變頻技術(shù)在廣州地鐵集中冷凍站的應(yīng)用

摘 要：本文介紹了變頻技術(shù)在廣州地鐵集中冷凍站的應(yīng)用，提出了采用變頻技術(shù)的必要性和經(jīng)濟(jì)性。
前言
廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)首期工程線(xiàn)路全長(zhǎng)23.265km，共有16個(gè)地下車(chē)站，1個(gè)地面車(chē)站和3個(gè)高架車(chē)站。除三元里站設(shè)置單獨(dú)的冷水機(jī)組外，其余15個(gè)地下車(chē)站分別由4個(gè)集中冷凍站提供大系統(tǒng)空調(diào)冷水。其中北部冷凍站位于廣州火車(chē)站與越秀公園站之間獨(dú)立冷凍站機(jī)房?jī)?nèi)，供應(yīng)紀(jì)念堂站、越秀公園站和廣州火車(chē)站的冷凍水；海珠廣場(chǎng)冷凍站位于海珠廣場(chǎng)站內(nèi)，供應(yīng)江南西站、市二宮站、海珠廣場(chǎng)站和公園前站的冷凍水；鷺江冷凍站緊鄰地鐵鷺江站，供應(yīng)赤崗站、客村站、鷺江站、中大站和曉港站的冷凍水；赤沙冷凍站位于赤沙車(chē)輛段附近，供應(yīng)琶洲站、新港東站和磨碟沙站的冷凍水。除海珠廣場(chǎng)冷凍站采用引珠江水直流冷卻冷凝器方式外，其余各集中冷凍站均采用冷卻塔方式循環(huán)冷卻。
集中冷凍站采用變頻技術(shù)的必要性
地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的用電量占了相當(dāng)大的比重。根據(jù)目前廣州1號(hào)線(xiàn)的運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的用電量約占整個(gè)地鐵運(yùn)營(yíng)耗電量的40%左右，因此如何在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中采用節(jié)能裝置，對(duì)地鐵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行將具有十分重要的意義。由于一年四季天氣的變化，及一天內(nèi)氣溫和客流量的變化，在地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速技術(shù)將是節(jié)能的最有效措施之一。
廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)采用集中供冷系統(tǒng)有如下幾方面特點(diǎn)：
制冷冷凍站集中，冷凍站數(shù)量減少，減少了冷凍站對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，特別是減少了與規(guī)劃部門(mén)的協(xié)調(diào)工作。
制冷設(shè)備集中于冷凍站內(nèi)，通過(guò)不同的設(shè)備組合及自動(dòng)控制，提高運(yùn)行效率，便于維護(hù)管理。
制冷機(jī)房的容量加大。由于幾個(gè)車(chē)站由一個(gè)冷凍站制備冷凍水，冷凍站的冷凍負(fù)荷容量為800冷噸（USRT）~1700冷噸（USRT）。
冷凍水管路輸送的距離增加，輸送的時(shí)間長(zhǎng)。如鷺江冷凍站距西邊最遠(yuǎn)端的曉港站距離為2800m。
為了減低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，彌補(bǔ)集中供冷在輸送過(guò)程中的能量損失，2號(hào)線(xiàn)集中供冷采用了兩個(gè)有效措施：冷凍水大溫差和二級(jí)冷凍水泵變頻。
變頻調(diào)速技術(shù)在國(guó)內(nèi)工業(yè)和民用自動(dòng)控制系統(tǒng)中已推廣應(yīng)用了10多年。特別是在系統(tǒng)負(fù)荷經(jīng)常變化和電機(jī)頻繁啟動(dòng)的情況下，采用變頻調(diào)速不僅能大量節(jié)省能源，對(duì)設(shè)備運(yùn)行工況也有極大的改善。減少機(jī)械設(shè)備的磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命，減少維護(hù)費(fèi)用和縮短維護(hù)時(shí)間，減少環(huán)境噪音，改善設(shè)備啟動(dòng)性能，減少啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。另外，地鐵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是按遠(yuǎn)期負(fù)荷考慮，并有一定的設(shè)計(jì)裕量。變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將靈活地保證各階段設(shè)計(jì)工況，減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。因此，在集中冷凍站采用變頻技術(shù)是十分必要的。
