機房360首頁
                  當前位置:首頁 ? 資訊 ? 變頻冷機在超低負載下如何安全又節能運行?

                  變頻冷機在超低負載下如何安全又節能運行?

                  來源:機房360 作者:DJ編輯 更新時間:2018/9/19 15:24:52

                  摘要:使用變頻冷機是為了節能,節能的前提是“冷機處于非滿載工況下運行”。但如果當冷機負載太低(低于30%以下),冷機不僅無法有效節能,甚至不能正常工作——此時冷機會反復出現劇烈的機組“喘振”現象,“喘振”次數多了,冷機會因自我保護而停機。

                    使用變頻冷機是為了節能,節能的前提是“冷機處于非滿載工況下運行”。但如果當冷機負載太低(低于30%以下),冷機不僅無法有效節能,甚至不能正常工作——此時冷機會反復出現劇烈的機組“喘振”現象,“喘振”次數多了,冷機會因自我保護而停機。

                    本篇將為您解析騰訊數據中心的工程師是如何解決這個問題的。

                    喘振是怎么回事?

                    對于離心式冷機來說,壓縮機是一個高速旋轉的“氣泵”。內部結構和離心水泵相似。當壓縮機工作時,蒸發器中的冷媒被高速旋轉的葉輪吸收后,在葉輪旋轉過程中,提升壓力和流速,最后從壓縮機出口處到達冷凝器中。冷媒在“氣泵”前后的壓差,我們稱為“壓頭”。原理和水泵增壓一樣。

                  1

                  圖1喘振原理

                    冷媒剛離開壓縮機葉輪時,全壓是最高的,此后,流向壓力稍低的冷凝器中。假設此時壓縮機葉輪轉速忽然降低(或者是冷凝器中的壓力忽然升高),這時,冷凝器中的壓力就比壓縮機葉輪出口的壓力要高了,那會發生什么樣的問題呢?——氣體制冷劑從冷凝器倒流,經過壓縮機葉輪與殼體的縫隙,回流到蒸發器。這就是“喘振”!

                  2

                  圖2喘振發生時冷媒流向示意圖

                    當制冷劑流回到蒸發器之后,冷凝壓力下降,蒸發壓力上升,壓差減小,壓縮機開始再次按正確方向工作。但是,隨著冷凝壓力的升高,蒸發壓力下降,機組將再次開始“喘振”!

                    喘振有哪些危害?

                    喘振發生時,機組會發出一種劇烈的“嘶叫”聲——“嘠!!!”,尖銳刺耳,機器似乎也因快要解體而痛苦難堪。喘振還會伴隨著強烈的震動搖擺,對整機結構也非常不利。喘振次數多了,對于高速旋轉(每分鐘上萬轉)的葉輪來說,無疑是一種致命的傷害。所以,廠家為了保護主機,但喘振發生時,會對喘振進行計數,頻次超過閥值后,主機將自我保護停機。此時,需要人工現場確認復位后,主機才能再次投入工作。

                    為什么變頻離心機輕載下容易喘振?

                    現在,我們已經知道葉輪轉速過低或者是冷凝器壓力過高都容易導致喘振。那么,這兩種情形都是什么情況下會發生的呢?

                    葉輪轉速過低往往是因為變頻離心機在頻率下降時造成的。當負載低的時候,離心機將自動進入降頻節能工況,使得葉輪轉速降低。但如果轉速減得太低了,葉輪產生的壓頭不足以抵御兩器(蒸發器和冷凝器)的壓差時,冷媒將發生“倒流”,冷機就容易發生喘振。

                    另外一種原因是冷凝器由于散熱不良(散熱不良的原因有很多種:比如冷卻水溫過高、冷卻水流量過小、盤管贓堵等等),使得冷凝器內部的冷凝壓力過大,也會造成冷機喘振。

                    如何解決喘振?

                    通過以上分析,我們知道了負載太輕是運營初期變頻冷機產生喘振的原因,如何解決呢?如果我們增大負荷會怎么樣?

