孫立鋒 陳賀民/浙江金盾風(fēng)機(jī)股份有限公司

王紹興 莫鑫宇/廣州地鐵集團(tuán)有限公司

地鐵用排熱風(fēng)機(jī)的智能通風(fēng)方案

孫立鋒 陳賀民/浙江金盾風(fēng)機(jī)股份有限公司

王紹興 莫鑫宇/廣州地鐵集團(tuán)有限公司

0 引言

地鐵車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)主要由排熱風(fēng)機(jī)、消聲器、風(fēng)閥、防火閥等設(shè)備及相應(yīng)的管路系統(tǒng)、控制單元組成，其功能是排除列車制動(dòng)發(fā)熱量及停站過(guò)程中冷凝器所產(chǎn)生的熱量，以減少列車排出的熱量對(duì)車站及區(qū)間環(huán)境的影響。車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)在地鐵運(yùn)營(yíng)期間需長(zhǎng)期運(yùn)行，能耗巨大，且負(fù)荷變化明顯，主要的耗能設(shè)備是排熱風(fēng)機(jī)[1-3]。

為了降低車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)的能耗，提出了運(yùn)行特性隨負(fù)荷的變化而變化的排熱風(fēng)機(jī)智能控制方式，并介紹了智能通風(fēng)系統(tǒng)的組成。結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)比排熱風(fēng)機(jī)的常規(guī)控制方式，分析了智能通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果及其可靠性。

1 排熱風(fēng)機(jī)常規(guī)控制方式

排熱風(fēng)機(jī)一般采用分時(shí)段變頻控制方式，根據(jù)列車運(yùn)行對(duì)數(shù)的不同，排熱風(fēng)機(jī)按不同的頻率運(yùn)行，當(dāng)發(fā)車間隔較小時(shí)，排熱風(fēng)機(jī)按工頻運(yùn)行，當(dāng)發(fā)車間隔較大時(shí)，排熱風(fēng)機(jī)降頻運(yùn)行。以某地鐵線的控制方式為例。

表1 排熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率

上述控制方式簡(jiǎn)單，列車運(yùn)行對(duì)數(shù)多、進(jìn)出站頻繁，則熱負(fù)荷高、風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率高，反之則降頻運(yùn)行，因此一定程度上也達(dá)到了節(jié)能的目的。

但存在的問(wèn)題是，這種運(yùn)行模式還不能依據(jù)熱負(fù)荷的變化，實(shí)時(shí)控制排熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，尚未達(dá)到最好的節(jié)能效果，比如按照排熱風(fēng)機(jī)的功能，當(dāng)列車不在車站時(shí)，熱負(fù)荷最低，排熱風(fēng)機(jī)可以以更低的頻率運(yùn)行，甚至可以停止運(yùn)行。因此，上述控制方式還是存在能耗偏大的問(wèn)題。

2 排熱風(fēng)機(jī)的智能通風(fēng)方案

2.1智能控制方式

排熱風(fēng)機(jī)的智能控制方式可根據(jù)列車進(jìn)出站情況實(shí)時(shí)控制排熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率。

列車進(jìn)站時(shí)，光電傳感裝置采集到列車進(jìn)站信號(hào)并傳送給PLC智能控制單元，PLC智能控制單元判斷后發(fā)送指令給變頻器，變頻器控制排熱風(fēng)機(jī)以50Hz高頻運(yùn)行；列車離開站臺(tái)時(shí)，光電傳感裝置采集到列車離站信號(hào)并傳送給PLC智能控制單元，PLC智能控制單元判斷后發(fā)指令給變頻器，變頻器控制排熱風(fēng)機(jī)以10Hz低頻運(yùn)行，PLC智能控制單元可以延時(shí)發(fā)送指令，以控制排熱風(fēng)機(jī)高頻運(yùn)行時(shí)間。

