冷水機(jī)組群控系統(tǒng)在北京地鐵的應(yīng)用

翁雪飛

(北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 100037)

1 冷水機(jī)組系統(tǒng)概述

隨著中央空調(diào)系統(tǒng)在地鐵中的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)節(jié)能已經(jīng)成為地鐵建設(shè)單位、運(yùn)營單位、設(shè)計(jì)單位、設(shè)備供應(yīng)商所關(guān)注的焦點(diǎn)。在地鐵的實(shí)際運(yùn)營中，地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的耗電僅次于列車牽引用電。冷水機(jī)組的能耗往往是空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要組成部分，在實(shí)際工程中，冷水機(jī)組系統(tǒng)的電耗占到空調(diào)系統(tǒng)總電耗的一半以上，其運(yùn)行效率對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的整體效率有顯著影響。因此，冷水機(jī)組系統(tǒng)的高效節(jié)能成為空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。

為了節(jié)省地下空間和適應(yīng)負(fù)荷的變化，目前的北京地鐵地下車站冷凍機(jī)房內(nèi)一般設(shè)置3臺(tái)水冷螺桿式機(jī)組。在高峰負(fù)荷時(shí)，啟動(dòng)3臺(tái)冷水機(jī)組，可滿足大小系統(tǒng)冷量需求;當(dāng)設(shè)備管理用房單獨(dú)使用時(shí)，開啟1臺(tái)冷水機(jī)組即可滿足需求。車站空調(diào)水系統(tǒng)一般采用定水量系統(tǒng)，即冷水機(jī)組和水泵的流量不變，在末端設(shè)備(組合式空調(diào)箱等)設(shè)置電動(dòng)二通閥，在機(jī)房的集水器、分水器之間設(shè)置電動(dòng)壓差旁通調(diào)節(jié)閥，通過改變水流量來適應(yīng)空調(diào)區(qū)域負(fù)荷的要求，從而達(dá)到節(jié)能的目的。空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔采用一對(duì)一的設(shè)置，系統(tǒng)選用低噪聲變頻控制橫流式冷卻塔。

2 冷水機(jī)組群控系統(tǒng)

冷水機(jī)組的群控是指利用自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)制冷站內(nèi)部的相關(guān)設(shè)備(冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、閥門等)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，使制冷站內(nèi)的設(shè)備達(dá)到最高效的運(yùn)行狀態(tài)。群控系統(tǒng)會(huì)采集和控制各類輸入輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)冷水機(jī)組的遠(yuǎn)程管理控制，同時(shí)也把冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔等的聯(lián)鎖控制納入管理。冷水機(jī)組群控系統(tǒng)中的監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)和控制這些設(shè)備的各種重要參數(shù)，并作為管理者的操作界面。在該界面上，通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的了解，設(shè)定或修改各類運(yùn)行參數(shù)，如設(shè)定冷機(jī)運(yùn)行時(shí)間表、修改冷機(jī)的出水溫度控制值等。

群控系統(tǒng)可根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)，監(jiān)控和管理空調(diào)系統(tǒng)，使系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)和保持最少的能源消耗。每座地鐵車站的冷水機(jī)組系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置一套群控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能和聯(lián)鎖保護(hù)功能。圖1為北京地鐵某線的群控系統(tǒng)控制界面。

3 群控系統(tǒng)功能及作用

群控系統(tǒng)主要監(jiān)控的設(shè)備有:冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、定壓補(bǔ)水裝置等。群控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)元件的組成有:冷凍水進(jìn)水溫度傳感器、冷卻水進(jìn)水溫度傳感器、冷凍水出水溫度傳感器、冷卻水出水溫度傳感器、水流開關(guān)、電動(dòng)蝶閥及執(zhí)行器、冷凍水壓差旁通閥及執(zhí)行器、電動(dòng)三通閥等。

圖1 群控系統(tǒng)控制界面

3.1 群控系統(tǒng)功能

3.1.1 監(jiān)視保護(hù)功能

群控系統(tǒng)的主要功能是:監(jiān)視冷水機(jī)組、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷凍泵、冷卻泵、電動(dòng)壓差旁通閥、冷凍水電動(dòng)蝶閥、冷卻水電動(dòng)蝶閥、定壓補(bǔ)水裝置、水處理設(shè)備和加藥裝置等的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)冷凍水供/回水溫度、冷凍水流量、冷卻水供/回水溫度、冷卻水流量、冷凍水流開關(guān)狀態(tài)、冷卻水流開關(guān)狀態(tài)，并分別累計(jì)冷水機(jī)組、冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔的運(yùn)行時(shí)間。群控系統(tǒng)能夠根據(jù)具體工況，進(jìn)行設(shè)備的啟停控制、冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)控制、冷卻水溫控制、補(bǔ)水箱的自動(dòng)補(bǔ)水控制、電動(dòng)閥門的控制，自動(dòng)監(jiān)測(cè)冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、定壓補(bǔ)水裝置、水處理設(shè)備的故障過載報(bào)警。

