冷水機組群控系統(tǒng)在北京地鐵的應用

翁雪飛

(北京市軌道交通建設管理有限公司 100037)

1 冷水機組系統(tǒng)概述

隨著中央空調(diào)系統(tǒng)在地鐵中的廣泛應用，系統(tǒng)節(jié)能已經(jīng)成為地鐵建設單位、運營單位、設計單位、設備供應商所關注的焦點。在地鐵的實際運營中，地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的耗電僅次于列車牽引用電。冷水機組的能耗往往是空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要組成部分，在實際工程中，冷水機組系統(tǒng)的電耗占到空調(diào)系統(tǒng)總電耗的一半以上，其運行效率對空調(diào)系統(tǒng)的整體效率有顯著影響。因此，冷水機組系統(tǒng)的高效節(jié)能成為空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關鍵。

為了節(jié)省地下空間和適應負荷的變化，目前的北京地鐵地下車站冷凍機房內(nèi)一般設置3臺水冷螺桿式機組。在高峰負荷時，啟動3臺冷水機組，可滿足大小系統(tǒng)冷量需求;當設備管理用房單獨使用時，開啟1臺冷水機組即可滿足需求。車站空調(diào)水系統(tǒng)一般采用定水量系統(tǒng)，即冷水機組和水泵的流量不變，在末端設備(組合式空調(diào)箱等)設置電動二通閥，在機房的集水器、分水器之間設置電動壓差旁通調(diào)節(jié)閥，通過改變水流量來適應空調(diào)區(qū)域負荷的要求，從而達到節(jié)能的目的。空調(diào)系統(tǒng)的冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔采用一對一的設置，系統(tǒng)選用低噪聲變頻控制橫流式冷卻塔。

2 冷水機組群控系統(tǒng)

冷水機組的群控是指利用自動控制技術對制冷站內(nèi)部的相關設備(冷水機組、水泵、冷卻塔、閥門等)進行自動化監(jiān)控，使制冷站內(nèi)的設備達到最高效的運行狀態(tài)。群控系統(tǒng)會采集和控制各類輸入輸出信號，實現(xiàn)多臺冷水機組的遠程管理控制，同時也把冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔等的聯(lián)鎖控制納入管理。冷水機組群控系統(tǒng)中的監(jiān)控計算機監(jiān)測和控制這些設備的各種重要參數(shù)，并作為管理者的操作界面。在該界面上，通過對設備運行狀態(tài)的了解，設定或修改各類運行參數(shù)，如設定冷機運行時間表、修改冷機的出水溫度控制值等。

群控系統(tǒng)可根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)，監(jiān)控和管理空調(diào)系統(tǒng)，使系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)和保持最少的能源消耗。每座地鐵車站的冷水機組系統(tǒng)獨立設置一套群控系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)控功能和聯(lián)鎖保護功能。圖1為北京地鐵某線的群控系統(tǒng)控制界面。

3 群控系統(tǒng)功能及作用

群控系統(tǒng)主要監(jiān)控的設備有:冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、水處理設備、定壓補水裝置等。群控系統(tǒng)現(xiàn)場元件的組成有:冷凍水進水溫度傳感器、冷卻水進水溫度傳感器、冷凍水出水溫度傳感器、冷卻水出水溫度傳感器、水流開關、電動蝶閥及執(zhí)行器、冷凍水壓差旁通閥及執(zhí)行器、電動三通閥等。

圖1 群控系統(tǒng)控制界面

3.1 群控系統(tǒng)功能

3.1.1 監(jiān)視保護功能

群控系統(tǒng)的主要功能是:監(jiān)視冷水機組、冷卻塔風機、冷凍泵、冷卻泵、電動壓差旁通閥、冷凍水電動蝶閥、冷卻水電動蝶閥、定壓補水裝置、水處理設備和加藥裝置等的運行狀態(tài)，監(jiān)測冷凍水供/回水溫度、冷凍水流量、冷卻水供/回水溫度、冷卻水流量、冷凍水流開關狀態(tài)、冷卻水流開關狀態(tài)，并分別累計冷水機組、冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔的運行時間。群控系統(tǒng)能夠根據(jù)具體工況，進行設備的啟停控制、冷水機組臺數(shù)控制、冷卻水溫控制、補水箱的自動補水控制、電動閥門的控制，自動監(jiān)測冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、定壓補水裝置、水處理設備的故障過載報警。

3.1.2 聯(lián)鎖保護功能

1)開機順序:冷卻塔風機→冷卻水閥→冷卻泵→冷凍水閥→冷凍泵→制冷機組。關機順序:制冷機組→延時3 min關冷凍泵→冷凍水閥→冷卻泵→冷卻水閥→冷卻塔風機。相關設備的開/關需經(jīng)確認后，才能開/關下一設備，如遇故障則自動停泵。

