地鐵用排熱風機的智能通風方案

孫立鋒 陳賀民/浙江金盾風機股份有限公司

王紹興 莫鑫宇/廣州地鐵集團有限公司

地鐵用排熱風機的智能通風方案

孫立鋒 陳賀民/浙江金盾風機股份有限公司

王紹興 莫鑫宇/廣州地鐵集團有限公司

0 引言

地鐵車站隧道通風系統(tǒng)主要由排熱風機、消聲器、風閥、防火閥等設備及相應的管路系統(tǒng)、控制單元組成，其功能是排除列車制動發(fā)熱量及停站過程中冷凝器所產生的熱量，以減少列車排出的熱量對車站及區(qū)間環(huán)境的影響。車站隧道通風系統(tǒng)在地鐵運營期間需長期運行，能耗巨大，且負荷變化明顯，主要的耗能設備是排熱風機[1-3]。

為了降低車站隧道通風系統(tǒng)的能耗，提出了運行特性隨負荷的變化而變化的排熱風機智能控制方式，并介紹了智能通風系統(tǒng)的組成。結合工程實踐，對比排熱風機的常規(guī)控制方式，分析了智能通風系統(tǒng)的節(jié)能效果及其可靠性。

1 排熱風機常規(guī)控制方式

排熱風機一般采用分時段變頻控制方式，根據(jù)列車運行對數(shù)的不同，排熱風機按不同的頻率運行，當發(fā)車間隔較小時，排熱風機按工頻運行，當發(fā)車間隔較大時，排熱風機降頻運行。以某地鐵線的控制方式為例。

表1 排熱風機運行頻率

上述控制方式簡單，列車運行對數(shù)多、進出站頻繁，則熱負荷高、風機運行頻率高，反之則降頻運行，因此一定程度上也達到了節(jié)能的目的。

但存在的問題是，這種運行模式還不能依據(jù)熱負荷的變化，實時控制排熱風機運行頻率，尚未達到最好的節(jié)能效果，比如按照排熱風機的功能，當列車不在車站時，熱負荷最低，排熱風機可以以更低的頻率運行，甚至可以停止運行。因此，上述控制方式還是存在能耗偏大的問題。

2 排熱風機的智能通風方案

2.1智能控制方式

排熱風機的智能控制方式可根據(jù)列車進出站情況實時控制排熱風機運行頻率。

列車進站時，光電傳感裝置采集到列車進站信號并傳送給PLC智能控制單元，PLC智能控制單元判斷后發(fā)送指令給變頻器，變頻器控制排熱風機以50Hz高頻運行；列車離開站臺時，光電傳感裝置采集到列車離站信號并傳送給PLC智能控制單元，PLC智能控制單元判斷后發(fā)指令給變頻器，變頻器控制排熱風機以10Hz低頻運行，PLC智能控制單元可以延時發(fā)送指令，以控制排熱風機高頻運行時間。

本方案通過對排熱風機轉速隨熱負荷變化的實時控制，避免了排熱風機持續(xù)處于大功率運行狀態(tài)，在有效排出軌行處熱量的同時降低了排熱風機的能耗，是一種能夠有效降低能耗的排熱風機智能控制方式。

2.2智能通風系統(tǒng)的組成

智能通風系統(tǒng)主要由光電傳感裝置、變頻控制柜、排熱風機組成[4]，圖1為智能通風系統(tǒng)組成示意圖。

光電傳感裝置：包括光電傳感器和控制器，是一種基于模擬信號、數(shù)字信號處理為基礎，再通過物體成像原理而設計的一種高性能智能化探測裝置，用于探測列車的到站、出站信號，并將信號傳送給控制柜[5]。

變頻控制柜：變頻控制柜根據(jù)光電傳感裝置發(fā)出的信號，控制排熱風機的運行頻率，并可以將光電傳感裝置的運行信息上傳給環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（Building Automation System，BAS）[6]。當PLC智能控制單元接收到光電傳感裝置的故障信號時，會自動報警并將故障信號上傳BAS，同時控制排熱風機按預先設定的頻率連續(xù)運行[7]。

排熱風機：列車在站臺時高速運行，將列車產生的熱量排出車站，列車出站后低速運行，節(jié)約電能。

2.3排熱風機的布置

車站隧道通風系統(tǒng)一般采用單側排風，車站兩端各設置1臺排熱風機，分別負擔半個車站范圍內上行線和下行線的軌頂、軌底排熱，圖2為常規(guī)的車站隧道通風系統(tǒng)圖。由于上行線和下行線的列車在進出站時間上的不同步，當采用智能通風系統(tǒng)時，上行線和下行線需分別設置獨立的通風系統(tǒng)，因此在智能通風系統(tǒng)中排熱風機不能同時負擔上行線和下行線的排熱，需要對常規(guī)通風系統(tǒng)的布置進行調整。圖3為采用2臺排熱風機布置的通風系統(tǒng)圖，單臺排熱風機負擔整條上行線或者整條下行線的排熱；圖4為采用4臺排熱風機布置的通風系統(tǒng)圖，單臺排熱風機負擔半條上行線或者半條下行線的排熱[8-9]。

