嚴(yán)豪

（南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

現(xiàn)如今，隨著我國城市化進(jìn)程加快，城市人口愈來愈多，公共交通工具的使用量也相應(yīng)增多，城市的擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重。只有采用能夠承載較大客運(yùn)量的城市軌道交通系統(tǒng)才能夠有效改善當(dāng)前我國城市中面臨的交通擁堵狀況。鑒于此我國加大了城市軌道交通建設(shè)發(fā)展的力度，在很好的緩解了城市交通壓力的情況下也為我國社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展提供了巨大的幫助。各城市的軌道交通線路在度過開通初期磨合階段，下一步進(jìn)入了追求綠色節(jié)能最大化的環(huán)節(jié)。著力研究如何優(yōu)化車站機(jī)電設(shè)備控制工藝，節(jié)約能耗、提高效率、延長設(shè)備使用年限。從而進(jìn)一步保證機(jī)電設(shè)備更具有節(jié)能性、合理性和可靠性。本文就是在此背景下對TEF排熱風(fēng)機(jī)的控制優(yōu)化問題作研究。

1 現(xiàn)場情況

十號線共有10座新建站，每站兩端各有一臺TEF排熱風(fēng)機(jī)，全線共計(jì)20臺，為車站站臺軌道區(qū)域排熱。風(fēng)機(jī)正常開啟的條件有兩個(gè)，一是系統(tǒng)處于自動狀態(tài)，二是時(shí)間處于運(yùn)營時(shí)間段內(nèi)。只要滿足這兩個(gè)條件，風(fēng)機(jī)就會以20HZ的頻率運(yùn)行。

這樣的控制方式固然能保證站臺軌道區(qū)域良好的排風(fēng)散熱環(huán)境，但會造成大量的電能浪費(fèi)和設(shè)備損耗[1-2]。TEF風(fēng)機(jī)變頻器輸出功率在3.3～4.3kW之間，在十號線最初開通的2年，每臺變頻器總能耗在49000kW·h左右，每臺變頻柜總能耗在57000kW·h左右。

根據(jù)隧道溫濕度傳感器顯示，車站站臺軌道區(qū)的溫度在一年大部分時(shí)間里都較低，只有在夏季極端炎熱的天氣下才有排熱的需求。所以我們設(shè)想對TEF風(fēng)機(jī)原先的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，在目前根據(jù)運(yùn)營時(shí)間段啟停的條件上加入隧道溫度的判斷條件。讓其只在運(yùn)營時(shí)段內(nèi)溫度超過設(shè)定值時(shí)才開機(jī)排熱，其它時(shí)間都處于停機(jī)狀態(tài)[3]。這樣在確保系統(tǒng)通風(fēng)散熱功能的前提下，即可以節(jié)約大量電能，又可以大大延緩變頻器和風(fēng)機(jī)的老化。

2 改造方案

第一，通過對BAS系統(tǒng)PLC控制程序的研究，梳理出TEF風(fēng)機(jī)在各個(gè)工況下的運(yùn)行模式及其他設(shè)備的連鎖條件[4]。第二，對控制程序進(jìn)行修改及仿真實(shí)驗(yàn)，確保在不影響其它設(shè)備關(guān)聯(lián)、不影響手動、事故模式等功能的前提下實(shí)現(xiàn)TEF風(fēng)機(jī)的條件溫度控制。

（1）對源程序進(jìn)行分解。原先每個(gè)車站的兩臺TEF和兩臺HPF風(fēng)機(jī)共用的一個(gè)子程序，為了讓四臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行分別控制，我們將這一個(gè)子程序分成四個(gè)獨(dú)立的程序，并對循環(huán)調(diào)用的指針進(jìn)行修改。確保HPF風(fēng)機(jī)功能不變的情況下，可對TEF風(fēng)機(jī)的控制工藝單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化[5]。

（2）新增控制標(biāo)簽。在TEF風(fēng)機(jī)程序中新增了一些必須的新標(biāo)簽，以便對現(xiàn)場溫度定時(shí)進(jìn)行采樣計(jì)算，將現(xiàn)場溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行對比。

（3）設(shè)定開機(jī)溫度閥值。在TEF風(fēng)機(jī)程序中新增了溫度對比開機(jī)指令，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際溫度高于一定的設(shè)定溫度上限時(shí)進(jìn)行開機(jī)控制。

（4）設(shè)定關(guān)機(jī)溫度閥值。在TEF風(fēng)機(jī)程序中新增了溫度對比關(guān)機(jī)指令，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際溫度低于一定的設(shè)定溫度下限時(shí)進(jìn)行停機(jī)控制。

