摘要
地鐵線路及車站選址往往在城市中心區(qū)或繁華地段，要在城市的繁華地段找到一塊不小的地方來放置冷凍站，尤其是冷卻塔，是有相當(dāng)難度的。集中冷站方式能夠很大程度上緩解這個問題。但是，與傳統(tǒng)的分站供冷方式相比，集中冷站方式具有新的特點，對于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、控制也提出了新的要求。
本文對廣州地鐵三號線集中冷站系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和運行控制的策略進行了淺析。
廣州地鐵三號線集中冷站系統(tǒng)構(gòu)成及特點
廣州地鐵三號線集中冷站采用了施耐德高端PL C QUANTUM 控制器系列，對集中冷站和車站進行控制，各車站與集中冷站之間采用多模光纖以太網(wǎng)通訊方式，通訊協(xié)議為MODBUS TCP .大大保證了通訊速率和通訊信息量的要求，同時也保證了通訊距離和系統(tǒng)的安全可靠性。送排風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)采用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)量，水系統(tǒng)二次泵也均采用變頻器調(diào)節(jié)。變頻器與通過Modbus通訊接口接入就地遠程I/O箱的遠程通訊模塊上，大大減少了通訊線的距離，避免了干擾。
● 集中冷站系統(tǒng)構(gòu)成
○ 集中冷站供冷系統(tǒng)由集中冷站，傳輸管道和末端設(shè)備構(gòu)成
○ 其中供冷系統(tǒng)圖如圖1-1，冷站系統(tǒng)圖如圖1-2
集中冷站系統(tǒng)特點
與分站供冷方式相比，集中冷站供冷系統(tǒng)需要為多個車站供冷，在供冷范圍和數(shù)量上都要大得多，有以下幾個主要特點：
● 冷凍水傳輸距離長。一般地鐵站距在1000米左右，本系統(tǒng)為6個車站供冷，冷凍水傳輸距離將達 2000～3000米。長距離傳輸，管路的阻力大為增加，并且系統(tǒng)的熱惰性加大，增大了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)難度
● 末端設(shè)備數(shù)量多，供冷管路形成網(wǎng)絡(luò)。由于各站的負荷情況不同，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時易導(dǎo)致出現(xiàn)相互影響，需考慮整個網(wǎng)絡(luò)的整體水力平衡
● 集中冷站供冷系統(tǒng)的制冷部分，通常采用多機組，二級泵的形式。這種形式適應(yīng)了長距離管路輸送阻力較大的情況，能夠減小末端系統(tǒng)對冷機的影響。但是增加了泵的數(shù)量和管路復(fù)雜性，使調(diào)節(jié)控制的難度加大
調(diào)節(jié)控制方法與策略
調(diào)節(jié)控制手段
● 廣州地鐵三號線集中供冷系統(tǒng)中，PLC采用的調(diào)節(jié)控制手段有：
○ 風(fēng)機變頻變風(fēng)量(末端設(shè)備)
○ 水泵變頻變水量
○ 水閥調(diào)水量
○ 質(zhì)調(diào)節(jié)
調(diào)控手段的選擇
由于管路很長，冷凍水從集中冷站到末端設(shè)備需要運行數(shù)十分鐘，如果采用質(zhì)調(diào)節(jié)，則調(diào)節(jié)時滯太大。因此在實時控制中，主要采用量調(diào)節(jié)的方式(包括風(fēng)量調(diào)節(jié)和水量調(diào)節(jié))。質(zhì)調(diào)節(jié)則采用開環(huán)方式，根據(jù)外溫或季節(jié)確定冷凍水溫，并在一定時間內(nèi)(比如1天內(nèi))保持相對穩(wěn)定。
二級泵管路長，阻力大，且流量直接受末端負荷的影響，因此二級泵采用變頻調(diào)節(jié)，可以達到較好的節(jié)能效果。同時為了保證通過冷水機組的水量，一級泵采用定速泵，并與冷機對應(yīng)運行，不進行變頻調(diào)節(jié)。
從節(jié)能的角度考慮，優(yōu)先考慮節(jié)能效果較好的風(fēng)機變頻和水泵變頻調(diào)節(jié)，盡量少使用水閥調(diào)水量的方法。
控制調(diào)節(jié)的策略
初調(diào)節(jié)
集中冷站供冷的管路復(fù)雜，不同支路之間的阻力差距大，因此需要進行認真的系統(tǒng)初調(diào)節(jié)，以免系統(tǒng)水力失調(diào)，導(dǎo)致運行調(diào)節(jié)無法正常進行。
● 初調(diào)節(jié)目標(biāo)：
○ 驗證系統(tǒng)可以達到設(shè)計工況
○ 實現(xiàn)系統(tǒng)的水力平衡，為運行調(diào)節(jié)準(zhǔn)備條件。
● 調(diào)節(jié)步驟
經(jīng)多次調(diào)整，使系統(tǒng)內(nèi)各機組的流量基本相同(如機組型號不同，則各機組的流量比值應(yīng)基本相同。流量比值=實際流量/設(shè)計流量)。且至少1個機組的閥門為全開狀態(tài)。
1、調(diào)整一級泵系統(tǒng)水力平衡
2、設(shè)計頻率整定
運行調(diào)節(jié)
● 調(diào)節(jié)目的
