變頻技術在廣州地鐵集中冷凍站的應用

摘 要：本文介紹了變頻技術在廣州地鐵集中冷凍站的應用，提出了采用變頻技術的必要性和經濟性。
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空調冷水。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，供應紀念堂站、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，供應江南西站、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冷卻。
集中冷凍站采用變頻技術的必要性
地鐵運營過程中，通風空調系統的用電量占了相當大的比重。根據目前廣州1號線的運營統計，通風空調系統的用電量約占整個地鐵運營耗電量的40%左右，因此如何在通風空調系統中采用節能裝置，對地鐵的經濟運行將具有十分重要的意義。由于一年四季天氣的變化，及一天內氣溫和客流量的變化，在地鐵通風空調系統中采用變頻調速技術將是節能的最有效措施之一。
廣州地鐵2號線采用集中供冷系統有如下幾方面特點：
制冷冷凍站集中，冷凍站數量減少，減少了冷凍站對周圍環境的影響，特別是減少了與規劃部門的協調工作。
制冷設備集中于冷凍站內，通過不同的設備組合及自動控制，提高運行效率，便于維護管理。
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。
變頻調速技術在國內工業和民用自動控制系統中已推廣應用了10多年。特別是在系統負荷經常變化和電機頻繁啟動的情況下，采用變頻調速不僅能大量節省能源，對設備運行工況也有極大的改善。減少機械設備的磨損，延長了設備壽命，減少維護費用和縮短維護時間，減少環境噪音，改善設備啟動性能，減少啟動電流對電網的沖擊。另外，地鐵空調系統的設計是按遠期負荷考慮，并有一定的設計裕量。變頻系統的設計將靈活地保證各階段設計工況，減少運營費用。因此，在集中冷凍站采用變頻技術是十分必要的。
集中冷凍站的組成部分
集中冷凍站系統由冷凍水和冷卻水系統組成。冷凍水系統包括冷凍站站內部分（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（由鋪設在區間隧道內的冷凍水管和各車站末端組合式空調器組成）。冷卻水系統由冷卻塔、冷卻水泵、補水泵、水箱等組成。
變頻技術在集中冷凍站的應用
集中冷凍站的冷凍水系統采用二次泵變頻。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，由變頻控制系統自動調節冷凍二次泵的轉速，保證管網末端的壓力和水泵電動機組動態地工作于高效區內，實現變流量節能控制。下面以赤沙冷凍站為例說明變頻技術在集中冷凍站的應用。赤沙冷凍站設有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/二次冷凍水泵系統中，二次泵作用是將主供水回路的冷凍水分配給負載。一次/二次水泵系統既需保持一次回路（用于蒸發器運行）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噪音，減少能量消耗。
在傳統的一次/二次冷凍水泵的設計中，一次泵的規格確定只需考慮一次回路供回水回路的流量需求和壓降。而更大的二次泵規格確定則應確保冷凍水能在整個二次回路中循環流通。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。水泵系統曲線見圖2。
圖2 水泵系統曲線
系統曲線表示二次泵的特性曲線與管網特性曲線的關系。二次泵必須產生足夠的揚程以克服冷凍站至組合式空調器的二次環路的系統阻力。系統阻力（系統管網損耗）是由水路中管道、連接件、閥門以及組合式空調器造成的。系統曲線S1或S2是管網的特性曲線，由管網的物理特性所決定的。當管網中閥門的開度變化時，會引起S1或S2形狀的變化。
系統設計往往是在設計壓力和設計流量點運行，也就是水泵的特性曲線和管網特性曲線的交點。當空調系統運行在部分負荷下時，末端組合式空調器不需要滿負荷的水量，電動二通閥關小，閥門的關小引起管網特性曲線的變化，系統曲線由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計壓力移至壓力P1處，這就是說，當流量減少時，盡管系統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）閥門和管網的承壓增大，部分閥門的密封性能受到考驗。當壓力大于閥門設計運行壓力時，就會迫使閥門打開，造成水流短路，與水泵相近處的空調區域特別冷而遠離水泵處冷氣不足的情況發生，并引起冷水機組蒸發器處于低的△T狀態。2）水泵的工作點偏離高效區，水泵的軸功率增大。這樣會使能源浪費，系統性能不良，以及維護成本大幅上升。
在二次泵系統中增加變頻調速器，變頻器使二次泵系統從恒速狀態向變速變量狀態改變，從而節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要求（系統曲線）變化。水泵隨著系統曲線運行會帶來最佳的節能效果，同時避免了隨水泵曲線的運行而使控制閥壓力過大的現象。
隨著受控制的末端空調器供水量得到滿足，二通閥處于關小狀態。這時末端空調器和閥門會增加壓力差。當這種壓力差開始增加時，變頻器開始放慢水泵的轉速以維持壓力差設定值。該設定值的計算是在設計流量狀態下將末端空調器、部分水管管道和二通閥的壓力差疊加在一起的數值。水泵減速的過程就是節省運行費用的過程。
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器能保持同樣的壓差，但整個系統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，減少維護量以及降低系統內的噪音，并可以節能。
采用變頻技術的經濟性
根據赤沙冷凍站最熱月日負荷曲線（見圖3），可以看出每天負荷曲線變化較大，負荷高峰處于12：00~20：00之間。從月負荷變化比例（見圖4）來看，月負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時，每年的耗電量為50.27萬kW·h（空調季按9個月計算，每天運行19h）；冷凍二次泵采用變頻技術時，每年的耗電量為24.57萬kW·h（空調季按9個月計算，每天運行19h，空調負荷比率按表1計算）。冷凍二次泵采用變頻技術比不采用變頻技術節省耗電量25.70萬kW·h/年，按每度電0.7元計算，則每年可節省運營費用17.99萬元，能較快地收回投資。
結論
綜上所述，在集中供冷凍站的冷凍二次泵系統采用變頻技術，既可實現無級調速，滿足輸送冷凍水過程中各項指標對電機速度控制的要求，大幅度節省能源，降低成本，又可降低或減少相關設備的開停次數，延長使用壽命，解決由于工程實際運行規模與設計規模偏差帶來的弊端，協調各工藝流程間匹配關系，降低土建和工藝設備的投資。
參考文獻
變頻調速技術在凈水廠應用.變頻器世界1999(12)
廣州地鐵集中供冷初步設計及施工圖設計