一次泵变流量系统在地铁车站中的应用

一次泵变流量系统在地铁 车站中的应用 摘 要:针对当前空调节能技术的 发展 趋势,对一次泵 变流量系统在地铁车站中的 应用 进行技术 经济 比较和控 制策略 分析 ,提出了该系统在地铁工程中应用的必要性和系 统设计的几点建议。关键词:地铁; 一次 泵变流量系统; 控制策 略;经济性;可靠性 随着国家大力倡导建设节约型 社会 ,节能降耗将作为衡 量一项工程的重要指标。地铁工程中列车运行能耗最大,其次 就是通风空调设备能耗,所以从通风空调系统形式、运营模式 等各方面进行全面的节能设计,才能保证技术节能和运营管理 节能。笔者在此仅对一次泵变流量系统(VPF)在地铁车站节能 设计的应用进行探讨。随着制冷机技术的不断提高以及自控 技术的发展,先进的冷水机组可在一定范围内变流量运行,并 保持水温稳定,使冷水机组蒸发器侧流量随着末端流量的变化 而变化,对机组能耗 影响 不大,同时变频器价格的下降,变流 量技术的可靠性和经济性已经大大提高, 目前 该系统在地面 2 建筑中应用越来越广,但在国内地铁工程中尚无实际应用,所 以对其在地铁车站中应用进行 研究 ,提出了该系统在地铁工 程中应用的必要性和系统设计的几点建议。 1 一次泵变流量系统原理及组成 一次泵变流量空调水系统就是通过调节二通阀改变流 经末端设备的冷水流量以适应末端用户空调负荷的变化,同时 采用变频冷冻水泵,使空调系统的总循环冷水量与末端的需求 量相吻合,通过制冷机蒸发器的水流量确保在安全流量范围内 变化,维持制冷机蒸发温度和蒸发压力的相对稳定,保证冷水 机组能效比相对变化不大。随着制冷机技术的不断提高以及 自控技术的发展,变流量技术的可靠性已经大大提高,同时由 于水泵的功率与流量的三次方成正比,减少系统的水流量可以 大大的降低水泵的能耗,采用变频水泵降低了水泵机组全年能 耗费用,不但冷冻水泵节能,同时减少冷水机组和冷却水泵的 运行时数,降低运行费用,对通风空调系统的节能降耗、减少运 行成本具有较大的意义。 某地铁车站空调水系统,设计采用 2 台同容量可变流量 螺杆式冷水机组、2 台冷冻水泵、2 台冷却水泵、2 台冷却塔,1 台分水器、1 台集水器,根据公共区和设备管理用房区负荷特 3 点分为 3 个供水回路,冷冻冷却水环路分别设置综合水处理仪,空 调冷冻水温度:供水 7,回水 12,冷却水温度:供水 32,回 水 37。分、集水器之间设置旁通调节阀,根据回水流量传感 器控制旁通调节阀的开度;冷水机组冷冻水出水管设电动调 节阀,并设供回水压差传感器;末端空调器设置电动二通阀,最 远不利环路设置压差传感器;冷冻水泵设置变频器,由最远不 利环路压差控制,冷冻水泵与机组不要求一一对应。冷却水侧 仍然采用定流量设计,冷却塔采用变频风机,根据冷却水温变 频运行。整套冷水系统设置群控系统,并通过通用接口与 BAS 系统通讯,其组成及工作原理如图 1 所示。2 一次泵变流量系 统控制策略 一次泵变流量系统的控制策略是关键,控制系统的成功 直接关系到节能效果,否则没有实际的节能意义。其通过调节 末端二通阀改变流经末端设备的冷冻水流量以适应末端用户 空调负荷的变化,同时根据负荷的变化,通过变频调节水泵转 速,使系统循环水量维持在刚好满足负荷需求的水平,保证负 荷侧( 包括最不利点)获得足够的循环压差并尽可能降至最低, 实现降低水泵运行能耗,从而达到系统的节能。 本设计选用 2 台变频冷冻水泵,冷冻水系统为并联管路, 水泵变频,均需保持水流量范围在 30%120%之间,通过群控 4 系统实现空调水系统的节能运行。 1)测量最不利环路末端的压差,与设定压差比较,采用 PID 运算策略,调节 水泵转速满足系统流量:当压差低于设定 压差时,增高水泵转速(上限为 100%额定转速); 当压差高于设 定压差时,降低水泵转速(下限为 50%额定转速)。 2)根据负荷情况,控制系统自动判断开启冷水机组台数 与调节冷机运行负载,同时也控制对应的冷冻、冷却水泵及冷 却塔。 3)当系统负荷持续降低,冷冻水流量已不能低于最低限, 则通过调节旁通阀,满足负荷端流量,保持系统压差稳定。监测 回水流量,结合运行机组台数,并综合冷冻水总管供回水压差, 控制旁通阀开度,保证冷冻水流量不低于相应总流量的 50%。 如单台机组运行时,应保证水流量不低于单台机组流量的 50%。 此时冷水机组根据出水温度已自行调节负荷百分比,以保证出 水温度恒定。 4)群控系统实现变频水泵系统与冷机调节系统自适应, 以满足冷冻水出水温度。