地铁风机运行频率分析

南京地铁一号线南延线环控风机节能运行频率分析摘要：通过对南京地铁一号线南延段地下车站目前环控风机运行特性的收集、统计和分析，找出环控风机可能存在的不合理的因素，通过理论研究及实测分析，确定合理节能的环控风机运行频率，为南京地铁一号线南延段环控风机运行提供合理的节能技术措施。关键词：地铁环控，节能，风机，频率0 引言地铁系统运行能耗很高，而环控系统耗能占地铁系统耗能很高比例高波,李先庭,韩宗伟,郜义军. 地铁通风空调系统节能的新进展J. 暖通空调,2011,08:21-26.。轨道交通系统设备容量均按远期高峰客流量要求配置，初近期由于客流量未达到设计值，系统设备的节能潜力很大。地铁车站的公共区空调系统一般采用全空气系统，风机能耗在整个环控系统中的比例达到50%左右朱培根,田义龙,何志康,涂江峰. 地铁通风空调系统能效分析J.解放军理工大学学报(自然科学版),2012,(10):589-592.，因此，风机的节能运行对降低环控系统能耗非常重要的，基于变频节能的环控系统研究就显得尤为重要 Thompson J, Maidment G, Missenden J. Modeling low-energy cooling strategies for underground railways J. Appl Energy, 2006,83 (10): 1152-1162江泳，朱颖新.地铁变风量空调节能潜力分析J通风与空调.。通过关键技术的研究，解决不同工况下环控风机运行频率，找出提高环控风机性能的有效技术措施。主要研究包括如下几个内容：1）对环控风机特性进行分析，建立相关的模型，评估环控风机频率能效，从理论上定量分析影响环控风机能效的各种因素；2）环控风机频率能效特性的测试；3）确定环控风机最佳运行频率。1 地铁环控系统简介车站空调大系统负责车站公共区的环境，可以以全新风、最小新风、全回风空调等模式运行，也可以作为通风机使用。空调送、排风机兼作车站排烟风机，排烟风道与送、排风道合用，站端设置4条机械风井，有4台送排风机，每站端2台，可以并联到同侧运行。每台风机风量为23.4万m3/h，压头1000Pa。各风机均可逆转，在事故发生时作为事故风机使用且可以并联向任一隧道送风袁凤东等. 地铁用轴流风机变频性能研究J.流体机械,2006,34(9):1-4.。空调大系统如图1所示。图1 南京地铁一号线南延线风系统图2 地铁环控风机能效特性测试方案2.1 理论研究风机的能效特性试验，是为了测试风机运行频率与风机送排风量、轴功率的关系，为确定风机运行状态提供数据支撑。实验测试包括两个方面：风机送、排风量和风机运行轴功率。风量测试的目的是确定风机在一定运行频率稳定后的送、排风量，同时检查该运行工况下系统的风量是否符合设计要求周吉日.地铁环控系统中的应用变频技术的节能效果研究D西南交通大学研究生学位论文，2007年3月.。2.1.1 风量测量理论研究（1）测定断面的选择测定断面原则上应该选择在气流均匀而稳定的直管段上，按气流方向，一般应选在离前一个局部阻力4倍以上风管直径、距后一个局部阻力1.5倍以上风管直径的地方。通过实地考察和调研，测量送风机的能效特性关系时，送风机运行稳定后，选取表冷器前端（A5）断面进行风速的测量，排风机运行稳定后，选取排风机消声器端（A6）断面进行风速的测量，测量排风机能效特性时，阀门启闭状态及测量断面见图2。图2 送排风机能效测试时，阀门启闭状态及测量断面示意（2）测定测点的选择管道内壁空气流动产生摩擦而引起风速分布不均匀，根据风管断面的形状和大小，划分成若干个相等的小截面，选取每一个小截面的中心为测试点，在同一个断面布置多个测点，分别测得各点的风速，求得平均风速。风口装有格栅或者网格时，可以用叶轮式风速仪紧贴风口进行测量。每个测点进行三次测量，取平均值宋友山，中央空调系统操作员（高级）M机械工业出版社，2011，402.李援瑛, 中央空调运行管理与维护技术M机械工业出版社2012 159。测量断面的测点分布图如图3所示。图3 断面测点分布图（3）风量的计算通过测量流速，利用公式（1）推算出流量。速度面积法是直接按流量的定义式进行测量。 （1）式中：A截面面积，m2；Vn方向上的速度，m/s。Q流量，m3 /s测量的具体方法是将被测截面划分为网格，逐点测量每一网格中心点的速度，计算每一网格的局部流量，所有网格流量的累加值即为截面总流量。2.1.2 电量测量理论研究实验步骤（1）风机在空载状态下，读取记录风机轴功率。（2）确定通风系统正常运行。风机运行的频率范围为12Hz至40Hz，以12Hz为测量起始频率，每隔2Hz测量一种工况，共测量15种频率运行工况；每一工况测试完毕后进行下一工况的测试；（3）通过电能表读取风机实时运行的轴功率，风机运行稳定后，风机的轴功率在较小的范围内波动时候，读取记录该状态下风机的轴功率；（4）到达选择好的指定断面之后，用钢卷尺测量风道的直径或矩形风道的尺寸。根据测得的尺寸选取测点位置。测点位置选取好后测量测点处风速。待风速仪读数基本稳定后，记录数据，每个测点的数据读取3个，同时记录下当前断面的代号、风机运行的频率等信息。