高铁枢纽车站中央空调系统安全与节能途径的实践

2015-12-16上海铁路局信息技术所

上海铁道增刊 2015年4期

王平上海铁路局信息技术所

王平上海铁路局信息技术所

高铁车站的中央空调系统故障频率较高，尤其是采用地源热泵的中央空调系统，故障更为突出，影响了中央空调系统安全性、可靠性，而且能源浪费严重，智能化控制水准低。针对高铁车站能耗比重较大的中央空调系统进行研究。在实现安全可靠运行、智慧能耗管理方面，通过实施投资小、见效快的简易技改项目，从而找到解决问题的有效途径。

高铁枢纽车站；中央空调；安全运行；智慧节能

1 基本概况

在智能建筑楼宇建筑物的设计和运营中，中央空调系统的初次投资和运营成本占比较高，其耗电量约占整栋楼宇总耗电量的50%左右。如何利用现代网络技术、信息技术、自动控制技术来实现中央空调系统最优化安全运行和节能减排，是空调行业和业主共同关注的话题。本文以南京南站中央空调系统冷却塔技改项目为例，从一个侧面反映高铁枢纽站中央空调系统在安全运行、智慧节能实践的潜能和意义。

京沪高铁南京南站总投资50.3亿元,总建筑面积38.7万m2,其中主站房面积为28.1万m2，南北长417 m，东西宽156 m，建筑高度59.96 m。中央空调系统设东、西两个机房，分别有两个10 kV变电所供电。两个动力机房装机电功率7023 kW，205台空气处理机3060 kW,20台新风机220 kW,空调系统装机总容量超过10 000 kW，占南京南站总供电量的40%以上，是该站最主要的用电及耗能设备。

2 中央空调系统运行维护存在的问题

南京南站开通5年来，中央空调的主要冷却塔风机系统、循环水系统、冷却塔体的温、湿度状态均处在非良性运行状态，中央空调系统运行不稳定，机器故障、空调系统瘫痪现象时有发生。例如位于东西两侧线路中间（“孤岛”）上的冷却塔风机，三相电机是否在缺相运行？风机的旋转方向是否正确？电机带动风机旋转的三根皮带是否藕合正常？等等。这些运行状态都不能确切掌握。

开放式冷却塔，受气象环境影响，存在着蒸发和飘溢现象，运行过程中必须适时补充自然水，补充多少流量、多长时间，才能既不溢出水槽，又不致水位不足而影响冷却效果？传统方法是靠冷却塔内安装的浮球传感器、外加人工干预来进行补水作业，夏季市政供水管网欠压及水压力不稳定时，失控的频次较多。

东、西区冷却塔系统未安装室外温、湿度传感器，缺乏塔体现场湿球温度的参量来源，中央空调主机系统对塔风机的启用台数、启动时间、冷却水流量均处于不控制状态，操作工人以经验和习惯作业为主。

冷却塔系统是中央空调大系统的主要组成环节（见图1），它由风和水两部分冷却系统组成。冷却塔系统运行性能的优劣，轻则使空调大系统的效能（COP 值)降低，能耗增大，热传导不良严重时将直接造成中央空调大系统主机的瘫痪。南京南站东、西机房空调冷却塔系统安装于多条高铁线路之间的“孤岛”上，列车运行时无法上塔进行巡检、维护和故障处理，只能在凌晨申请“天窗点”，开展上述及紧急维修工作，中央空调系统处在被动状态下运行，其安全运行性和可靠性根本得不到保障。

图1 中央空调系统工作原理

3 精确控制的一体化改进方案

本方案的总体思路是充分利用现代通信、互联网+、计算机和机电一体化采集与控制技术，最小化的硬件投入与最优化软件相组合，实现对中央空调冷却塔系统的全过程、自动化和远距离监控，将远在500 m外高铁轨道“孤岛”上的冷却塔设备的运行情况，集成到空调机房值班室的显示器屏幕上，实施监视、控制和有效管理。

