十號線空調(diào)大系統(tǒng)控制策略優(yōu)化節(jié)能改造研究成果報告

嚴(yán)豪

摘要：南京地鐵十號線線路全長21.6km，共設(shè)站14座（其中新建車站10座;既有車站4座），于2014年7月正式投入運(yùn)營，自動化專業(yè)在接管BAS系統(tǒng)的這段時間內(nèi)對環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計理念與控制思路進(jìn)行了深入的研究與探索。專業(yè)技術(shù)人員在對全線（新站）空調(diào)大系統(tǒng)的控制策略深入理解并結(jié)合現(xiàn)場實際情況調(diào)查后發(fā)現(xiàn)原有的環(huán)境控制邏輯并未切實考慮到現(xiàn)場的實際情況，邏輯控制的程序化造成了現(xiàn)場諸多問題，主要表現(xiàn)在以下方面。

關(guān)鍵詞：南京地鐵;空調(diào)大系統(tǒng)控制;節(jié)能改造

一、問題分析

冬季：BAS根據(jù)設(shè)計模式自動執(zhí)行通風(fēng)工況，此時即使車站溫度很低的情況下空調(diào)風(fēng)機(jī)和回排風(fēng)機(jī)依然同時運(yùn)行，站內(nèi)與站外竄風(fēng)嚴(yán)重，使得車站溫度變得更低，甚至?xí)鰤乃堋?/p>

空調(diào)季：制冷量不能根據(jù)站內(nèi)實際溫濕度情況實現(xiàn)閉環(huán)控制，使得車站溫度過低，從而導(dǎo)致人體感覺冷、站臺門玻璃結(jié)霧、通風(fēng)管道外壁與出風(fēng)口冷凝水嚴(yán)重、電能浪費(fèi)嚴(yán)重。

針對上述問題我們對空調(diào)大系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了自主創(chuàng)新改造從而提高車站環(huán)境的舒適度，達(dá)到節(jié)約能耗和降低設(shè)備維護(hù)成本等方面的目的。

二、基礎(chǔ)條件

十號線每站空調(diào)大系統(tǒng)區(qū)域各有兩臺大空調(diào)風(fēng)機(jī)（KT）和大回排風(fēng)機(jī)（HPF），通過通風(fēng)管道連接到站廳站臺區(qū)域，實現(xiàn)站廳、站臺的通風(fēng)和空調(diào)功能。四臺風(fēng)機(jī)在正常情況下開機(jī)運(yùn)行需要滿足兩個條件：1、系統(tǒng)處于自動狀態(tài)2、在運(yùn)營時間段內(nèi)（5：30—0：30）。因此，即使在不同的季節(jié)，只要滿足這兩個條件，風(fēng)機(jī)便會以18—40HZ頻率運(yùn)行。站廳站臺溫度調(diào)節(jié)的依據(jù)是回風(fēng)口的溫度，PLC以此調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的頻率對站廳站臺的送風(fēng)量進(jìn)行控制，從而控制車站溫度。某些時段即便站廳站臺的溫度很低了，風(fēng)機(jī)最低還是會以18Hz持續(xù)運(yùn)行。

冷水系統(tǒng)作為全站的制冷源，在空調(diào)季運(yùn)營時段保持冷凍水溫度維持在7-12度，冷站負(fù)荷調(diào)整的依據(jù)是冷凍水的回水溫度，如果車站溫度過高，冷凍水溫度也會升高，于是冷站便會提高制冷量，當(dāng)車站溫度低于臨界值，冷站便會降低負(fù)載直至待機(jī)，然而現(xiàn)實情況是即使車站溫度很低了，冷凍水溫度很難達(dá)到冷站待機(jī)的閾值。

根據(jù)溫、濕度傳感器顯示，每年5-10月空調(diào)季里站廳站臺的溫度在相當(dāng)長的時間里都不超過27度，體感甚至偏冷，而風(fēng)機(jī)與冷站依然會按照上述原則繼續(xù)制冷，導(dǎo)致車站維持在一個過低的溫度，制冷量被大量的浪費(fèi)，只有在最熱的七、八兩月站廳站臺的溫度才會超過28度，此時冷水機(jī)組和大系統(tǒng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷才會有比較明顯的提升。

