冷却水变流量控制对地铁冷水机组性能影响及其节能

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1 前言

地铁站内环境特殊，与外界接触较少，不易通风散热，要求长期保持干燥、阴凉的环境，这就要求引入大型通风空调系统。地铁冷水机组是空调系统的重要组成部分，也是车站内主要的制冷设备，根据站内热负荷变化完成自身无级调节来满足车站内部环境，使得地铁站内的温度和湿度满足人员及机房设备的需求。地铁通风空调设备的设置和使用需要消耗大量的能源和资源，深圳地铁一号线运营期间通风空调系统耗电量占总用电量39.5%左右，水泵的耗能约占了整个空调系统的18%左右。因此，实现冷水机组的平稳运行以及车站的环保节能对地铁运营效能和经济效益具有重大意义。

2 项目概述

深圳市气候较炎热，夏季高温高湿，冬季也不会过于寒冷，决定了深圳地铁车站的空调通风系统需要运行8个月左右的空调状态，其余月份为通风状态运行。深圳地铁一号线续建15个车站所采用冷水机组为立式全封闭螺杆式水冷冷水机组，尤其在空调过渡季节，冷却水温度较低和夜间负荷量低时仍需开启机组为站内供冷，机组在启动时建立不了启动油压差而频繁报警停机，损伤压缩机轴承。据统计，2009年至今，一号线续建车站冷水机组压缩机头已损坏7台，而冷水机组整机寿命在25年左右，为此增加了运营维护成本，同时，在低负荷情况下，冷水机组的运行不能自动感知水温的变化并自动调整冷却水变频器的运行频率，冷水泵处于不节能运行工况。

3 全封闭螺杆式水冷冷水机组运行环境、开启条件概述

经研究分析，在室外气温达到20℃左右的过渡性季节，站内乘客众多、设备长时间运行，发热量较大，因此在这种低负荷情况下仍需要开机制冷。另由于地下特殊的环境因素，站内冷冻水温度在机组首次开机时温度往往大于站外冷却水温度，不利于机组建立油压差开启。

根据螺杆压缩机工作原理，目前所有制冷螺杆压缩机都

是喷油螺杆，压缩机运转时需要向转子腔内喷冷冻油，冷冻油的主要作用是：①润滑各运动部件，减少摩擦和磨损；②冷却作用，将运动部件保持较低温度，以提高效率；③在螺杆压缩机转子之间、转子与机体之间形成油膜，起密封作用；④螺杆压缩机中利用润滑油的压差推动滑阀，进行能量调节。

由于润滑油直接关系到压缩机的可靠性和运行效率，因此必须保证压缩机油循环的正常，避免损坏压缩机。

为了保证润滑油能流到压缩机的相应部位，开启螺杆压缩机增加了油泵来提高油压，封闭式螺杆压缩机是通过压缩机本身的吸排气压差来推动油的循环，未设置油泵。而要保证油的正常循环，就必须保证吸排气有足够的压差，即螺杆压缩机行业内要求最低吸排气压差大于210KPa。

在正常情况下，如果蒸发器出水温度7℃，冷却水进水温度在16℃以上，则机组可以保证满负荷工况下吸排气压差达到要求值。以R134A制冷剂为例，此时压缩机蒸发温度约为5℃（对应吸气压力250KPa左右），冷凝器出水温度约21℃，冷凝温度大于22℃（对应排气压力500KPa），吸排气压差在250KPa左右，满足我们的210KPa要求。但如果机组运行在部分负荷，冷却水出水温度会降低，冷凝温度也相应在降低，排气压力就会下降而造成吸排气压差不足；另外机组刚开机时，蒸发器出水温度高于7℃，吸气压力会升高，而由于机组负荷较低，冷却水出水温度会很低，排气压力也就较低，则吸排气压差就不能达到要求的210KPa。因此我们所说的机组可以在冷却水温度16℃以上正常运行是指满负荷标准蒸发器出水温度情况下。部分负荷时这个冷却水温不能保证要求的最低吸排气压差。

4 冷却水变流量控制

据上述，只有当排气口的压力高于吸气口的压力一定数值（最低要求为210KPa）时，才能保证压缩机油槽中的润滑油可以足量地润滑核心部件，因此要保证压缩机的可靠润滑，即要保证压缩机在运行过程中至少保持最小压差。基于