集中冷凍站的組成部分
集中冷凍站系統(tǒng)由冷凍水和冷卻水系統(tǒng)組成。冷凍水系統(tǒng)包括冷凍站站內(nèi)部分（由冷水機(jī)組、冷凍水一次泵、二次泵、定壓裝置以及管路等組成）和冷凍站站外部分（由鋪設(shè)在區(qū)間隧道內(nèi)的冷凍水管和各車(chē)站末端組合式空調(diào)器組成）。冷卻水系統(tǒng)由冷卻塔、冷卻水泵、補(bǔ)水泵、水箱等組成。
變頻技術(shù)在集中冷凍站的應(yīng)用
集中冷凍站的冷凍水系統(tǒng)采用二次泵變頻。通過(guò)布置在各冷凍水二次回路的壓差傳感器檢測(cè)供回水管上的壓差，由變頻控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)冷凍二次泵的轉(zhuǎn)速，保證管網(wǎng)末端的壓力和水泵電動(dòng)機(jī)組動(dòng)態(tài)地工作于高效區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)變流量節(jié)能控制。下面以赤沙冷凍站為例說(shuō)明變頻技術(shù)在集中冷凍站的應(yīng)用。赤沙冷凍站設(shè)有3臺(tái)冷水機(jī)組，每臺(tái)203kW；冷凍一次泵3臺(tái)，每臺(tái)7.5kW；冷凍二次泵4臺(tái)，其中2臺(tái)每臺(tái)37kW，一用一備，另2臺(tái)每臺(tái)90kW，一用一備；冷卻泵4臺(tái)，每臺(tái)45kW，三用一備；冷卻塔風(fēng)機(jī)3臺(tái)，每臺(tái)8kW。赤沙冷凍站工藝流程示意圖詳見(jiàn)圖1。
圖1 赤沙冷凍站工藝流程示意圖
在一次/二次冷凍水泵系統(tǒng)中，二次泵作用是將主供水回路的冷凍水分配給負(fù)載。一次/二次水泵系統(tǒng)既需保持一次回路（用于蒸發(fā)器運(yùn)行）中的流量不變，同時(shí)滿(mǎn)足二次回路的流量變化要求。由于二次回路中流量是變化的，可以在二次回路保持最小且有效的供水壓力來(lái)降低系統(tǒng)噪音，減少能量消耗。
在傳統(tǒng)的一次/二次冷凍水泵的設(shè)計(jì)中，一次泵的規(guī)格確定只需考慮一次回路供回水回路的流量需求和壓降。而更大的二次泵規(guī)格確定則應(yīng)確保冷凍水能在整個(gè)二次回路中循環(huán)流通。由于二次泵與一次泵回路通過(guò)一根彎通管連通，因此二次泵不受到最小流量的限制。可以采用二通閥加變頻控制來(lái)控制流量。水泵系統(tǒng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。
圖2 水泵系統(tǒng)曲線(xiàn)
系統(tǒng)曲線(xiàn)表示二次泵的特性曲線(xiàn)與管網(wǎng)特性曲線(xiàn)的關(guān)系。二次泵必須產(chǎn)生足夠的揚(yáng)程以克服冷凍站至組合式空調(diào)器的二次環(huán)路的系統(tǒng)阻力。系統(tǒng)阻力（系統(tǒng)管網(wǎng)損耗）是由水路中管道、連接件、閥門(mén)以及組合式空調(diào)器造成的。系統(tǒng)曲線(xiàn)S1或S2是管網(wǎng)的特性曲線(xiàn)，由管網(wǎng)的物理特性所決定的。當(dāng)管網(wǎng)中閥門(mén)的開(kāi)度變化時(shí)，會(huì)引起S1或S2形狀的變化。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往是在設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)流量點(diǎn)運(yùn)行，也就是水泵的特性曲線(xiàn)和管網(wǎng)特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在部分負(fù)荷下時(shí)，末端組合式空調(diào)器不需要滿(mǎn)負(fù)荷的水量，電動(dòng)二通閥關(guān)小，閥門(mén)的關(guān)小引起管網(wǎng)特性曲線(xiàn)的變化，系統(tǒng)曲線(xiàn)由S2向S1變化，二次泵的輸出流量減少，但提供的揚(yáng)程卻變大了。恒速泵必須隨水泵曲線(xiàn)從設(shè)計(jì)壓力移至壓力P1處，這就是說(shuō)，當(dāng)流量減少時(shí)，盡管系統(tǒng)要求較小的供水壓力，但水泵還是增加了供水壓力，壓力P1和P2的差異是閥門(mén)必須吸收的壓力差。