高鐵樞紐車站中央空調(diào)系統(tǒng)安全與節(jié)能途徑的實(shí)踐

王 平 上海鐵路局信息技術(shù)所

高鐵樞紐車站中央空調(diào)系統(tǒng)安全與節(jié)能途徑的實(shí)踐

王 平 上海鐵路局信息技術(shù)所

高鐵車站的中央空調(diào)系統(tǒng)故障頻率較高，尤其是采用地源熱泵的中央空調(diào)系統(tǒng)，故障更為突出，影響了中央空調(diào)系統(tǒng)安全性、可靠性，而且能源浪費(fèi)嚴(yán)重，智能化控制水準(zhǔn)低。針對高鐵車站能耗比重較大的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究。在實(shí)現(xiàn)安全可靠運(yùn)行、智慧能耗管理方面，通過實(shí)施投資小、見效快的簡易技改項(xiàng)目，從而找到解決問題的有效途徑。

高鐵樞紐車站；中央空調(diào)；安全運(yùn)行；智慧節(jié)能

1 基本概況

在智能建筑樓宇建筑物的設(shè)計(jì)和運(yùn)營中，中央空調(diào)系統(tǒng)的初次投資和運(yùn)營成本占比較高，其耗電量約占整棟樓宇總耗電量的50%左右。如何利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)最優(yōu)化安全運(yùn)行和節(jié)能減排，是空調(diào)行業(yè)和業(yè)主共同關(guān)注的話題。本文以南京南站中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔技改項(xiàng)目為例，從一個側(cè)面反映高鐵樞紐站中央空調(diào)系統(tǒng)在安全運(yùn)行、智慧節(jié)能實(shí)踐的潛能和意義。

京滬高鐵南京南站總投資50.3億元,總建筑面積38.7萬m2,其中主站房面積為28.1萬m2，南北長417 m，東西寬156 m，建筑高度59.96 m。中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)東、西兩個機(jī)房，分別有兩個10 kV變電所供電。兩個動力機(jī)房裝機(jī)電功率7023 kW，205臺空氣處理機(jī)3060 kW,20臺新風(fēng)機(jī)220 kW,空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)總?cè)萘砍^10 000 kW，占南京南站總供電量的40%以上，是該站最主要的用電及耗能設(shè)備。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)存在的問題

南京南站開通5年來，中央空調(diào)的主要冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔體的溫、濕度狀態(tài)均處在非良性運(yùn)行狀態(tài)，中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，機(jī)器故障、空調(diào)系統(tǒng)癱瘓現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。例如位于東西兩側(cè)線路中間（“孤島”）上的冷卻塔風(fēng)機(jī)，三相電機(jī)是否在缺相運(yùn)行？風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是否正確？電機(jī)帶動風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的三根皮帶是否藕合正常？等等。這些運(yùn)行狀態(tài)都不能確切掌握。

開放式冷卻塔，受氣象環(huán)境影響，存在著蒸發(fā)和飄溢現(xiàn)象，運(yùn)行過程中必須適時(shí)補(bǔ)充自然水，補(bǔ)充多少流量、多長時(shí)間，才能既不溢出水槽，又不致水位不足而影響冷卻效果？傳統(tǒng)方法是靠冷卻塔內(nèi)安裝的浮球傳感器、外加人工干預(yù)來進(jìn)行補(bǔ)水作業(yè)，夏季市政供水管網(wǎng)欠壓及水壓力不穩(wěn)定時(shí)，失控的頻次較多。

東、西區(qū)冷卻塔系統(tǒng)未安裝室外溫、濕度傳感器，缺乏塔體現(xiàn)場濕球溫度的參量來源，中央空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)對塔風(fēng)機(jī)的啟用臺數(shù)、啟動時(shí)間、冷卻水流量均處于不控制狀態(tài)，操作工人以經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣作業(yè)為主。

