变频技术在深圳地铁一期工程环控通风系统中的应用

/变频技术在深圳地铁一期工程环控通风系统中的应用地下铁道环境的特点由于地下车站和区间隧道是一个大型狭长和外界联系面较小的地下空间，密集的乘客，高速的列车和各种机电设备的运行，以及连续的照明都会产生很大的热量，不刚好解除就会导致地铁内温度逐年上升；此外地铁内各种设备及列车运行引起的噪声、有害气体、列车活塞效应对车站空气环境的扰动，以及隧道内因潮湿所造成的霉烂气味等都会使地下环境不断恶化；同时当人流密集、空间狭小、密闭性高的地铁内发生事故、火灾时，人员的平安疏散和烟气的解除也是特殊重要的问题。鉴于以上各种因素，因此必需要设置环控系统对车站和区间隧道内的温度、湿度、气流速度、噪声以及事故、火灾状况下人员平安疏散措施等进行全面限制。有效、牢靠的环控系统对保证地铁交通的乘客平安、舒适和确保设备运行及寿命是特殊必要的。地铁环控系统的功能地铁环境限制的目的：地铁环境限制的目的是利用通风和空调等手段，把车站和区间隧道的热环境限制在确定范围内，以创建一个适宜的人工环境，满意乘客和工作人员生理和心理上对所处环境中空气的温度、湿度、质量、流速、噪声等诸多因素的综合要求，同时保证地铁列车和其它机电设备正常地工作。地铁环控系统的功能：正常运行状况下，通过空调或通风等手段解除余热、余湿，为地铁乘客创建一来回于地面至车站至地铁列车内的过渡性舒适环境，最大限度地吸引客流。为满意地铁车站内各种设备及管理用房的工艺和功能要求供应适宜的温度和湿度条件，保证地铁内的工作人员和运行设备有一个良好的工作环境，以确保地铁列车正常平安运营。当地铁列车堵塞在区间隧道时，向堵塞区间内供应足够的送、排风量，以保证列车空调冷凝器能接着运行。当地铁内发生火灾时，向疏散的旅客供应迎面新风，诱导乘客平安撤离，同时还具备排烟功能，防止乘客和工作人员被窒息。环控系统的组成深圳地铁一期工程环控系统接受屏蔽门系统，因此车站接受空调/机械通风方式，区间隧道接受活塞通风/机械通风方式。整个环控系统由以下部分组成：区间隧道活塞风系统和机械通风系统（TVF系统）站台下/轨道顶排热通风系统（UPE/OTE系统）车站公共区空调、通风兼排烟系统车站设备管理用房空调、通风兼排烟系统车站制冷空调水系统地铁热负荷分析地铁列车和大量客流所产生的热量是影响地铁车站和隧道空间热环境的主要因素。在地铁高速运输系统中，第一热源为地铁列车发热量（其中包括列车启动、走行、加速、制动等发热）；其次热源为地铁列车空调设备冷凝器发热量；第三热源为乘客人体散热量、车站照明灯具、广告牌和售检票机等设备发热量。其中，第一热源和其次热源的发热量要占到总发热量的2/3以上，第三热源约占总发热量的1/3左右。深圳地铁一期工程环控系统经过专题探讨和方案论证、比较和分析，确定接受屏蔽门系统。在车站站台层安装屏蔽门后,列车停站时屏蔽门和车门一一对应打开，列车出站时屏蔽门关闭，区间隧道内地铁列车所产生的各种发热量主要靠列车运行时产生的活塞风和站台下/轨道顶排热通风系统（UPE/OTE系统）来解除；列车在区间隧道内发生堵塞或火灾工况时主要靠区间隧道通风系统（TVF系统）来供应新风或排烟。地铁车站站台层安装屏蔽门后将车站候车区域和区间隧道行车区域完全分隔开来，因而可以阻隔地铁列车的发热量及列车空调冷凝器发热量（即第一和其次热源）进入站台乘客候车区域，车站公共区的热负荷主要为乘客的人体散热量和车站照明灯具、广告牌、售检票机、电梯扶梯等设备发热量。由于在地铁车站内车站照明灯具、广告牌、售检票机、电梯扶梯等设备的数量是固定不变的，而乘客却始终是处于流淌状态（即上下车、进出站），同时乘客数量也是处于变更的（平常时段和高峰时段不同），因此车站公共区空调负荷是依据站内乘客的流淌状况和乘客数量的变更而时刻变更的。深圳市位于北纬22°5′，气候属亚热带季风气候，热量丰富，日照时间长，雨量足够。冬季无寒冷，夏季湿热多雨，其中热季具高温高湿气象条件，每年持续8个月以上。依据深圳市的气候特点，深圳地铁车站公共区的空调通风系统在空调状态下须要运行8个月以上，其余时间为通风状态运行，系统须全年长期运行，设备长时间运转（每天18个小时以上）。深圳地铁一期工程车站冷负荷和空调风量是按远期2028年晚高峰客流量运营条件来计算，车站新风量是按远期2028年早高峰客流量运营条件来计算，并以此计算结果为依据进行车站制冷、空调、通风设备的选型设计，但初近期即2010年以前的客流量仅是远期2028年客流量的1/3～1/2，因此所选设备的容量远远大于初近期的车站负荷。