保障型不間斷供冷系統(tǒng)設(shè)計

薛 根，韋國華

( 廣州大學(xué)城能源發(fā)展有限公司，廣州 510006 )

前言

隨著社會生產(chǎn)力的進(jìn)步，空調(diào)制冷在工業(yè)和商業(yè)中的應(yīng)用比例越來越大，有時到了必不可缺的地步。比如紡織、制藥的生產(chǎn)、精密儀器、儀表的制作和加工等，都需要保證生產(chǎn)和試驗場所的恒溫、恒濕環(huán)境。特別是大型數(shù)據(jù)計算中心的機(jī)房內(nèi)部更是要保證全年365天不間斷的恒溫、恒濕環(huán)境，如果機(jī)房空調(diào)失效，在短短幾十分鐘內(nèi)計算機(jī)就會因為超溫而癱瘓，經(jīng)濟(jì)損失和影響面也會非常巨大。所以保證這些商業(yè)、工業(yè)用戶的用冷需求是制冷行業(yè)新的挑戰(zhàn)。

本文中提出了一套保障型不間斷供冷系統(tǒng)設(shè)計。服務(wù)對象是“某數(shù)據(jù)中心”(以下簡稱“中心”)，系統(tǒng)利用已有的兩個區(qū)域供冷站(A冷站和B冷站)同時向“中心”供冷，雙冷源互為備用，并利用復(fù)雜的矩陣型管網(wǎng)實現(xiàn)多種方式的切換和配置，達(dá)到全年365天不間斷供冷的目的。

1 保障型供冷的要求

“中心”設(shè)計總冷負(fù)荷為4.2萬kW，其中1.1萬kW冷負(fù)荷為保障型不間斷供冷。冷凍水供、回水溫度為6.5℃、14℃。

表1 系統(tǒng)配置設(shè)備

系統(tǒng)設(shè)計負(fù)荷(萬kW)板換數(shù)量運行方式單機(jī)容量(萬kW)裝機(jī)總負(fù)荷(萬kW)一般用冷3.13#～12#,共10臺8用2備0.43.2保障用冷1.11#、2#、13#、14#,共4臺2用2備0.61.2

蓄冷罐 4個，160 m3/個，總計640 m3，蓄冷罐向保障型供冷區(qū)提供容災(zāi)釋冷供冷，提供30分鐘小于11℃的冷凍水源*。

A、B冷站的總裝機(jī)容量分別為8.7萬kW。由于A、B冷站每年都有1～2次的大修期，期間將停止供冷，所以在兩個冷站錯峰大修時期要實現(xiàn)單個冷站的獨立供冷；在某個冷站遇到機(jī)組故障供冷不足的情況下，系統(tǒng)自動或手動切換“中心”供冷設(shè)備的投運數(shù)量和投運方式；由于兩個冷站引入“中心”的管路很長，在遇到管路泄漏的情況下需要及時發(fā)現(xiàn)，并切斷供水或回水管路，同時在“中心”實現(xiàn)冷源的自動切換；在遇到某個冷站由于供電問題機(jī)組跳停時，應(yīng)及時通知“中心”實行冷源自動切換。

在“中心”內(nèi)部供冷系統(tǒng)遇到設(shè)備故障，如：板換器泄漏、閥門漏、管路漏、過濾器堵塞、板換堵塞、水泵或電機(jī)故障時，應(yīng)及時隔離故障部位，在不影響供冷的情況下進(jìn)行維修。

2 保障型供冷的實現(xiàn)及功能

保障型不間斷供冷系統(tǒng)見圖1。

2.1 冷站負(fù)荷調(diào)整依據(jù)

A、B冷站冷源供、回水溫度，供回水壓差是冷源供應(yīng)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，冷站必須確保供、回水溫度和壓差達(dá)標(biāo)，并以此作為冷站負(fù)荷調(diào)整依據(jù)。