因此，我們提出：

空調(diào)季里，一方面新增大系統(tǒng)冷凍水閥自動調(diào)節(jié)功能，通過改變冷水的供給量來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的制冷量，減少冷站不必要的制冷量;另一方面在KT和HPF風(fēng)機(jī)的啟停依據(jù)中加入溫、濕度判斷條件，避免風(fēng)機(jī)一直持續(xù)運(yùn)行。通過冷水量與風(fēng)量的聯(lián)動控制擴(kuò)大原有溫度控制區(qū)域，維持車站舒適度，降低設(shè)備負(fù)荷，延長其使用壽命。

春季和秋季，不再同時開啟KT和HPF風(fēng)機(jī)，而是采取只排不送或只送不排的模式。

冬季，也加入溫濕度判斷，車站溫度和濕度相對較低的情況下，KT和HPF風(fēng)機(jī)就不再開啟，車站依靠出入口的自然對流進(jìn)行通風(fēng)。

三、技術(shù)方法

第一、對原始BAS系統(tǒng)PLC程序的進(jìn)行整理，確保對系統(tǒng)的改造不影響其它設(shè)備、不影響手動控制、不影響事故模式等功能。

第二、打破南京地鐵以往空調(diào)大系統(tǒng)只調(diào)風(fēng)不調(diào)水的固有模式，開創(chuàng)性的加入冷水水量控制，構(gòu)建一個風(fēng)、水聯(lián)調(diào)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。

具體實施步驟如下：

1. 對源程序進(jìn)行分解。對原先KT和HPF共用程序進(jìn)行剝離，實現(xiàn)兩種風(fēng)機(jī)的獨立控制。

2. 在程序中加入季節(jié)判斷，分別設(shè)置出了春夏過渡季、空調(diào)季、秋冬過渡季、冬季等四個不同的時段，從而實現(xiàn)不同季節(jié)采用不同的控制策略。

3. 在空調(diào)季，采用風(fēng)水聯(lián)調(diào)的雙閉環(huán)控制策略。

⑴.HPF風(fēng)機(jī)每日按時間表開啟，保證站內(nèi)空氣質(zhì)量。

⑵.站內(nèi)溫度高于27度，HPF風(fēng)機(jī)頻率提高，最高至40HZ。當(dāng)溫度低于27度，HPF風(fēng)機(jī)頻率降低，最低至18HZ。

⑶.站內(nèi)濕度高于85%，KT風(fēng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)濕度低于80%且溫度低于24.7時，KT風(fēng)機(jī)停機(jī)。

⑷.站內(nèi)溫度高于25度時，KT風(fēng)機(jī)運(yùn)行。溫度低于24.7度且濕度低于80%時，KT風(fēng)機(jī)停機(jī)

⑸.對風(fēng)機(jī)頻率和冷凍水出水溫度進(jìn)行調(diào)整。在保證風(fēng)機(jī)性能要求的前提下將個別站的風(fēng)機(jī)頻率下限下調(diào)至16HZ，將個別站的頻率下限上調(diào)至20HZ，以分別適應(yīng)各站的需要。將冷凍水溫度設(shè)定值從7度上調(diào)到12度。

⑹.在風(fēng)量閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上添加水量的閉環(huán)控制，在PLC程序中增加了兩個PID指令，分別對車站兩端空調(diào)表冷器的電動水閥進(jìn)行控制。根據(jù)車站溫度的反饋值與設(shè)定值之間的偏差，自動加減水閥開度（30%-100%），從而更有效的控制KT風(fēng)機(jī)的出風(fēng)溫度。當(dāng)站內(nèi)溫度低于26.5度時，水閥自動減小開度，最低30%。當(dāng)站內(nèi)溫度高于30%時，水閥自動加大開度，最大100%，最終達(dá)到控制車站溫度的目的。

4. 在春夏過渡季，修改程序?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)只排不送。

5. 在秋冬過渡季，修改程序?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)只送不排。

6. 在冬季，正常情況下風(fēng)機(jī)都不開，執(zhí)行自然通風(fēng)模式。若溫度、濕度有一項超閾值，相應(yīng)風(fēng)機(jī)自動開啟。

