數據中心冷水機組案例淺析

制冷主機簡稱冷機,是數據中心空調系統的重要組成部分,其載冷劑一般為水,簡稱為冷水機組,其冷凝器的冷卻利用常溫水的換熱降溫來實現,故也稱為水冷機組。 數據中心冷量需求大,選用離心式機組可以獲得較好的能效,本文的冷水機組專指離心機組。

冷水機組原理

離心式制冷壓縮機是一種回轉式速度型壓縮機,吸氣管將要壓縮的氣體引入到葉輪入口,氣體在葉輪葉片的作用下跟著葉輪做高速旋轉,通過葉輪中的葉片對葉輪槽道中的氣體作功,提高氣體的速度后引出葉輪出口處,然后導入擴壓腔;由于氣體從葉輪流出后,具有較高的流速,為了將這部分速度能轉化為壓力能,在葉輪排氣口外側設置了流通截面逐漸擴大的擴壓器,進行能量的轉換,以提高氣體的壓力;擴壓后的氣體在蝸殼里匯集起來后,進入機組的冷凝器進行冷凝,以上這一過程就是離心機的壓縮原理,如圖1;另外為了冷凝和把冷量帶走,空調系統包括冷卻水系統和冷凍水系統。

1離心機組組成

離心機組組成如下:包括離心壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流孔板、供油裝置、控制柜等組成,如圖2、圖3所示。 其中壓縮機主要由吸氣室、葉輪、擴壓器、彎道與回流器、蝸殼組成。

2離心機組的特點

大型離心機組特點如下:

1制冷量大。 由于離心式壓縮機的吸氣量不能過小,因而離心式壓縮機的單機制冷量都較大。 結構緊、重量輕、尺寸小,因而占地面積小。 在相同的制冷量下,離心式壓縮機的重量只有活塞式壓縮機的1/5～1/8,冷量越大,越明顯。

2易損件少,可靠性高。 離心式壓縮機在運行過程中幾乎無磨損,因而經久耐用,維修運轉費用較低。

3離心式壓縮機中的壓縮部件為旋轉運動,在徑向受力平衡,因而運轉平穩,振動小,無需專門的減振裝置。

4能夠經濟地進行冷量調節。 離心式壓縮機可以采用如導流葉片調節等方法,使能量在一定的范圍內調節。

易于實行多級壓縮和節流,可實現同一臺制冷機多種蒸發溫度的操作運行。

冷水機組常見故障

冷機在建設和調試中會遇到一些問題,運行中也會發生故障,這些問題和故障的處理方法關系到數據中心運維的安全,下面是冷機建設和運維中發生的一些案例,相關處理方法和心得,僅供參考。

1無負荷調試

【 問題現象 】

某數據中心需要對冷機進行調試和試運行,但末端空調設備安裝還未完成,現場也缺少必要的假負載,調試工作無法進行。

【 問題分析 】

數據中心離心機組安裝完成后,機房末端設備沒有安裝,末端冷凍水路不通,冷機無法調試; 即使通過分集水器進行冷凍水旁通,也僅僅使冷機能夠開機運行,缺少熱負荷,或者熱負荷過小,無法達到冷機下限負荷,調試工作無法進行。 另一方面,由于冷機未調試,主機房服務器設備無法加電運行,相互形成一個死循環; 另外調試過程中,需要的假負載功率巨大,運行過程會耗費大量電能; 上述因素導致冷機調試成為一個難題。

【 問題解決 】

采用無負荷調試方法進行調試。這個過程,就是充分利用板換的換熱能力,把冷機蒸發器產生的冷量通過板換交換到冷機冷凝器側,把冷機冷凝器放出的熱量通過板換交換回到蒸發器側,從而達到冷機冷量和熱負荷的完全匹配,冷卻塔只帶走壓縮機的軸功率。采用這個方法,很容易就達到不同負荷下的綜合效能測試,冷機板換調試水路循環。

系統調試步驟基本如下:

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

2全開冷凍水側冷機和板換閥門,確保冷機和板換水路暢通,冷機制取的冷水和板換換回的熱量可以順利混合;正常開啟冷凍水泵,手動調整頻率為45Hz以上,并確保水路循環正常;

3全開冷機冷卻水閥門,部分開啟板換冷卻水側閥門,開啟冷卻水泵,確保水路循環正常,調整水泵頻率為41～45Hz;先不開啟冷卻塔風機;

4冷凍水和冷卻水正常情況下,開啟冷機,進行單機試運轉;

5冷機冷卻水溫開始升高,冷凍水開始降溫;