所以如何使车站公共区空调通风系统及设备能够依据负荷的变更进行调整，以便在供应满意乘客候车环境的同时实现节约能源，降低运营成本的目的，是设计中必需细致考虑的问题。变频调速技术变频调速是一种先进且较成熟的技术，它是通过整流器、逆变器和限制电路将频率确定的沟通电变成直流，再将直流逆变为不同频率的沟通，以达到对沟通异步电机进行调速限制。在各种工程中接受变频调速技术可以实现节约能源，延长设备寿命，降低噪音，改善环境质量的目的。变频调速技术已在民用及工业建筑的中心空调系统设计及工程实践中得到了具体应用，产生了较大的影响并取得了显著的成效。变频调速技术之所以能够得到快速发展和广泛应用，主要取决于其在电气传动领域无可比拟的优越性：在传统的、无调速工况的传动领域内实现变频调速，可平均节能40％以上，特殊是在压缩机、水泵、风机的应用上，因为转速和风量成正比关系，和压头成平方关系，和功率成立方关系，因此设备转速的变更干脆影响到功率（运行能耗）的变更；变频调速实现了电动机由零电流、零电压起先的软启动，完全消退了电机启动对电网的冲击污染和对其它用电设备的损坏；变频调速可以实现对各种工况的连续调整，使系统的运行品质得到改善。传统的空调设计是以满意整个系统最大负荷要求为原则和标准进行的，而在绝大部分运行时间中，最大负荷是不会经常出现的，且空调负荷的变更经常在40％以上；如前所述，地铁车站的特点是人员流淌性大，有较明显的负荷变更，一般早晚高峰时段比平常时段高出近一倍。在空调系统中接受变频调速技术就可以依据负荷及工况的变更对设备及系统随时进行调整，以便在供应舒适满意环境条件的同时实现节约能源，降低运营成本的目的，是今后空调系统设计发展的一个主流方向。环控系统主要设备和节能措施分析深圳地铁一期工程环控系统中的主要运转设备为冷水机组、冷却塔、水泵、TVF风机、UPE/OTE风机、组合式空调箱、回排风机、空调新风机等。区间隧道机械通风系统中TVF风机的作用是列车在区间隧道发生火灾工况时排烟和列车停运时夜间通风，经过系统模拟计算TVF风机只有在计算极限风速下运行工作，才能确保火灾工况时烟气的有效解除和保证夜间通风冷却隧道的效果，因此TVF风机的运行状态是不能作调整的。站台下/轨道顶排热通风系统中UPE/OTE风机正常状况每日从地铁运营起先至运营结束期间始终运作，是长期运作风机。其作用是解除列车进站、停站、出站时的产热量，以削减列车发热量对车站及区间的影响，同时还兼容排烟功能。考虑到近远期列车对数不同，列车发热量不同，风机的排风量不同（初近期列车对数6～25对条件下，要求风机风量为30～40m3/s；远期列车对数10～30对条件下，要求风机风量为40～55m3/s），UPE/OTE风机接受双速风机来调整风量，在初近期运用低速档运转，在远期运用高速档运转，既能满意功能要求又可以达到良好的节能效果，同时对风机的限制简洁牢靠简洁实现。制冷空调水系统由螺杆式冷水机组、冷却塔、水泵组成为车站空调供应冷源，螺杆式冷水机组的特点是具有良好的部分负荷特性，冷量调整范围为20～100%，机组本身接受节能循环系统和微处理机自动跟踪负荷变更，依据水温值和设计设定值的差异变更来变更冷量输出，冷水机组无级调整范围完全可以满意地铁车站冷负荷的调整要求无需进行变频。车站公共区空调通风系统由组合式空调箱、回/排风机、空调新风机组成，以往一般都是接受定风量运行，靠调整设备的运行台数来适应车站负荷的变更。经过负荷计算和分析，车站在早高峰和晚高峰小时的冷负荷明显出现峰值，全日逐时冷负荷变更率比较匀整，冷负荷分布幅度宽广。接受定风量调台运行的空调风量和车站冷负荷变更规律存在确定的差异，如接受变频调速系统进行调整，可以使空调风量和车站逐时负荷变更规律相一样，既满意车站公共区热环境的要求又可以达到更好的节能效果，据初步估算车站公共区空调通风系统接受变频调速技术后运行初期阶段每个车站每年可节约电费一百万元左右。深圳地铁一期工程是深圳市唯一的国家重点项目，市委、市政府赐予了高度重视并提出了“起点高、水平高、质量高、成本低”的方针和要求。为此在深圳地铁一期工程设计中接受了多项国内外先进技术，其中我们以深圳地铁一期工程四号线中的福民站、少年宫站为试验站，将变频调速技术应用到地铁环控系统设计中。车站公共区空调通风系统变频调速限制深圳地铁一期工程少年宫站、福民站作为试验站，车站公共区空调通风系统接受了变频调速限制技术。