                    在騰訊某數據中心空調系統管路結構中,和冷機并聯布置的有幾套板式換熱器(簡稱板換)。在冬季時,當流經室外冷塔的冷卻水回水溫度低于末端冷凍水回水溫度時,才會啟用板換做免費的制冷。但是在夏季的時候,板換是不工作的,如果強制讓板換開啟,由于冷卻水溫度比冷凍水溫度要高,冷凍水是會被加熱的。

                    如今,因為需要人為增加冷機熱負荷,我們嘗試了一下開啟板換,把冷機負載率提高至避開喘振區。測得冷機平均運行能耗約大于400KW(如圖2),水泵需要多開啟1到2臺。

                  3

                  圖3冷機平均運行能耗

                    開啟板換的解決方案下冷機輸出功率存在波動,高于400KW。這種方法雖然解決了冷機喘振問題,但同時又引發了另外一個問題:冷凍水到精密空調末端主供水的兩路主管供水溫度不一致,存在較大的差異。

                    這主要與管道中水體流向存在分區有關——冷機和板換本是處于一個并聯結構,相等溫度的冷凍水回水分別流經冷機和板換后,一路被冷機制冷,另一路被板換加熱,導致冷凍水出水溫度差值比較大。再因為水流會遵循“阻力最小”的就近原則,兩路出水實質上并不會發生混合,而是直接選擇各自兩側最近的主供水管,直接去不同的末端區域。

                    末端回水也一樣,哪里最近回到哪里。所以冷機側的回水更多來自冷機原有的供水,板換側的回水更多來自板換側的供水,這將導致冷機回水溫度較低,板換回水溫度較高。經測試,這種方式最終導致靠近板換側的主管供水溫度高達18度,而靠近冷機側的只有8度。這對于不同區域的機房IT負載來說,冷量供應不一致,系統存在較大的風險!

                    解決上述問題的兩種方案

                    ①在環網上關閉一側的供水(或回水),讓水流只走一路供(回)水,冷熱水會發生混合。但這將使得系統可靠性降低;

                    ②開啟中間位置的冷機,并在冷機左右兩側各開啟一套板換,讓冷機出水都經過兩側板換的熱水后做混合,并且通過人工不斷微調板換上的水閥開度,最終保證冷凍水兩側主管道的供水溫度一致。這種調節方式屬純手動調整,因存在誤差累加,運行時間久了,兩側供水溫度還是存在誤差,它需要運營人員投入較多時間和精力去關注,增加工作量,屬于“事倍功半”。

                    上述的增大冷機負荷的方式,明顯是不智能的,難道就沒有既節能又安全的解決方案了嗎?

                    新的突破

                    面對以上困難,空調工程師首先想到了“管道蓄冷”的方法,某棟樓宇因為沒有蓄冷罐,不可能在極輕負載下采用“蓄冷罐充放冷”的模式,但是否可以把管道中的這點保有水量當做蓄冷池來使用呢?管道的蓄冷能力有多少呢?工程師開始了以下的方式探索——

                    首先,嘗試停止冷機,只開水泵,讓管道中的冷凍水保持流動。經測試,管道中的水每循環一圈,水溫上升2度,經過多圈循環后,管道中的水上升至16度,已經接近系統供水溫度上限,在這個水溫下,微模塊A的末端空調送風溫度達到24度,接近溫度上限。(IT負載已經滿載,6臺列間空調全開,全部水閥開度90%以上)。

                    然后,工程師還在自控系統上加載了一個控制程序,用于控制冷機的啟停,避開冷機喘振點:冷機自身設定供水溫度8度,當冷機冷凍水回水溫度達到16度時,自控系統遠程啟動冷機;冷機開始以8度的供水溫度產冷,當冷機回水溫度低于10度,自控系統遠程關閉冷機(冷凍水泵一直保持運轉)。任何時候都保持冷機進出水溫差在2度以上的負荷,以防止冷機因負荷太低(比如進出水溫差1度)而發生喘振。

                    測試中,冷機啟動后,會以內部設定的供水溫度目標值(比如8度)進行自身輸入功率的調節。在回水溫度較高時(比如16度),冷機運行功率會非常大,“運行電流百分比”參數為90%以上。約半小時過后,整個管道水溫就由16度下降至低于10度,冷機因進出水溫差減小,開始減載。此時,冷機減載過程中會伴隨著輕微的喘振,當電流百分比減少至30%以下時,冷機頻率進一步下降,喘振也越來越厲害。為了不讓冷機喘振,自控系統在檢測冷機回水溫度到達10度后,先行關停冷機。然后讓系統水溫再自由回升至16度,再遠程啟動冷機。

                  4

                  圖4冷機頻繁啟停

                  5

                  圖5管路中水溫的波動曲線情況

                    經測試,這種工作方式雖然可以解決冷機輕載喘振問題及起到節能效果,但由于冷機啟停周期時間太短(3小時),導致每天需要頻繁起停冷機(每天8次),頻繁啟停對冷機這樣的大型設備來說也是非常不利。

                    如何把冷機一天的起停次數減少到合理范圍?(比如一天1-2次),甚至一直不停。這需要冷機在開啟過程中,緩慢輸出冷量,延遲冷機運行時間。工程師開始對冷機的內部廠家參數進行深入研究。