当加机时,机组命令相应的水泵启动, 水泵先工频工作,再根据压差调节水泵转速。同时,两台机组在 5 群控系统管理下同时稳步加载,直至满负荷限定值。水泵的转 速应能满足使系统流量略大于负荷端要求,使机组略小于满负 荷限定值。当减机时,同理,相应水泵接收停止信号,剩余水泵 先工频工作,再根据压差调节水泵频率,最低限为 15%。同时剩 余冷水机组根据出水温度自动调节负荷百分比。 5)冷却水泵一直保持工频运行,根据冷水机组的启停运 行相对应的冷却水泵。冷却塔风机的变频运行根据冷却水回 水温度控制,保证冷却回水温度的稳定。 6)当本系统中变频器无法保证最小流量,或由程序判断 出流量计出现故障,水泵变频逻辑将自动转为工频逻辑工作, 由供回水总管压差来控制旁通阀开度,保证冷冻水系统稳定。 3 一次泵变流量系统应用经济性分析 该地铁站通风空调按照屏蔽门系统设计,所以车站公共 区与设备管理用房区负荷约各占总负荷的 63%和 37%,公共 区负荷呈现早、晚两个高峰分布特点,且地铁运营结束后公共 区空调末端停机,而设备区负荷白天变化较小,但地铁运营结 束后夜间管理用房负荷下降,只剩余信号、通信、变电所等部 分负荷,大约占车站总负荷的约为 22%。一般屏蔽门系统车站 6 空调水系统选用两台同容量的螺杆式制冷机为公共区和设备 管理用房区提供冷量,所以夜间系统负荷占单机容量的比例约 为 40%,虽然螺杆式制冷机冷量调节范围可达 15%100%,可 见车站制冷空调水系统采用一次泵变流量系统具有节能优势。 对该站采用一次泵定流量系统和一次泵变流量系统初投 资和运营费用比较如表 1 和表 2 所示。其中电费按 0.79 元 /KWh 计算 。从以上两表可知初投资一次泵变流量系统比一 次泵定流量系统多 164000 元,而年运营费用前者比后者少 40470.4 元,投资回收期为 4.05 年,所以一次泵定流量系统的运 营节能性是比较明显的,在地铁车站空调水系统中 应用 是十 分必要的。 4 一次泵变流量系统设备可靠性 分析 通过对冷水机组、水泵、变频器等相关设备调查 研究 , 目前 多数厂商均可生产可变流量冷水机组,部分厂商冷水机 组标准配置具备蒸发器水流量变化功能,流量变化范围一般 在 30%120%之间,机组流量变化范围 越大,越有利于冷水机 组加、减机控制,节能效果越明显;流量变化率每分钟 30%50%, 机组允许流量变化率越大,则冷水机组变流量时出水温度波动 7 越小;另外根据相关 文献 研究表明机 组在 50%部分负荷以 上变流量运行时,其 COP 变化最小,能效比与定流量运行相比 减小不到 5%,根据该屏蔽门系统地铁工程负荷特点,一般选 用 2 台冷水机组并联运行,这样每台机组运行权重通常保持 在 50%以上。所以设计采用 2 台可变流量螺杆式冷水机组并 联运行,流量变化范围在 50%100%之间,流量变化率每分钟 30%50%,既保证机组运行高效,又能保证蒸发器运行稳定。 另外,变频器技术较成熟,目前价格下降明显,具备系统需 要的使用条件。一次泵变流量系统冷冻水泵数量可以与冷水 机组数量不同,因为二者启停相互独立,水泵由最不利环路的 末端压差控制,而冷水机组根据负荷侧冷量需求利用输入电流 控制。考虑频率过低时水泵电机散热不畅易烧电机,水泵频率 变化范围设定为 15Hz50Hz 内变化,且该范围内水泵效率变 化相对较小,仍选用 2 台冷冻水泵。因此,从设备技术性方面可 知,一次泵变流量系统完全具备在地铁车站应用的可靠性。 通过对该系统、设备、控制策略研究及技术 经济 比较。 且该系统对土建方案不造成 影响 ,所以选择该站按一次泵变 流量系统设计,通过该站的设计、施工及运营积累 总结 成功 经验,若节能效果能到设计的目标值,可在全线其它车站增设 变频器及控制模块,均改造为一次泵变流量系统,实现全线空 8 调水系统的节能目的,也为今后地铁工程中应用该系统奠定基 础。 5 结论 (1)一次泵变流量系统在地铁车站空调水系统中应用的 技术性是成熟的,经济性和节能性是随着控制系统的 发展 越 来越明显。 (2)可变流量冷水机组的选择要保证系统可靠性前提下, 尽量使冷水机组 COP 下降相对较小。 (3)最不利环路末端压差确定要准确,这就要求空调水系 统水力计算准确,才能有效控制冷冻水泵变频运行。 (4)旁通管按照冷量最大冷水机组的最小许可流量计算 确定,并应选择精度高、调节性能好的阀门。 (5)先进的群控系统才能准确有效地控制空调水系统