泵變流量系統(tǒng)在地鐵車站中的應用

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摘　要:針對當前空調節(jié)能技術的 發(fā)展 趨勢,對一次泵變流量系統(tǒng)在地鐵車站中的 應用 進行技術 經濟 比較和控制策略 分析 ,提出了該系統(tǒng)在地鐵工程中應用的必要性和系統(tǒng)設計的幾點建議。關鍵詞:地鐵;一次泵變流量系統(tǒng);控制策略;經濟性;可靠性

  隨著國家大力倡導建設節(jié)約型 社會 ,節(jié)能降耗將作為衡量一項工程的重要指標。地鐵工程中列車運行能耗最大,其次就是通風空調設備能耗,所以從通風空調系統(tǒng)形式、運營模式等各方面進行全面的節(jié)能設計,才能保證技術節(jié)能和運營管理節(jié)能。筆者在此僅對一次泵變流量系統(tǒng)(VPF)在地鐵車站節(jié)能設計的應用進行探討。隨著制冷機技術的不斷提高以及自控技術的發(fā)展,先進的冷水機組可在一定范圍內變流量運行,并保持水溫穩(wěn)定,使冷水機組蒸發(fā)器側流量隨著末端流量的變化而變化,對機組能耗 影響 不大,同時變頻器價格的下降,變流量技術的可靠性和經濟性已經大大提高, 目前 該系統(tǒng)在地面建筑中應用越來越廣,但在國內地鐵工程中尚無實際應用,所以對其在地鐵車站中應用進行 研究 ,提出了該系統(tǒng)在地鐵工程中應用的必要性和系統(tǒng)設計的幾點建議。 1　一次泵變流量系統(tǒng)原理及組成    一次泵變流量空調水系統(tǒng)就是通過調節(jié)二通閥改變流經末端設備的冷水流量以適應末端用戶空調負荷的變化,同時采用變頻冷凍水泵,使空調系統(tǒng)的總循環(huán)冷水量與末端的需求量相吻合,通過制冷機蒸發(fā)器的水流量確保在安全流量范圍內變化,維持制冷機蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力的相對穩(wěn)定,保證冷水機組能效比相對變化不大。隨著制冷機技術的不斷提高以及自控技術的發(fā)展,變流量技術的可靠性已經大大提高,同時由于水泵的功率與流量的三次方成正比,減少系統(tǒng)的水流量可以大大的降低水泵的能耗,采用變頻水泵降低了水泵機組全年能耗費用,不但冷凍水泵節(jié)能,同時減少冷水機組和冷卻水泵的運行時數,降低運行費用,對通風空調系統(tǒng)的節(jié)能降耗、減少運行成本具有較大的意義。    某地鐵車站空調水系統(tǒng),設計采用2臺同容量可變流量螺桿式冷水機組、2臺冷凍水泵、2臺冷卻水泵、2臺冷卻塔,1臺分水器、1臺集水器,根據公共區(qū)和設備管理用房區(qū)負荷特點分為3個供水回路,冷凍冷卻水環(huán)路分別設置綜合水處理儀,空調冷凍水溫度:供水7℃,回水12℃,冷卻水溫度:供水32℃,回水37℃。分、集水器之間設置旁通調節(jié)閥,根據回水流量傳感器控制旁通調節(jié)閥的開度;冷水機組冷凍水出水管設電動調節(jié)閥,并設供回水壓差傳感器;末端空調器設置電動二通閥,最遠不利環(huán)路設置壓差傳感器;冷凍水泵設置變頻器,由最遠不利環(huán)路壓差控制,冷凍水泵與機組不要求一一對應。冷卻水側仍然采用定流量設計,冷卻塔采用變頻風機,根據冷卻水溫變頻運行。整套冷水系統(tǒng)設置群控系統(tǒng),并通過通用接口與BAS系統(tǒng)通訊,其組成及工作原理如圖1所示。2　一次泵變流量系統(tǒng)控制策略    一次泵變流量系統(tǒng)的控制策略是關鍵,控制系統(tǒng)的成功直接關系到節(jié)能效果,否則沒有實際的節(jié)能意義。