蘇州軌道交通1號(hào)線列車空調(diào)系統(tǒng)高壓故障分析及對(duì)策

黃 升

(蘇州軌道交通運(yùn)營有限公司運(yùn)營一分公司,215101,蘇州∥工程師)

蘇州軌道交通1號(hào)線(以下簡稱“1號(hào)線”)是蘇州市第一條建成運(yùn)營的城市軌道交通線路,于2012年4月28日開通試運(yùn)營。該線全長25.7 km,共設(shè)置24座車站,全線均為地下線路。1號(hào)線呈東西走向,起于吳中區(qū)的木瀆站,止于蘇州工業(yè)園區(qū)的鐘南街站。該線未設(shè)停車場,在鐘南街站西部終端設(shè)有一段存車線。

1 1號(hào)線列車空調(diào)系統(tǒng)高壓故障概述

1號(hào)線采用4節(jié)編組B2型列車,開通時(shí)配置25列列車(車號(hào)為0101—0125)采用定頻空調(diào),后續(xù)增購的22列列車(2016年起上線運(yùn)營,車號(hào)為0126—0147)改用變頻空調(diào)。這2種空調(diào)的結(jié)構(gòu)一致,輸出參數(shù)相同,每節(jié)車廂均安裝了2臺(tái)頂置式空調(diào)機(jī)組。空調(diào)機(jī)組的制冷量均為37 kW,分別布置在車頂?shù)膬啥?。空調(diào)機(jī)組的外部結(jié)構(gòu)如圖1所示,冷凝進(jìn)風(fēng)口設(shè)在車頂?shù)闹胁?出風(fēng)口設(shè)在車頂?shù)膬蓚?cè)。

圖2為2012—2019年1號(hào)線列車空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生高壓故障及低壓故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖2 1號(hào)線列車空調(diào)發(fā)生高壓故障及低壓故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(2012—2019年)

由圖2可知:

1) 2012—2016年,列車低壓故障的次數(shù)較多,其原因主要為制冷劑不足、制冷劑泄露及蒸發(fā)器清潔不到位等;高壓故障僅發(fā)生1次(經(jīng)確認(rèn)為壓力開關(guān)故障所致)。

2) 2017年起,列車空調(diào)高壓故障數(shù)開始增多,并于2019年出現(xiàn)了爆發(fā)式增長;2019年累計(jì)發(fā)生了19次列車空調(diào)高壓故障,累計(jì)涉及故障的空調(diào)機(jī)組近30臺(tái)。此故障在初期呈現(xiàn)的現(xiàn)象為車輛屏空調(diào)圖標(biāo)顯黃,故障對(duì)應(yīng)位置的空調(diào)系統(tǒng)制冷能力下降或不制冷。

列車若帶著故障持續(xù)運(yùn)營,可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展為整個(gè)車廂兩側(cè)不制冷甚至多節(jié)車廂不制冷。按照列車故障的處置要求,同一列車內(nèi)如有2臺(tái)空調(diào)同時(shí)發(fā)生故障,列車須下線退出運(yùn)營,這將導(dǎo)致可上線列車數(shù)的減少。此外,空調(diào)故障導(dǎo)致列車客室溫度升高,影響了乘客的乘坐舒適性,進(jìn)而導(dǎo)致乘客投訴的增加。為此,需找出列車空調(diào)高壓故障的具體原因,并制定對(duì)應(yīng)的解決措施。

2 1號(hào)線列車空調(diào)高壓故障原因

2.1 列車空調(diào)高壓故障原因初步排查

列車空調(diào)發(fā)生高壓故障,其常見的故障原因主要有:①冷凝器積灰,影響熱交換;②制冷劑充注過量或混有雜質(zhì);③冷凝風(fēng)機(jī)故障或風(fēng)量不足;④制冷劑管道堵塞;⑤高壓開關(guān)故障。

