泵变流量系统在地铁车站中的应用

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。

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15Hz~50Hz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各设备的运行模式,使系统运行最佳化,实现真正的技术节能和运行管理节能。