此種運(yùn)行工況是非常有害的：1）閥門(mén)和管網(wǎng)的承壓增大，部分閥門(mén)的密封性能受到考驗(yàn)。當(dāng)壓力大于閥門(mén)設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力時(shí)，就會(huì)迫使閥門(mén)打開(kāi)，造成水流短路，與水泵相近處的空調(diào)區(qū)域特別冷而遠(yuǎn)離水泵處冷氣不足的情況發(fā)生，并引起冷水機(jī)組蒸發(fā)器處于低的△T狀態(tài)。2）水泵的工作點(diǎn)偏離高效區(qū)，水泵的軸功率增大。這樣會(huì)使能源浪費(fèi)，系統(tǒng)性能不良，以及維護(hù)成本大幅上升。
在二次泵系統(tǒng)中增加變頻調(diào)速器，變頻器使二次泵系統(tǒng)從恒速狀態(tài)向變速變量狀態(tài)改變，從而節(jié)省大量的能源以及增強(qiáng)了控制能力。采用了變頻器可使水泵的速度按照系統(tǒng)要求（系統(tǒng)曲線(xiàn)）變化。水泵隨著系統(tǒng)曲線(xiàn)運(yùn)行會(huì)帶來(lái)最佳的節(jié)能效果，同時(shí)避免了隨水泵曲線(xiàn)的運(yùn)行而使控制閥壓力過(guò)大的現(xiàn)象。
隨著受控制的末端空調(diào)器供水量得到滿(mǎn)足，二通閥處于關(guān)小狀態(tài)。這時(shí)末端空調(diào)器和閥門(mén)會(huì)增加壓力差。當(dāng)這種壓力差開(kāi)始增加時(shí)，變頻器開(kāi)始放慢水泵的轉(zhuǎn)速以維持壓力差設(shè)定值。該設(shè)定值的計(jì)算是在設(shè)計(jì)流量狀態(tài)下將末端空調(diào)器、部分水管管道和二通閥的壓力差疊加在一起的數(shù)值。水泵減速的過(guò)程就是節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的過(guò)程。
水泵速度降低時(shí)，水泵和電機(jī)軸承的壽命就會(huì)增加。雖然在各自末端空調(diào)器能保持同樣的壓差，但整個(gè)系統(tǒng)的壓差和控制閥門(mén)壓差都會(huì)降低，使冷凍水通過(guò)閥的流速明顯低于水泵在恒速、全速時(shí)的速度。這可以延長(zhǎng)閥門(mén)的壽命，減少維護(hù)量以及降低系統(tǒng)內(nèi)的噪音，并可以節(jié)能。
采用變頻技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性
根據(jù)赤沙冷凍站最熱月日負(fù)荷曲線(xiàn)（見(jiàn)圖3），可以看出每天負(fù)荷曲線(xiàn)變化較大，負(fù)荷高峰處于12：00~20：00之間。從月負(fù)荷變化比例（見(jiàn)圖4）來(lái)看，月負(fù)荷變化比例的高峰處于5月至9月之間。冷凍二次泵不采用變頻技術(shù)時(shí)，每年的耗電量為50.27萬(wàn)kW·h（空調(diào)季按9個(gè)月計(jì)算，每天運(yùn)行19h）；冷凍二次泵采用變頻技術(shù)時(shí)，每年的耗電量為24.57萬(wàn)kW·h（空調(diào)季按9個(gè)月計(jì)算，每天運(yùn)行19h，空調(diào)負(fù)荷比率按表1計(jì)算）。冷凍二次泵采用變頻技術(shù)比不采用變頻技術(shù)節(jié)省耗電量25.70萬(wàn)kW·h/年，按每度電0.7元計(jì)算，則每年可節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用17.99萬(wàn)元，能較快地收回投資。
結(jié)論
綜上所述，在集中供冷凍站的冷凍二次泵系統(tǒng)采用變頻技術(shù)，既可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，滿(mǎn)足輸送冷凍水過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)電機(jī)速度控制的要求，大幅度節(jié)省能源，降低成本，又可降低或減少相關(guān)設(shè)備的開(kāi)停次數(shù)，延長(zhǎng)使用壽命，解決由于工程實(shí)際運(yùn)行規(guī)模與設(shè)計(jì)規(guī)模偏差帶來(lái)的弊端，協(xié)調(diào)各工藝流程間匹配關(guān)系，降低土建和工藝設(shè)備的投資。
參考文獻(xiàn)
變頻調(diào)速技術(shù)在凈水廠(chǎng)應(yīng)用.變頻器世界1999(12)
廣州地鐵集中供冷初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)