广州地铁环境与设备监控系统车站节能控制研究

广州地铁环境与设备监控系统车站节能控制研究

林祥辉

广州地铁集团有限公司运营事业总部  广州市  510000

摘要

本文以广州地铁二十一号线为案例，首先讲述了环境与设备监控系统（BAS）的概念。并说明环境与设备监控系统的节能控制方案。

本文分析了系统的节能控制模块，主要包含基本逻辑连锁、区间隧道系统节能控制策略、车站风机控制策略、车站公共区的二氧化碳浓度保护、冷水机组节能控制方案、冷冻水系统的压差旁通装置节能控制策略、冷水机组开机条件。

本文通过详细叙述以上的逻辑控制处理方法，可以供其它类似项目作参考。

关键词

地铁；环境与设备监控系统；节能；

1  系统概况

BAS系统在地铁中被称为环境与设备监控系统。环境与设备监控系统（BAS）是为本线路全线车站、区间设备监控而设的自动监控系统。被监控的设备包括隧道通风系统设备、车站通风空调大系统、通风空调小系统、空调水系统设备、给排水设备、自动扶梯、电梯、乘客导向系统、照明系统、事故电源、区间给排水等设备的运行状态和系统参数以及车站公共区和设备房环境温湿度的参数等。

BAS系统在车站深度集成到，中央级及车站车控室BAS功能由ISCS实现，车站环控电控室设置有BAS系统工作站。基本上所有BAS系统对机电设备的监控功能都包含在ISCS与BAS的接口协议中。

地下车站的防排烟、送排风等环控设备，均由BAS负责监控。在火灾时，BAS通过与FAS或ISCS的通信接口接受下达的救灾指令，并按照相应的火灾模式控制现场设备动作，FAS具有优先权。ISCS通过与BAS的接口，同样实现以上功能。

车站BAS的监控范围除了负责本车站，还包括相邻区间隧道的一半。系统对全线车站、车辆段（含控制中心）、隧道区间设备进行全面、有效的自动化监控及管理，确保系统设备处于安全、可靠、高效、节能的最佳运行状态，从而提供一个舒适的乘车环境，并能在火灾等灾害或阻塞状态下，更好地协调系统设备的运行，充分发挥各种设备应有的作用，保证乘客的安全和设备的正常运行。

2 二十一号线BAS基本逻辑连锁

BAS系统需要遵从一些基本的逻辑连锁，避免造成被控对象的设备故障损坏。

1、手动单控应保留基本的逻辑连锁：

手动开启冷冻水泵需满足对应的冷水机组冷冻进水侧电动蝶阀在开到位位置。

手动开启冷却水泵需满足对应的冷水机组冷却进水侧电动蝶阀在开到位位置，且至少有一台冷却塔进水及出水电动蝶阀均开到位（形成通路）。

手动开启冷水机组需满足对应的冷冻水泵在运行，对应的冷却泵在运行状态，且该冷水机组冷冻侧电动蝶阀和冷却测电动蝶阀均在开到位位置。

2、自动模式下开机顺序：

开启冷水机组冷冻侧电动蝶阀和冷却侧电动蝶阀→开启对应的冷冻水泵→开启对应的冷却水泵→确认冷冻水泵和冷却水泵均运行→开启冷水机组→根据冷却水进水温度判断冷却塔开启数量及运行频率→加减机判断逻辑。

3、自动模式下关机顺序：

关闭冷水机组→收到机组冷却水泵停止状态后立即关闭冷却水泵→关闭机组冷却侧电动蝶阀→收到机组冷冻水泵停止状态（机组地址表1036.14）→关闭机组冷冻侧电动蝶阀→所有冷机进入待机状态后停止冷却塔风机

冷冻水泵关延时无延时设定，火灾发生时增加强制停泵延时看门狗预定时间3分钟。

3 区间隧道系统节能控制策略 

针对旧线设计上对隧道区间系统无节能控制措施的问题，二十一号线考虑了区间隧道系统节能控制策略。区间排热系统根据室外温度、隧道内温度、行车对数情况，调整车站隧道排热风机的开启和频率，即最大程度排除列车运行产生的热量，保证隧道内的温度满足标准要求，又尽可能节省风机能耗。在每个车站隧道区域内设置 2 个温度传感器，一个车站共设置 4 个，以测量车站隧道温度。