6根據板換冷卻水閥門的開度調節板換的換熱能力,閥門的開度在1/4到全開之間進行調整;

7根據冷卻水水溫情況部分開啟冷卻塔風機,以能帶走壓縮機軸功率為準。

【 心得體會 】

數據中心為了降低能效,考慮自然冷卻,一般采用冷卻塔+板換供冷技術設計。 調試時可以利用板換的換熱能力,從冷機的冷凝器獲得足夠的熱量作為冷機調試的熱負荷,也就是冷機產生的冷量通過板換帶走。

無負荷調試原理就是充分利用板換的換熱能力,把冷機蒸發器產生的冷量通過板換交換到冷機冷凝器側,把冷機冷凝器放出的熱量通過板換交換回到蒸發器側,從而達到冷機冷量和熱負荷的匹配,這種方法操作簡單,實施方便。

2低負荷運行

【 問題現象 】

冷機調試完成后,需要正式運行,但冷機總負荷偏小,冷機啟停頻繁并發生喘振現象。

【 問題分析 】

負荷過低,導致冷機喘振和頻繁啟停。

【 問題解決 】

系統設計有蓄冷罐,可以通過蓄冷罐充冷和放冷的工作方式,控制冷機合理的啟停頻次,避開冷機的低負荷喘振區域; 如果系統沒有蓄冷設計,可以采用低負荷運行方法進行運行。

【 心得體會 】

采用蓄冷罐蓄冷技術和板換作為假負載技術,通過合理操作和流量控制,可以確保冷機運行平穩,成功度過低負載時間。

3冷機泄漏引發消防告警

【 問題現象 】

某數據中心運行過程中,冷機房突發消防煙霧報警,消費人員發現消防報警后,進入冷機房查看,發現一臺冷機運行過程中軸封處噴出大量白色煙霧。

【 問題分析 】

該冷機為開啟式冷機,冷機運行過程中軸封處突然發生泄漏,由于泄漏量較大,觸發了消防告警。 消費人員不懂空調專業知識,將冷機泄漏的制冷劑誤為冷機起火產生的煙霧。

【 問題解決 】

對泄漏的冷機進行維修,更換軸封O形圈和C環,清除制冷主冷機上的干粉殘留物,保壓、檢漏、抽空、加氟調試后恢復正常。

【 心得體會 】

某品牌的機組,采用開啟式壓縮機,軸封處泄漏故障較頻繁,發生泄漏,正確的應對措施是先對機房通風,再關閉冷機,泄漏過程需要保證冷凍水泵和冷卻水泵的正常運行;如果冷機機組處于停機狀態,必須馬上啟動機組對應的冷凍、冷卻水泵,保證機組水系統有水流動;否則兩器的換熱銅管會凍結破裂,導致更大的故障。進入機房采取緊急措施的人員需要做好個人防護措施,并且及時將故障通知維保單位。

4低壓告警

【 問題現象 】

某數據中心一臺冷凍機組運行過程中發生制冷能力下降現象,后觸發冷機低壓告警,機組外部檢漏正常,采用肥皂水溶液涂抹到懷疑有滲漏的部位,冷凝器、壓縮機、蒸發器之溫度傳感器、壓力變送器、維修角閥、安全閥等絲扣連口及其它部位,未發現漏點,懷疑蒸發器內有泄漏,打開端蓋查漏,確認為冷機蒸發器發生泄漏。

【 問題分析 】

現場檢查發現蒸發器進水口處有金屬環狀物卡在蒸發器銅管處,在長時間水流流動的推力下,彈簧圈發生震動,蒸發器換熱銅管被磨破,導致了系統的泄漏。

冷機設計時,需要在冷凝器和蒸發器進水側分別配置Y形過濾器,本案例冷凍水回路未配置Y形過濾器。恰巧水泵機械密封彈簧斷裂,由于缺少過濾器的保護,斷裂彈簧直接進入機組蒸發器,并停留在換熱銅管和管板結合處,在水流的長時間沖擊下,斷裂彈簧和銅管發生摩擦,磨穿了銅管管壁,導致冷機發生泄漏。

【 問題解決 】

補漏方法:找出泄漏的管子,作好標記,維修時抽出舊換熱管,更換新管后在端板處進行脹管,再進行檢漏和氣密試驗;如果泄漏的管子比較少,也可用堵頭將該銅管兩端堵死?，F場考慮只有一根銅管泄漏,就在該銅管兩端進行了封堵,經查漏、抽空重新加注制冷劑調試后,冷機恢復正常運行。

