雙空調(diào)冷卻水系統(tǒng)共用冷卻塔案例及其分析

楊小之，邵正忠

（中國電信股份有限公司 南京分公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

某數(shù)據(jù)中心地上15層、地下2層，機樓制冷結(jié)構(gòu)為水冷機組配末端水冷空調(diào)[1]。數(shù)據(jù)中心共有12組水冷機組，放置于負(fù)1樓與負(fù)2樓。冷卻塔放置于13樓樓頂外平臺與15樓樓頂平臺，水冷機組冷卻管路完全獨立，每組水冷機組對應(yīng)一組冷卻塔。早期機房集中于11樓及以下樓層，冷凍水管的最頂部位于11樓，此時冷凍水循環(huán)系統(tǒng)集水器壓力為0.85～0.9 MPa，系統(tǒng)設(shè)計額定壓力為1.0 MPa。后期14樓機房投用，冷凍水循環(huán)高度增加13.5 m，機樓單層高度4.5 m，冷凍水循環(huán)系統(tǒng)出水壓力升至0.95 MPa以上，接近系統(tǒng)設(shè)定壓力上限[2]。為了降低系統(tǒng)壓力，在14樓業(yè)務(wù)機房建設(shè)獨立空調(diào)系統(tǒng)，使冷凍水系統(tǒng)揚程降低至原高度[3]。

1 設(shè)計方案

14樓獨立空調(diào)系統(tǒng)初始設(shè)計方案中，末端為帶壓縮機的機房精密空調(diào)，冷卻系統(tǒng)為殼管換熱器加冷卻塔的形式[4,5]。考慮該機樓已經(jīng)存在較多冷卻塔，因此將新建系統(tǒng)管路接入已有冷卻塔，形成雙循環(huán)水路共用冷卻塔的模式，如圖1所示。

圖1 雙循環(huán)水路共用冷卻塔模式

原空調(diào)系統(tǒng)冷卻水泵CWP-A1位于負(fù)1樓、CWP-A2位于負(fù)2樓，水冷機組CH-A1位于負(fù)1樓、CH-A2位于負(fù)2樓，冷卻塔CT-A1位于13樓樓頂外平臺、CT-A2位于15樓樓頂平臺，新建空調(diào)系統(tǒng)殼管換熱器HX-B1、HX-B2以及殼管對應(yīng)水泵CWP-B1、CWP-B2均位于13樓樓頂外平臺。其中，HX-B1、HX-B2均為多個殼管換熱器并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并非單個殼管換熱器，殼管換熱器與機房精密空調(diào)壓縮機一一對應(yīng)。

新建空調(diào)系統(tǒng)冷卻部分為雙路由在線互備結(jié)構(gòu)，具備兩個循環(huán)管路。由于夏季冷卻塔需求量大，該模型無法保障時刻存在獨立冷卻塔供新建空調(diào)系統(tǒng)使用，因此必須考慮在原有冷卻水循環(huán)系統(tǒng)與新建空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時在線且共用一組冷卻塔的特殊情況下，系統(tǒng)是否仍可正常運行。

2 單系統(tǒng)獨立運行測試

在管路改造完成后，對原有水冷機組冷卻系統(tǒng)和新建殼管式換熱器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進行單獨運行實驗，確保4個冷卻系統(tǒng)均可獨立正常運行。當(dāng)水泵在不同頻率下運行時，冷卻塔塔頂分水器液位變化如圖2所示。其中機組水泵的額定功率為90 kW，殼管水泵的額定功率為30 kW。

圖2 水泵在不同頻率下運行時冷卻塔塔頂分水器液位變化

需要注意的是，文中所述的冷卻塔液位均為冷卻塔塔頂分水器液位，該參數(shù)能直觀反應(yīng)冷卻塔需要處理的冷卻水水量。冷卻塔塔頂分水器水槽邊緣高度為250 mm。

3 雙系統(tǒng)聯(lián)合運行測試

3.1 測試過程

開展雙水泵在頻率為35 Hz、40 Hz、45 Hz以及50 Hz共用冷卻塔的非帶載測試，共建立4種運行模式。雙冷卻水系統(tǒng)共用冷卻塔模式中的設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 雙冷卻水系統(tǒng)共用冷卻塔模式中的設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)

不同的雙冷卻水循環(huán)系統(tǒng)共用冷卻塔情形如圖3（a）、圖3（b）所示。

圖3 不同的雙冷卻水循環(huán)系統(tǒng)共用冷卻塔情形

3.1.1 模式1

根據(jù)圖3（a），位于負(fù)1樓的機組水泵CWP-A1正常運行，冷卻塔CT-A1位于13樓樓頂外平面，此時需要開啟與冷卻塔同樓層的殼管水泵

CWP-B1。當(dāng)CWP-A1已經(jīng)運行時，CWP-B1無法開啟，調(diào)節(jié)CWP-A1的運行頻率，相應(yīng)地改變泵CWP-B1的啟動頻率，泵CWP-B1始終無法開啟。