3.1.2 聯(lián)鎖保護(hù)功能

1)開機(jī)順序:冷卻塔風(fēng)機(jī)→冷卻水閥→冷卻泵→冷凍水閥→冷凍泵→制冷機(jī)組。關(guān)機(jī)順序:制冷機(jī)組→延時(shí)3 min關(guān)冷凍泵→冷凍水閥→冷卻泵→冷卻水閥→冷卻塔風(fēng)機(jī)。相關(guān)設(shè)備的開/關(guān)需經(jīng)確認(rèn)后，才能開/關(guān)下一設(shè)備，如遇故障則自動(dòng)停泵。

2)保護(hù)控制:冷凍泵、冷卻泵啟動(dòng)后，水流開關(guān)檢測(cè)水流狀態(tài)，如遇故障則群控系統(tǒng)自動(dòng)停泵。相關(guān)設(shè)備的開/關(guān)狀態(tài)需經(jīng)群控系統(tǒng)確認(rèn)后才能開/關(guān)下一設(shè)備，如遇故障則自動(dòng)停止，系統(tǒng)運(yùn)行返回初始狀態(tài)，并上傳故障信號(hào)至環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(buildingautomation system，BAS)。

3.2 群控系統(tǒng)作用

3.2.1 提高運(yùn)行效率

1)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的大小，準(zhǔn)確控制制冷機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量和每臺(tái)制冷機(jī)組的運(yùn)行工況，從而達(dá)到節(jié)能并降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。群控系統(tǒng)具有機(jī)組運(yùn)行時(shí)間安排、負(fù)荷分段卸載等功能，為地鐵運(yùn)營提供最高效的能耗管理策略。

2)操作者可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)故障報(bào)警做出反應(yīng)，保持空調(diào)系統(tǒng)的舒適性，提高能源效率。

3)群控系統(tǒng)能夠提供設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和能耗量等數(shù)據(jù)，為地鐵實(shí)際運(yùn)營做能耗分析，為決策提供有效的依據(jù)。

3.2.2 降低勞動(dòng)強(qiáng)度

1)集中監(jiān)控大大減輕了人工手動(dòng)操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了排除故障的過程，避免了由于人工手動(dòng)操作疏忽而造成的設(shè)備損壞。

2)通過機(jī)組輪換、故障保護(hù)、負(fù)荷調(diào)節(jié)等控制程序，確保冷水機(jī)組的安全，有利于延長機(jī)組的使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)成本。

3.2.3 強(qiáng)化診斷能力

1)為操作者提供了辨別設(shè)備非正常運(yùn)行狀態(tài)和對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響的功能。

2)所有的維護(hù)請(qǐng)求需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程操作的確認(rèn)，不會(huì)自動(dòng)清除。

3.2.4 完成協(xié)同工作

通過控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)互交換功能，使用專用的通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)與BAS系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)通信，將群控系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)上傳到車站管理系統(tǒng)。

4 群控系統(tǒng)控制原理

4.1 冷水機(jī)組控制

冷水機(jī)組控制采用微電腦PLC(programmable logic controller可編程控制器)控制系統(tǒng)，機(jī)組的所有元器件都裝在一個(gè)控制箱內(nèi)。

冷水機(jī)組具有啟?？刂啤⒗鋬鏊鏊疁囟瓤刂?、防反復(fù)啟動(dòng)控制、壓縮機(jī)和節(jié)流裝置的調(diào)節(jié)等控制功能，具有吸氣壓力過低保護(hù)、排氣壓力過高保護(hù)、油溫過高保護(hù)、油壓差過低保護(hù)、電流過大保護(hù)、冷凍水及冷卻水水量過小保護(hù)、冷凍水溫度過低保護(hù)、低電壓保護(hù)、缺相保護(hù)、短路保護(hù)、壓縮機(jī)故障停機(jī)保護(hù)、冷水機(jī)組啟動(dòng)延時(shí)保護(hù)、急停保護(hù)等功能，具有故障狀態(tài)信息記錄顯示功能。冷水機(jī)組接受群控系統(tǒng)的指令。

