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变频冷机在超低负载下如何安全又节能运行?

来源:机房360 作者:DJ编辑 更新时间:2018/9/19 15:24:52

摘要:使用变频冷机是为了节能,节能的前提是“冷机处于非满载工况下运行”。但如果当冷机负载太低(低于30%以下),冷机不仅无法有效节能,甚至不能正常工作——此时冷机会反复出现剧烈的机组“喘振”现象,“喘振”次数多了,冷机会因自我保护而停机。

  使用变频冷机是为了节能,节能的前提是“冷机处于非满载工况下运行”。但如果当冷机负载太低(低于30%以下),冷机不仅无法有效节能,甚至不能正常工作——此时冷机会反复出现剧烈的机组“喘振”现象,“喘振”次数多了,冷机会因自我保护而停机。

  本篇将为您解析腾讯数据中心的工程师是如何解决这个问题的。

  喘振是怎么回事?

  对于离心式冷机来说,压缩机是一个高速旋转的“气泵”。内部结构和离心水泵相似。当压缩机工作时,蒸发器中的冷媒被高速旋转的叶轮吸收后,在叶轮旋转过程中,提升压力和流速,最后从压缩机出口处到达冷凝器中。冷媒在“气泵”前后的压差,我们称为“压头”。原理和水泵增压一样。

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图1喘振原理

  冷媒刚离开压缩机叶轮时,全压是最高的,此后,流向压力稍低的冷凝器中。假设此时压缩机叶轮转速忽然降低(或者是冷凝器中的压力忽然升高),这时,冷凝器中的压力就比压缩机叶轮出口的压力要高了,那会发生什么样的问题呢?——气体制冷剂从冷凝器倒流,经过压缩机叶轮与壳体的缝隙,回流到蒸发器。这就是“喘振”!

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图2喘振发生时冷媒流向示意图

  当制冷剂流回到蒸发器之后,冷凝压力下降,蒸发压力上升,压差减小,压缩机开始再次按正确方向工作。但是,随着冷凝压力的升高,蒸发压力下降,机组将再次开始“喘振”!

  喘振有哪些危害?

  喘振发生时,机组会发出一种剧烈的“嘶叫”声——“嘠!!!”,尖锐刺耳,机器似乎也因快要解体而痛苦难堪。喘振还会伴随着强烈的震动摇摆,对整机结构也非常不利。喘振次数多了,对于高速旋转(每分钟上万转)的叶轮来说,无疑是一种致命的伤害。所以,厂家为了保护主机,但喘振发生时,会对喘振进行计数,频次超过阀值后,主机将自我保护停机。此时,需要人工现场确认复位后,主机才能再次投入工作。

  为什么变频离心机轻载下容易喘振?

  现在,我们已经知道叶轮转速过低或者是冷凝器压力过高都容易导致喘振。那么,这两种情形都是什么情况下会发生的呢?

  叶轮转速过低往往是因为变频离心机在频率下降时造成的。当负载低的时候,离心机将自动进入降频节能工况,使得叶轮转速降低。但如果转速减得太低了,叶轮产生的压头不足以抵御两器(蒸发器和冷凝器)的压差时,冷媒将发生“倒流”,冷机就容易发生喘振。

  另外一种原因是冷凝器由于散热不良(散热不良的原因有很多种:比如冷却水温过高、冷却水流量过小、盘管赃堵等等),使得冷凝器内部的冷凝压力过大,也会造成冷机喘振。

  如何解决喘振?

  通过以上分析,我们知道了负载太轻是运营初期变频冷机产生喘振的原因,如何解决呢?如果我们增大负荷会怎么样?