其通過調節(jié)末端二通閥改變流經末端設備的冷凍水流量以適應末端用戶空調負荷的變化,同時根據負荷的變化,通過變頻調節(jié)水泵轉速,使系統(tǒng)循環(huán)水量維持在剛好滿足負荷需求的水平,保證負荷側(包括最不利點)獲得足夠的循環(huán)壓差并盡可能降至最低,實現降低水泵運行能耗,從而達到系統(tǒng)的節(jié)能。    本設計選用2臺變頻冷凍水泵,冷凍水系統(tǒng)為并聯(lián)管路,水泵變頻,均需保持水流量范圍在30%~120%之間,通過群控系統(tǒng)實現空調水系統(tǒng)的節(jié)能運行。    1)測量最不利環(huán)路末端的壓差,與設定壓差比較,采用PID運算策略,調節(jié)水泵轉速滿足系統(tǒng)流量:當壓差低于設定壓差時,增高水泵轉速(上限為100%額定轉速);當壓差高于設定壓差時,降低水泵轉速(下限為50%額定轉速)。    2)根據負荷情況,控制系統(tǒng)自動判斷開啟冷水機組臺數與調節(jié)冷機運行負載,同時也控制對應的冷凍、冷卻水泵及冷卻塔。    3)當系統(tǒng)負荷持續(xù)降低,冷凍水流量已不能低于最低限,則通過調節(jié)旁通閥,滿足負荷端流量,保持系統(tǒng)壓差穩(wěn)定。監(jiān)測回水流量,結合運行機組臺數,并綜合冷凍水總管供回水壓差,控制旁通閥開度,保證冷凍水流量不低于相應總流量的50%。如單臺機組運行時,應保證水流量不低于單臺機組流量的50%。此時冷水機組根據出水溫度已自行調節(jié)負荷百分比,以保證出水溫度恒定。    4)群控系統(tǒng)實現變頻水泵系統(tǒng)與冷機調節(jié)系統(tǒng)自適應,以滿足冷凍水出水溫度。當加機時,機組命令相應的水泵啟動,水泵先工頻工作,再根據壓差調節(jié)水泵轉速。同時,兩臺機組在群控系統(tǒng)管理下同時穩(wěn)步加載,直至滿負荷限定值。水泵的轉速應能滿足使系統(tǒng)流量略大于負荷端要求,使機組略小于滿負荷限定值。當減機時,同理,相應水泵接收停止信號,剩余水泵先工頻工作,再根據壓差調節(jié)水泵頻率,最低限為15%。同時剩余冷水機組根據出水溫度自動調節(jié)負荷百分比。    5)冷卻水泵一直保持工頻運行,根據冷水機組的啟停運行相對應的冷卻水泵。冷卻塔風機的變頻運行根據冷卻水回水溫度控制,保證冷卻回水溫度的穩(wěn)定。    6)當本系統(tǒng)中變頻器無法保證最小流量,或由程序判斷出流量計出現故障,水泵變頻邏輯將自動轉為工頻邏輯工作,由供回水總管壓差來控制旁通閥開度,保證冷凍水系統(tǒng)穩(wěn)定。   3　一次泵變流量系統(tǒng)應用經濟性分析    該地鐵站通風空調按照屏蔽門系統(tǒng)設計,所以車站公共區(qū)與設備管理用房區(qū)負荷約各占總負荷的63%和37%,公共區(qū)負荷呈現早、晚兩個高峰分布特點,且地鐵運營結束后公共區(qū)空調末端停機,而設備區(qū)負荷白天變化較小,但地鐵運營結束后夜間管理用房負荷下降,只剩余信號、通信、變電所等部分負荷,大約占車站總負荷的約為22%。一般屏蔽門系統(tǒng)車站空調水系統(tǒng)選用兩臺同容量的螺桿式制冷機為公共區(qū)和設備管理用房區(qū)提供冷量,所以夜間系統(tǒng)負荷占單機容量的比例約為40%,雖然螺桿式制冷機冷量調節(jié)范圍可達15%~100%,可見車站制冷空調水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)具有節(jié)能優(yōu)勢。   對該站采用一次泵定流量系統(tǒng)和一次泵變流量系統(tǒng)初投資和運營費用比較如表1和表2所示。其中電費按0.79元/KWh 計算 。