本方案通過(guò)對(duì)排熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨熱負(fù)荷變化的實(shí)時(shí)控制，避免了排熱風(fēng)機(jī)持續(xù)處于大功率運(yùn)行狀態(tài)，在有效排出軌行處熱量的同時(shí)降低了排熱風(fēng)機(jī)的能耗，是一種能夠有效降低能耗的排熱風(fēng)機(jī)智能控制方式。

2.2智能通風(fēng)系統(tǒng)的組成

智能通風(fēng)系統(tǒng)主要由光電傳感裝置、變頻控制柜、排熱風(fēng)機(jī)組成[4]，圖1為智能通風(fēng)系統(tǒng)組成示意圖。

光電傳感裝置：包括光電傳感器和控制器，是一種基于模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，再通過(guò)物體成像原理而設(shè)計(jì)的一種高性能智能化探測(cè)裝置，用于探測(cè)列車的到站、出站信號(hào)，并將信號(hào)傳送給控制柜[5]。

變頻控制柜：變頻控制柜根據(jù)光電傳感裝置發(fā)出的信號(hào)，控制排熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，并可以將光電傳感裝置的運(yùn)行信息上傳給環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（Building Automation System，BAS）[6]。當(dāng)PLC智能控制單元接收到光電傳感裝置的故障信號(hào)時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警并將故障信號(hào)上傳BAS，同時(shí)控制排熱風(fēng)機(jī)按預(yù)先設(shè)定的頻率連續(xù)運(yùn)行[7]。

排熱風(fēng)機(jī)：列車在站臺(tái)時(shí)高速運(yùn)行，將列車產(chǎn)生的熱量排出車站，列車出站后低速運(yùn)行，節(jié)約電能。

2.3排熱風(fēng)機(jī)的布置

車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)一般采用單側(cè)排風(fēng)，車站兩端各設(shè)置1臺(tái)排熱風(fēng)機(jī)，分別負(fù)擔(dān)半個(gè)車站范圍內(nèi)上行線和下行線的軌頂、軌底排熱，圖2為常規(guī)的車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)圖。由于上行線和下行線的列車在進(jìn)出站時(shí)間上的不同步，當(dāng)采用智能通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，上行線和下行線需分別設(shè)置獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，因此在智能通風(fēng)系統(tǒng)中排熱風(fēng)機(jī)不能同時(shí)負(fù)擔(dān)上行線和下行線的排熱，需要對(duì)常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)的布置進(jìn)行調(diào)整。圖3為采用2臺(tái)排熱風(fēng)機(jī)布置的通風(fēng)系統(tǒng)圖，單臺(tái)排熱風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)整條上行線或者整條下行線的排熱；圖4為采用4臺(tái)排熱風(fēng)機(jī)布置的通風(fēng)系統(tǒng)圖，單臺(tái)排熱風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)半條上行線或者半條下行線的排熱[8-9]。

2.4智能通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性

與常規(guī)的分時(shí)段變頻控制相比，電機(jī)的耐熱性能和光電傳感器的抗干擾性是影響智能通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的主要因素。

2.4.1 電機(jī)的耐熱性能

智能通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)需要在高速檔和低速檔間頻繁切換，會(huì)使電機(jī)的發(fā)熱量增加。在本方案設(shè)計(jì)中，采取了一些措施以提高電機(jī)的耐熱性能。1）采用了絕緣等級(jí)為H級(jí)的變頻電機(jī)，使電機(jī)具有更好的耐熱性能；2）在風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使電機(jī)完全裸露在氣流流道中，提高電機(jī)的散熱效果。