2)保護控制:冷凍泵、冷卻泵啟動后，水流開關檢測水流狀態(tài)，如遇故障則群控系統(tǒng)自動停泵。相關設備的開/關狀態(tài)需經(jīng)群控系統(tǒng)確認后才能開/關下一設備，如遇故障則自動停止，系統(tǒng)運行返回初始狀態(tài)，并上傳故障信號至環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)(buildingautomation system，BAS)。

3.2 群控系統(tǒng)作用

3.2.1 提高運行效率

1)根據(jù)系統(tǒng)負荷的大小，準確控制制冷機組的運行數(shù)量和每臺制冷機組的運行工況，從而達到節(jié)能并降低運行費用的目的。群控系統(tǒng)具有機組運行時間安排、負荷分段卸載等功能，為地鐵運營提供最高效的能耗管理策略。

2)操作者可以在短時間內(nèi)對系統(tǒng)故障報警做出反應，保持空調(diào)系統(tǒng)的舒適性，提高能源效率。

3)群控系統(tǒng)能夠提供設備運行時間和能耗量等數(shù)據(jù)，為地鐵實際運營做能耗分析，為決策提供有效的依據(jù)。

3.2.2 降低勞動強度

1)集中監(jiān)控大大減輕了人工手動操作的勞動強度，縮短了排除故障的過程，避免了由于人工手動操作疏忽而造成的設備損壞。

2)通過機組輪換、故障保護、負荷調(diào)節(jié)等控制程序，確保冷水機組的安全，有利于延長機組的使用壽命，降低設備的維護成本。

3.2.3 強化診斷能力

1)為操作者提供了辨別設備非正常運行狀態(tài)和對其他設備產(chǎn)生影響的功能。

2)所有的維護請求需要進行現(xiàn)場或遠程操作的確認，不會自動清除。

3.2.4 完成協(xié)同工作

通過控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)互交換功能，使用專用的通信模塊，可以實現(xiàn)與BAS系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)通信，將群控系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)上傳到車站管理系統(tǒng)。

4 群控系統(tǒng)控制原理

4.1 冷水機組控制

冷水機組控制采用微電腦PLC(programmable logic controller可編程控制器)控制系統(tǒng)，機組的所有元器件都裝在一個控制箱內(nèi)。

冷水機組具有啟停控制、冷凍水出水溫度控制、防反復啟動控制、壓縮機和節(jié)流裝置的調(diào)節(jié)等控制功能，具有吸氣壓力過低保護、排氣壓力過高保護、油溫過高保護、油壓差過低保護、電流過大保護、冷凍水及冷卻水水量過小保護、冷凍水溫度過低保護、低電壓保護、缺相保護、短路保護、壓縮機故障停機保護、冷水機組啟動延時保護、急停保護等功能，具有故障狀態(tài)信息記錄顯示功能。冷水機組接受群控系統(tǒng)的指令。

4.2 群控系統(tǒng)控制

4.2.1 啟停控制

冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、電動蝶閥與冷水機組聯(lián)鎖，1臺冷水機組對應1臺冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵。群控系統(tǒng)接到BAS發(fā)出的動作指令后，由群控系統(tǒng)計時器決定開啟運行時間相對較短的無故障冷水機組，冷水機組給對應的冷卻水泵、冷凍水泵及電動蝶閥等發(fā)出動作指令，實現(xiàn)相應設備的啟停。

冷水機組接到開機命令后，首先進行系統(tǒng)自檢，檢測系統(tǒng)中的冷卻水電動蝶閥、冷凍水電動蝶閥是否打開，冷卻水泵、冷凍水泵是否正常運轉(zhuǎn)，水流開關檢測是否有系統(tǒng)運行需要的最低水量，冷卻水溫度是否滿足開機要求。當檢測完畢達到開機條件時，冷水機組啟動。群控系統(tǒng)發(fā)出的開啟指令為非強制性指令，當任一設備或部件不能正常工作時，冷水機組均不能開啟，以保護設備、不影響其使用壽命。在運行過程中，當任一設備或部件發(fā)生問題時，冷水機組均停止工作，重新開啟能正常運行的設備。

在系統(tǒng)運行過程中，當外界負荷變化時，群控系統(tǒng)自動調(diào)整設備的運行臺數(shù)，實現(xiàn)相應設備的啟停控制。

4.2.2 加載和卸載

1)加載過程:當系統(tǒng)啟動時，不論群控系統(tǒng)中存在幾臺冷水機組，冷水機組均為順序啟動，即逐臺開啟。1#冷水機組從最低負荷開始加載，當?shù)竭_某一負荷率、檢測到的水溫在設定的范圍內(nèi)時，則冷水機組處于此時的負荷水平工作;若該冷水機組已達到滿載狀態(tài)，但檢測到的水溫仍高于設定值時，2#冷水機組啟動，為保證系統(tǒng)的高效性(螺桿冷水機組部分負荷效率遠高于滿負荷效率)，1#冷水機組卸載，2#冷水機組加載，當兩臺冷水機組達到均衡值時，同時加載;若兩臺機組均滿負荷，且水溫仍高時，依次開啟3#冷水機組。