【 心得體會 】

正常情況下冷機的蒸發器和冷凝器進水側都需要設置過濾器,本案例就是因為絕對冷凍水側過濾器用處不大,設計時圖省事,取消了過濾器配置,運行中機封彈簧斷裂進入冷機蒸發器內,長時間和銅管管壁摩擦發生泄漏。 所以水系統細節設計上,不能圖省事,否則會帶領不必要的麻煩。

5導葉故障

【 問題現象 】

某冷機運行過程中發現導葉異常告警,現場實際工作位置與控制中心顯示位置存在較大偏差,無法正常工作。

【 問題分析 】

導葉機柜故障,常見故障為導葉馬達斷軸,或導葉啟閉不到位,考慮該冷機搬運中被拆卸和重新組裝過,所以重點檢查裝配問題,檢查傳動鏈條松緊度,檢查齒輪鎖緊螺釘是否牢固,檢查驅動電機主繞組工作電壓(AC24V)是否正常等,發現均正常。

【 問題解決 】

考慮執行器工作電壓正常,傳動鏈條松緊度正常,齒輪鎖緊螺釘牢固無松動,嘗試著更換執行器后,故障消失,故確診為執行器工作異常。 現成對導葉執行器進行重新校正并測試,確保開度信號與導葉電機實際開度基本同步。

【 心得體會 】

本案例故障并不復雜,是執行器工作異常導致,由于冷機被拆卸過,所以重點懷疑導葉驅動和執行器的組裝問題,走了點彎路。

6低流量告警

【 問題現象 】

某冷機運行中,突然發生低流量告警,導致冷機停機,制冷中斷,嘗試消除故障,發現低流量告警故障一直存在,冷機無法開啟。

【 問題分析 】

現場檢查水泵運行情況、冷機閥門開啟情況和流量情況,均正常,而流量開關觸點始終呈現開路,無法閉合,懷疑流量開關存在問題。

【 問題解決 】

現場停泵,關閉流量開關兩端閥門,拆卸流量開關,發現靶式流量開關已經折斷損壞,更換流量開關后,冷機正常開啟和運行。

【 心得體會 】

流量開關,也叫水流開關,是保障空調機組正常運行的重要措施。 當水泵或閥門故障時水流開關能及時切斷機組的控制回路防止蒸發器壓力過低及冷凝器壓力過高; 水流開關保護是機組重要的保護功能,水流開關損壞要及時更換; 另外日常維護中注意檢查,避免水流開關、高低壓開關、安全閥等保護裝置的失靈而引起的故障或事故。

7高壓故障

【 問題現象 】

某小型數據中心冷機運行過程中發生高壓故障停機,復位后重新開機,不久又觸發高壓停機,停機前冷機伴有嚴重喘振現象,維護人員反映停機前發生多次較嚴重喘振現象。

【 問題分析 】

復位后開機,發現冷凝溫度偏高,運行過程中有多次喘振現象,通過咨詢了解,冷機負荷率80%時,冷卻水溫進33℃,出37.5℃,水溫偏高,檢查小溫差為6℃,嚴重偏大,對應冷凝溫度為43.5℃,根據上述數值判斷,冷機高壓原因為冷凝不良和小溫差過大。

通過現場了解發現,該數據中心值班人員基本從事普通電工工作,只會進行簡單的開關機,對暖通和水系統維護比較陌生,相應的維護和保養沒能貫徹和執行。 故初步判斷冷卻水系統需要水質處理和維護,冷卻塔、冷卻水系統過濾器和冷機冷凝器需要進行局部清洗,冷機機組也需要正常維護和保養。

【 問題解決 】

現場先進行冷機保養,更換了冷凍油和過濾器; 再進行冷卻塔維護,更換調整風機皮帶,調整風車傾角角度,對冷卻塔填料和冷卻塔水盤進行清洗維護,更換冷卻塔部分填料,并進行水質處理; 之后拆洗水系統管路上所有的過濾器,系統投入運行,冷卻水溫進29.1℃,出34.5℃,冷機小溫差也只有1℃,喘振和高壓現象消失,系統恢復正常運行。

【 心得體會 】

運維人員要了解水系統的基本知識,熟悉水系統的特點,掌握水系統的維護方法和基本步驟,并形成維護的制度化,管理人員也要知道水系統的維護要求,并落實資金。 水系統的生命周期,可以說是“三分建設、七分運維”。

8喘振故障

【 問題現象 】

某數據中心3號機樓采用某K品牌冷機,和4號機樓另一品牌冷機同年投入使用,但在使用中發現,同樣的維護方法和頻次,冷機運行狀況相差較大。 如同樣每3月一次化學清洗,3號機樓的冷機仍舊會發生小溫差過大情況,主要表現在機組的冷凝溫度偏高,尤其在夏季運行時,由于冷卻水的出水溫度較高(35℃),溫差一大,機組的冷凝溫度極易超過39℃這個臨界點,機組會產生喘振現象、效率降低、甚至保護停機,由于機樓負荷較大,影響機房運行安全。