表3-1 车站隧道排热风机的变频运行模式

说明∶

1.工频指的是50Hz；

2.车站隧道温度T2根据每个车站左右线车站隧道中部设置的温度传感器取平均值确定；

3.车站隧道温度T3根据每个车站左右线车站隧道顶部设置的温度传感器取平均值确定；

4.室外温度T1根据每个车站两端新风道设置的温度传感器取平均值确定。

BAS系统根据行车对数、车站隧道温度变频运行，增加车站隧道温度监测，使用PID算法，控制车站隧道温度。

4 车站风机控制策略

旧线对车站风机不能控制变频，无法实现根据温度调节风机频率实现温度控制和节能要求。

针对本需求，二十一号线的组合式空调机组、回排风机、小新风机都采用变频风机，风机最小运行频率均为 25Hz（可设定），最大运行频率均为 50Hz。

小新风空调工况时，根据站内回风温度调节组合式空调机组频率。站内回风温度与设定温度（27.7℃，各站设定温度有所不同）进行比较，调节目标是站内回风温度=设定温度。当站内回风温度>设定温度时，需提高空调机组的频率；当站内回风温度<设定温度时，需降低空调机组的频率，调节算法为 PID。

全新风空调工况、全通风工况时，根据站内送风温度 To 调节组合式空调机组频率。当 12℃≤室外温度≤送风温度 时，站内送风温度与设定温度（25℃）进行比较，调节目标是站内送风温度=设定温度。当站内送风温度>设定温度时，需提高空调机组的频率；当站内送风温度<设定温度时，需降低空调机组的频率，调节算法为 PID；当室外温度<12℃时，组合式空调机组控制风机电机频率*按室内外温差不小于 13℃所需的最大风量定频*/-运行，且不应低于25Hz。

回排风机的频率与组合式空调机组的频率保持一致。

小新风机的变频调节与组合式空调机组、回排风机同频调节；

5 车站公共区的二氧化碳浓度保护

旧线车站公共区没有二氧化碳传感器的问题，缺少在站厅、站台CO2 浓度做保护。

针对本需求，二十一号线的地下车站公共区站台站厅各设置了四个二氧化碳传感器。

小新风空调工况时，应根据站内回风温度调节组合式空调机组频率，并利用站厅、站台 CO2浓度做保护。

全新风空调工况、全通风工况时，应根据站内送风温度调节组合式空调机组频率，并利用站厅、站台 CO2浓度做保护。

6 冷水机组节能控制方案

针对地铁空调长期运行在部分负荷的特点，高效机房节能控制系统通过控制变频直驱冷水机组的输出冷量及开启数量的方式提高冷水机组负荷率，通过主动寻优控制策略优化控制冷却水泵和冷却塔风机，确保冷水机组运行在COP高效区间。高效机房节能控制系统根据末端负荷的变动情况调整冷水机组的负荷率，以变频直驱离心机的出厂COP特性曲线为基础，实时调整冷水机组的控制策略，在运行过程中尽量避开冷水机组COP低效区间。高效机房节能系统管理平台能够实时记录每台冷水机组的COP、冷冻水工况、冷却水工况，根据长期数据积累主动优化节能控制系统的控制算法，调整冷冻水和冷却水侧工况，确保变频直驱离心机的COP在高效区。

7 冷冻水系统的压差旁通装置节能控制策略

压差旁通阀是一种用于空调系统供/回水之间以平衡压差的阀门。该阀门可提高系统的利用率，保持压差的精确互定值，并可最大限度地降低系统的噪音，以及过大压差对设备造成的损坏，也可以根据终端热负荷情况调整开度，在终端负荷很小或为零时也能保证空调机组内一定量的水通过，保护了空调机组也起到了节能降耗的作用。

广佛线的压差旁通装置永远保持上电启用状态。压差旁通阀的自身具备以上压差控制开度的功能。

二十一号线的压差旁通装置在可以压差自动控制开度的基础上，增加了手动远程启停及自动节能控制。

系统采集总管冷冻水供回水压差，根据冷冻水压差调节冷冻水泵频率和压差旁通阀开度，内部设定优先级别，当冷冻水压差低于设定值时优先关闭压差旁通阀，然后升高冷冻水泵频率。当冷冻水压差高于设定值时优先降低冷冻水泵频率，然后开大压差旁通阀。冷冻水流量低于单台机组额定流量50%时自动开启压差旁通阀，保证机组最小流量。