                    經研究,發現冷機內部有一項設置參數比較重要:現場電流百分比限制。它指的是冷機運行過程中,控制冷機最大的運行電流比不得超過某一設定值。如果電流比一直控制在較低值,也就能控制冷機的產冷量輸出。

                  6

                  圖6采用了“限流”后的冷機輸出功率

                    這項參數給了工程師新的啟發:為了讓冷機運行時間更久,減少啟停次數,必須限制冷機輸出,這就需要對冷機現場電流百分比設定做限制。工程師通過對這項參數進行反復調整,在確保冷機不出現喘振情況下,最終得到了以下最優的運行方案調整:

                    ①設定“冷機現場運行電流百分比”上限不超過30%;

                    ②設定冷機供水溫度6度,目的不是讓冷機達到供水溫度6度,而是為了讓冷機運行百分比提到最高,達到條件①所說的上限。

                    在完成上述兩設定后,我們得到冷機在當前負載下的最終運行曲線:采用了“限流”后的冷機輸出功率比較恒定,降低至200KW。

                  7

                  圖7采用了“限流”后的冷機供水溫度曲線

                    成果提煉

                    通過這條曲線,我們得到以下分析結果——

                    冷機啟動前,整個管道水溫16度;冷機啟動后,一直以最低的電流百分比輸出(30%)運行,產冷量控制在較低值。此時的冷量只夠產生3度的溫降(回水16度,出水13度)。

                    對于末端IT負載來說,供回水溫差在1—1.5度,說明冷機還是有冷量富余,故整體水溫會緩慢下降。

                    但從曲線斜率看,隨著時間軸的偏移,供水溫度下降斜率越來越平緩,說明冷量剩余隨著供水溫度的降低,也越來越少。當冷機供水溫度到達7.3度后,供水溫度下降趨勢停止,并且保持平直。說明冷機在7.3度供水下,冷機輸出冷量基本等于末端負荷熱量。冷機富余冷量為0。

                    更好的消息是,冷機一直沒有出現喘振,查看冷機面板內部關鍵參數為:

                    ①壓縮機葉輪進氣導流葉片開度接近為0%,說明冷媒流量很小。(備注:開度為0狀態,是進氣百葉全關的狀態,但并不是沒有流量,因為百葉中心還有一個小孔,保證進氣最低流量)。

                    ②壓縮機馬達運行頻率穩定在48Hz,接近滿頻,說明壓縮機壓頭比較大,可避開喘振區。(冷機正常運行頻率為35%-50%)。

                    ③冷機運行電流百分比一直保持在30%。

                    怎么形象理解上述工作狀態的原理呢?

                    這里打個比方:自己在家洗車時,軟管的水流很慢,噴灑的距離有限,為了達到更遠的射程,往往會把水管出口給捻緊,通過把水管內部的水壓憋大,讓水射得更遠。同理,冷機把壓縮機葉輪進氣關到最小,同時把壓縮機頻率提到很高,也是為了在冷媒小流量(保證較低產冷量)下,提高冷機壓縮機壓頭,防止喘振。

                    這種運行模式還有個特點:冷機輸出功率(電流百分比)基本保持恒定。但如果末端負荷增加時,冷機供水溫度也會隨著上升,但隨著供水溫度的上升,冷機的COP(單位耗電量下的冷機產冷量)會增加。最終整體水溫趨于穩定。所以我們不必擔心機房負荷的變動對冷機系統的影響。只有當供水溫度上升達到或超過16度(系統供水溫度允許最大值),我們才需要重新上調冷機電流百分比限定。

                    基于這種運行模式的特征,我們起了個名字:冷機“限流不限溫”運行模式(限定冷機最大運行電流,根據負荷自動調整供水溫度)。

                    收益

                    通過這種運行方式,既使得冷機在能極低的負荷下保持恒定平穩地運行,又能把系統能耗將至最低。電費的明顯下降,與工程師對冷機系統運行模式的優化調整是息息相關的。

                    總結

                    上述調整方式的創新,充分說明了一點:在空調系統中,一切的參數都是可調的,都不是永恒不變的,要想實現系統最佳的安全與節能,離不開運營工程師的模式創新。參與運營實踐,從實踐中總結提煉,才是數據中心挖掘系統安全與節能的最佳門路。

                    責任編輯:DJ編輯

                  機房360微信公眾號訂閱
                  掃一掃,訂閱更多數據中心資訊

                  本文地址:http://www.qcgiw.icu/news/2018919/n8487108530.html 網友評論: 閱讀次數:
                  版權聲明:凡本站原創文章,未經授權,禁止轉載,否則追究法律責任。
                  相關評論
                  正在加載評論列表...
                  評論表單加載中...
                  • 我要分享
                  推薦圖片
                  竞彩推荐软件