概述
地鐵車(chē)站內(nèi)部的空間廣、發(fā)熱量大，為了維持其熱環(huán)境，環(huán)控系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)、空調(diào)機(jī)的裝機(jī)容量都相當(dāng)大，由此引起大量的設(shè)備投資和運(yùn)行能耗費(fèi)用增加。在地鐵運(yùn)營(yíng)初期，環(huán)控系統(tǒng)能耗甚至超過(guò)總能耗的50%，嚴(yán)重影響到地鐵的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。因此，環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能是地鐵環(huán)控系統(tǒng)必須考慮的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)環(huán)控系統(tǒng)采用智能控制，一方面達(dá)到節(jié)能效果，另一方面提高旅客舒適度。
系統(tǒng)概況
為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)車(chē)站公共區(qū)的溫度變化來(lái)控制空調(diào)送風(fēng)量的目的，需要采用自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控車(chē)站公共區(qū)的溫度變化，并及時(shí)做出反應(yīng)，調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)機(jī)的供電頻率，改變其送入車(chē)站公共區(qū)的風(fēng)量，從而改變冷量。
針對(duì)車(chē)站環(huán)境的早晚高峰以及不確定的客流變化，比較了兩種常用的控制算法(PID控制算法、模糊控制算法)，優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)和選擇控制策略，以選擇合適的控制器。
● 設(shè)備情況
○ 傳感器浦電路車(chē)站安裝有20個(gè)傳感器，其中車(chē)站公共區(qū)有4個(gè)溫度傳感器、4個(gè)濕度傳感器和4個(gè)二氧化碳傳感器，隧道內(nèi)安裝有4個(gè)溫度傳感器和4個(gè)濕度傳感器。
○ 電機(jī)
(1)組合式空調(diào)機(jī)組
(2)回/排風(fēng)機(jī)
(3)排熱風(fēng)機(jī)
○ 變頻器風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制需要專門(mén)的變頻器設(shè)備。選用的是施耐德電氣公司(Schneider Electric)的 ATV71系列高性能變頻器。
○ PLC控制器模塊
PLC：采用施耐德的Quantum系列可編程邏輯控制器
測(cè)試方案
方案簡(jiǎn)介
地鐵環(huán)控系統(tǒng)的能源消耗與外界環(huán)境氣侯條件、列車(chē)運(yùn)行模式、客流量、系統(tǒng)控制方式和風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式等諸多因素有關(guān)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有地鐵環(huán)控系統(tǒng)采用變頻技術(shù)的研究，建立系統(tǒng)的熱交換和氣流動(dòng)力學(xué)模型，以適合旅客的小氣候環(huán)境為目標(biāo)，采用先進(jìn)的智能控制策略，尋找降低地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的算法，建立適合地鐵環(huán)控變頻節(jié)能的方式方法，從而達(dá)到節(jié)能目的。通過(guò)開(kāi)發(fā)合適的環(huán)控樣機(jī)系統(tǒng)，研究適用不同環(huán)境的控制器，通過(guò)試驗(yàn)運(yùn)行，解決不同地鐵的環(huán)控系統(tǒng)的能量最優(yōu)問(wèn)題，滿足顧客舒適度最佳和能量消耗最低，從而達(dá)到推廣變頻節(jié)能控制的目的。
考慮到環(huán)控系統(tǒng)的季節(jié)性，變頻控制測(cè)試分為通風(fēng)季節(jié)和空調(diào)季節(jié)兩部分，通過(guò)車(chē)站內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度及隧道內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，適時(shí)地控制地鐵環(huán)控系統(tǒng)中的空調(diào)箱送風(fēng)風(fēng)機(jī)、回排風(fēng)機(jī)和排熱風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并記錄環(huán)境參數(shù)和風(fēng)機(jī)頻率數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)記錄數(shù)據(jù)分析，可以提出適合地鐵的環(huán)控變頻節(jié)能控制方式，并且可以得到車(chē)站環(huán)控系統(tǒng)應(yīng)用變頻控制后的實(shí)際節(jié)能效果。
節(jié)能理論計(jì)算
我們?cè)诃h(huán)境控制中，利用變頻器通過(guò)改變輸出交流電的頻率來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、泵等流體機(jī)械，其轉(zhuǎn)矩大小和轉(zhuǎn)速的平方成比例，負(fù)載特性為平方降轉(zhuǎn)矩負(fù)載。帶動(dòng)這類(lèi)負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗功率P與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為P=kn3 (其中k為常數(shù))，即負(fù)載所消耗的能量與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比。假設(shè) ne為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，n為應(yīng)用變頻器后電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，則變頻器調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能率 g，可以按下式計(jì)算：
式中 Fe表示額定頻率50Hz，F(xiàn) 表示實(shí)際頻率。通過(guò)計(jì)算可以得到下表。
根據(jù)頻率計(jì)算節(jié)能率
測(cè)試結(jié)果
通風(fēng)季節(jié)
● 通風(fēng)季節(jié)能測(cè)試
● 通風(fēng)季節(jié)節(jié)能效果
通過(guò)計(jì)算表3.3、表3.4和表3.5中的有功功率可以得出表3.6。