7. 算法上的優(yōu)化。對溫度的采樣周期、溫度值的數(shù)據(jù)計算方法、上下限的回差設(shè)置等進(jìn)行優(yōu)化，避免現(xiàn)場溫度擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，減少了風(fēng)機(jī)啟停頻率。

四、實施過程

在充分的研究和論證下，我們從四月份起對程序進(jìn)行模擬功能試驗。五月初，將江心洲和綠博園站作為試點進(jìn)行實際測試。五月中旬，我們對全部10個新站的空調(diào)大系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)過近半年的跟蹤完善，目前各站PLC和空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行良好，手動和事故功能正常，節(jié)能效果顯著，凝露滴水等頑疾得到根治。

五、項目效益

經(jīng)現(xiàn)場實測，改造前十號線全線10個新站20臺KT風(fēng)機(jī)總功率為54.7千瓦，年耗電量為379345千瓦時。20臺HPF風(fēng)機(jī)總功率為23.2千瓦，年耗電量為160892千瓦時，合計540237千瓦時。在新的控制策略下，KT風(fēng)機(jī)冬季基本不會再運(yùn)行。11月運(yùn)行30天，空調(diào)季約運(yùn)行135天。故全年約200天可以停運(yùn)，可節(jié)電207860千瓦時。HPF風(fēng)機(jī)11月停運(yùn)30天，全年節(jié)電13224千瓦時。KT和HPF機(jī)全年共節(jié)電221084千瓦時，能耗下降40.9%。

經(jīng)現(xiàn)場抄表所得數(shù)據(jù)顯示，十號線10個新站的冷水機(jī)組在2014至2017年的四個空調(diào)季平均能耗為3130540千瓦時。2018年空調(diào)季能耗為2388885千瓦時，比改造前節(jié)能741660千瓦時，能耗下降23.7%。其中冷機(jī)節(jié)能618250千瓦時，下降31.5%;水泵節(jié)能110280千瓦時，下降10%;冷卻塔風(fēng)機(jī)節(jié)能13120千瓦時，下降19.6%。

2018年空調(diào)風(fēng)機(jī)和冷水機(jī)組共節(jié)能96.3萬千瓦時?？紤]到程序和參數(shù)在空調(diào)季的部分時間里還處于不斷的改進(jìn)和優(yōu)化、現(xiàn)場設(shè)備還存在個別缺陷等因素，所以本次創(chuàng)新改造的效果并沒有完全體現(xiàn)出來。受條件限制現(xiàn)場設(shè)備問題將在接下來的非空調(diào)季得到解決，下一個空調(diào)季時程序和參數(shù)也無需再做大的變動，我們預(yù)計今后每年將節(jié)能110萬至120萬千瓦時之間。

六、項目評價

十號線空調(diào)大系統(tǒng)控制策略的節(jié)能優(yōu)化改造只對軟件程序進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，沒有添加新的硬件設(shè)備，無任何改造費(fèi)用。我們通過對PLC、變頻器等智能設(shè)備程序的更改以及現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)了空調(diào)季車站溫度的自動控制。本次改造不僅節(jié)約了大量能源，而且解決了夏季風(fēng)管凝露滴水、站臺門玻璃起霧、冬季車站竄冷風(fēng)等多項問題，還降低了部分設(shè)備的故障率和維修成本，延長了設(shè)備的使用壽命。

七、結(jié)語

感謝機(jī)電分公司領(lǐng)導(dǎo)對本次節(jié)能改造項目的大力支持，感謝十號線自動化與風(fēng)水電專業(yè)的技術(shù)支持和全力配合！為了鞏固和擴(kuò)大本次節(jié)能改造的成果，我們還會在今后對十號線空調(diào)大系統(tǒng)的使用情況進(jìn)行跟蹤和優(yōu)化。并且我們會以此為模版，將節(jié)能優(yōu)化創(chuàng)新項目拓展到各線的空調(diào)大系統(tǒng)、空調(diào)小系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等領(lǐng)域，爭取為公司創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（作者單位：南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司機(jī)電分公司）