冷卻塔系統(tǒng)是中央空調(diào)大系統(tǒng)的主要組成環(huán)節(jié)（見圖1），它由風(fēng)和水兩部分冷卻系統(tǒng)組成。冷卻塔系統(tǒng)運(yùn)行性能的優(yōu)劣，輕則使空調(diào)大系統(tǒng)的效能（COP 值)降低，能耗增大，熱傳導(dǎo)不良嚴(yán)重時(shí)將直接造成中央空調(diào)大系統(tǒng)主機(jī)的癱瘓。南京南站東、西機(jī)房空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)安裝于多條高鐵線路之間的“孤島”上，列車運(yùn)行時(shí)無法上塔進(jìn)行巡檢、維護(hù)和故障處理，只能在凌晨申請“天窗點(diǎn)”，開展上述及緊急維修工作，中央空調(diào)系統(tǒng)處在被動狀態(tài)下運(yùn)行，其安全運(yùn)行性和可靠性根本得不到保障。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)工作原理

3 精確控制的一體化改進(jìn)方案

本方案的總體思路是充分利用現(xiàn)代通信、互聯(lián)網(wǎng)+、計(jì)算機(jī)和機(jī)電一體化采集與控制技術(shù)，最小化的硬件投入與最優(yōu)化軟件相組合，實(shí)現(xiàn)對中央空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)的全過程、自動化和遠(yuǎn)距離監(jiān)控，將遠(yuǎn)在500 m外高鐵軌道“孤島”上的冷卻塔設(shè)備的運(yùn)行情況，集成到空調(diào)機(jī)房值班室的顯示器屏幕上，實(shí)施監(jiān)視、控制和有效管理。

（1）充分利用并完善南京南站原有中央空調(diào)能源管理控制系統(tǒng)，為滿足本次技改項(xiàng)目的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)改造后的功能需求，首先將原來的BSK2008系統(tǒng)升級到BSK900系統(tǒng)，將原來安裝在機(jī)柜的控制界面遷移到空調(diào)機(jī)房外值班室，并按設(shè)備功能的需要，優(yōu)化成了七頁顯示的控制臺界面。

（2）對每臺塔風(fēng)機(jī)安裝電力監(jiān)測儀，將塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行電流采集到控制系統(tǒng)中，輸出信息送控制臺屏幕，實(shí)時(shí)監(jiān)視各風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（檢測電機(jī)的運(yùn)行工作電流值）。

（3）冷卻塔內(nèi)安裝液位傳感器，將冷卻塔內(nèi)的液位值采集到系統(tǒng)中，相關(guān)輸出信息送控制臺顯示，根據(jù)冷卻塔內(nèi)液位高度，對是否需要補(bǔ)水作出判斷，并對冷卻塔的補(bǔ)水閥門實(shí)施實(shí)時(shí)控制。

（4）東、西冷卻塔安裝室外溫、濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度情況，根據(jù)室外的干濕球溫、濕度對冷卻塔風(fēng)水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的優(yōu)化控制。其控制拓?fù)湟妶D2所示。

圖2 冷卻塔電氣控制拓?fù)鋱D

（5）冷卻塔進(jìn)水管道上增加補(bǔ)水控制閥，根據(jù)冷卻塔內(nèi)的液位狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)水控制，使冷卻塔冷卻水槽中的水位長期穩(wěn)定在上下限設(shè)定的可控范圍內(nèi)。

（6）對冷卻塔進(jìn)出水閥門進(jìn)行風(fēng)機(jī)聯(lián)動調(diào)試，開啟風(fēng)機(jī)的同時(shí)開啟對應(yīng)的閥門，未運(yùn)行的風(fēng)機(jī)則保證其閥門關(guān)閉。實(shí)施該作業(yè)流程，是保證冷卻水流動的路徑最短，冷卻水散熱效果最佳。

4 改進(jìn)后的效果與分析

經(jīng)一個季度的項(xiàng)目實(shí)施和現(xiàn)場調(diào)試，順利完成了該項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了方案預(yù)期目標(biāo)。完善了冷卻塔風(fēng)機(jī)的智能化控制，實(shí)現(xiàn)了冷卻塔風(fēng)機(jī)、水系統(tǒng)實(shí)時(shí)可控，解決了冷卻塔因地理位置的特殊性而導(dǎo)致的維護(hù)、維修障礙，中央空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行得到了進(jìn)一步的保障，原系統(tǒng)潛在的風(fēng)險(xiǎn)得到了有效控制，具體收效如下：