在工程實(shí)踐中，我們進(jìn)行了電機(jī)耐熱性能的測(cè)試。按照列車運(yùn)行間隔180秒進(jìn)行高低速循環(huán)運(yùn)行，即高速（工頻50Hz）運(yùn)行40秒，低速（頻率10Hz）運(yùn)行140秒，連續(xù)運(yùn)行2個(gè)月。從記錄的電機(jī)軸承、繞組的溫升數(shù)據(jù)可以看出（表2），風(fēng)機(jī)運(yùn)行40小時(shí)后，電機(jī)軸承、繞組的溫度升高約17℃后就趨于穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎不再上升。軸承溫升遠(yuǎn)小于40℃的極限溫升，繞組溫升遠(yuǎn)小于105℃的極限溫升。在2個(gè)月的測(cè)試運(yùn)行中，風(fēng)機(jī)及控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，可見風(fēng)機(jī)在高速檔和低速檔間的頻繁切換，對(duì)電機(jī)來(lái)講是安全的。

表2 電機(jī)軸承、繞組溫度記錄表

2.4.2 光電傳感器的抗干擾性

光電傳感器安裝在車站端門外側(cè)，受到周圍溫度、濕度、灰塵等環(huán)境條件的影響，同時(shí)列車通過(guò)時(shí)的振動(dòng)、列車燈光、列車被探測(cè)區(qū)域顏色、材質(zhì)等因素也可能影響傳感器的靈敏度。通過(guò)在某地鐵線安裝的試驗(yàn)樣機(jī)超過(guò)1年的運(yùn)行，沒(méi)有出現(xiàn)傳感器誤報(bào)或者探測(cè)不到列車信號(hào)的情況，說(shuō)明光電傳感器具有很好的抗干擾性。

2.4.3 可靠性的實(shí)際測(cè)試情況

對(duì)某地鐵線安裝的排熱風(fēng)機(jī)智能通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)跟蹤，從2014年7月安裝使用至今，一直在不間斷運(yùn)行，整套設(shè)備控制精確、運(yùn)行平穩(wěn)，至今未發(fā)生任何故障。驗(yàn)證了智能通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性。

2.5智能通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果

采用智能控制方式后，排熱風(fēng)機(jī)大部分時(shí)間是在10Hz低頻下運(yùn)行，根據(jù)電動(dòng)機(jī)消耗功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比[10]，降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，可以節(jié)約大量的電能。以電機(jī)額定功率45kW的排熱風(fēng)機(jī)為例，采用智能控制方式需增加設(shè)備費(fèi)用約2.3萬(wàn)元，表3是排熱風(fēng)機(jī)在兩種控制方式下的能耗測(cè)試數(shù)據(jù)，采用智能控制方式后排熱風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果顯著，按每1kW·h電價(jià)為0.8元計(jì)算，最多1年就可以收回投資。

表3 排熱風(fēng)機(jī)兩種控制方式下能耗對(duì)比表

3 結(jié)論

智能控制方式能夠滿足地鐵車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)的要求，并且運(yùn)行可靠。與常規(guī)的分時(shí)段變頻控制相比，節(jié)能效果顯著。目前，該智能通風(fēng)系統(tǒng)已在南京地鐵4號(hào)線獲得應(yīng)用，在地鐵工程中應(yīng)用該系統(tǒng)，僅排熱風(fēng)機(jī)一項(xiàng)就能獲得可觀的的節(jié)能減排收益。

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地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)；排熱；軸流風(fēng)機(jī)；智能通風(fēng)；節(jié)能

Inte lligent Ventilation So lution for Heat Extraction from AxialFans in Subways

Sun Li-feng,Chen He-min/Zhejiang Jindun FansHoldingCo.,Ltd.
Wang Shao-xing,Mo Xin-yu/Guangzhou Metro Group Co.,Ltd

ventilation system in station and tunnel subway;heat extraction fan;intelligent ventilation;energy saving

TH43；TK05

A

1006-8155（2016）06-0081-04

10.16492/j.fjjs.2016.06.0054

2016-03-11浙江紹興312300

Abstract:In order to improve the commonly applied control methods of heat extraction from axial fans used in metro stations,an intelligent control method is introduced,as well as an intelligent ventilation system and the layout of heat extraction from fans. Engineering examp les show the reliability of the intelligent ventilation system and its energy savingadvantage.