動調節閥開度會減小，管路阻抗S增大，為維持循環管路壓差恒定，冷凍水泵變頻調速，降低流量Q，如果水泵變頻到最低限流情況下管路實際壓差仍然大于壓差旁通閥設定的初始壓差（實際流量＞末端需求流量），壓差旁通閥就會動作，讓富裕的冷凍水回流至冷水機組以維持管路壓降不變。即壓差旁通閥的使命就是維持循環管路末端的壓差恒定，并滿足冷水機組和水泵最低流量限值要求。

3 結語

工程實際中應進行精細化設計，保證設備性能與管路特性相匹配，確保系統運行可靠。根據設備特性和末端負荷特點，制定適合的運行策略，確保系統高效運行。因為不同使用環境的影響，導致設備實際使用工況與名義工況有所區別，建議根據廠家提供的參數對設備性能進行校核計算。