1號(hào)線在2019年夏季的較短時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)生了多起列車空調(diào)系統(tǒng)的高壓故障。從故障現(xiàn)象看,列車回庫后重啟空調(diào)控制器,再次開機(jī)測試,該故障未快速復(fù)現(xiàn);該型列車的空調(diào)機(jī)組已運(yùn)營多年,基本不存在制冷劑充注過量的問題。因此,故障原因首先考慮冷凝器積灰,但對(duì)冷凝器進(jìn)行強(qiáng)化清潔后,仍發(fā)生了多起列車空調(diào)高壓故障。進(jìn)一步對(duì)故障空調(diào)機(jī)組的冷凝風(fēng)機(jī)、高壓開關(guān)及制冷劑管路進(jìn)行檢查,這些設(shè)備均無異常。

列車空調(diào)系統(tǒng)高壓側(cè)過壓故障屬于制冷劑循環(huán)系統(tǒng)問題,該故障的影響因素較多。在排除了常規(guī)的設(shè)備故障原因后,將故障排查的焦點(diǎn)放在壓縮機(jī)及空調(diào)機(jī)組的整體性能上。對(duì)制冷工況下故障機(jī)組壓縮機(jī)的電流進(jìn)行檢測,測試得到的工作電流為10.5～13.2 A(該空調(diào)機(jī)組額定工作電流為11.6 A、最大工作電流閾值為15.6 A),屬正常范圍數(shù)值。再對(duì)故障機(jī)組進(jìn)行制冷性能抽檢,測得結(jié)果為:制冷量為36.3 kW,極限工況試驗(yàn)最大進(jìn)風(fēng)溫度為46.8 ℃(該空調(diào)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)制冷量為37.0 kW,最大進(jìn)風(fēng)溫度為48.0 ℃),由此可判定空調(diào)機(jī)組的整體制冷性能良好,并無明顯衰減。因此,排除了空調(diào)機(jī)組設(shè)備原因造成高壓故障多發(fā)的可能性。

2.2 空調(diào)高壓故障原因具體分析

結(jié)合1號(hào)線2019年發(fā)生的19次列車空調(diào)高壓故障發(fā)生的時(shí)段、日期及地點(diǎn),對(duì)空調(diào)機(jī)組故障時(shí)的熱負(fù)荷、外部溫度及列車運(yùn)行環(huán)境因素開展進(jìn)一步分析。

2.2.1 故障時(shí)段分析

經(jīng)分析,2019年1號(hào)線的19次列車空調(diào)高壓故障中,10次發(fā)生在乘客數(shù)量較多的早晚高峰時(shí)期,9次發(fā)生在乘客數(shù)量較少的臨近收發(fā)車時(shí)段,因此,1號(hào)線列車空調(diào)高壓故障與熱負(fù)荷(即乘客數(shù)量)無直接關(guān)聯(lián)。

2.2.2 故障日期分析

根據(jù)歷年來蘇州市的氣溫情況,每年的7月份和8月份蘇州市平均氣溫達(dá)到年度最高值。 圖3為2019年1號(hào)線空調(diào)高壓故障發(fā)生的日期、地點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的隧道環(huán)境溫度截圖。由圖3可知:1號(hào)線列車空調(diào)高壓故障均發(fā)生在7月份和8月份,且隧道溫度越高,故障發(fā)生頻次越多。雖然1號(hào)線均為地下線路,但由于夏季并未全面開啟隧道排熱風(fēng)機(jī),列車空調(diào)機(jī)組外部的隧道環(huán)境溫度會(huì)隨著外界氣溫逐漸積累上升。隧道外部環(huán)境溫度升高,導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組散熱效率降低。因此,推斷1號(hào)線列車空調(diào)高壓故障與隧道整體環(huán)境溫度有關(guān)。

