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        城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)研究

        2022-07-26 07:54:02
        今日自動化 2022年6期
        關(guān)鍵詞:軌道交通能耗管理系統(tǒng)

        董 哲

        (中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司,天津 300250)

        城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)的研究,是針對城市軌道交通項目特點展開的。作為公眾交通服務(wù)項目,其建設(shè)規(guī)模大,投資高,并且運(yùn)營成本多,能源消耗大。伴隨我國全社會用電量平穩(wěn)增長,我國的能源消耗總量排名世界第二,但人均能源占有量僅為世界平均水平的40 %。尤其在“雙碳”政策背景下,節(jié)能減排已成為我國能源管理的必然趨勢?;诖?,加大對城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)研究力度,響應(yīng)政府“雙碳”政策,制訂完善的節(jié)能減排戰(zhàn)略計劃,為城市軌道交通智能能源高效利用與科學(xué)管理奠定了基礎(chǔ)。

        1 研究背景與意義

        《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》指出:加快推進(jìn)綠色低碳發(fā)展,交通領(lǐng)域二氧化碳排放盡早達(dá)峰的要求。北京城市副中心站綜合交通樞紐是《北京城市總體規(guī)劃(2016年—2035年)》中明確的10個全國客運(yùn)樞紐之一,既是京唐城際近期工程始發(fā)終到站,也是城際鐵路聯(lián)絡(luò)線及其他多條城市軌道交通集中換乘站點,樞紐全日單向客流集散規(guī)模達(dá)到47.1萬人次,軌道交通全日客流量為22.5萬人次,作為用能大戶,綜合交通樞紐(以下簡稱“樞紐”)如何更好地踐行綠色發(fā)展社會責(zé)任,在綠色低碳發(fā)展中起到示范引領(lǐng)作用,是能源管理多年來一直探索前行的方向。

        結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、大數(shù)據(jù)分析及可視化管理等技術(shù),通過節(jié)能平臺統(tǒng)一集成能源消耗、設(shè)備運(yùn)行以及環(huán)境等數(shù)據(jù),綜合判定樞紐用電合理性。對耗能進(jìn)行指標(biāo)化管理,并進(jìn)行節(jié)能分析,實現(xiàn)從“能耗監(jiān)測系統(tǒng)”向“輔助降耗系統(tǒng)”的轉(zhuǎn)變。

        2 淺析城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)

        城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)的主體是監(jiān)測、分析以及記錄交通運(yùn)營能耗,軌道交通能耗類型比較多,水能、燃油、冷量、電能等均在監(jiān)測之列。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù),對城市軌道交通能耗情況有所了解。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與能耗變化情況,聯(lián)系軌道交通正常運(yùn)行與發(fā)展需求,及時制訂節(jié)能降耗計劃,為城市軌道交通能源有效管理提供依據(jù)。城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用,在很大程度上降低城市軌道交通運(yùn)行與能源成本,充分利用城市軌道交通能源,科學(xué)抑制交通能源管理中的浪費(fèi)現(xiàn)象,提高城市軌道交通能源管理水平。城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化,借助在線計量能源、能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、節(jié)能控制、監(jiān)測能源質(zhì)量等技術(shù),客觀分析城市軌道交通能源節(jié)能潛力,科學(xué)管理能耗數(shù)據(jù),及時驗證能源降耗效果。目前城市軌道交通能源管理系統(tǒng),包括能耗定額、能耗監(jiān)督、能耗控制、能耗考核等。

        3 城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)研究必要性

        城市軌道交通消耗能源體量巨大,前端采集的海量數(shù)據(jù)很難通過人工方式分析其合理性;設(shè)備系統(tǒng)類型多、方案復(fù)雜、運(yùn)行模式復(fù)雜,很難判斷設(shè)備運(yùn)行狀況是否在最佳節(jié)能工況等。目前運(yùn)營單位能源管理系統(tǒng)在節(jié)能管理方面存在以下問題。