2.2 運行數(shù)據(jù)分析

通過對每個板換器的溫度、差壓信號分析對比，判斷出當(dāng)前運行板換器的工況，是否泄露或堵塞，甚至判斷出板換器換熱效率是否下降。

如板換一次側(cè)回水溫度較其他板換器偏低或接近于一次側(cè)供水溫度時，判斷板換可能內(nèi)漏。表2列出了其他判斷條件。

表2 其他數(shù)據(jù)判斷

分析內(nèi)容參考數(shù)據(jù)比較結(jié)論一次側(cè)回水、二次側(cè)供水溫度一、二次側(cè)供回水壓差二次側(cè)供水壓力與已投運板換的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,再與其歷史數(shù)據(jù)比較太低有內(nèi)漏,太高可能有堵塞太低有內(nèi)漏,太高可能有堵塞太低水泵故障,或過濾器、逆止閥堵塞蓄冷罐內(nèi)部蓄水水位蓄冷罐出水總管溫度蓄冷罐內(nèi)部蓄水溫度冷站冷源供、回水壓力冷源供水流量和溫度 與設(shè)定值比較太低表示該蓄水罐有漏超過11℃,報警提示容災(zāi)釋冷不足。(見2.5)4個蓄水罐內(nèi)部水溫均低于10℃,轉(zhuǎn)為在線制冷模式1。(見2.5)突然下降并沒有恢復(fù)表明可能爆管,建議切換其他冷源供冷。波動較大,報警提示該處供冷質(zhì)量下降建議切換其他冷源供冷

板換換熱效率判斷：

根據(jù)板換壓差計算公式：

△P=2f(1/Dh)ρω2m(μf/μw)-0.17[1]

式中：

△P—壓差；

f—摩擦系數(shù)；

圖1 保障型不間斷供冷系統(tǒng)簡圖

Dh—特征長度；

ρ—密度；

ω —流速；

m—流程數(shù)；

μf—流體粘度；

μw—壁面粘度。

當(dāng)板換內(nèi)部堵塞、結(jié)垢時，會發(fā)生壓差增加、流速增加，換熱溫差變大的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致板換效率下降。在開啟相同板換數(shù)量的條件下，將一、二次側(cè)壓差信號、溫差信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析(與其他板換器對比，或與其歷史數(shù)據(jù)對比)，可判斷板換換熱效率是否降低，做出是否需要清洗的決定

2.3 冷源故障切換、負(fù)荷調(diào)配功能的舉例

工況一：A站、B站同時提供冷源供應(yīng)，A冷源帶3#～6#板換；B冷源帶9#～12#、13#、14#板換；1#、2#、7#、8#板換備用；啟動J1～J8、J13、J14水泵。如B站故障不能提供冷源，或B站冷源供水管爆管，系統(tǒng)在判斷故障后按照下面的進(jìn)程執(zhí)行：

(1)通知增加A站冷源負(fù)荷，增加供水流量；

(2)關(guān)閉M2、N2電動閥；

(3) 開啟P1、Q1電動閥。

工況二：A站、B站同時提供冷源供應(yīng)，A冷源帶3#～6#板換，B冷源帶13#、14#板換，1#、2#、7#～12#板換備用，啟動J1～J4、J13、J14水泵。這時，由于B冷源供水溫度或壓力波動太大，導(dǎo)致保障供冷側(cè)也波動較大，影響了制冷工況。切換供冷源：

(1)關(guān)閉S18、S19電動閥；

(2)開啟T1、T2電動閥

(3) 啟動J11、J12水泵；

(4) 停J13、J14水泵；

(5)關(guān)閉T13、T14電動閥。.

工況三：在夏季和冬季，“中心”用冷負(fù)荷會有變化，特別是非保障區(qū)的用冷負(fù)荷會有較大變化，這就需要重新配置投入板換器的數(shù)量，另外當(dāng)部分板換器由于檢修需要退出運行時，就需要更靈活的配置方法。A站、B站同時提供冷源供應(yīng)，A冷源帶5#～6#板換，B冷源帶11#～12#、13#、14#板換，1#、2#、3#～4#、7～10#板換備用，啟動J1～J4、J13、J14水泵。這時如果5#板換發(fā)生內(nèi)漏或者5#板換一次側(cè)供水手動閥漏需要檢修，此時A3、B3、A5、B5電動閥是關(guān)閉的，需要執(zhí)行如下操作：

(1)開啟T3、T4電動閥；

(2)關(guān)閉A2、B2電動閥。

(3)退出5#、6#板換運行，進(jìn)行檢修。

或者：

(1) 開啟T9、T10電動閥；

(2)開啟A5、B5電動閥；

(3) 關(guān)閉A4、B4電動閥；

(4) B站冷源逐漸增大供冷負(fù)荷；

(5) 關(guān)閉M1、N1電動閥，切斷A站冷源；

(6)關(guān)閉T5、T6電動閥。

2.4 保障性供冷區(qū)的調(diào)節(jié)