2.2.3 故障地點(diǎn)分析

由圖3還可看出:列車空調(diào)高壓故障發(fā)生地點(diǎn)中,有16次故障發(fā)生在1號(hào)線東側(cè)的終點(diǎn)站——鐘南街站(該站線型包括了折返線及存車線),另外3次故障所在車站與鐘南街站的間隔車站數(shù)均小于10個(gè)站,由此可認(rèn)為故障發(fā)生地點(diǎn)均集中在鐘南街站附近。因此,推斷鐘南街站的列車運(yùn)行環(huán)境對(duì)空調(diào)高壓故障影響較大。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),城市軌道交通線路地下隧道空間相對(duì)較狹小,列車車頂距隧道頂部的距離僅為600～700 mm。由于空間受限,列車空調(diào)機(jī)組兩側(cè)冷凝器出風(fēng)口的熱風(fēng)易回流至頂部進(jìn)風(fēng)口,使得列車空調(diào)機(jī)組外部散熱氣流“短路”,進(jìn)而導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組頂部進(jìn)風(fēng)溫度過高。

經(jīng)排查,為應(yīng)對(duì)客流增加,1號(hào)線于2016年底開始縮短了發(fā)車間隔,采用早晚高峰前從鐘南街站存車線發(fā)車的方式。因此,列車需在該站停放較長時(shí)間或低速折返,而列車靜止或低速折返時(shí)車頂沒有了較大的運(yùn)行氣流,易導(dǎo)致列車空調(diào)機(jī)組散熱氣流形成“短路”。

據(jù)悉,廣州地鐵和深圳地鐵部分線路上也曾發(fā)生過類似的故障。1號(hào)線運(yùn)營方調(diào)研、學(xué)習(xí)了廣州地鐵和深圳地鐵相關(guān)的故障案例。圖4為廣州某地下地鐵線2018年夏季部分運(yùn)營時(shí)段列車空調(diào)實(shí)時(shí)進(jìn)風(fēng)溫度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截圖。由圖4可知:列車空調(diào)機(jī)組未開啟時(shí),空調(diào)機(jī)組外部溫度等于隧道環(huán)境溫度,約為31.0 ℃;列車空調(diào)機(jī)組開啟后,空調(diào)機(jī)組外部溫度變化呈鋸齒狀,空調(diào)機(jī)組運(yùn)行期間其外部溫度的平均值為34.2 ℃;列車停站期間,空調(diào)機(jī)組外部溫度立即升高,其最大值達(dá)53.9 ℃。

圖4 廣州某地下地鐵線2018年夏季部分運(yùn)營日期列車空調(diào)實(shí)時(shí)進(jìn)風(fēng)溫度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截圖

參照廣州地鐵的故障案例,蘇州地鐵運(yùn)營方在1號(hào)線列車空調(diào)機(jī)組進(jìn)風(fēng)口處粘貼了溫度貼,測得部分故障機(jī)組進(jìn)風(fēng)口處溫度的最大值達(dá)56.0 ℃。此溫度值已超出定頻空調(diào)極限工況(外部環(huán)境溫度最大值為48.0 ℃),極易觸發(fā)高壓開關(guān)動(dòng)作。

2.2.4 確定具體故障原因

綜上所述,2019年1號(hào)線列車空調(diào)高壓故障頻發(fā)的原因?yàn)?列車在同一個(gè)位置保持靜止或低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí),列車空調(diào)機(jī)組外部沒有較大的運(yùn)行氣流,冷凝器熱量無法有效排至隧道空間內(nèi);熱量在列車空調(diào)機(jī)組外部較小的空間范圍內(nèi)堆積,導(dǎo)致冷凝器表面溫度升高,內(nèi)部制冷劑壓力增大,進(jìn)而觸發(fā)高壓開關(guān)動(dòng)作。此外,隧道整體環(huán)境溫度越高,熱量積累速度越快,制冷劑壓力升高至超過高壓開關(guān)動(dòng)作閾值所需的時(shí)間越短,列車空調(diào)發(fā)生高壓故障的概率就越高。

3 1號(hào)線列車空調(diào)高壓故障的對(duì)策

3.1 開啟隧道排熱風(fēng)機(jī)