3.1.2 模式2

根據(jù)圖3（a），位于13樓樓頂外平面的CWP-B1正常運行，此時需要開啟位于負(fù)1樓的CWP-A1。經(jīng)過實際操作，發(fā)現(xiàn)CWP-A1能正常開啟，但運行一段時間后CWP-B1有可能出現(xiàn)異響和停機情況。該模式下的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。由于13層冷卻塔對應(yīng)冷卻系統(tǒng)無流量監(jiān)測裝置，因此無法得知其具體數(shù)據(jù)。冷卻塔塔頂分水器水槽邊緣高度為250 mm，當(dāng)冷卻塔液位超過250 mm時會有液體流出，記為溢水。

表2 運行模式2的實驗數(shù)據(jù)

3.1.3 模式3

根據(jù)圖3（b），位于負(fù)2樓的機組水泵CWP-A2正常運行，冷卻塔CT-A2位于15樓樓頂平面，此時需要開啟位于13樓樓頂外平面的殼管水泵CWP-B2。在水泵設(shè)定不同頻率的情況下，雙水路系統(tǒng)均能同時正常運行。運行模式3的實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 運行模式3的實驗數(shù)據(jù)

3.1.4 模式4

根據(jù)圖3（b），位于13樓樓頂外平面的CWP-B2已正常運行，此時需要開啟位于負(fù)二樓的機組冷卻水泵CWP-A2。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CWP-A2能正常開啟，但CWP-A2運行后，CWP-B2很快發(fā)生異響并停止運行，水泵頻率的改變不影響實驗結(jié)果。

3.2 測試結(jié)果

3.2.1 水泵運行情況

測試機組水泵與殼管水泵同時運行的實驗結(jié)果如表4所示。

表4 測試機組水泵與殼管水泵同時運行的實驗結(jié)果

3.2.2 冷卻塔運行情況

在雙泵同時運行實驗過程中發(fā)現(xiàn)，水泵高頻運行情況下，冷卻塔會出現(xiàn)頂部溢水情況。機組水泵與殼管水泵同時運行時不同頻率下的冷卻塔液位如圖4所示。

圖4 機組水泵與殼管水泵同時運行時不同頻率下的冷卻塔液位

當(dāng)機組水泵與殼管水泵均高頻運行時，分水器內(nèi)將完全被水灌滿，此時冷卻塔液位高度為分水器水槽邊緣高度，并出現(xiàn)如圖5所示的邊緣溢水情況。溢水不僅會造成水資源浪費，而且同時長時間溢水還會引發(fā)積水、漏水等情況，必須對該情況進行分析論證。

圖5 冷卻塔邊緣溢水變化情況

整合兩個系統(tǒng)各自單獨運行和同時運行測得的數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 水泵在不同頻率運行時的冷卻塔液位

由圖6可知，水泵同時運行時冷卻塔實際液位值并不等于兩組水泵獨立運行時冷卻塔液位數(shù)值簡單的疊加，實際冷卻塔處理的水流量大于理論疊加值。

3.3 結(jié)果分析

從上述實驗中可以發(fā)現(xiàn)，雙冷卻水循環(huán)系統(tǒng)能否同時正常運行與多個因素有關(guān)。13樓殼管水泵與冷卻塔處于平層，當(dāng)負(fù)1樓機組水泵開啟后，殼管水泵進水側(cè)管路中的水很容易被抽離，導(dǎo)致圖3中B段管路水流量過小，水泵產(chǎn)生負(fù)壓，水泵葉輪產(chǎn)生“氣蝕”現(xiàn)象，殼管水泵無法啟動[6]。15樓水泵測試結(jié)論原理與14樓相同，當(dāng)負(fù)二樓水泵啟動后會瞬間降低13樓殼管水泵進水側(cè)B管路水流量，導(dǎo)致殼管水泵停轉(zhuǎn)。但由于冷卻塔與殼管水泵的落差關(guān)系，當(dāng)機組水泵運行平穩(wěn)后，殼管水泵進水側(cè)管路水流量不會過低，此時再啟動殼管水泵，雙水循環(huán)能同時運行。

4 結(jié) 論

通過實驗及結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)水循環(huán)系統(tǒng)的運行狀態(tài)復(fù)雜度與不確定性遠超理論計算，該數(shù)據(jù)中心最終未采納雙循環(huán)水路共用冷卻塔結(jié)構(gòu)，選擇為新建空調(diào)系統(tǒng)增加冷卻塔，實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的獨立運行，并達到降低冷凍水系統(tǒng)壓力的目的。通過對多個水循環(huán)系統(tǒng)共用同一組冷卻塔的研究，給相關(guān)建設(shè)和改造提供了一定的支持，未來需要繼續(xù)深入探討。