压差旁通阀模式手自动切换无需与其他模式连锁，可自由切换。

压差旁通阀采用PID调节，分两种调节模式，1，根据分集水器供回水压差调节。2、根据四只冷冻侧流量计流量和调节。两种模式可互相切换。

压差旁通阀根据分集水器供回水压差调节：画面开放冷冻水供回压差设定值。压差旁通阀的比例积分参数能让压差旁通阀最短在120秒内全开或全关。压差旁通阀也不宜调节过快，防止机组冷冻水出水温度下降过快触发低温停机报警。压差旁通阀的比例积分参数需现场调试确认。

压差旁通阀根据四只冷冻侧流量计流量和调节：画面开放两组冷冻水最低流量设定值，单位m3/h，250冷顿机组冷冻水最低流量设定值，500冷顿机组冷冻水最低流量设定值。两种机型冷冻水最低流量分开设定。

压差旁通阀流量调节PID反馈值=四只冷冻侧流量计流量和，压差旁通阀流量调节PID的比例积分参数能让压差旁通阀最短在120秒内全开或全关。压差旁通阀也不宜调节过快，防止机组冷冻水出水温度下降过快触发低温停机报警。压差旁通阀的流量PID参数需现场调试确认。

手动远程控制用于在非空调季节时，调度等操作人员远程对全线压差旁通装置进行断电，以达到节能的效果。在非空调季节时可以在远程恢复启用。

节能控制仅控制其启用和停用，停用时压差旁通阀全关。系统按以下规则控制压差旁通装置的开度：

1、当冷冻水泵的频率未达到下限（即冷冻泵频率>30Hz）时，压差旁通装置不启用自身调节功能，旁通阀保持全关。

2、当冷冻水泵的运行频率达到下限（30Hz），且持续超过 180 秒时，启用压差旁通装置自身调节功能。

二十一号线通过该节能控制，实现了在冷水机组在外界冷量负荷较低时开启压差旁通装置，避免水系统内压力过大。在冷水机组负荷较高时，压差旁通阀直接全关，避免机组冷量的浪费，在非空调季节时可以远程进行断电，以达到节能的效果。

8 冷水机组开机条件

由于大小空调系统共用一个冷冻机房，故冷水机组在大系统和小系统需要用冷的时候均需要开启。考虑到变频直驱离心机的负荷调节区间为25%-100%，故根据末端二通阀开度估算末端负荷率，当需求冷负荷满足单台变频直驱离心机组在25%以上运行时，冷冻机房就可以开机运行。当需求冷负荷无法满足单台变频直驱离心机组在25%以上运行时，启动水蓄冷模式间歇式运行。

节能模式，冷冻机房开机条件：末端负荷率>开机最低负荷率，开机信号变化后间隔20分钟（界面可设定）后才可以再次变化。

节能模式下末端负荷过低时控制：末端负荷率<开机最低负荷率，冷冻水回水温度<15.5℃，延时判断，冷水机组、冷却泵、冷却塔全停，冷冻泵及机组冷冻水蝶阀保持开启，当冷冻水总管供水温度>冷冻机房开机复归温度（18℃），延时判断，再次开启冷水机组、冷却泵、冷却塔（冷冻泵及机组冷冻水蝶阀还在开启状态）。

节能模式下，末端负荷率<开机最低负荷率，冷冻水回水温度<15.5℃，延时判断，冷水机组、冷却泵、冷却塔全停，冷冻泵及机组冷冻水蝶阀保持开启，如果20分钟（可设定）后，末端负荷率<开机最低负荷率，则冷冻机房执行全停模式，冷冻泵及机组冷冻水蝶阀也关闭，并继续监测末端负荷率变化，如果再次出现末端负荷率>开机最低负荷率，冷冻机房再次执行开机流程。开机最低负荷率：默认4.3%。

9 总结

BAS系统是环控设备的控制核心，环控设备作为地铁用电大户，节能工作势在必行。通过各项节能措施，采用一系列的控制算法，在保障乘客舒适度的基础上，实现了节能降本。