1號(hào)線每個(gè)車站配置了2臺(tái)30 kW的排熱風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)開啟后可在一定程度上降低隧道整體環(huán)境溫度。但在鐘南街站開啟排熱風(fēng)機(jī)后,該站存車線內(nèi)仍會(huì)發(fā)生列車空調(diào)高壓故障。經(jīng)過現(xiàn)場查看,設(shè)于該站的2臺(tái)排熱風(fēng)機(jī)的安裝位置與存車線間距離較遠(yuǎn),且因風(fēng)機(jī)的功率相對(duì)較小,進(jìn)入到存車線的風(fēng)量較小,不足以改善該存車線的通風(fēng)情況。若調(diào)整風(fēng)機(jī)的功率,又會(huì)導(dǎo)致風(fēng)量過大,可能會(huì)對(duì)車站站臺(tái)門的正常使用造成影響,因此不建議采用加大風(fēng)機(jī)功率的措施。此外,全線各站均開啟排熱風(fēng)機(jī)的電耗較大,易引起風(fēng)機(jī)故障。因此,僅開啟排熱風(fēng)機(jī),不能全面解決1號(hào)線列車空調(diào)高壓故障問題,該措施的收效不理想。

3.2 優(yōu)化列車空調(diào)的控制邏輯

1號(hào)線列車空調(diào)控制器的故障控制邏輯為“高壓開關(guān)3次保護(hù)”,即:若空調(diào)壓縮機(jī)前端的高壓開關(guān)在1 h內(nèi)被觸發(fā)3次(觸發(fā)壓力值為(2.4±0.1) MPa),則判斷該空調(diào)機(jī)組的制冷系統(tǒng)運(yùn)作異常。為保護(hù)壓縮機(jī),此時(shí)空調(diào)控制器將關(guān)停對(duì)應(yīng)制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)?？照{(diào)高壓開關(guān)在1 h內(nèi)被觸發(fā)3次后,壓縮機(jī)就會(huì)被鎖死,需要重啟對(duì)應(yīng)機(jī)組控制器方可復(fù)位故障,而在正線運(yùn)營時(shí)段基本不具備復(fù)位的操作條件。

通過對(duì)故障特征及隧道環(huán)境進(jìn)行分析,并參考其他城市地鐵運(yùn)營方的處置方法,蘇州地鐵運(yùn)營方對(duì)空調(diào)控制器的軟件進(jìn)行了修改,重設(shè)壓縮機(jī)壓力故障停機(jī)及重啟的邏輯。1號(hào)線列車空調(diào)壓縮機(jī)改進(jìn)后的控制邏輯如圖5所示。

圖5 1號(hào)線列車空調(diào)壓縮機(jī)改進(jìn)后的控制邏輯

1號(hào)線列車空調(diào)壓縮機(jī)改進(jìn)后的控制邏輯如下:

1) 修改故障觸發(fā)條件。將高壓開關(guān)在1 h內(nèi)被觸發(fā)3次改為30 min內(nèi)被觸發(fā)3次。修改該觸發(fā)條件的原因?yàn)?目前1號(hào)線列車空調(diào)觸發(fā)高壓開關(guān)最頻繁的地點(diǎn)為終南街站的存車線及折返線,正線停站時(shí)相對(duì)觸發(fā)高壓開關(guān)情況較少;修改后在鐘南街站觸發(fā)的高壓開關(guān)次數(shù)不會(huì)長時(shí)間積累,可避免車站偶然高壓開關(guān)動(dòng)作觸發(fā)故障。

2) 修改空調(diào)中等故障的判斷條件。單個(gè)空調(diào)制冷系統(tǒng)首次觸發(fā)高壓故障時(shí),壓縮機(jī)不鎖死,停機(jī)10 min后將自動(dòng)復(fù)位;同一個(gè)空調(diào)制冷系統(tǒng)的故障觸發(fā)次數(shù)達(dá)到2次后,再將壓縮機(jī)鎖死,并發(fā)出列車空調(diào)中等故障提示。修改該判斷條件的原因?yàn)?較短時(shí)段內(nèi)隧道通風(fēng)環(huán)境不良造成列車空調(diào)進(jìn)風(fēng)溫度過高的情況,在列車速度提高、運(yùn)行氣流增大后即可緩解,此時(shí)直接鎖死壓縮機(jī)是不合理的。增加一次壓縮機(jī)自復(fù)位的操作可以避免此類情況導(dǎo)致的誤鎖死。若存在設(shè)備原因造成的高壓故障,短時(shí)復(fù)位后仍會(huì)再次觸發(fā)故障,此時(shí)須鎖死壓縮機(jī),防止故障進(jìn)一步惡化。