        3.1 缺少科學(xué)的指標(biāo)評估功能

        城市軌道交通運(yùn)營后,隨設(shè)備運(yùn)營期增加,自控系統(tǒng)故障或設(shè)備維護(hù)原因造成設(shè)備能效降低。內(nèi)部耗能設(shè)備極其復(fù)雜,很難對耗能狀態(tài)合理性進(jìn)行直觀的分析。通過綜合交通樞紐節(jié)能降碳分析平臺(以下簡稱“節(jié)能平臺”)提供的大數(shù)據(jù)分析功能,及時掌握樞紐各類能耗指標(biāo),綜合判斷用城市軌道交通能消耗是否在合理指標(biāo)范圍內(nèi)。

        3.2 用能異常情況很難在第一時間發(fā)覺

        如果設(shè)備能源消耗在不正常區(qū)間,往往伴隨設(shè)備故障、帶病運(yùn)行等情況。通過節(jié)能平臺內(nèi)置專家分析規(guī)則庫能夠及時對異常能耗進(jìn)行預(yù)警,節(jié)約能耗的同時提高設(shè)備運(yùn)行效率。

        3.3 能源數(shù)據(jù)分析,缺少多維度數(shù)據(jù)

        傳統(tǒng)能耗統(tǒng)計方式,因數(shù)據(jù)量大,統(tǒng)計工作復(fù)雜,往往不重視過程數(shù)據(jù)分析。通過節(jié)能平臺能夠?qū)崿F(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的全過程管理,形成歷史能源消耗統(tǒng)計曲線。同時可與環(huán)境、客流、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性分析,打破以往數(shù)據(jù)壁壘,充分挖掘節(jié)能潛力。

        3.4 缺少碳排放監(jiān)督功能

        樞紐采取多項節(jié)能措施,對于降碳是否達(dá)標(biāo)及是否存在降碳空間無法進(jìn)行量化及考核。

        4 城市軌道交通智能能源管理系統(tǒng)研究關(guān)鍵點

        4.1 多維數(shù)據(jù)分析輔助節(jié)能運(yùn)行控制研究

        城市軌道交通內(nèi)高耗能機(jī)電設(shè)備眾多,且均設(shè)置低壓控制設(shè)備,按照節(jié)能模式聯(lián)動運(yùn)行。對于部分不易進(jìn)行評估的指標(biāo),能源管理平臺通過與機(jī)電設(shè)備進(jìn)行對接,實時監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),分析節(jié)能策略執(zhí)行情況,防止因人為操作失誤或設(shè)備執(zhí)行錯誤造成能源浪費(fèi)。

        4.2 能耗數(shù)據(jù)指標(biāo)化方案研究

        能效指標(biāo)是反映城市軌道交通能耗水平及節(jié)能執(zhí)行情況的重要依據(jù),通過能源管理平臺獲取的設(shè)備運(yùn)行屬于及前端傳感器數(shù)據(jù),能夠?qū)崟r計算出能效指標(biāo)。指標(biāo)應(yīng)采取分層設(shè)置方案,包含城市軌道交通綜合能效指標(biāo)、系統(tǒng)能效指標(biāo)、子系統(tǒng)能效指標(biāo)以及設(shè)備能效指標(biāo)。

        4.3 能耗趨勢分析方案研究

        通過節(jié)能平臺對能耗趨勢進(jìn)行實時監(jiān)督,量化節(jié)能指標(biāo)。通過對能耗數(shù)據(jù)的不斷積累,結(jié)合設(shè)備運(yùn)行情況及時發(fā)現(xiàn)節(jié)能空間。運(yùn)用可視化技術(shù),融合數(shù)據(jù)集成、可視化與實時交互為一體,將圖形與實時數(shù)據(jù)流進(jìn)行統(tǒng)一整合,實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與圖形信息的聯(lián)動。