2)卸載過程:系統(tǒng)運行過程中，當檢測到的溫度低于設定溫度時，冷水機組自動卸載，當單臺機組負荷率低于45%時，由計時器記錄的運行時間最長的冷水機組先停止運行，未停止運行的冷水機組加載，以使水溫在設定范圍內(nèi)。當外界負荷較小、水溫較低，負荷低于單臺冷水機組的最低運行負荷時，冷水機組停止運行;當水溫升高，滿足開機條件時，由群控系統(tǒng)自動識別，開啟運行時間最短的冷水機組。

群控系統(tǒng)能根據(jù)外界負荷的變化，自動計算系統(tǒng)實際所需的目標負荷，自行調(diào)整冷水機組的運行狀況和臺數(shù)，實現(xiàn)最大程度的節(jié)能。

4.2.3 冷卻水溫控制

冷卻塔選用變頻控制橫流冷卻塔，通過檢測冷卻塔回水管上的冷卻水溫度，自動調(diào)整風機變頻器的運行頻率。冷卻塔風機是否運行由冷卻塔總出水溫度決定，通過冷卻塔風機的啟停來維持冷卻水出水溫度的設計值(假設為32℃);系統(tǒng)實時監(jiān)測冷卻水回水溫度，計算實際值與設計值的差Δt(實際值－設計值);控制系統(tǒng)將保證在冷卻塔工作時維持風機持續(xù)運行;在夏季負荷高峰時期，如果冷水機組的冷卻水出水溫度持續(xù)高于設計值且冷卻塔風機已開啟，冷凍水的總出水溫度將被重新設定，以維持能使機組正常運行的冷卻水和冷凍水溫差。

4.2.4 定壓補水裝置控制

定壓補水裝置為自帶控制系統(tǒng)的成套設備，它根據(jù)水系統(tǒng)管路的壓力自動啟停補水泵，以保持系統(tǒng)壓力恒定，群控系統(tǒng)只給出自動運行的允許信號，并監(jiān)視其運行和故障狀態(tài)。

4.2.5 補水箱補水控制

在補水箱中設置液位計，在補水泵運行過程中，液位計檢測補水箱中的水位，根據(jù)水位自動控制進水電磁閥的開啟和閉合，使補水箱中的水位維持在允許范圍內(nèi)。

4.2.6 壓差旁通閥門控制

維持系統(tǒng)的供回水壓差穩(wěn)定對整個空調(diào)系統(tǒng)的性能有著重要意義，當供水壓力穩(wěn)定時，末端調(diào)節(jié)供冷量的穩(wěn)定性也大大提高。在冷凍水系統(tǒng)的分集水器之間設置電動調(diào)節(jié)閥，設置壓力傳感器來檢測供回水壓差，自動調(diào)節(jié)電動閥閥門的開度來維持供回水壓差的穩(wěn)定。分集水器間的電動壓差旁通閥為獨立執(zhí)行部件，群控系統(tǒng)只顯示其閥位反饋狀態(tài)和手/自動運行狀態(tài)，不對其動作指令進行控制。

4.2.7 水處理設備控制

水處理設備自帶控制箱，實現(xiàn)設備的啟停動作。在系統(tǒng)運行過程中，水處理設備亦處于工作狀態(tài)，群控系統(tǒng)僅監(jiān)視其相應狀態(tài)，不對其進行控制。

5 冷水機組群控系統(tǒng)接口

冷水機組群控箱與冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、電動蝶閥、定壓補水裝置、水處理器等有接口，圖2為冷水機組群控系統(tǒng)接口。

圖2 冷水機組群控系統(tǒng)接口

所有的開關量信號為無源干結(jié)點信號，模擬量信號為0～10 V/4～20 mA的標準信號，信號電纜采用低煙、無鹵、阻燃的控制電纜。冷水機組和群控箱的通信接口為RJ45以太網(wǎng)接口，通信電纜采用5類雙絞線。

冷水機組群控系統(tǒng)與BAS之間的接口在群控箱內(nèi)，是標準的 RS485通信接口，通信協(xié)議為 Modbus-RTU。冷水機組群控系統(tǒng)接收BAS發(fā)來的啟停控制信號，完成冷水機組的啟停，上傳冷水機組的狀態(tài)及故障報警信息。

6 結(jié)語

由于地鐵工程建設的特殊性，目前車站內(nèi)的集中空調(diào)設備為一次性投資到位，其容量對應的負荷值均為遠期晚高峰時段的空調(diào)負荷值。但在近期的運營階段，負荷相對較小。空調(diào)系統(tǒng)大部分時間都在低于設計負荷的工況下運行，且負荷隨客流量不斷變化。近幾年開通的北京地鐵新線，采用了冷水機組群控系統(tǒng)，做到了空調(diào)系統(tǒng)的智能自動化監(jiān)控，將車站溫度控制在合理區(qū)域內(nèi)，避免了傳統(tǒng)控制方式下按時間表開啟冷水機組、風機、水泵等設備，避免了車站溫度過低而造成的能源浪費，實現(xiàn)了節(jié)能運行。

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