  在腾讯某数据中心空调系统管路结构中,和冷机并联布置的有几套板式换热器(简称板换)。在冬季时,当流经室外冷塔的冷却水回水温度低于末端冷冻水回水温度时,才会启用板换做免费的制冷。但是在夏季的时候,板换是不工作的,如果强制让板换开启,由于冷却水温度比冷冻水温度要高,冷冻水是会被加热的。

  如今,因为需要人为增加冷机热负荷,我们尝试了一下开启板换,把冷机负载率提高至避开喘振区。测得冷机平均运行能耗约大于400KW(如图2),水泵需要多开启1到2台。

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图3冷机平均运行能耗

  开启板换的解决方案下冷机输出功率存在波动,高于400KW。这种方法虽然解决了冷机喘振问题,但同时又引发了另外一个问题:冷冻水到精密空调末端主供水的两路主管供水温度不一致,存在较大的差异。

  这主要与管道中水体流向存在分区有关——冷机和板换本是处于一个并联结构,相等温度的冷冻水回水分别流经冷机和板换后,一路被冷机制冷,另一路被板换加热,导致冷冻水出水温度差值比较大。再因为水流会遵循“阻力最小”的就近原则,两路出水实质上并不会发生混合,而是直接选择各自两侧最近的主供水管,直接去不同的末端区域。

  末端回水也一样,哪里最近回到哪里。所以冷机侧的回水更多来自冷机原有的供水,板换侧的回水更多来自板换侧的供水,这将导致冷机回水温度较低,板换回水温度较高。经测试,这种方式最终导致靠近板换侧的主管供水温度高达18度,而靠近冷机侧的只有8度。这对于不同区域的机房IT负载来说,冷量供应不一致,系统存在较大的风险!

  解决上述问题的两种方案

  ①在环网上关闭一侧的供水(或回水),让水流只走一路供(回)水,冷热水会发生混合。但这将使得系统可靠性降低;

  ②开启中间位置的冷机,并在冷机左右两侧各开启一套板换,让冷机出水都经过两侧板换的热水后做混合,并且通过人工不断微调板换上的水阀开度,最终保证冷冻水两侧主管道的供水温度一致。这种调节方式属纯手动调整,因存在误差累加,运行时间久了,两侧供水温度还是存在误差,它需要运营人员投入较多时间和精力去关注,增加工作量,属于“事倍功半”。

  上述的增大冷机负荷的方式,明显是不智能的,难道就没有既节能又安全的解决方案了吗?

  新的突破

  面对以上困难,空调工程师首先想到了“管道蓄冷”的方法,某栋楼宇因为没有蓄冷罐,不可能在极轻负载下采用“蓄冷罐充放冷”的模式,但是否可以把管道中的这点保有水量当做蓄冷池来使用呢?管道的蓄冷能力有多少呢?工程师开始了以下的方式探索——

  首先,尝试停止冷机,只开水泵,让管道中的冷冻水保持流动。经测试,管道中的水每循环一圈,水温上升2度,经过多圈循环后,管道中的水上升至16度,已经接近系统供水温度上限,在这个水温下,微模块A的末端空调送风温度达到24度,接近温度上限。(IT负载已经满载,6台列间空调全开,全部水阀开度90%以上)。

  然后,工程师还在自控系统上加载了一个控制程序,用于控制冷机的启停,避开冷机喘振点:冷机自身设定供水温度8度,当冷机冷冻水回水温度达到16度时,自控系统远程启动冷机;冷机开始以8度的供水温度产冷,当冷机回水温度低于10度,自控系统远程关闭冷机(冷冻水泵一直保持运转)。任何时候都保持冷机进出水温差在2度以上的负荷,以防止冷机因负荷太低(比如进出水温差1度)而发生喘振。

  测试中,冷机启动后,会以内部设定的供水温度目标值(比如8度)进行自身输入功率的调节。在回水温度较高时(比如16度),冷机运行功率会非常大,“运行电流百分比”参数为90%以上。约半小时过后,整个管道水温就由16度下降至低于10度,冷机因进出水温差减小,开始减载。此时,冷机减载过程中会伴随着轻微的喘振,当电流百分比减少至30%以下时,冷机频率进一步下降,喘振也越来越厉害。为了不让冷机喘振,自控系统在检测冷机回水温度到达10度后,先行关停冷机。然后让系统水温再自由回升至16度,再远程启动冷机。

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图4冷机频繁启停

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图5管路中水温的波动曲线情况

  经测试,这种工作方式虽然可以解决冷机轻载喘振问题及起到节能效果,但由于冷机启停周期时间太短(3小时),导致每天需要频繁起停冷机(每天8次),频繁启停对冷机这样的大型设备来说也是非常不利。