（1）中央空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控，改變了冷卻塔原來盲目的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性得到了保障。在機(jī)房值班室就能清晰、直觀地了解到冷卻塔風(fēng)、水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。零時(shí)間內(nèi)可發(fā)現(xiàn)風(fēng)、水系統(tǒng)的故障，能夠及時(shí)處理故障，防止故障漫延。

（2）值班室顯示屏界面清晰、直觀，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作方便，提高了設(shè)備智能化程度，節(jié)省了人工成本，改善了員工的工作條件。

（3）通過互聯(lián)網(wǎng)+，利用云平臺的大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視，按需生成相關(guān)曲線與報(bào)表，方便系統(tǒng)診斷、分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，能夠制訂預(yù)防性措施。

圖3 升級后主機(jī)界面BKS900

（4）中央空調(diào)系統(tǒng)采用BSK900能耗管理控制手段，利用模糊控制技術(shù)建立自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制算法模型，實(shí)現(xiàn)空調(diào)冷卻水溫度的自動尋優(yōu)，并據(jù)此調(diào)節(jié)冷卻水流量和冷卻塔風(fēng)量，使空調(diào)系統(tǒng)在任何負(fù)荷條件下都高效運(yùn)行，能耗最低，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最佳。圖3是改造后的BSK900主界面圖、圖4是升級后冷卻塔風(fēng)機(jī)組界面圖。

（5）升級后的冷卻塔風(fēng)機(jī)界面圖可以自動顯示塔電機(jī)每相電流值，通過電流值的觀察，清晰地知曉每臺電機(jī)有否缺相、短路、風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向正確性等風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。能隨時(shí)統(tǒng)計(jì)每臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)長和能耗，實(shí)時(shí)反饋運(yùn)行中的塔風(fēng)機(jī)周邊溫、濕度值、冷卻塔水槽的水位、自動補(bǔ)水閥的開啟與關(guān)閉狀態(tài)。冷卻塔風(fēng)機(jī)的啟停可根據(jù)冷卻水系統(tǒng)最佳效率的判斷情況進(jìn)行對應(yīng)冷卻塔啟動和停止，保證冷卻系統(tǒng)良好散熱的同時(shí)降低冷卻塔的能耗。

在上述冷卻水策略穩(wěn)定、可靠的前提下，對于南京南站兩臺并聯(lián)運(yùn)行的空調(diào)主機(jī)，可適時(shí)運(yùn)用主機(jī)的啟、停機(jī)策略、主機(jī)的優(yōu)選策略。根據(jù)負(fù)荷自動啟停機(jī)的功能，參照不同負(fù)荷下的主機(jī)歷史的COP存儲值，自動尋找出當(dāng)前負(fù)荷下的最佳主機(jī)運(yùn)行組合，實(shí)現(xiàn)最佳效率控制策略，達(dá)到最優(yōu)的能耗控制與管理。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析圖

（6）本項(xiàng)目改造投入運(yùn)行一個夏季來，通過對圖5系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析后，一個空調(diào)季節(jié)省電費(fèi)超過200萬元，折算成標(biāo)煤860 t，減少碳排放585 t。

5 結(jié)束語

高鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜、環(huán)節(jié)繁多、隱蔽工程量大，對系統(tǒng)維護(hù)帶來很多困難，在節(jié)能環(huán)保等方面有大量細(xì)節(jié)值得探討與研究。本文從空調(diào)冷卻塔系統(tǒng)改進(jìn)進(jìn)行了探索，取得了一定的成效，在高鐵大型車站的同類設(shè)備的維護(hù)與節(jié)能方面，可以深入細(xì)致地開展類似的實(shí)踐。

[1]陸振偉，建筑中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)要點(diǎn)探究，科技創(chuàng)新與應(yīng)用[J]，2015年第21期.

[2]趙磊;朱海濤，中央空調(diào)智能控制系統(tǒng)在公用建筑節(jié)能中的應(yīng)用,環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)[J], 2011年第05期.

責(zé)任編輯：萬寶安 余鐵

來稿日期：2015-12-01