冷却水变流量控制对地铁冷水机组性能影响

及其节能的研究

吴志添

（深圳市地铁集团有限公司，广东　深圳　518000）

摘　要：本文以深圳地铁一号线续建为例，在大量的数据基础上，主要探讨了如何运用冷却水变流量控制，在满足调控站内温、湿度的同时，保护冷水机组系统，降低机组维护成本，环保节能，提高地铁运营效能和经济效益。关键词：地铁；变流量；保护；冷水机组；节能

中图分类号：TU831.6 文献标识码：A 文章编号：1671-8089（2012）07-0159-02

Municipal Construction 市政建设

现代物业・新建设 2012年第11卷第7期

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现代物业・新建设 2012年第11卷第7期机组冷凝器的允许流量变化范围和变化率的重要指标，可通

过控制冷水机组的冷却水流量实现。

①控制对象：冷却水流量。

②控制参数：冷却水泵变频器频率。

③控制措施：在冷水机组控制系统中增加了上述方案中

需要的变频器频率控制点（4～20mA模拟量输出），增加相应

的控制程序。

④变频器频率：在机组PLC上增加模拟量输出模块1个，

将模块输出的频率控制信号连接到冷却水泵启动柜中的变频

器的第一个模拟量输入点上，变频器设定为外部模拟量输入

给定频率模式，变频器的模拟信号输入类型选择拨码开关至

电流档。

⑤冷水机组的吸排气压差设定在300～450kPa范围内（范

围可设定），对应变频器的运行频率由20～50Hz线性连续调

节（范围可设定）。当机组冷却水温度较低导致机组压差低

于设定范围的最低值时，在开机运行过程中，变频器的频

率会控制在20Hz状态下运行，直到机组压差大于设定的最低

值；当机组压差处于设定范围内时，变频器频率会在20Hz-

50Hz范围内调节；当压差高于设定范围时，变频器频率会在

50Hz状态下运行。

⑥为冷水机组自身增加保护功能，使其在一定赋值的特

殊情况下仍能够继续工作。当冷却水出水温度较低导致机组

压差不足，但排气压力高于冷却塔风机的启动压力时，冷却

塔风机会暂时不启动，以提高机组启动过程中的排气压力，

当压差恢复正常后，风机控制恢复正常。

经过现场实际条件下的测试，建立供油压差的控制效果

比较良好，各设备的运行状态也正常稳定。

5 冷却水变流量控制节能研究

控制方案中通过增加变频器，降低水泵转速，从而满

足冷却水变流量要求，并达到节能省电的目的。由流体力

学可知，P（功率）=Q（流量）×H（压力），流量与转速

的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速

的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下

降时，转速可成比例地下降，而此时轴输出功率成立方关

系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关

系。所以当所要求的流量减少时，可调节变频器输出频率

使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率将按三

次方关系大幅度地降低。

空调水泵节能量计算及确认办法：

水泵节电率的测定：为水泵安装电表，每月在环境温度

一致或相似的相邻两天内，一天采用工频水泵运行，水泵耗

电量为W

；另一天采用节能水泵运行，水泵耗电量为W。

在另一符合条件的时间内，用上述方法再进行节电率的

测定，取2次～3次算术平均值作为双方认可的节电率。

市政建设 Municipal Construction

水泵节电总电度的计算公式如下：

其中：η为上述测定的节电率；

W

表

为采用节能水泵后用电表测定的水泵实际用电量。

总而言之，变频技术应用简单，调试方便，转差率和转

差损失均较小，平滑无限调速精度高、范围广，频率范围变

化大，可以降低设备损耗，延长使用寿命，减少维修费用，

能够实现自动化作业操控，适合地铁内长期使用。

6 调控效果反馈

经过一段时间的观察和数据总结，发现系统停机报警现

象大大减少，极少出现因吸排压差过低等情况引发的故障，

同时，机组维修率也大幅下降，地铁用电消耗较原来低。系

统能够更为便捷地实现流量调节，节省了能源，优化了系统

运行效率。更重要的是，在过渡季节，能够有效分配冷却水

变流量，更好地保护机组的运行，调控操作收效良好。

7 结语

由于地铁空间狭长、自动控温能力极弱，设备机器、人

员和照明设施都长时间地释放出大量热量，几乎需要全年无

休地启动环控系统，要求我们利用冷水机组调节地下温度和

湿度，改良冷水机组系统，做到节能省电，延长机器使用寿

命。笔者所在工作组引用了螺杆压缩机和冷却水变频控制系

统，通过调节冷却水变流量来实现保护机组、节能提效的目

的，在提高地铁运行管理水平和经济效益的同时，为发展节

约型社会贡献力量。

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