4.2 群控系統(tǒng)控制

4.2.1 啟?？刂?/p>

冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、電動(dòng)蝶閥與冷水機(jī)組聯(lián)鎖，1臺(tái)冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)1臺(tái)冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵。群控系統(tǒng)接到BAS發(fā)出的動(dòng)作指令后，由群控系統(tǒng)計(jì)時(shí)器決定開啟運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較短的無故障冷水機(jī)組，冷水機(jī)組給對(duì)應(yīng)的冷卻水泵、冷凍水泵及電動(dòng)蝶閥等發(fā)出動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的啟停。

冷水機(jī)組接到開機(jī)命令后，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，檢測(cè)系統(tǒng)中的冷卻水電動(dòng)蝶閥、冷凍水電動(dòng)蝶閥是否打開，冷卻水泵、冷凍水泵是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，水流開關(guān)檢測(cè)是否有系統(tǒng)運(yùn)行需要的最低水量，冷卻水溫度是否滿足開機(jī)要求。當(dāng)檢測(cè)完畢達(dá)到開機(jī)條件時(shí)，冷水機(jī)組啟動(dòng)。群控系統(tǒng)發(fā)出的開啟指令為非強(qiáng)制性指令，當(dāng)任一設(shè)備或部件不能正常工作時(shí)，冷水機(jī)組均不能開啟，以保護(hù)設(shè)備、不影響其使用壽命。在運(yùn)行過程中，當(dāng)任一設(shè)備或部件發(fā)生問題時(shí)，冷水機(jī)組均停止工作，重新開啟能正常運(yùn)行的設(shè)備。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)外界負(fù)荷變化時(shí)，群控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的啟停控制。

4.2.2 加載和卸載

1)加載過程:當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，不論群控系統(tǒng)中存在幾臺(tái)冷水機(jī)組，冷水機(jī)組均為順序啟動(dòng)，即逐臺(tái)開啟。1#冷水機(jī)組從最低負(fù)荷開始加載，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一負(fù)荷率、檢測(cè)到的水溫在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，則冷水機(jī)組處于此時(shí)的負(fù)荷水平工作;若該冷水機(jī)組已達(dá)到滿載狀態(tài)，但檢測(cè)到的水溫仍高于設(shè)定值時(shí)，2#冷水機(jī)組啟動(dòng)，為保證系統(tǒng)的高效性(螺桿冷水機(jī)組部分負(fù)荷效率遠(yuǎn)高于滿負(fù)荷效率)，1#冷水機(jī)組卸載，2#冷水機(jī)組加載，當(dāng)兩臺(tái)冷水機(jī)組達(dá)到均衡值時(shí)，同時(shí)加載;若兩臺(tái)機(jī)組均滿負(fù)荷，且水溫仍高時(shí)，依次開啟3#冷水機(jī)組。

2)卸載過程:系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)檢測(cè)到的溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，冷水機(jī)組自動(dòng)卸載，當(dāng)單臺(tái)機(jī)組負(fù)荷率低于45%時(shí)，由計(jì)時(shí)器記錄的運(yùn)行時(shí)間最長的冷水機(jī)組先停止運(yùn)行，未停止運(yùn)行的冷水機(jī)組加載，以使水溫在設(shè)定范圍內(nèi)。當(dāng)外界負(fù)荷較小、水溫較低，負(fù)荷低于單臺(tái)冷水機(jī)組的最低運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，冷水機(jī)組停止運(yùn)行;當(dāng)水溫升高，滿足開機(jī)條件時(shí)，由群控系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別，開啟運(yùn)行時(shí)間最短的冷水機(jī)組。

群控系統(tǒng)能根據(jù)外界負(fù)荷的變化，自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)實(shí)際所需的目標(biāo)負(fù)荷，自行調(diào)整冷水機(jī)組的運(yùn)行狀況和臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)能。

4.2.3 冷卻水溫控制

冷卻塔選用變頻控制橫流冷卻塔，通過檢測(cè)冷卻塔回水管上的冷卻水溫度，自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)變頻器的運(yùn)行頻率。冷卻塔風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行由冷卻塔總出水溫度決定，通過冷卻塔風(fēng)機(jī)的啟停來維持冷卻水出水溫度的設(shè)計(jì)值(假設(shè)為32℃);系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻水回水溫度，計(jì)算實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的差Δt(實(shí)際值－設(shè)計(jì)值);控制系統(tǒng)將保證在冷卻塔工作時(shí)維持風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行;在夏季負(fù)荷高峰時(shí)期，如果冷水機(jī)組的冷卻水出水溫度持續(xù)高于設(shè)計(jì)值且冷卻塔風(fēng)機(jī)已開啟，冷凍水的總出水溫度將被重新設(shè)定，以維持能使機(jī)組正常運(yùn)行的冷卻水和冷凍水溫差。