车站公共区空调通风系统由组合式空调箱、回/排风机、空调小新风机组成，对组合式空调箱送风机、回/排风机进行变频调速，空调小新风机为定风量运行。同时为保证车站公共区空调通风系统的运行，当变频器出现故障时，可通过手动或自动将所限制的设备转为工频。接受变频调速技术即利用变频器调整电机的转速，使空调箱送风机的风量随着转速的变更而变更，从而通过送风量的变更实现对车站公共区温度的限制。当空调箱的送风量变更时，它的送风温度也随着变更，因此须要调整流经空调箱的冷水量，送风温度的稳定是通过二通调整阀调整给水量来实现的。在车站公共区空调通风系统中，假如系统的回排风量和送风量不相匹配，则公共区内的空气温度会出现意想不到的波动，公共区内的温度和送风温度限制则变得困难和困难，所以要依据送风量的变更利用变频器来调整回排风机的转速以便限制风系统的回排风量，使两者相匹配。因此本系统的限制及功能的实现主要包含三个限制环节：车站温度限制环节、送风温度限制环节和回排风量限制环节。变频限制系统利用车站设备监控系统测得的数据来判定空调工况，依据不同工况对车站公共区空调通风系统中的相关设备进行状态推断，并将状态值传输给车站设备监控系统，由它进行限制。同时用相关的限制算法对各个调整环节进行计算，得出各个限制环节的输出信号值，并经就地级限制器通过主控器传输给执行机构去调整空调系统中的风量和水量，从而达到稳定车站公共区温度的目的。车站温度限制车站温度随车站内负荷的变更而波动，我们通过调整空调箱的送风量来限制车站温度，温度传感器将测得的车站公共区温度（或回风温度）送到温度调整器，在调整器中和该温度的设计值进行比较，计算出偏差值，调整器再依据偏差大小计算出输出信号值，并将此信号传输给变频调速器，变频器将电机的电源输入频率变更到某一特定值，电机的转速和输入频率成正比，风机的送风量和其转速成正比，所以送风量随着变更，送风量的变更使车站的放热量和空调的吸热趋于平衡，从而使车站公共区温度限制在确定的范围内。其限制原理框图见图1：图1车站公共区温度限制原理框图送风温度限制空调系统的回风和新风相混合后进入空调箱表冷器冷却，空调箱的出口温度就是送风温度。限制送风温度的目的是：一、减小对车站温度的干扰，使车站温度比较简洁限制；二、避开过大送风温差。送风温度的限制是通过调整水量来实现的。布置在送风干管上的温度传感器测得送风温度，并将其送到温度调整器，在调整器中和该温度的设计值进行比较且计算出偏差值，调整器再依据偏差大小计算出输出信号，并将此信号输给执行机构—冷水管路上的二通阀，二通阀依据输入信号变更其阀位，从而调整了流经空调箱的水量，经过表冷器的空气和水的热交换使空调箱的吸热和放热趋于平衡，进而使送风温度得以稳定。其限制原理框图如图2：图2空调箱送风温度限制原理框图回排风量限制回排风量的限制目标是和送风量相等，而送风量不是定值，所以该限制环节是一个随动限制环节。限制器将在送风干管中测得的风量作为设定值，回排风干管上测得的风量作为反馈信号，并将两者进行比较，计算出偏差，调整器再依据偏差大小计算出输出信号值，并将此信号传输给变频器，从而变更风机的转速，限制风系统的回排风量。其限制原理框图如图3：图3空调系统回排风量限制原理框图依据上述限制原理，我院和有关单位共同合作完成了《深圳地铁一期工程车站公共区空调通风系统变频限制初步设计》，通过了由深圳地铁有限公司组织国内专家进行的评审，同时还和环控设备制造厂家协作完成了部分环控设备的变频调速运行试验，目前两个试验站正在进行施工图设计。众所周知，空调系统功能的实现除了系统本身的工艺设计之外，还有赖于系统的限制，而空调系统的自动限制和系统本身的形式及空气调整过程又是密切相关的。接受变频调速技术后的地铁车站公共区空调通风系统的自动限制会更加困难，因为接受变频调速技术后为保证系统牢靠、平安、节能运行，除了要对室内外各种空气状态参数进行实时监控以外，还要对风口及风管道内的各种参数进行采集，调整对象、测控参数相应增加，变频限制系统中要增加对各种变更量的分析、比较、计算和推断处理工作。另外由于被监控和被调整的状态参数的增加，使限制系统中在多种热工参数同时变更状况下数学模型的建立变得困难和困难，同时也增加了限制系统在进行空气处理过程热工模拟分析计算时的不稳定性，从而使整个环控系统的运行限制难度增大。由此可见，车站公共区空调通风系统接受变频技术后系统能否正常牢靠的运行，空调通风系统的自动限制设计是至关重要的,须要相关系统、专业及有关单位部门的协作帮助和支持。虽然目前变频技术