【 問題分析 】

經過多次比較,發現該品牌冷機的冷凝器相比較另一品牌冷機冷凝器換熱能力明顯要弱,相同的水處理方法和處理頻次,但小溫差溫升變化情況明顯要快,從側面也驗證了換熱能力較差這種可能,但該冷機廠拒絕承認冷凝器換熱不良或者配置偏小的事實。

【 問題解決 】

和廠家多次交涉,最后給出的方案是由廠家負責冷機的清洗。 冷機停機關閉閥門卸壓后,廠家技術人員打開冷凝器端蓋,采用機械通刷法清洗,現場經過物理清洗后,冷凝器換熱不良導致小溫差過大問題暫時解決。

【 心得體會 】

喘震是離心機組的特有現象,是制冷劑在壓縮機發生一種倒流現象,喘震發生時,制冷劑從冷凝器倒流,經過壓縮機回流到蒸發器。當制冷劑回到蒸發器之后,冷凝壓力下降,蒸發壓力上升,壓縮機開始再次按正常方向工作。但是,隨著冷凝壓力的升高,蒸發壓力的下降,機組將再次開始喘震。當負荷降低時確保冷卻水進水低溫;負荷增大時要確保合適的進水溫度和合理的小溫差。增加局部清洗頻次,雖解決了小溫差過大的問題,但增加了換熱銅管損傷的次數,降低了冷凝器的壽命。事后了解,該冷機換熱銅管采用內外螺紋技術,可以提升換熱效果,新機情況下可以減少部分換熱面積,但是使用一段時間后銅管結垢,由于沒有額外的換熱面積導致冷機提前出現換熱不良的情況,建議大家在冷機采購時給予關注。

9冷機軸承和齒輪故障

【 問題現象 】

某行業數據中心自用冷機房,某臺冷機運行過程中運行電流突然增大,并發出嚴重異響聲音,值班人員發現情況后停機。

【 問題分析 】

現場檢查,從故障菜單中發現該冷機故障前曾經發生過多次的高壓故障和高油溫告警,檢查冷機冷凍油,發現油品顏色較黑,并發現油里含有金屬屑,需要開機大修檢查;拆機解體后檢查,發現冷機高速齒輪軸承嚴重磨損。

詢問后了解,該數據中心的冷機和水系統運維交給物業代管,物業對水系統缺乏足夠的了解和重視,也缺少專業的技術人員和維護力量,對水系統維護的維護處于空白狀況,常規的冷卻塔維護和水處理工作基本被忽視,常規的冷凍油更換沒有進行,運行過程中冷卻水溫多次偏高,加上現場小溫差明顯偏大,導致冷機長時間工作在過載情況下,出現多次的高油溫和高壓告警,物業對這些告警也沒有重視,處理上述故障的方法是復位后重新開機,持續的故障運行導致冷機齒輪和軸承發生嚴重損壞。

【 問題解決 】

對離心壓縮機返廠大修,更換冷機增速齒輪對和軸承,更換冷機潤滑油油和濾清器,并對水系統進行水質處理和冷卻塔填料進行清洗,之后冷機調試正常,運行正常。

【 心得體會 】

冷機需要定期維護和保養,特別是潤滑油和濾清器需要定期更換,冷卻塔和水系統也需要定期維護和保養,確保良好散熱,如果維護不跟上,帶病運行,特別是高油溫或者缺油運行,會潤滑不良導致嚴重故障。冷機保養過程包括:更換油過濾器;檢查油系統回路,更換回油引射過濾器;更換壓縮機潤滑油;檢查并補充制冷劑;檢查和清理控制柜;

檢查和清理動力盤;檢查機組控制設置值是否正常等。

10低流量停機

【 問題現象 】

某冷機運行過程中,一臺冷機的冷卻水發生低流量控制器動作,冷機停止工作。

【 問題分析 】

發生流量告警故障,一般常見原因如下:水泵工作發生異常、過濾器堵塞導致的低流量,也可能是流量控制器故障或者設置值異常。

現場檢查,發現水泵運行正常,兩端閥門工作正常,但Y形過濾器兩端壓差異常,明顯偏大,判斷為Y形過濾器堵塞。

【 問題解決 】

停水泵,關過濾器兩端閥門,泄壓后對過濾器進行拆卸,發現過濾網上有臟污導致堵塞,清洗重新安裝后,開啟冷卻水泵,冷卻水流量恢復正常,流量開關無告警,冷機正常工作。

【 心得體會 】

水系統的維護非常重要,需要定期維護系統中所有的過濾器,本案例就是沒有定期清洗水管管路上的過濾器,導致了冷機流量告警停機。

有金融業的省級數據中心發生末端空調制冷效果普通偏差的現象,后來檢查發現管路安裝過程中,沒有對管路進行合理的防護,導致管道中污染物太多,加上清洗不及時,系統還未正式投運,過濾器就被完全堵塞的情況,空調無法工作。