        4.4 能耗分析規(guī)則及決策方案研究

        打通系統(tǒng)內(nèi)各個功能模塊,精準(zhǔn)識別各類高耗能場景,設(shè)置適合樞紐重點機(jī)電設(shè)備的分析規(guī)則,實現(xiàn)精準(zhǔn)告警。

        4.5 降碳分析研究

        科學(xué)預(yù)測計算城市軌道交通運(yùn)行期碳排放量,制定城市軌道交通年度、月度碳排放計劃,分析制定降碳目標(biāo)和降碳策略,并對降碳工作進(jìn)行績效評價。

        5 城市軌道交通能源系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

        5.1 對城市軌道交通能源系統(tǒng)準(zhǔn)確定位

        城市軌道交通能源系統(tǒng)研究中,根據(jù)上述多方面的分析,及時積累應(yīng)用經(jīng)驗,對城市軌道交通能源系統(tǒng)準(zhǔn)確定位,在此基礎(chǔ)上,精準(zhǔn)優(yōu)化系統(tǒng)。城市軌道交通能源系統(tǒng)的應(yīng)用,監(jiān)測能源消耗是主要目的,消耗的核心為電能,其次涉及水、氣消耗,打造更完整、多功能的軌道交通能源管理系統(tǒng),準(zhǔn)確定位的同時,充分發(fā)揮出城市軌道交通能源系統(tǒng)的節(jié)能管理作用。特別是節(jié)能反饋控制方面,搭配能源管理系統(tǒng)中的管理功能,對城市軌道運(yùn)行期間的各種機(jī)電設(shè)備等進(jìn)行監(jiān)督控制,并且展開節(jié)能化調(diào)控,以此為城市軌道交通能源系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

        5.2 城市軌道交通能源系統(tǒng)智慧化設(shè)計

        城市軌道交通能源系統(tǒng)智能化設(shè)計內(nèi)容眾多,此次研究主要以機(jī)電系統(tǒng)為中心展開,具體涉及以下幾方面。

        5.2.1 風(fēng)水智能控制系統(tǒng)的能源管控

        系統(tǒng)功能為完成車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)水的協(xié)調(diào)耦合控制,將通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備處在高效區(qū),降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。圖1為風(fēng)水控制系統(tǒng)運(yùn)行能耗梳理圖。結(jié)合圖1了解風(fēng)水智能控制系統(tǒng)因素關(guān)系。

        圖1 風(fēng)水控制系統(tǒng)運(yùn)行能耗梳理圖

        機(jī)電能源管控及運(yùn)維系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信可與控制層進(jìn)行連接,負(fù)責(zé)整個受控通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(大系統(tǒng)和水系統(tǒng))的集中監(jiān)視、控制和管理,并完成車站兩端通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)、小系統(tǒng)與水系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制。能源管控系統(tǒng)的優(yōu)化,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計包括智慧運(yùn)維系統(tǒng)服務(wù)器、節(jié)能優(yōu)化控制柜、云能效、移動運(yùn)維、AI大屏展示、以太網(wǎng)總線、冷源機(jī)房節(jié)能控制柜、多端大系統(tǒng)節(jié)能控制柜等??刂葡到y(tǒng)中的水系統(tǒng),2臺冷水主機(jī),2臺冷凍水泵,2臺冷卻水泵,2臺冷卻塔,8 個電動蝶閥,1 個壓差旁通閥12 個溫度傳感器,1個壓差傳感器,2個流量計,1個室外溫濕度傳感器。具體實施方案見圖2。

        圖2 水系統(tǒng)冷源機(jī)房節(jié)能控制柜能源控制圖

        控制系統(tǒng)的大系統(tǒng)包括2臺組合式空調(diào),2臺回排風(fēng)機(jī),2個表冷器比例積分閥,10組電動風(fēng)閥16個溫濕度傳感器,4個水溫傳感器,4個壓力傳感器,8個CO2傳感器。圖3為大系統(tǒng)節(jié)能控制柜能源控制圖。