○ 保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，滿足車站熱環(huán)境需求
○ 車站負荷變化時，系統(tǒng)能及時調(diào)節(jié)以適應(yīng)負荷的變化，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行
○ 系統(tǒng)的能耗最小
● 車站末端設(shè)備的調(diào)節(jié)控制框圖如下：
控制方法：
同時PID調(diào)節(jié)風(fēng)量和水量。風(fēng)量由車站溫度Tc值直接控制，水閥開度也由車站溫度Tc控制。風(fēng)機頻率各站獨立調(diào)節(jié)，電動二通閥開度則上傳冷站，由冷站對二級泵和電動二通閥進行統(tǒng)一調(diào)控。
● 二級水泵變頻調(diào)節(jié)
控制框圖如下：
控制方法：
開機時，水泵以初始設(shè)定頻率運行(該頻率在初調(diào)節(jié)時確定)。
根據(jù)所有末端二通調(diào)節(jié)閥的開度，來調(diào)節(jié)水泵頻率。
水泵頻率采用步進方式調(diào)節(jié)，步長和調(diào)整時間間隔現(xiàn)場調(diào)試確定。
全部運行水泵均同頻運行。
當(dāng)水泵頻率變化時，同時向各二通調(diào)節(jié)閥發(fā)出新的開度指令，以保持末端流量基本穩(wěn)定。
● 二級泵臺數(shù)控制
○ 當(dāng)減少臺數(shù)時：
○ 增加臺數(shù)時：
Fnew：新頻率 Fold：原頻率
Nnew：新運行臺數(shù) Nold：原運行臺數(shù)
二級泵運行臺次的選擇：
根據(jù)前一日累計運行時間，運行時間短的先啟動，并實行先啟后停，后啟先停的原則。
● 冷水機組/冷凍水一級泵/冷卻泵/冷卻塔的控制
○ 冷凍水一級泵/冷卻泵與冷機一一對應(yīng)運行。
○ 冷水機組采用定水溫運行。水溫由EMCS系統(tǒng)設(shè)定。此溫度每天設(shè)定一次。
○ 冷機自行控制負荷率，以保證出水溫度在設(shè)定值附近。
○ 冷機的運行臺數(shù)根據(jù)實際冷負荷確定。
空調(diào)機組的實時控制方案
末端空調(diào)機組擁有變頻風(fēng)機、二通調(diào)節(jié)水閥、變頻二次泵等多種實時控制手段，可以采用多種控制方案。廣州地鐵三號線集中冷站采用了如下方案：
同時調(diào)節(jié)風(fēng)量和水量。風(fēng)量水量均由Tc值直接控制。優(yōu)點：控制合理，能耗最低。風(fēng)量各站獨立調(diào)節(jié)，確保以最小的風(fēng)機能耗滿足車站負荷變化的需要。二通調(diào)節(jié)水閥和變頻泵的調(diào)節(jié)則由冷站控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理監(jiān)控，保證冷凍水網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，并現(xiàn)最大限度的節(jié)能(二通調(diào)節(jié)水閥開度最大，二次泵運行頻率最低)。挑戰(zhàn)：風(fēng)水同時調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)力度大，可能造成系統(tǒng)震蕩。需認真調(diào)整PID參數(shù)。二通閥和變頻泵需由冷站系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控，算法較為復(fù)雜。
由于采用了施耐德電氣性能最高的PLC處理器，充分發(fā)揮了PLC運算速度快，PID功能強大，通訊接口多的特點，很好的實現(xiàn)了空調(diào)機組的實時控制。
二次泵的控制
從節(jié)能角度考慮，應(yīng)盡量多泵低轉(zhuǎn)速運行，這樣，每臺泵流量小，泵所在支路的壓力損失也小。
但是，泵的最低轉(zhuǎn)速有限，且泵的輪換運行有助于設(shè)備維護，考慮到集中冷站系統(tǒng)的干管阻力比較大，因此變臺數(shù)運行的能耗增加不多。故將泵轉(zhuǎn)速維持在中間轉(zhuǎn)速。
控制方案還根據(jù)流量計的數(shù)據(jù)計算當(dāng)前實際流量，預(yù)先測量單泵/雙泵/三泵等情況下額定轉(zhuǎn)速時的流量，根據(jù)實際流量決定開啟臺數(shù)。
運行特點和節(jié)能效果
1. 冷站與各分站之間單獨組建光纖網(wǎng)絡(luò)，保證了EMCS集中冷站系統(tǒng)如期開通、也保證了EMCS系統(tǒng)的完整性，大大減少了專業(yè)之間艱巨的協(xié)調(diào)工作。
2. 各分站的環(huán)境自動控制由集中冷站統(tǒng)一進行數(shù)學(xué)模型運算和控制，避免了各車站之間的偶合作用。
3. 集中冷站控制器實時的、動態(tài)的求解各分站冷凍水支路最不利末端，保證所有車站的水量都能滿足設(shè)計需求
4. 充分發(fā)揮變頻水泵的變頻節(jié)能優(yōu)勢，保證最不利末端差壓剛好滿足調(diào)節(jié)需求，大大降低了二次水泵的能耗。
5. 各車站實現(xiàn)了動態(tài)水平衡，效果非常好。廣州地鐵三號線集中冷站及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了全自動、節(jié)能運行，得到了地鐵公司用戶和設(shè)計院的高度肯定。
（轉(zhuǎn)載）