從以上兩表可知初投資一次泵變流量系統(tǒng)比一次泵定流量系統(tǒng)多164000元,而年運營費用前者比后者少40470.4元,投資回收期為4.05年,所以一次泵定流量系統(tǒng)的運營節(jié)能性是比較明顯的,在地鐵車站空調水系統(tǒng)中 應用 是十分必要的。   4　一次泵變流量系統(tǒng)設備可靠性 分析     通過對冷水機組、水泵、變頻器等相關設備調查 研究 , 目前 多數廠商均可生產可變流量冷水機組,部分廠商冷水機組標準配置具備蒸發(fā)器水流量變化功能,流量變化范圍一般在30%~120%之間,機組流量變化范圍越大,越有利于冷水機組加、減機控制,節(jié)能效果越明顯;流量變化率每分鐘30%~50%,機組允許流量變化率越大,則冷水機組變流量時出水溫度波動越小;另外根據相關 文獻 研究表明機組在50%部分負荷以上變流量運行時,其COP變化最小,能效比與定流量運行相比減小不到5%,根據該屏蔽門系統(tǒng)地鐵工程負荷特點,一般選用2臺冷水機組并聯(lián)運行,這樣每臺機組運行權重通常保持在50%以上。所以設計采用2臺可變流量螺桿式冷水機組并聯(lián)運行,流量變化范圍在50%~100%之間,流量變化率每分鐘30%~50%,既保證機組運行高效,又能保證蒸發(fā)器運行穩(wěn)定。    另外,變頻器技術較成熟,目前價格下降明顯,具備系統(tǒng)需要的使用條件。一次泵變流量系統(tǒng)冷凍水泵數量可以與冷水機組數量不同,因為二者啟停相互獨立,水泵由最不利環(huán)路的末端壓差控制,而冷水機組根據負荷側冷量需求利用輸入電流控制。考慮頻率過低時水泵電機散熱不暢易燒電機,水泵頻率變化范圍設定為15Hz~50Hz內變化,且該范圍內水泵效率變化相對較小,仍選用2臺冷凍水泵。因此,從設備技術性方面可知,一次泵變流量系統(tǒng)完全具備在地鐵車站應用的可靠性。    通過對該系統(tǒng)、設備、控制策略研究及技術 經濟 比較。且該系統(tǒng)對土建方案不造成 影響 ,所以選擇該站按一次泵變流量系統(tǒng)設計,通過該站的設計、施工及運營積累 總結 成功經驗,若節(jié)能效果能到設計的目標值,可在全線其它車站增設變頻器及控制模塊,均改造為一次泵變流量系統(tǒng),實現全線空調水系統(tǒng)的節(jié)能目的,也為今后地鐵工程中應用該系統(tǒng)奠定基礎。   5　結論    (1)一次泵變流量系統(tǒng)在地鐵車站空調水系統(tǒng)中應用的技術性是成熟的,經濟性和節(jié)能性是隨著控制系統(tǒng)的 發(fā)展 越來越明顯。    (2)可變流量冷水機組的選擇要保證系統(tǒng)可靠性前提下,盡量使冷水機組COP下降相對較小。    (3)最不利環(huán)路末端壓差確定要準確,這就要求空調水系統(tǒng)水力計算準確,才能有效控制冷凍水泵變頻運行。    (4)旁通管按照冷量最大冷水機組的最小許可流量計算確定,并應選擇精度高、調節(jié)性能好的閥門。    (5)先進的群控系統(tǒng)才能準確有效地控制空調水系統(tǒng)各設備的運行模式,使系統(tǒng)運行最佳化,實現真正的技術節(jié)能和運行管理節(jié)能。    參考 文獻:   [1]全國民用建筑工程設計技術措施節(jié)能專篇———暖通空調·動力. 中國 計劃出版社,2007.   [2]施敏琪.冷水機組蒸發(fā)側定流量與變流量的設計探討.暖通空調,2006(2).   [3]GB50189-2005,公共建筑節(jié)能設計標準.中國建筑 工業(yè) 出版社.   [4]GB50157-2003,地鐵設計規(guī)范.中國計劃出版社.