回排風(fēng)機(jī)和空調(diào)風(fēng)機(jī)的頻率基本保持在35Hz，那么節(jié)能率分別為62.98%和63.35%?；嘏棚L(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)工頻功率為12.29kW，節(jié)省能耗等于12.29*62.98% = 7.74kW;空調(diào)風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)工頻功率為27.72kW，節(jié)省能耗等于27.72*63.35% = 17.56kW。以此來(lái)看，變頻情況下回排風(fēng)機(jī)和空調(diào)風(fēng)機(jī)每運(yùn)行一小時(shí)可節(jié)省能耗25.30kWh，相當(dāng)于節(jié)省63.00%的功耗。
若回排風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)和排熱風(fēng)機(jī)都以最低頻率35Hz運(yùn)行，則節(jié)能率分別為62.98%、63.35% 和63.24%。排熱風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)工頻功率為53.94kW，那么三臺(tái)風(fēng)機(jī)節(jié)省能耗等于12.29*62.98% + 27.72*63.35% + 53.94*63.24% = 59.41kW。以此來(lái)看，變頻情況下回排風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)和排熱風(fēng)機(jī)每運(yùn)行一小時(shí)可節(jié)省能耗59.41kWh，總共節(jié)省了63.00%的功耗。若風(fēng)機(jī)從早上6:00運(yùn)行到夜晚22:00共 16個(gè)小時(shí)，那么每天節(jié)能可以達(dá)到950.56kWh。
空調(diào)季節(jié)
● 空調(diào)季節(jié)測(cè)試
上圖比較了PID、模糊控制算法下頻率變化。圖左側(cè)應(yīng)用PID控制算法，圖右側(cè)應(yīng)用模糊控制算法。圖中對(duì)比可以看出，模糊控制算法速度較PID控制算法快。
● 空調(diào)季節(jié)節(jié)能效果
測(cè)試期間，記錄了變頻柜上智能監(jiān)測(cè)裝置中每天消耗的電功度，如表3.11所示，其中每天記錄電度時(shí)間為18:00。三臺(tái)風(fēng)機(jī)每天消耗的電度數(shù)如表3.12所示。
通過(guò)測(cè)試，三臺(tái)風(fēng)機(jī)工頻下24h消耗的電度數(shù)(kWh)分別為排熱風(fēng)機(jī)1171.008、回排風(fēng)機(jī)296.636、空調(diào)風(fēng)機(jī)668.104。根據(jù)測(cè)試期間三臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)際開(kāi)機(jī)時(shí)間，可以折算得到風(fēng)機(jī)工頻下消耗的電度數(shù)，如表3.13所示。
通過(guò)表3.12、表3.13電度計(jì)算，可以得到測(cè)試期間的實(shí)際節(jié)能比例，如表3.14所示。通過(guò)表3.11與表 3.6對(duì)比可以看出，測(cè)試期間排熱風(fēng)機(jī)主要運(yùn)行在30Hz，實(shí)際節(jié)能率達(dá)到75.3%，與表3.7的理論計(jì)算差別不大;而回排風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)主要運(yùn)行在50Hz，實(shí)際節(jié)能率很小，分別為10.6%、9.9%。三臺(tái)風(fēng)機(jī)的總節(jié)能率為45.83%。
如果不考慮上海梅雨天氣濕度太大的因素，那么回排風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)也將運(yùn)行在30Hz，那么節(jié)能率將達(dá)到78%左右。
測(cè)試分析
PLC程序運(yùn)行穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)通信可靠
施耐德公司的可編程控制器Quantum系列，具有高可靠性、穩(wěn)定性及無(wú)與倫比的網(wǎng)絡(luò)連接能力，適應(yīng)于一些惡劣環(huán)境下的自動(dòng)化控制?？删幊炭刂破?PLC)可靠性高，程序設(shè)計(jì)方便靈活。本次變頻控制試驗(yàn)應(yīng)用模糊、PID控制算法對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，通過(guò)七天的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析來(lái)看，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。
MODBUS網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。變頻試驗(yàn)中單臺(tái)PLC通過(guò)MODBUS總線同時(shí)與三臺(tái)變頻器通信控制。通過(guò)七天的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)通信可靠。MODBUS總線可保證數(shù)據(jù)的可靠和有效傳輸。
控制算法
運(yùn)行期間對(duì)控制算法進(jìn)行了測(cè)試。通風(fēng)季節(jié)中車(chē)站內(nèi)環(huán)境參數(shù)滿足地鐵規(guī)范要求。
在測(cè)試中通過(guò)改變?cè)O(shè)定溫度，記錄了頻率變化的曲線。
1.由于設(shè)定溫度的手動(dòng)調(diào)整，設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差值相當(dāng)于發(fā)生了階躍性跳變，因此頻率輸出也發(fā)生了階躍性跳變。
2.由于PID算法的積分作用，而實(shí)際上冬季空調(diào)送風(fēng)對(duì)溫度影響不大，只要實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度，頻率都會(huì)增大到極大值;只要實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度，頻率都會(huì)減小到極小值。
測(cè)試結(jié)論
施耐德電氣可編程控制器(PLC)可靠性高，程序設(shè)計(jì)方便靈活。本次變頻控制試驗(yàn)應(yīng)用模糊、PID控制算法對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析來(lái)看，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。
施耐德ATV71 變頻控制測(cè)試期間，通過(guò)數(shù)據(jù)記錄車(chē)站通風(fēng)季節(jié)及控制季節(jié)下溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，未發(fā)現(xiàn)造成不舒適等影響。即使在低頻30Hz運(yùn)行下，測(cè)試期間，溫度、CO2等主要環(huán)境參數(shù)沒(méi)有大的增加，也并未超標(biāo)。
變頻節(jié)能效果明顯，因功率與頻率的三次方成比例，因此頻率降低，所節(jié)省的功耗顯著。在30Hz低頻運(yùn)行下，風(fēng)機(jī)節(jié)能可達(dá)到78%左右。
（轉(zhuǎn)載）