（1）充分利用并完善南京南站原有中央空调能源管理控制系统，为满足本次技改项目的目标，实现改造后的功能需求，首先将原来的BSK2008系统升级到BSK900系统，将原来安装在机柜的控制界面迁移到空调机房外值班室，并按设备功能的需要，优化成了七页显示的控制台界面。

（2）对每台塔风机安装电力监测仪，将塔风机的运行电流采集到控制系统中，输出信息送控制台屏幕，实时监视各风机的运行状态（检测电机的运行工作电流值）。

（3）冷却塔内安装液位传感器，将冷却塔内的液位值采集到系统中，相关输出信息送控制台显示，根据冷却塔内液位高度，对是否需要补水作出判断，并对冷却塔的补水阀门实施实时控制。

（4）东、西冷却塔安装室外温、湿度传感器，实时监测环境的温度和湿度情况，根据室外的干湿球温、湿度对冷却塔风水系统进行实时的优化控制。其控制拓扑见图2所示。

图2 冷却塔电气控制拓扑图

（5）冷却塔进水管道上增加补水控制阀，根据冷却塔内的液位状态，实现自动补水控制，使冷却塔冷却水槽中的水位长期稳定在上下限设定的可控范围内。

（6）对冷却塔进出水阀门进行风机联动调试，开启风机的同时开启对应的阀门，未运行的风机则保证其阀门关闭。实施该作业流程，是保证冷却水流动的路径最短，冷却水散热效果最佳。

4 改进后的效果与分析

经一个季度的项目实施和现场调试，顺利完成了该项目，实现了方案预期目标。完善了冷却塔风机的智能化控制，实现了冷却塔风机、水系统实时可控，解决了冷却塔因地理位置的特殊性而导致的维护、维修障碍，中央空调机组的运行得到了进一步的保障，原系统潜在的风险得到了有效控制，具体收效如下：

（1）中央空调冷却塔系统实现了实时监控，改变了冷却塔原来盲目的运行状态，系统运行安全性、可靠性得到了保障。在机房值班室就能清晰、直观地了解到冷却塔风、水系统的运行状况。零时间内可发现风、水系统的故障，能够及时处理故障，防止故障漫延。

（2）值班室显示屏界面清晰、直观，数据准确、操作方便，提高了设备智能化程度，节省了人工成本，改善了员工的工作条件。

（3）通过互联网+，利用云平台的大数据，实现远程监视，按需生成相关曲线与报表，方便系统诊断、分析，及时发现设备隐患，能够制订预防性措施。

图3 升级后主机界面BKS900

（4）中央空调系统采用BSK900能耗管理控制手段，利用模糊控制技术建立自适应模糊优化控制算法模型，实现空调冷却水温度的自动寻优，并据此调节冷却水流量和冷却塔风量，使空调系统在任何负荷条件下都高效运行，能耗最低，实现系统效率最佳。图3是改造后的BSK900主界面图、图4是升级后冷却塔风机组界面图。

（5）升级后的冷却塔风机界面图可以自动显示塔电机每相电流值，通过电流值的观察，清晰地知晓每台电机有否缺相、短路、风机旋转方向正确性等风机的运行状态。能随时统计每台风机运行的时长和能耗，实时反馈运行中的塔风机周边温、湿度值、冷却塔水槽的水位、自动补水阀的开启与关闭状态。冷却塔风机的启停可根据冷却水系统最佳效率的判断情况进行对应冷却塔启动和停止，保证冷却系统良好散热的同时降低冷却塔的能耗。

在上述冷却水策略稳定、可靠的前提下，对于南京南站两台并联运行的空调主机，可适时运用主机的启、停机策略、主机的优选策略。根据负荷自动启停机的功能，参照不同负荷下的主机历史的COP存储值，自动寻找出当前负荷下的最佳主机运行组合，实现最佳效率控制策略，达到最优的能耗控制与管理。