（5）算法上的優(yōu)化。對溫度的采樣周期、溫度值的數(shù)據(jù)計(jì)算、上下限的溫度回差進(jìn)行設(shè)置，避免高溫季節(jié)現(xiàn)場溫度擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，避免引起風(fēng)機(jī)頻繁啟動[6]。

3 功能測試

在充分的研究和論證下，我們從四月份起對程序進(jìn)行功能試驗(yàn)，測試結(jié)果能否符合要求。我們以綠博園、浦口萬匯城和工業(yè)大學(xué)作為試點(diǎn)站，將江心洲和臨江兩站作為原始站作對比。首先，將原始程序進(jìn)行備份，避免發(fā)生不確定情況時(shí)能夠及時(shí)恢復(fù)。其次，將新優(yōu)化后的程序下載到試點(diǎn)站的PLC中，測試系統(tǒng)功能正常。然后，在已經(jīng)達(dá)到預(yù)期節(jié)能優(yōu)化效果的基礎(chǔ)上繼續(xù)再進(jìn)行二到三個(gè)月的持續(xù)跟蹤。在此期間，我們進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄、對比、分析確保功能和節(jié)能效果，必要時(shí)對程序和參數(shù)設(shè)置做進(jìn)一步微調(diào)。最后，在試驗(yàn)期滿，各項(xiàng)功能得到充分檢驗(yàn)，程序運(yùn)行完善。我們將新程序推行至全部車站，以達(dá)到最佳的節(jié)能效果[7]。

4 實(shí)際應(yīng)用及能源收益

根據(jù)對隧道溫度的觀察，各站TEF風(fēng)機(jī)在新的控制方式下，每年春、秋、冬季基本不會再運(yùn)行，只有夏季部分極端高溫天氣和特殊情況下造成隧道溫度過高時(shí)才會啟動。因此，改造后減少80%以上的電能消耗。

近期統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，變頻器年均耗電約25000kW·h，變頻柜年均耗電約29000kW·h。這個(gè)差值是由變頻器待機(jī)能耗、變頻器的自身損耗和變頻柜其他設(shè)備的運(yùn)行損耗構(gòu)成的。從風(fēng)機(jī)開關(guān)柜電表得到的讀數(shù)是整個(gè)變頻柜及線路損耗造成的實(shí)際總能耗，要大于變頻器的讀數(shù)15%～20%。經(jīng)過現(xiàn)場觀察和分析，我們得到了這樣一系列能耗關(guān)系：風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率+輸出線路損耗=變頻器的輸出功率；變頻器的輸出功率+變頻器的自身損耗=變頻器的輸入功率；變頻器的輸入功率+變頻柜運(yùn)轉(zhuǎn)損耗+變頻柜待機(jī)損耗+輸入線路損耗=變頻柜總功率（開關(guān)柜電表讀數(shù)）。

這其中變頻柜待機(jī)損耗約為50W，每天耗電約1.2kW·h，每年約430kW·h，這個(gè)損耗是固定的。變頻器的輸入功率、變頻柜的運(yùn)轉(zhuǎn)損耗、輸入線路損耗都與風(fēng)機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)以及風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度有關(guān)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，輸出功率越大，它們就越高；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，輸出功率越低，它們就越低；風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，它們功率就為0W。我們就是通過停止風(fēng)機(jī)不必要的運(yùn)行，而將這三個(gè)部分的能耗給節(jié)約掉。去掉固定的待機(jī)能耗，每臺變頻柜總的“活”的耗電量在28000kW·h左右。我們改造后的運(yùn)行時(shí)間將縮短80%，達(dá)到這個(gè)目標(biāo)后每臺風(fēng)機(jī)年均節(jié)電22000kW·h，全線節(jié)電約400000kW·h，可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益[8]。同時(shí)此項(xiàng)目不同于硬件改造，我們只對軟件程序進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，因此幾乎不需要投入改造經(jīng)費(fèi)。

5 結(jié)論

總之，隨著我國城市軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，其中所暴露出來的一些問題引起了人們的關(guān)注，對自動化系統(tǒng)控制工藝和節(jié)能要求也越來越高，通過提高施工質(zhì)量和優(yōu)化控制策略的探討，實(shí)現(xiàn)自動化BAS系統(tǒng)合理穩(wěn)定運(yùn)行。本文主要分析了南京地鐵十號線排熱風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，改進(jìn)后的地鐵風(fēng)機(jī)控制大大節(jié)約了排熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行的能耗，后期我們將對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總分析，編制項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析報(bào)告，為其他線路提供經(jīng)驗(yàn)，為南京地鐵創(chuàng)造更大的效益。