2.4智能通風系統(tǒng)的可靠性

與常規(guī)的分時段變頻控制相比，電機的耐熱性能和光電傳感器的抗干擾性是影響智能通風系統(tǒng)可靠性的主要因素。

2.4.1 電機的耐熱性能

智能通風系統(tǒng)中風機需要在高速檔和低速檔間頻繁切換，會使電機的發(fā)熱量增加。在本方案設計中，采取了一些措施以提高電機的耐熱性能。1）采用了絕緣等級為H級的變頻電機，使電機具有更好的耐熱性能；2）在風機的結構設計中，使電機完全裸露在氣流流道中，提高電機的散熱效果。

在工程實踐中，我們進行了電機耐熱性能的測試。按照列車運行間隔180秒進行高低速循環(huán)運行，即高速（工頻50Hz）運行40秒，低速（頻率10Hz）運行140秒，連續(xù)運行2個月。從記錄的電機軸承、繞組的溫升數(shù)據(jù)可以看出（表2），風機運行40小時后，電機軸承、繞組的溫度升高約17℃后就趨于穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎不再上升。軸承溫升遠小于40℃的極限溫升，繞組溫升遠小于105℃的極限溫升。在2個月的測試運行中，風機及控制系統(tǒng)運行正常，可見風機在高速檔和低速檔間的頻繁切換，對電機來講是安全的。

表2 電機軸承、繞組溫度記錄表

2.4.2 光電傳感器的抗干擾性

光電傳感器安裝在車站端門外側，受到周圍溫度、濕度、灰塵等環(huán)境條件的影響，同時列車通過時的振動、列車燈光、列車被探測區(qū)域顏色、材質等因素也可能影響傳感器的靈敏度。通過在某地鐵線安裝的試驗樣機超過1年的運行，沒有出現(xiàn)傳感器誤報或者探測不到列車信號的情況，說明光電傳感器具有很好的抗干擾性。

2.4.3 可靠性的實際測試情況

對某地鐵線安裝的排熱風機智能通風系統(tǒng)進行了持續(xù)跟蹤，從2014年7月安裝使用至今，一直在不間斷運行，整套設備控制精確、運行平穩(wěn)，至今未發(fā)生任何故障。驗證了智能通風系統(tǒng)的可靠性。

2.5智能通風系統(tǒng)的節(jié)能效果

采用智能控制方式后，排熱風機大部分時間是在10Hz低頻下運行，根據(jù)電動機消耗功率與其轉速的三次方成正比[10]，降低轉速運行時，可以節(jié)約大量的電能。以電機額定功率45kW的排熱風機為例，采用智能控制方式需增加設備費用約2.3萬元，表3是排熱風機在兩種控制方式下的能耗測試數(shù)據(jù)，采用智能控制方式后排熱風機的節(jié)能效果顯著，按每1kW·h電價為0.8元計算，最多1年就可以收回投資。

表3 排熱風機兩種控制方式下能耗對比表

3 結論

智能控制方式能夠滿足地鐵車站隧道通風系統(tǒng)的要求，并且運行可靠。與常規(guī)的分時段變頻控制相比，節(jié)能效果顯著。目前，該智能通風系統(tǒng)已在南京地鐵4號線獲得應用，在地鐵工程中應用該系統(tǒng)，僅排熱風機一項就能獲得可觀的的節(jié)能減排收益。

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[3]江楊.地鐵用大型排熱軸流通風機設計方法與結構型式的選擇[J].風機技術,2009(6):29-32.

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[5]喬勇恵.光電傳感器原理及應用[J].可編程控制器與工廠自動化, 2008(5):103-106.

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：針對地鐵車站排熱風機的常規(guī)運行控制方法，提出了排熱風機的智能控制方式，介紹了智能通風系統(tǒng)的組成和排熱風機的布置。結合工程應用實例，闡述了智能通風系統(tǒng)的可靠性及其顯著節(jié)能效果。

地鐵隧道通風系統(tǒng)；排熱；軸流風機；智能通風；節(jié)能

Inte lligent Ventilation So lution for Heat Extraction from AxialFans in Subways

Sun Li-feng,Chen He-min/Zhejiang Jindun FansHoldingCo.,Ltd.
Wang Shao-xing,Mo Xin-yu/Guangzhou Metro Group Co.,Ltd

ventilation system in station and tunnel subway;heat extraction fan;intelligent ventilation;energy saving

TH43；TK05

A

1006-8155（2016）06-0081-04

10.16492/j.fjjs.2016.06.0054

2016-03-11浙江紹興312300

Abstract:In order to improve the commonly applied control methods of heat extraction from axial fans used in metro stations,an intelligent control method is introduced,as well as an intelligent ventilation system and the layout of heat extraction from fans. Engineering examp les show the reliability of the intelligent ventilation system and its energy savingadvantage.