        圖3 大系統(tǒng)節(jié)能控制柜能源控制圖

        節(jié)能控制優(yōu)化方案:優(yōu)化冷凍水溫;部分負(fù)荷下,適當(dāng)提高冷凍水溫,提高主機(jī)COP;末端選型優(yōu)化,適應(yīng)冷凍水變溫供水;風(fēng)水聯(lián)動控制,保證用冷需求同時能耗最低。盡量降低冷卻水溫,提高主機(jī)COP;冷卻塔選型優(yōu)化,降低冷卻水逼近度;智能尋優(yōu)控制,用最小功率獲得較低冷卻水溫。風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能控制技術(shù)消除了空調(diào)控制的孤島,根據(jù)空調(diào)運(yùn)行狀況預(yù)測負(fù)荷變化趨勢,并同步調(diào)節(jié)空調(diào)末端的風(fēng)量、冷源系統(tǒng)的冷凍水流量及冷水機(jī)組的負(fù)荷,降低系統(tǒng)的綜合能耗,減小系統(tǒng)的控制波動。

        5.2.2 智能照明系統(tǒng)的能源管控

        智能照明控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的智能總線控制管理系統(tǒng),可實現(xiàn)對公共區(qū)域照明的智能控制和集中管理;具有靈活多樣的控制模式,如集中監(jiān)控,現(xiàn)場控制、定時控制、調(diào)光控制和場景控制等。系統(tǒng)架構(gòu)如下:

        (1)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備:系統(tǒng)電源、網(wǎng)關(guān)、總線、各種接口模塊等。

        (2)輸入設(shè)備:可編程的多功能(開/關(guān)、調(diào)光等)輸入開關(guān)、各種型式及多功能的控制板、各種功能傳感器。

        (3)輸出設(shè)備:各種型號的繼電器、調(diào)光模塊等。

        在高架車站公共區(qū)照明配電箱內(nèi)設(shè)置調(diào)光模塊(或開關(guān)模塊),在站廳、站臺及室外適當(dāng)位置設(shè)置光線感應(yīng)器,根據(jù)需求在照明配電室設(shè)置操作面板,通過總線接入智慧運(yùn)維系統(tǒng)。

        5.2.3 智能監(jiān)測儀表的能源管控

        隨著GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的實施,消防給水系統(tǒng)設(shè)置自動啟泵功能,若管道破損或栓口漏水會導(dǎo)致消防水泵的誤啟動,進(jìn)一步加大管道漏損量,并威脅整個管道系統(tǒng)的安全性,對于區(qū)間管道,更是影響行車安全,及時有效監(jiān)測區(qū)間消防管網(wǎng)壓力。機(jī)電智慧運(yùn)維平臺通過BAS 負(fù)責(zé)整個儀表的數(shù)據(jù)采集及分析,提供區(qū)間消防管網(wǎng)故障報警信息。設(shè)置壓力傳感器+水流指示器的方式,確定漏損管段,通過BAS 系統(tǒng)發(fā)送報警信號至車控室,由管理人員遠(yuǎn)程停止水泵或關(guān)斷水管閥門等緊急操作。

        6 結(jié)束語

        通過對城市軌道交通智能能源系統(tǒng)的研究可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)代化城市交通發(fā)展下,智能化水平明顯提高。將智能化技術(shù)與能源控制結(jié)合,制定更完善的節(jié)能降耗方案,有效改善城市軌道交通智能能源消耗大的難點,科學(xué)應(yīng)對能源管理高要求。不僅如此,以智能能源系統(tǒng),提高城市軌道交通能源管理信息化水平,明確能源管控關(guān)鍵點,在此基礎(chǔ)上,取得理想的能源管控效果,充分發(fā)揮出能源在城市軌道交通中的效能。

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