4.2.4 定壓補(bǔ)水裝置控制

定壓補(bǔ)水裝置為自帶控制系統(tǒng)的成套設(shè)備，它根據(jù)水系統(tǒng)管路的壓力自動(dòng)啟停補(bǔ)水泵，以保持系統(tǒng)壓力恒定，群控系統(tǒng)只給出自動(dòng)運(yùn)行的允許信號(hào)，并監(jiān)視其運(yùn)行和故障狀態(tài)。

4.2.5 補(bǔ)水箱補(bǔ)水控制

在補(bǔ)水箱中設(shè)置液位計(jì)，在補(bǔ)水泵運(yùn)行過程中，液位計(jì)檢測(cè)補(bǔ)水箱中的水位，根據(jù)水位自動(dòng)控制進(jìn)水電磁閥的開啟和閉合，使補(bǔ)水箱中的水位維持在允許范圍內(nèi)。

4.2.6 壓差旁通閥門控制

維持系統(tǒng)的供回水壓差穩(wěn)定對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能有著重要意義，當(dāng)供水壓力穩(wěn)定時(shí)，末端調(diào)節(jié)供冷量的穩(wěn)定性也大大提高。在冷凍水系統(tǒng)的分集水器之間設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，設(shè)置壓力傳感器來檢測(cè)供回水壓差，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)閥閥門的開度來維持供回水壓差的穩(wěn)定。分集水器間的電動(dòng)壓差旁通閥為獨(dú)立執(zhí)行部件，群控系統(tǒng)只顯示其閥位反饋狀態(tài)和手/自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，不對(duì)其動(dòng)作指令進(jìn)行控制。

4.2.7 水處理設(shè)備控制

水處理設(shè)備自帶控制箱，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟停動(dòng)作。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，水處理設(shè)備亦處于工作狀態(tài)，群控系統(tǒng)僅監(jiān)視其相應(yīng)狀態(tài)，不對(duì)其進(jìn)行控制。

5 冷水機(jī)組群控系統(tǒng)接口

冷水機(jī)組群控箱與冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、電動(dòng)蝶閥、定壓補(bǔ)水裝置、水處理器等有接口，圖2為冷水機(jī)組群控系統(tǒng)接口。

圖2 冷水機(jī)組群控系統(tǒng)接口

所有的開關(guān)量信號(hào)為無源干結(jié)點(diǎn)信號(hào)，模擬量信號(hào)為0～10 V/4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，信號(hào)電纜采用低煙、無鹵、阻燃的控制電纜。冷水機(jī)組和群控箱的通信接口為RJ45以太網(wǎng)接口，通信電纜采用5類雙絞線。

冷水機(jī)組群控系統(tǒng)與BAS之間的接口在群控箱內(nèi)，是標(biāo)準(zhǔn)的 RS485通信接口，通信協(xié)議為 Modbus-RTU。冷水機(jī)組群控系統(tǒng)接收BAS發(fā)來的啟停控制信號(hào)，完成冷水機(jī)組的啟停，上傳冷水機(jī)組的狀態(tài)及故障報(bào)警信息。

6 結(jié)語

由于地鐵工程建設(shè)的特殊性，目前車站內(nèi)的集中空調(diào)設(shè)備為一次性投資到位，其容量對(duì)應(yīng)的負(fù)荷值均為遠(yuǎn)期晚高峰時(shí)段的空調(diào)負(fù)荷值。但在近期的運(yùn)營階段，負(fù)荷相對(duì)較小。空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間都在低于設(shè)計(jì)負(fù)荷的工況下運(yùn)行，且負(fù)荷隨客流量不斷變化。近幾年開通的北京地鐵新線，采用了冷水機(jī)組群控系統(tǒng)，做到了空調(diào)系統(tǒng)的智能自動(dòng)化監(jiān)控，將車站溫度控制在合理區(qū)域內(nèi)，避免了傳統(tǒng)控制方式下按時(shí)間表開啟冷水機(jī)組、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備，避免了車站溫度過低而造成的能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)行。

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