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地铁空调系统调节方案

供稿:luofeng 2005/11/23 11:06:00

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一.概述
  地铁运营中,空调系统是个耗能大户,其中对于空调系统冷机、风机、水泵是主要的耗电设备,要想降低空调系统的能耗,只能从这些设备的正确运行中实现。根本上来说,空调系统的总能耗的多少最终是由室内达到的温湿度环境决定的,即空调系统的能耗维持整个车站温湿度与室外温湿度的差。如果室内环境高于大多数人都比较满意的温湿度要求,高出需求的这部分空调系统能耗显然是毫无必要的。因此要想降低空调系统能耗,必须首先从合理的室内温湿度环境上,进行分析研究,最理想的模式就是任何情况下所供给的等于所需求的。变风量空调的基本原理正是通过改变送入室内的风量及温度来满足整个车站人员对室内不同温湿度的要求,同时自动地适应室外环境对车站建筑物内温湿度的影响,真正达到所供即所需。显然,不同人员对温湿度的需求是不同的,而且室外环境也是不停变化的,要想达到所供即所需,空调系统就必须是一个实时自适应的系统。
  地铁空调系统有别于地面建筑,特别是空调大系统,其调节对象是一个大空间的温度,具有明显的大滞后特点,但有一点有利因素是,广州地铁五号线环控采用屏蔽门制式,使得被控对象免除受活塞风的干扰,这样为EMCS系统控制调节提供了便利,调节可只考虑出入口处的冷量散失。正常情况下,地铁公共区热负荷主要来自乘客,具有一定的规律性。
  为阐述上的方便,本节将集中关于EMCS系统如何实现对地铁空调系统的调节与控制,重点围绕包括水系统末端二通阀的调节控制、冷站供回水压力控制、机组台数控制等的控制策略及工程实现方法而展开,如下所述。二.空调水系统
1.冷站节能及优化控制
1)能量调节及水系统控制
  为保证冷源及水系统的正常运行,充分利用EMCS系统强大的数据处理与分析功能,恰当地对系统进行调节,从而达到提高运行品质,降低运行能耗的作用,产生经济效益。
  冷源及水系统的能耗由冷水机组主机电耗、冷冻水、冷却水和各循环水泵电耗、冷却塔风机电耗等构成。如果冷冻水末端各站都有良好的自动控制,冷水机组供冷量在满足各站需求的前提下,其节能就要靠恰当地调节机组的运行状态,提高其制冷效率(即COP值)和降低冷冻水循环泵、冷却水循环泵及冷却塔风机的电耗来获得。由于冷站同时为多个车站供冷,冷冻水循环泵须提供足够的循环水量并满足各站的压降,可能的节能途径是减少各个站冷冻水调节阀的节流损失,并尽可能使循环水泵在效率最高点运行。这样,冷源与水系统的节能控制就主要通过如下3个途径完成:
  维持各车站的最低冷量需求,尽可能提高冷水机组出口水温以提高冷水机组的COP;当采用二级泵系统时,减少冷冻水加压泵的运行台数或降低泵的转速,以减少水泵的电耗;
  根据冷负荷状态恰当地确定冷水机组运行台数,以提高冷水机组COP值;
  在冷水机组运行所允许的条件下,尽可能降低冷却水温度,同时又不增加冷却泵和冷却塔的运行电耗。2)冷冻水的调节控制
  目前供冷回路多采用二级泵系统,二级加压泵采用变频调速时,运行费最省。常规的运行方式是固定冷水机组的供水温度设定值(如7℃),同时按照设计工况要求的各站压头确定末端各站供回水干管压差的设定值Δpset,根据实测出的该点压差与Δpset之关系调整冷冻水加压泵的转速,使该处压差一直维持于Δpset。这样做可以满足各个站的要求,但并非是最省能的运行方式。
  如果设计工况下要求各站的资用压头为50kPa,管网压降为100kPa时,冷水回压泵的扬程为15m。在部分负荷时,如果在7℃供水温度下所有各站都只要求50%流量,则管网压降仅为25 kPa,为了仍维持50 kPa的末端压差,加压泵扬程应为7.5m。这时若将加压泵转速降至50%,其扬程仅为3.75m,因此只能将泵的转速降至70%左右,并使其工作点左移,偏离水泵的最高效率点。由此加压泵就不能如变频器厂商所宣传的“流量降低至一半,电耗可节约87.5%”,而只能节约50%左右(视泵的工作曲线形状),实际上此时各个站并不需要50 kPa压差。如果不调节阀门,应仅需要12.5 kPa压差。由此只好关小阀门,大部分压力消耗在各站调节阀上。这时,如果适当提高制冷机供水温度,增加各站需要的水量,可提高冷水机组的COP,从而降低冷水机组电耗;也可以进一步降低加压泵转速,不去维持末端的50 kPa资用压头,减少各站调节阀的消耗,从而进一步减少水泵能耗。
  实际上各个站对水量和水温的要求不会同时降低,冷冻水系统应满足所有各站的要求,这就要靠EMCS系统观测各个车站的工作状况,确定各站对流量和水温的最大要求,从而做出适宜的调整。
  当冷冻水系统的各站是用二通阀自动进行变水量调节时,其调节的本质是通过增大水量来降低回水温度,由此使水侧平均温度下降,传至空气侧的冷量增加;或者减少水量以提高回水温度,从而使水侧平均温度上升,减少传至空气侧的冷量。这样,当各站的冷水阀开至最大,各站的供回水温差仍很大时,说明各站水侧的资用压头不够,导致流量不足,应通过增加冷冻水加压泵转速来提高各站的资用压头从而提高各站流量;当各站冷水阀开至最大,而供回水温差已很小时,则表明通过各站的水量已很大,但水温偏高,应进一步降低供水温度。反之亦然,当各站水阀关得很小而供回水温差仍然很小时,说明资用压头太大,各站水量太高,应降低回压泵转速;而当水阀关得很小,供回水温差过大时,表明各站在很小的流量上即已满足需求,此时可以适当提高供水温度,使各站流量适当加大。这样,由各站的阀位状况及供回水温差状况即可判断该各站对水侧压头及供水温度的需求。
  由于冷冻水系统需同时满足所有各站对水量及水温的要求,因此可按表3-3的逻辑去确定对水温及水泵的调节。
两级泵系统的控制逻辑如下表B1-08 所述:
表B1-08
■找出阀门开度最大的各站Vmax和该各站的供回水温差Δt1,阀门开度最小的各站Vmin和该各站的供回水温差Δt2;
■若80%≤Vmax≤90%,则水泵及冷水机组的水温设定值都应维持现状;
■若Vmax>90%,Δt1>Δtmax,则流量不足,应将水泵转速提高5%;
■若Vmax>90%,Δt1<Δtmin,且t供>t供min,则水温过高,应将冷水机组出口温度设定值降低0.25℃;
■Vmax<80%,Δt2>Δtmax,且t供<t供,max,则水温过低,应将冷水机组出口温度升高0.25℃;
■若Vmax<80%,Δt2>Δtmin,则流量太大,应将水泵转速降低5%。
  其中Δtmax,Δtmin分别为希望的供回水最大温差和最小温差,当设计的供回水温差为5℃时,可取Δtmax=6℃,Δtmin=4℃。允许的温差太大可降低要求的流量,但相应要降低冷水机组出口温度设定值,降低冷水机组效率,而允许的温差太小尽管可适当提高冷水机组水温设定值,但将使水泵流量增大,电耗增加。
  上述调节方式可以在满足各站工况要求的前提下最大限度地提高冷水机组运行效率和降低本泵运行电耗,从而达到最大的节能效果。同时这种调节方式还具有很好的稳定性。例如当Vmax大于90%,Δt1>Δtmax时,按照上述逻辑,应加大水泵转速。由此使各个站流量增大,空气侧温度降低,各调节阀相应地逐渐关小,至开度最大的阀门阀位降至90%以下,水泵的调节停止。
而按照维持末端压差的传统方法时当各站要求减少流量而关小阀门时,末端压力升高,由此使水泵转速降低,这将导致各个站流量又偏小,空气侧温度逐渐升高,于是又纷纷开大阀门,使流量加大,引起末端压力监测点的压力降低,进而又导致水泵转速增加。由于各个站是根据工况来调节其阀门,具有较大热惯性和时间延迟,而阀门及水泵的调节作用导致的末端压力的变化惯性很小,由此很容易造成上述的振荡过程发生,需要小心地设计控制算法,整定好调节参数,才能消除此振荡。与此相比,表B1-11的调节方式却是从其机理上就具备自稳定性质的调节过程,建议采用这种方案。
  上述的调节方法的条件是各车站空调为两通阀变流量调节,并均有控制器控制。各车站的现场控制器都需要具有与冷站的控制器通讯功能。通过通讯得到各个冷水站的实际需求,从而实现这种恰好使各站的要求得到满足的调节。
  如果广州地铁四号线的工程现状不具备上述调节的条件,我们研究了一套压差方法调节的优化方案,并在以往的工程实际应用中,十分成功。此方案具体描述如下图B1-14所示:



图B1-14
  上述调节方法中的表B1-08的控制逻辑中,不难发现供回水管的温差及阀门的开度的变化,其目标在房间的冷量需求,其源在冷水机组的出水口水温及供回水压差,即房间冷量的需求影响着阀门的开度,当阀门开到最大程度,将会影响着供回水管的温差的增大,当温差变化达到极限后,还不能满足房间冷量的需求时,需调节二级泵增压,二级泵转速达到极限(极限指设备运行最佳效率的区间范围,比如转速在80%~90%范围运行效率最高)时,就只能降低冷水机组出水口的水温来满足要求。
  下面我们再分析一下,当房间冷量需求一定时,冷机出水口水温t(本参数设为定值,此定值设定点为供冷高效效范围的中间值,在所有的参数变化均不能满足负荷要求时,方可降低此参数)、供回水压差△P、供回水温差△t、空调二通阀阀位L四个变量的关系,见下表B1-09 :
表B1-09
■1.当t、△t一定时,△P∝L;
■2.当t、L一定时,△P∝△t;
■3.当t、△P一定时,L∝△t;
■4.当改变t直接影响△P,间接影响L和△t;
  弄清上述参数的关系后,我们很容易得出以下结论——表B1-10的各参数之间的逻辑关系(因为间接影响因素滞后,本逻辑关系可按各个环节组织,忽略间接影响因素):
表B1-10
注释:
■V0:送风机转速 t0:送风温度设定值 △t0:送风温度设定浮动值
■L:二通阀位置 △P:压差设定值 △△P:压差设定浮动值
■V1:二级泵转速 t:冷机出水口水温

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