3.3 控制列車在存車線停留時(shí)空調(diào)的開啟時(shí)長

經(jīng)測試,在1號(hào)線列車AW0(空載)工況下,列車空調(diào)機(jī)組可在10 min內(nèi)將車廂溫度調(diào)整至制冷目標(biāo)溫度范圍內(nèi)的任意值。考慮列車在存車線處進(jìn)行收發(fā)車作業(yè)時(shí)車廂內(nèi)并無乘客,可要求司機(jī)發(fā)車載客前10 min再全面開啟列車空調(diào)制冷,并在退出正線運(yùn)營時(shí)及時(shí)關(guān)閉列車空調(diào)。

3.4 改用變頻空調(diào)

從圖3還可發(fā)現(xiàn),發(fā)生空調(diào)高壓故障的列車均為搭載定頻空調(diào)的列車,而變頻空調(diào)列車并無此類故障。經(jīng)查閱資料,定頻空調(diào)機(jī)組外部溫度在48 ℃時(shí)達(dá)到制冷極限,當(dāng)機(jī)組外部溫度高于45 ℃時(shí)可能會(huì)觸發(fā)高壓開關(guān)動(dòng)作,而變頻空調(diào)可在機(jī)組外部溫度不高于55 ℃的工況下運(yùn)行,其溫度閾值更高。

經(jīng)分析,定頻空調(diào)采用固定開度的毛細(xì)管實(shí)現(xiàn)制冷劑膨脹,在制冷劑回路高壓側(cè)壓力過高的情況下,必須立即令壓縮機(jī)停止工作,以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)機(jī)組的保護(hù)功能。而變頻空調(diào)采用了可調(diào)節(jié)的電子膨脹閥,在檢測到高壓側(cè)壓力偏高的情況下,變頻空調(diào)可及時(shí)調(diào)大電子膨脹閥的開度,以降低變頻壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率,進(jìn)而降低回路高壓側(cè)的壓力。這樣雖然會(huì)導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組制冷能力略微下降,但擴(kuò)大了空調(diào)可制冷的外部進(jìn)風(fēng)溫度范圍,使變頻空調(diào)機(jī)組具備應(yīng)對(duì)短時(shí)惡劣外溫環(huán)境的能力。

2020年,蘇州地鐵運(yùn)營方優(yōu)化了列車空調(diào)控制邏輯,并對(duì)列車在存車線收發(fā)車時(shí)空調(diào)制冷開啟時(shí)間進(jìn)行了有效控制,實(shí)施后再?zèng)]有發(fā)生過此類列車空調(diào)高壓故障。實(shí)踐證明,通過修改空調(diào)軟件解決此類故障非常有效,且經(jīng)濟(jì)性較好。

4 結(jié)語

隨著城市軌道交通線路運(yùn)營方案的持續(xù)優(yōu)化,為滿足列車快速投運(yùn)及節(jié)省停車庫改擴(kuò)建成本等要求,在正線隧道內(nèi)進(jìn)行停車檢修及收發(fā)車作業(yè)等措施備受關(guān)注。這些措施須考慮列車停車位置的隧道環(huán)境,避免列車空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)高壓故障導(dǎo)致停機(jī),并在夏季開啟空調(diào)系統(tǒng)前做好控制措施。此外,運(yùn)營方還可積極掌握各類應(yīng)用設(shè)備軟件的編制及修改方法,結(jié)合設(shè)備使用實(shí)際優(yōu)化設(shè)備軟件,在設(shè)備全壽命周期內(nèi)不斷提升列車的服務(wù)可靠度。