1#、2#、13#、14#板換器直接向末端供應(yīng)冷源，2用2備，由于末端設(shè)備的特殊要求，要求做到機(jī)房內(nèi)恒溫、恒濕，對板換的供冷負(fù)荷有較高要求。系統(tǒng)以每臺板換的二次側(cè)供水溫度為調(diào)節(jié)變量，通過調(diào)節(jié)閥L1、L2、L3、L4來控制一次側(cè)的冷凍水供水流量，再通過末端空調(diào)保持機(jī)房內(nèi)恒溫、恒濕。

2.5 蓄冷罐的運行方式

表3 蓄冷罐運行說明

模式說明VaVbVc模式1蓄冷罐在線供冷關(guān)關(guān)開模式2蓄冷罐容災(zāi)釋冷供冷關(guān)關(guān)開模式3蓄冷罐離線制冷,板換直接供冷開開關(guān)

(1)1#～4#蓄冷罐作為冷源中斷時的后備，正常時為在線運行模式1，二次側(cè)冷凍水經(jīng)過蓄冷罐后再向末端供冷。此時關(guān)閉Va、Vb電動閥，開啟Vc電動閥。

(2)當(dāng)A、B冷站冷源中斷，蓄冷罐進(jìn)入容災(zāi)釋冷供冷模式2。蓄冷罐能夠提供30分鐘≤11℃的冷凍水源。

(3)當(dāng)A、B冷站冷源回復(fù)，蓄冷罐容災(zāi)釋冷供冷結(jié)束，轉(zhuǎn)為離線制冷模式3。末端由板換器直接供冷。此時開啟Va、Vb電動閥，關(guān)閉Vc電動閥，蓄冷罐開始蓄冷。

(4)當(dāng)4個蓄冷罐內(nèi)的水溫均已下降到10℃以下時，蓄冷罐轉(zhuǎn)為在線制冷模式1，冷凍水經(jīng)過蓄冷罐后間接供冷**。

2.6 水泵故障隔離

如果水泵故障需要更換，則關(guān)閉前后手動閥即可實現(xiàn)隔離，如果手動閥關(guān)不嚴(yán)，還可通過S1～S17手動閥進(jìn)一步隔離。

2.7 投運板換數(shù)量的判斷邏輯

總換熱量=(A冷站冷源換熱量+B冷站冷源換熱量)·0.9

Q總=(G2·Cp·△T2+G3·Cp·△T3)·0.9

式中：

Q總—總換熱量；

G2、G3—A、B冷站冷源質(zhì)量流量；

Cp—水的比熱容；

△T2、△T3—A、B冷站冷源進(jìn)出口溫差。

保障型供冷用板換器的調(diào)節(jié)閥(L1～L4)為線性流量調(diào)節(jié)閥，設(shè)計供冷量為Q額定1

Q保障=∑Q額定1·FLn%；(n=1～4)

式中：

Q保障—保障型供冷用板換器的換熱量；

FLn—調(diào)節(jié)閥開度。

其他板換投入臺數(shù)為n，單臺板換器設(shè)計供冷量為Q額定2，則應(yīng)投入運行的板換臺數(shù)為：

n=(Q總-Q保障)/Q額定2，(n進(jìn)一法取整)

3 總結(jié)

系統(tǒng)冷源互為備用，管路采用矩陣布局，每個設(shè)備都能按需投入和切出，設(shè)備配置靈活，既滿足了冷負(fù)荷的配置需求，同時也為檢修提供了多種隔離手段，實現(xiàn)了長期不間斷的供冷任務(wù)。采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和故障報警，保證了故障設(shè)備能及時發(fā)現(xiàn)，也為高效能利用設(shè)備提供了數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

[1] 倪曉華，夏蕭淵.板式換熱器的換熱與壓降計算[J].流體機(jī)械，2002，30(3):22-25

(1) 鄧重秋，吳冬青，許新毅，李雙磊.廣州超級計算中心機(jī)房機(jī)電信息化總體設(shè)計.設(shè)計，施工說明(一)，2013，5

(2) 鄧重秋，吳冬青，許新毅，李雙磊.廣州超級計算中心機(jī)房機(jī)電信息化總體設(shè)計.L-1、2冷凍水流程圖，2013，5