數(shù)據(jù)中心離心式冷水機(jī)組喘振分析及防治

崔杰 魯思棋 劉薇 張雲(yún)欽 沈朱哲

中國農(nóng)業(yè)銀行數(shù)據(jù)中心，中國·北京 100095

1 引言

連續(xù)穩(wěn)定地將機(jī)房內(nèi)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到外部環(huán)境中是數(shù)據(jù)中心制冷空調(diào)系統(tǒng)的主要任務(wù)，可靠的制冷系統(tǒng)有助于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部各系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

離心式冷水機(jī)組具有制冷量大、占地面積小、能耗低、等優(yōu)點(diǎn)，比活塞式和螺桿式的性能系數(shù)更高[1]，是大型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)經(jīng)常采用的冷水機(jī)類型[2]，機(jī)組的主要部件為離心式制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、制冷劑、制冷劑系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

其中，圖1為數(shù)據(jù)中心常采用的冷凍水空調(diào)系統(tǒng)簡圖。

圖1 冷凍水空調(diào)系統(tǒng)簡圖

2 離心式水冷機(jī)組喘振現(xiàn)象

喘振作為離心式冷水機(jī)組固有的特性，在實(shí)際運(yùn)行中，離心式壓縮機(jī)會在負(fù)荷過低或冷凝壓力過高時(shí)發(fā)生喘振現(xiàn)象，喘振發(fā)生時(shí)，壓縮機(jī)性能迅速惡化，導(dǎo)致整個(gè)水冷機(jī)組的制冷效率降低。

2.1 喘振現(xiàn)象內(nèi)在機(jī)理

圖2（a）為實(shí)際工況時(shí)，離心壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速ni下出入口壓縮比隨流量Q變化曲線。在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，曲線最高點(diǎn)C稱作喘振點(diǎn)，也是壓縮機(jī)揚(yáng)程H隨流量Q變化下性能曲線的最高點(diǎn)，見圖2（b）。當(dāng)機(jī)組在B點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，而冷凝器不能被及時(shí)冷卻時(shí)，為了向外界排放更多的熱量，需要壓縮機(jī)出口的制冷工質(zhì)溫度更高，壓力更大，使工作點(diǎn)由B點(diǎn)向C點(diǎn)靠近。當(dāng)負(fù)荷持續(xù)增加導(dǎo)致工質(zhì)流量Q＜QC時(shí)，工作點(diǎn)會從C點(diǎn)跳到D點(diǎn)，壓縮機(jī)出口壓力變?yōu)镻D，而冷凝器的壓力仍為PC，導(dǎo)致壓力差大于壓縮機(jī)的揚(yáng)程，工質(zhì)倒流，喘振現(xiàn)象發(fā)生，冷凝器壓力下降，直至其壓力與壓縮機(jī)出口壓力相等，回到工作點(diǎn)A，由于負(fù)荷依然存在，又會到達(dá)工作點(diǎn)B，如此整個(gè)機(jī)組周期性的反復(fù)喘振現(xiàn)象發(fā)生。

圖2 離心式壓縮機(jī)變化圖

2.2 喘振危害

在數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)營初期，IT設(shè)備負(fù)載較低，此時(shí)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)處于低負(fù)載運(yùn)行，易發(fā)生喘振現(xiàn)象[3]。機(jī)組喘振發(fā)生時(shí)的危害主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

①運(yùn)行時(shí)機(jī)組將伴隨著劇烈的電壓、電流波動，機(jī)組無法正常運(yùn)行。

②在工質(zhì)對葉片的連續(xù)沖擊下，葉輪應(yīng)力增加，加劇軸承磨損，損壞機(jī)組部件。

③壓力、流量的波動造成系統(tǒng)內(nèi)儀器、儀表的損壞。

④巨大噪聲影響現(xiàn)場運(yùn)維人員的正常工作。

3 喘振的原因與預(yù)防

3.1 喘振的原因

離心式冷水機(jī)組發(fā)生喘振的主要原因是冷凝壓力過高或吸氣壓力過低，導(dǎo)致冷凝壓力過高或吸氣壓力過低的外在原因主要包括以下四方面。

3.1.1 冷水機(jī)組選型原因

冷水機(jī)組選型偏大，前期IT設(shè)備投產(chǎn)前期，最低負(fù)荷與最小單機(jī)冷量不匹配。

3.1.2 冷凝器原因

對于水冷型冷水機(jī)組：

①冷卻水流量不足。

②冷凝器結(jié)垢，導(dǎo)致小溫差偏大。

③冷卻塔散熱性能差，且室外環(huán)境潮濕、炎熱。

對于風(fēng)冷型冷水機(jī)組：

①冷凝器散熱空氣流量不足。

②冷凝器結(jié)垢，導(dǎo)致小溫差偏大。

③冷凝器散熱性能差，且室外環(huán)境炎熱。

3.1.3 蒸發(fā)器原因

①冷凍水流量不足。

②冷凍水出水溫度設(shè)置偏低。

③蒸發(fā)器結(jié)垢，導(dǎo)致小溫差偏大。

3.1.4 制冷劑原因

①制冷劑泄露或添加量不足。

②制冷劑中含油較多。

3.2 喘振的預(yù)防

對于數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，需在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)維管理階段針對喘振現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)防。