  如何把冷机一天的起停次数减少到合理范围?(比如一天1-2次),甚至一直不停。这需要冷机在开启过程中,缓慢输出冷量,延迟冷机运行时间。工程师开始对冷机的内部厂家参数进行深入研究。

  经研究,发现冷机内部有一项设置参数比较重要:现场电流百分比限制。它指的是冷机运行过程中,控制冷机最大的运行电流比不得超过某一设定值。如果电流比一直控制在较低值,也就能控制冷机的产冷量输出。

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图6采用了“限流”后的冷机输出功率

  这项参数给了工程师新的启发:为了让冷机运行时间更久,减少启停次数,必须限制冷机输出,这就需要对冷机现场电流百分比设定做限制。工程师通过对这项参数进行反复调整,在确保冷机不出现喘振情况下,最终得到了以下最优的运行方案调整:

  ①设定“冷机现场运行电流百分比”上限不超过30%;

  ②设定冷机供水温度6度,目的不是让冷机达到供水温度6度,而是为了让冷机运行百分比提到最高,达到条件①所说的上限。

  在完成上述两设定后,我们得到冷机在当前负载下的最终运行曲线:采用了“限流”后的冷机输出功率比较恒定,降低至200KW。

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图7采用了“限流”后的冷机供水温度曲线

  成果提炼

  通过这条曲线,我们得到以下分析结果——

  冷机启动前,整个管道水温16度;冷机启动后,一直以最低的电流百分比输出(30%)运行,产冷量控制在较低值。此时的冷量只够产生3度的温降(回水16度,出水13度)。

  对于末端IT负载来说,供回水温差在1—1.5度,说明冷机还是有冷量富余,故整体水温会缓慢下降。

  但从曲线斜率看,随着时间轴的偏移,供水温度下降斜率越来越平缓,说明冷量剩余随着供水温度的降低,也越来越少。当冷机供水温度到达7.3度后,供水温度下降趋势停止,并且保持平直。说明冷机在7.3度供水下,冷机输出冷量基本等于末端负荷热量。冷机富余冷量为0。

  更好的消息是,冷机一直没有出现喘振,查看冷机面板内部关键参数为:

  ①压缩机叶轮进气导流叶片开度接近为0%,说明冷媒流量很小。(备注:开度为0状态,是进气百叶全关的状态,但并不是没有流量,因为百叶中心还有一个小孔,保证进气最低流量)。

  ②压缩机马达运行频率稳定在48Hz,接近满频,说明压缩机压头比较大,可避开喘振区。(冷机正常运行频率为35%-50%)。

  ③冷机运行电流百分比一直保持在30%。

  怎么形象理解上述工作状态的原理呢?

  这里打个比方:自己在家洗车时,软管的水流很慢,喷洒的距离有限,为了达到更远的射程,往往会把水管出口给捻紧,通过把水管内部的水压憋大,让水射得更远。同理,冷机把压缩机叶轮进气关到最小,同时把压缩机频率提到很高,也是为了在冷媒小流量(保证较低产冷量)下,提高冷机压缩机压头,防止喘振。

  这种运行模式还有个特点:冷机输出功率(电流百分比)基本保持恒定。但如果末端负荷增加时,冷机供水温度也会随着上升,但随着供水温度的上升,冷机的COP(单位耗电量下的冷机产冷量)会增加。最终整体水温趋于稳定。所以我们不必担心机房负荷的变动对冷机系统的影响。只有当供水温度上升达到或超过16度(系统供水温度允许最大值),我们才需要重新上调冷机电流百分比限定。

  基于这种运行模式的特征,我们起了个名字:冷机“限流不限温”运行模式(限定冷机最大运行电流,根据负荷自动调整供水温度)。

  收益

  通过这种运行方式,既使得冷机在能极低的负荷下保持恒定平稳地运行,又能把系统能耗将至最低。电费的明显下降,与工程师对冷机系统运行模式的优化调整是息息相关的。

  总结

  上述调整方式的创新,充分说明了一点:在空调系统中,一切的参数都是可调的,都不是永恒不变的,要想实现系统最佳的安全与节能,离不开运营工程师的模式创新。参与运营实践,从实践中总结提炼,才是数据中心挖掘系统安全与节能的最佳门路。

  责任编辑:DJ编辑

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