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)濟性。前言
廣州地鐵2號線首期工程線路全長23.265km，共有16個地下車站，1個地面車站和3個高架車站。除三元里站設(shè)置單獨的冷水機組外，其余15個地下車站分別由4個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站與越秀公園站之間獨立冷凍站機房內(nèi)，供應(yīng)紀(jì)念堂站、越秀公園站和廣州火車站的冷凍水；海珠廣場冷凍站位于海珠廣場站內(nèi)，供應(yīng)江南西站、市二宮站、海珠廣場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
地鐵運營過程中，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號線的運營統(tǒng)計，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的用電量約占整個地鐵運營耗電量的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，對地鐵的經(jīng)濟運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號線采用集中供冷系統(tǒng)有如下幾方面特點：
制冷冷凍站集中，冷凍站數(shù)量減少，減少了冷凍站對周圍環(huán)境的影響，特別是減少了與規(guī)劃部門的協(xié)調(diào)工作。
制冷設(shè)備集中于冷凍站內(nèi)，通過不同的設(shè)備組合及自動控制，提高運行效率，便于維護(hù)管理。
制冷機房的容量加大。由于幾個車站由一個冷凍站制備冷凍水，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，輸送的時間長。如鷺江冷凍站距西邊最遠(yuǎn)端的曉港站距離為2800m。
為了減低運營費用，彌補集中供冷在輸送過程中的能量損失，2號線集中供冷采用了兩個有效措施：冷凍水大溫差和二級冷凍水泵變頻。
變頻調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)工業(yè)和民用自動控制系統(tǒng)中已推廣應(yīng)用了10多年。特別是在系統(tǒng)負(fù)荷經(jīng)常變化和電機頻繁啟動的情況下，采用變頻調(diào)速不僅能大量節(jié)省能源，對設(shè)備運行工況也有極大的改善。減少機械設(shè)備的磨損，延長了設(shè)備壽命，減少維護(hù)費用和縮短維護(hù)時間，減少環(huán)境噪音，改善設(shè)備啟動性能，減少啟動電流對電網(wǎng)的沖擊。另外，地鐵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計是按遠(yuǎn)期負(fù)荷考慮，并有一定的設(shè)計裕量。變頻系統(tǒng)的設(shè)計將靈活地保證各階段設(shè)計工況，減少運營費用。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。通過布置在各冷凍水二次回路的壓差傳感器檢測供回水管上的壓差，由變頻控制系統(tǒng)自動調(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機組動態(tài)地工作于高效區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)變流量節(jié)能控制。下面以赤沙冷凍站為例說明變頻技術(shù)在集中冷凍站的應(yīng)用。赤沙冷凍站設(shè)有3臺冷水機組，每臺203kW；冷凍一次泵3臺，每臺7.5kW；冷凍二次泵4臺，其中2臺每臺37kW，一用一備，另2臺每臺90kW，一用一備；冷卻泵4臺，每臺45kW，三用一備；冷卻塔風(fēng)機3臺，每臺8kW。赤沙冷凍站工藝流程示意圖詳見圖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)器運行）中的流量不變，同時滿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二次回路中循環(huán)流通。由于二次泵與一次泵回路通過一根彎通管連通，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控制流量。水泵系統(tǒng)曲線見圖2。
圖2 水泵系統(tǒng)曲線
系統(tǒng)曲線表示二次泵的特性曲線與管網(wǎng)特性曲線的關(guān)系。二次泵必須產(chǎn)生足夠的揚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、閥門以及組合式空調(diào)器造成的。系統(tǒng)曲線S1或S2是管網(wǎng)的特性曲線，由管網(wǎng)的物理特性所決定的。當(dāng)管網(wǎng)中閥門的開度變化時，會引起S1或S2形狀的變化。
系統(tǒng)設(shè)計往往是在設(shè)計壓力和設(shè)計流量點運行，也就是水泵的特性曲線和管網(wǎng)特性曲線的交點。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)運行在部分負(fù)荷下時，末端組合式空調(diào)器不需要滿負(fù)荷的水量，電動二通閥關(guān)小，閥門的關(guān)小引起管網(wǎng)特性曲線的變化，系統(tǒng)曲線由S2向S1變化，二次泵的輸出流量減少，但提供的揚程卻變大了。恒速泵必須隨水泵曲線從設(shè)計壓力移至壓力P1處，這就是說，當(dāng)流量減少時，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的差異是閥門必須吸收的壓力差。此種運行工況是非常有害的：1）閥門和管網(wǎng)的承壓增大，部分閥門的密封性能受到考驗。當(dāng)壓力大于閥門設(shè)計運行壓力時，就會迫使閥門打開，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，并引起冷水機組蒸發(fā)器處于低的△T狀態(tài)。2）水泵的工作點偏離高效區(qū)，水泵的軸功率增大。這樣會使能源浪費，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）變化。水泵隨著系統(tǒng)曲線運行會帶來最佳的節(jié)能效果，同時避免了隨水泵曲線的運行而使控制閥壓力過大的現(xiàn)象。
隨著受控制的末端空調(diào)器供水量得到滿足，二通閥處于關(guān)小狀態(tài)。這時末端空調(diào)器和閥門會增加壓力差。當(dāng)這種壓力差開始增加時，變頻器開始放慢水泵的轉(zhuǎn)速以維持壓力差設(shè)定值。該設(shè)定值的計算是在設(shè)計流量狀態(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。水泵減速的過程就是節(jié)省運行費用的過程。
水泵速度降低時，水泵和電機軸承的壽命就會增加。雖然在各自末端空調(diào)器能保持同樣的壓差，但整個系統(tǒng)的壓差和控制閥門壓差都會降低，使冷凍水通過閥的流速明顯低于水泵在恒速、全速時的速度。這可以延長閥門的壽命，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)濟性
根據(jù)赤沙冷凍站最熱月日負(fù)荷曲線（見圖3），可以看出每天負(fù)荷曲線變化較大，負(fù)荷高峰處于12：00~20：00之間。從月負(fù)荷變化比例（見圖4）來看，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，每年的耗電量為50.27萬kW·h（空調(diào)季按9個月計算，每天運行19h）；冷凍二次泵采用變頻技術(shù)時，每年的耗電量為24.57萬kW·h（空調(diào)季按9個月計算，每天運行19h，空調(diào)負(fù)荷比率按表1計算）。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kW·h/年，按每度電0.7元計算，則每年可節(jié)省運營費用17.99萬元，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)，既可實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足輸送冷凍水過程中各項指標(biāo)對電機速度控制的要求，大幅度節(jié)省能源，降低成本，又可降低或減少相關(guān)設(shè)備的開停次數(shù)，延長使用壽命，解決由于工程實際運行規(guī)模與設(shè)計規(guī)模偏差帶來的弊端，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)在凈水廠應(yīng)用.變頻器世界1999(12)
廣州地鐵集中供冷初步設(shè)計及施工圖設(shè)計