一种风机运行频率测试完毕后进行下一运行频率能耗、风速的测试；（5）测试完成，回收仪器仪表及设备，恢复风机运行状况。通过实验，得到风机运行的运行频率，实时轴功率，送排风量对应的关系，通过数据处理与整合，求出各个量之间的近似函数关系表达式，用来计算所需的风机运行工况下风机的运行频率、送排风量及轴功率。2.2 地铁环控风机能效特性实验研究由于一条地铁线路的各个地下站的通风空调大系统大同小异，只选取一个典型站。2.2.1 送风机能效特性测试与分析通过测试得到了风机不同运行频率下断面测点的风速和风机功率，通过整理得到风机运行频率与风机送风量及风机轴功率间的关系，如表1所示。表1 风机运行频率与风机送风量及风机轴功率关系表运行频率（Hz）1214161820222426风量（m3/h）24077390725258957024768778152395462轴功率(kW)2.873.704.856.267.939.9914.4415.11运行频率（Hz）28303234363840风量（m3/h）轴功率(kW)18.1222.4626.8331.8037.1043.2049.52.3.2 排风机能效特性测试与分析方法与送风机测试相同，结论也大致相同。3 地铁环控系统运行能耗模拟与分析3.1 通风空调系统耗电量计算为保证运营模式热模拟数据能真实反应实际运营情况，我们在模型中输入实际运营参数进行运营初期的热环境模拟计算，得出空调冷负荷及用电量。根据STESS模拟H. Kajiyama. Numerical simulation of thermal environment in underground railways J. 11th International Symposium on Aerodynamics & Ventilation of Vehicle Tunnels，2003，vol.2 Analysis of Fan Energy-saving Operation Frequency of Nanjing Metro Environmental ControlWang Hui(Nanjing Metro Operation Co., Ltd.， Nanjing , China)ABSTRACT: Through collecting, counting and analyzing the current operation characteristic of environment controlling fan in Nanjing subway underground station to identify environmental control fan irrational factors may exist. Confirming a reasonable and energy saving operation frequency of environment controlling fans through theoretical research, measure and analysis. Providing a reasonable, reliable and energy saving technical measure for the system operation of environment controlling fans in South extension line of Nanjing subway line 1.Keywords: subway environment control; energy saving; fan; frequency;出车站总耗冷量为1000千焦（kJ）。3.1.1 各项耗电量计算地铁通风空调系统耗电量由风机、冷冻水泵、冷水机组、冷却水泵和冷却塔等几部分组成，这几部分用电量相加得出通风空调系统总用电量。实际的通风空调用电量由2012年全年地铁南延线各站空调用电量年报表和空调大系统各设备逐月电量统计来计算。由于各站空调用电量年报表和空调大系统各个组成部分的逐月电量统计存在不同程度的数据缺省或者是偏差，特结合实际运行工况及模拟计算，选取合理的能耗统计数据进行南延线空调大系统能耗的统计。风机耗电量根据风机开启时间求得。通过实际用电量与模拟用电量进行比较，得出风机耗电量最佳算法。在空调季节风机一直处于开启状态，空调机组根据需要开启，因此，风机每天开启18小时。实际运行过程中，风机全部开启。当风机以18Hz运行时，各站风机的实时总功率Nf如表2所示。表2 各站台风机运行实时功率站台百家湖站胜太路站河定桥站双龙大道站南京南站花神庙站软件大道站天隆寺站风机实时功率Nf（kW）24.6224.1823.626.3238.5122.125.2619.42实际电量选取胜太路、河定桥、双龙大道、软件大道和天隆寺2012年5月至2012年10月的通风用电统计。模拟用电量与实际用电量统计对比如表3所示下：表3 模拟用电量与实际用电量对比表胜太路站河定桥站双龙大道站软件大道站天隆寺站总计实际用电量（kWh）84366712267111177308模拟用电量（kWh）7920777328861418270663785通过对比可知，模拟用电量与实际用电量最接近。