11保壓時冷機異常移位

【 問題現象 】

某冷機房空調系統管網剛建設完成,在進行打壓試驗過程中,突然發現冷機發生嚴重位移,被伸長的波紋管推下基座。

【 問題分析 】

系統打壓時,軟接頭發生嚴重伸長,導致冷機發生橫向位移,剛好冷機也未完全固定,從基座上被推到基座下面。原來施工隊打壓試驗時,未隔斷波紋管和冷機設備,直接打壓,由于打壓壓力較大,波紋管嚴重伸長,并推動冷機發生水平位移,冷機一側掉下基座。

【 問題解決 】

關閉閥門,拆卸和冷機相連的管道,將冷機重新恢復到原來位置,檢查冷機正常,無明顯異常后才放心,更換嚴重伸長的波紋管,重新連接管道,系統恢復正常。

【 心得體會 】

管道水壓試驗前,要按設計施工圖進行核對,有可能對試壓造成影響的環節進行檢查,對不能參與試壓的設備與閥件,需要加以隔離。 現場可以根據需要安裝試壓臨時管線、試壓儀表及設備。

12冷機反轉運行

【 問題現象 】

某數據中心為提升制冷系統配電的可靠性,決定對冷機、水泵配電進行全面升級,采用雙電源+ATS切換,現場進行配電和電纜改造施工,冷機配電改造采用逐臺進行,發現其中一臺冷機配電改造重新開啟不久,出現油溫嚴重異常停機。

【 問題分析 】

現場檢查,電源電壓正常,測試相序,發現電纜施工過程中,其中一臺冷機配電相序發生了改變,而冷機本事沒有相序保護,冷機啟動后,電機反轉,導致油溫和排氣溫度異常升高,這是因為潤滑油在進入壓縮機之前,需流經制冷劑冷卻的油冷卻器,冷機反轉后,無法正常制冷,所以油溫也會嚴重升高。

【 問題解決 】

該故障原因為更換電纜后未確認轉向,導致壓縮機反轉,反轉后導致油壓異常,最后停機。 對冷機停電后,更換進線電纜相序,對冷機檢查后,嘗試性開機,一切正常。

【 心得體會 】

電纜施工后沒有進行相序核對,導致冷機反轉,好在運行時間較短,沒有對冷機造成損傷,實屬萬幸。 社會上用戶曾經發生過用戶自行調換電纜,未確認轉向,導致壓縮機反轉,最后導致高速齒輪大面積損壞而報廢的嚴重故障。

13冷機COP偏低

【 問題現象 】

某數據機樓中,配置4臺冷機,日常運行三臺冷機,其額定COP均為5.5。 但實測發現,即使在滿負荷工況下,這三臺冷機也達不到額定值,其中最低一臺僅為3.5,最高一臺為4.5。

【 問題分析 】

離心機組COP偏低的原因,常見問題有冷機負荷率偏小,設備性能老化等,冷機和冷卻塔效率偏低導致冷卻水回水溫度偏高等?，F場檢查,每臺冷機制冷量為2037kW,而實際每臺冷機供冷量只需要1500kW,低負載率導致了低效率;另外一個原因是設備性能老化,機組長時間運行中,冷卻水質處理不及時,冷機和冷卻塔換熱效果較差,導致效率降低。

【 問題解決 】

現場對冷機和冷卻塔進行清洗,并進行水質維護;也對冷機工況進行調整,補充部分制冷劑,正常維護后,冷機COP達到5.3左右,恢復到額定值。

【 心得體會 】

運維中要關注最大冷負荷工況下的冷機COP瞬時值與冷機額定COP,對節能減排非常重要。如果前者明顯小于后者,說明冷機效率低下很可能源于設備自身的原因,需要找到原因并進行處理。

數據中心水系統較為龐大和復雜,一旦水系統故障,影響和波及面大,檢修也不易,希望上述冷水機組案例經驗對數據中心的建設和運維人員有所幫助,避免重蹈覆轍,從而提升數據中心的安全性。