3.2.1 設(shè)計(jì)階段

①機(jī)組設(shè)計(jì)選型時(shí)，嚴(yán)格地進(jìn)行冷熱負(fù)荷計(jì)算，預(yù)估數(shù)據(jù)中心運(yùn)行前期最小的系統(tǒng)負(fù)載。在設(shè)備選型中，壓縮機(jī)可以卸載以滿足最小負(fù)載而不會出現(xiàn)喘振，如前期負(fù)載較小，可采用大小冷機(jī)搭配策略，或配備適當(dāng)數(shù)量的螺桿式冷水機(jī)組。

②可按照比設(shè)計(jì)條件更高的冷卻水溫配置冷凝器，即冷凝器型號可偏大，雖然這會稍微降低設(shè)計(jì)效率，但它可確保在異常炎熱的天氣中避免喘振的發(fā)生。

③合理地選擇冷卻塔和冷卻水泵，根據(jù)預(yù)期的最高環(huán)境濕球條件選擇冷卻塔，并在冷卻水泵選擇中保證足夠的揚(yáng)程，以確保冷卻水流量滿足冷水機(jī)組的要求。

3.2.2 運(yùn)維管理階段

①結(jié)合運(yùn)維最佳實(shí)踐，設(shè)置合理的冷源控制邏輯，如同時(shí)開啟多臺冷卻塔，避免冷卻流量不足。

②低負(fù)載時(shí)，在確保末端空調(diào)提供足夠冷量的基礎(chǔ)上提高冷凍水供水溫度設(shè)定值。在允許的條件下，降低冷卻水溫度設(shè)定值。

③重視對冷機(jī)、冷卻塔等系統(tǒng)的維護(hù)，定期開展水質(zhì)監(jiān)測、水質(zhì)加藥處理以及冷卻塔、冷凝器清洗服務(wù)，保障機(jī)組小溫差在允許的范圍，同時(shí)保證冷卻塔保持較高的換熱效率。

④結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)和配置，從系統(tǒng)層面尋找防止喘振的最佳實(shí)踐。

4 實(shí)際運(yùn)行中喘振控制的最佳實(shí)踐舉例

某數(shù)據(jù)中心離心機(jī)組安裝完成后，末端空調(diào)設(shè)備及相應(yīng)的假負(fù)載還未完成安裝，末端冷凍水路不通，冷機(jī)無法調(diào)試，即使通過分集水器進(jìn)行冷凍水旁通，也僅僅使冷機(jī)能夠開機(jī)運(yùn)行，缺少熱負(fù)荷，或者熱負(fù)荷過小，無法達(dá)到冷機(jī)下限負(fù)荷，此時(shí)啟用冷機(jī)會發(fā)生喘振。在實(shí)際運(yùn)行中，可使用圖3所示方法對冷機(jī)進(jìn)行無負(fù)荷調(diào)試，該方法利用板式換熱器將冷機(jī)冷凝器的熱量傳至蒸發(fā)器，帶走蒸發(fā)器側(cè)的冷量，從而使冷機(jī)冷量與熱負(fù)荷相匹配。具體調(diào)試步驟為：

圖3 板式換熱器充當(dāng)假負(fù)載進(jìn)行冷機(jī)無負(fù)荷調(diào)試簡圖

①開啟分集水器中的旁通閥門，在末端空調(diào)沒有安裝的情況下，確保水路暢通形成循環(huán)。

②將冷凍水側(cè)冷機(jī)和板換得閥門全開，確保冷機(jī)和板換水路暢通，冷機(jī)制取的冷水和板換充分換熱，正常開啟冷凍水泵，手動調(diào)整頻率為45Hz以上，并確保水路循環(huán)正常。

③將冷機(jī)冷卻水閥門全開，板換冷卻水側(cè)閥門部分開啟，開啟冷卻水泵，確保水路循環(huán)正常，調(diào)整水泵頻率為41～45Hz，先不開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)。

④冷凍水和冷卻水正常情況下，開啟冷機(jī)，進(jìn)行單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)。

⑤冷機(jī)冷卻水溫開始升高，冷凍水開始降溫。

⑥將板式換熱器閥門的開度在25%～100%進(jìn)行調(diào)整，改變其換熱能力。

⑦根據(jù)冷卻水水溫情況部分開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)，以帶走壓縮機(jī)軸功率為準(zhǔn)。

5 結(jié)語

論文針對數(shù)據(jù)中心常采用的離心式水冷機(jī)組的喘振現(xiàn)象進(jìn)行探討，深入分析喘振的內(nèi)在機(jī)理和危害，介紹了造成機(jī)組喘振現(xiàn)象的原因，分別從設(shè)計(jì)和運(yùn)維角度給出喘震預(yù)防的建議，結(jié)合實(shí)際案例，提出了數(shù)據(jù)中心運(yùn)行調(diào)試階段喘振的解決方法，為設(shè)計(jì)和運(yùn)維提供參考。