3.2 全线各年及各年段通风空调总用电量无夜间通风，每站每周开4台送排风机半小时，全线各年及各年段通风空调总用电量见表4。表中全年合计是指全年所有地下站用电量合计，全年段合计是指全年所有地下站在所指年段内总用电量合计，初期为7年，近期为15年，远期为14年。表4 全线各年及各年段通风空调总用电量（单位：万kWh）年段通风空调用电量送排风机用电量通风空调总用电量全年合计全年段合计全年合计全年段合计全年合计全年段合计初期(2011-2017年)294.862064.039.8669.00304.722133.03近期(2018-2032年)358.905383.5111.54173.15370.445556.66远期(2033-2046年)461.976467.5713.23185.24475.206652.81总计13915.10427.3914342.494 调整方案南京地铁一号线南延线各站通风空调大系统所管控的面积平均在8000m3左右，车站站台及站厅层层高为3m，换气次数取6次/时，通风空调大系统送风量为14.4万m3/h，即只要风机送风量大于14.4万m3/h就可满足要求，结合实际测得的送排风机变频的数据及模拟得到风机能效特性曲线，制定出非空调季南延线各个站不同时期风机的运行工况。通过实际测量得知的数据，当送风机以20Hz运行的时候，风机单台送风机风量7.69万m3/h，轴功率为7.93kW，排风机空载，轴功率为0.2kW，地下站台初期开启2台送风机，运行频率为20Hz，总送风量为15.36万m3/h，满足要求，此时风机总轴功率按照实际测量为16.26kW；当排风机以18Hz运行的时候，风机单台排风机风量8.0万m3/h，此时单台排风机的轴功率为5.28kW，送风机空载，轴功率为0.2kW，则地下站近期开启2台排风机，运行频率为18Hz，总排风量为16.0万m3/h，可满足要求，此时风机总轴功率10.76kW；送风机以19Hz运行的时候，单台送风机风量为6.70万m3/h，此时单台送风机的轴功率为7.25Kw，当排风机以19Hz运行的时候，单台排风机风量为8.63万m3/h，此时单台排风机的轴功率为5.66Kw，风机空载时，轴功率为0.2kW，地下站远期开启1台送风机和1台排风机，运行频率为19Hz，总送风量为15.33万m3/h，满足要求，此时风机总轴功率为13.31kW；不同时期非空调季各站送排风机运行工况见表5。表5 不同时期非空调季各站送排风机运行工况表百家湖站胜太路站河定桥站双龙大道站南京南站花神庙站软件大道站天隆寺站初期送风机运频率（Hz）2020202021202020排风机运频率（Hz）00000000总送排风量（万m3/h）15.3615.3615.3615.3629.0415.3615.3615.36风机总轴功率（kW）16.2616.2616.2616.2629.0416.2616.2616.26近期送风机运频率（Hz）00000000排风机运频率（Hz）1818181822181818总送排风量（万m3/h）16.016.016.016.031.216.016.016.0风机总轴功率（kW）10.7610.7610.7610.7625.1610.7610.7610.76远期送风机运频率（Hz）1919191921191919排风机运频率（Hz）1919191921191919总送排风量（万m3/h）15.3315.3315.3315.3328.9215.3315.3315.33风机总轴功率（kW）13.3113.3113.3113.3125.8413.3113.3113.31空调季风机耗电量按全天开启计算，夏季新风量取1万m3/h，通过实际测量发现空调季节通过关闭排风机，关闭新风阀，可以实现新风量1万m3/h，此时送风机运行时的总轴功率Nf如表6所示。表6 夏季小新风模式个站台风机实时功率表百家湖站胜太路站河定桥站双龙大道站南京南站花神庙站软件大道站天隆寺Nf（kW）14.1616.2115.4416.6123.6913.0915.4212.25 环控的运行模式车站送排风形式：过渡季和冬季早晚高峰开车站风机机械通风，通风初期采用车站送风形式，各地下站开启两台送风机，风机运行频率为20Hz，排风机关闭；近期采用车站排风形式，各地下站开启两台排风机，风机运行频率为18Hz，送风机关闭；远期采用车站送排风形式，各地下站其中一端开启送风机，另一站端开启排风机，送、排风机运行频率为19Hz；空调季各站送风机以18Hz运行，排风机不运行，同时新风阀排风阀关闭，回风阀打开。5.1 全年段环控总能耗及总用电量全线各年及各年段通风空调总用电量见表7。表中全年合计是指各项全年八个地下站用电量合计，全年段合计是指各项全年八个地下站在所指年段内总用电量合计，其中初期为7年，近期为15年，远期为14年。表7 全线各年及各年段通风空调总用电量（单位：万kWh）年段空调用电量送排风机用电量通风空调总用电量全年合计全年段合计全年合计全年段合计全年合计全年段合计初期(2011-2017年)274.891924.237.9955.96282.881980