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摘要：地铁地下空间的通风几乎是通过风机进行的，承担着地铁内部空间与外部自然气体的交换工作，为地铁及时补充新风。然而，风机作为大型旋转机械设备，在长时间的运转过程中，按照常规的操作方法，其消耗也是比较高的。本文主要就风机的智能控制通风的系统可靠性及节能效果进行分析。
关键词：地铁通风系统；排热；轴流风机；智能通风；节能
前言
地铁通风系统主要功能是排列车制动发热量及冷凝器产生的热量，吸入新风，减少热量对区间环境的影响，另外出现火灾灾情时可以及时把有毒气体排出去，保障乘客人身安全。系统主要由排热风机、消声器、风阀、防火阀等设备及各控制单元组成，长期的运转能耗巨大，负荷变化明显，特别是排热风机。如何降低风机能耗，是每个地铁工作者均关注的问题之一。以下就提出风机根据负荷的变化而变化的智能控制方式，相比常规的控制方式，其节能效果及可靠性显著。
一、排热风机控制方式
风机控制方式是根据列车运行对数，按照不同的频率运行。如发车间隔大时，排热风机降频运行；间隔小时风机按工频运行。以某地铁线的控制方式为例。
表1 排热风机运行频率
列车运行对数/（对/小时）20~3012~206~12
排热风机运行频率/Hz 50 40 30
此种模式不能根据热负荷的变化对风机运行频率进行控制，如车站没车时热负荷是比较低的，风机可以更低的频率运行，甚至停止运行。因此，上述控制还是存在能耗偏大问题。
二、地铁排热通风的风机智能控制
（一）智能控制方式
风机的智能控制可以根据进出站的列车进行实时排风运先频率，如列车进站时，光电传感装置采集到车辆进站的信号传送给智能控制单元，再经过智能控制单元判断后发送指令给变频器，此时风机以50Hz高频运行，列车离站时，同样原理，采集信号后发送指令给变频器以10Hz低频运行。
（二）智能通风系统的组成
智能通风系统主要由光电传感装置、变频控制柜、排热风机组成，图1为智能通风系统组成示意图
图1 智能通风系统组成示意图
光电传感装置：包括光电传感器和控制器，是一种基于模拟信号、数字信号处理为基础，再通过物体成像原理而设计的一种高性能智能化探测装置，用于探测列车的到站、出站信号，并将信号传送给控制柜。
变频控制柜：变频控制柜根据光电传感装置发出的信号，控制排热风机的运行频率，并可以将光电传感装置的运行信息上传给环境与设备监控系统（Building Automation System，BAS）。当 PLC智能控制单元接收到光电传感装置的故障信号时，会自动报警并将故障信号上传BAS，同时控制排热风机按预先设定的频率连续运行。
排热风机：列车在站台时高速运行，将列车产生的热量排出车站，列车出站后低速运行，节约电能。
（三）排热风机的布置
车站隧道通风系统一般采用单侧排风，车站两端各设置1台排热风机，分别负担半个车站范围内上行线和下行线的轨顶、轨底排热，图 2 为常规的车站隧道通风系统图。由于上行线和下行线的列车在进出站时间上的不同步，当采用智能通风系统时，上行线和下行线需分别设置独立的通风系统，因此在智能通风系统中排热风机不能同时负担上行线和下行线的排热，需要对常规通风系统的布置进行调整。图3为采用2台排热风机布置的通风系统图，单台排热风机负担整条上行线或者整条下行线的排热；图 4 为采用 4 台排热风机布置的通风系统图，单台排热风机负担半条上行线或者半条下行线的排热。
图4 按4台布置方式图
（四）智能通风系统的可靠性
与常规的分时段变频控制相比，电机的耐热性能和光电传感器的抗干扰性是影响智能通风系统可靠性的主要因素。
1.电机的耐热性能
智能通风系统中风机需要在高速档和低速档间频繁切换，会使电机的发热量增加。在本方案设计中，采取了一些措施以提高电机的耐热性能。1）采用了绝缘等级为 H 级的变频电机，使电机具有更好的耐热性能；2）在风机的结构设计中，使电机完全裸露在气流流道中，提高电机的散热效果。
在工程实践中，我们进行了电机耐热性能的测试。按照列车运行间隔 180 秒进行高低速循环运行，即高速（工频 50Hz）运行 40 秒，低速（频率10Hz）运行140秒，连续运行2个月。从记录的电机轴承、绕组的温升数据可以看出（表 2），风机运行40小时后，电机轴承、绕组的温度升高约17℃后就趋于稳定状态，几乎不再上升。轴承温升远小于40℃的极限温升，绕组温升远小于 105℃的极限温升。在2个月的测试运行中，风机及控制系统运行正常，可见风机在高速档和低速档间的频繁切换，对电机来讲是安全的。
表2 电机轴承、绕组温度记录表
2.光电传感器的抗干扰性
光电传感器安装在车站端门外侧，受到周围温度、湿度、灰尘等环境条件的影响，同时列车通过时的振动、列车灯光、列车被探测区域颜色、材质等因素也可能影响传感器的灵敏度。通过在某地铁线安装的试验样机超过1年的运行，没有出现传感器误报或者探测不到列车信号的情况，说明光电传感器具有很好的抗干扰性。
3.可靠性的实际测试情况
对某地铁线安装的排热风机智能通风系统进行了持续跟踪，从安装使用至今，一直在不间断运行，整套设备控制精确、运行平稳，至今未发生任何故障。验证了智能通风系统的可靠性。
表3 排热风机两种控制方式下能耗对比表
（五）智能通风系统的节能效果
采用智能控制方式后，排热风机大部分时间是在 10Hz 低频下运行，根据电动机消耗功率与其转速的三次方成正比，降低转速运行时，可以节约大量的电能。以电机额定功率 45k W 的排热风机为例，采用智能控制方式需增加设备费用约 2.3 万元，表3是排热风机在两种控制方式下的能耗测试数据，采用智能控制方式后排热风机的节能效果显著，按每1k W?h电价为0.8元计算，最多1年就可以收回投资。
三、结论
智能控制方式能够满足地铁车站隧道通风系统的要求，并且运行可靠。与常规的分时段变频控制相比，节能效果显著。目前，该智能通风系统已在个别城市地铁应用，在地铁工程中应用该系统，仅排热风机一项就能获得可观的的节能减排收益。
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论文作者:胡立新
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/25
标签：风机论文; 通风系统论文; 热风机论文; 列车论文; 电机论文; 智能论文; 地铁论文; 《防护工程》2017年第15期论文;