保障型不间断供冷系统设计

薛 根，韦国华

( 广州大学城能源发展有限公司，广州 510006 )

前言

随着社会生产力的进步，空调制冷在工业和商业中的应用比例越来越大，有时到了必不可缺的地步。比如纺织、制药的生产、精密仪器、仪表的制作和加工等，都需要保证生产和试验场所的恒温、恒湿环境。特别是大型数据计算中心的机房内部更是要保证全年365天不间断的恒温、恒湿环境，如果机房空调失效，在短短几十分钟内计算机就会因为超温而瘫痪，经济损失和影响面也会非常巨大。所以保证这些商业、工业用户的用冷需求是制冷行业新的挑战。

本文中提出了一套保障型不间断供冷系统设计。服务对象是“某数据中心”(以下简称“中心”)，系统利用已有的两个区域供冷站(A冷站和B冷站)同时向“中心”供冷，双冷源互为备用，并利用复杂的矩阵型管网实现多种方式的切换和配置，达到全年365天不间断供冷的目的。

1 保障型供冷的要求

“中心”设计总冷负荷为4.2万kW，其中1.1万kW冷负荷为保障型不间断供冷。冷冻水供、回水温度为6.5℃、14℃。

表1 系统配置设备

系统设计负荷(万kW)板换数量运行方式单机容量(万kW)装机总负荷(万kW)一般用冷3.13#～12#,共10台8用2备0.43.2保障用冷1.11#、2#、13#、14#,共4台2用2备0.61.2

蓄冷罐 4个，160 m3/个，总计640 m3，蓄冷罐向保障型供冷区提供容灾释冷供冷，提供30分钟小于11℃的冷冻水源*。

A、B冷站的总装机容量分别为8.7万kW。由于A、B冷站每年都有1～2次的大修期，期间将停止供冷，所以在两个冷站错峰大修时期要实现单个冷站的独立供冷；在某个冷站遇到机组故障供冷不足的情况下，系统自动或手动切换“中心”供冷设备的投运数量和投运方式；由于两个冷站引入“中心”的管路很长，在遇到管路泄漏的情况下需要及时发现，并切断供水或回水管路，同时在“中心”实现冷源的自动切换；在遇到某个冷站由于供电问题机组跳停时，应及时通知“中心”实行冷源自动切换。

在“中心”内部供冷系统遇到设备故障，如：板换器泄漏、阀门漏、管路漏、过滤器堵塞、板换堵塞、水泵或电机故障时，应及时隔离故障部位，在不影响供冷的情况下进行维修。

2 保障型供冷的实现及功能

保障型不间断供冷系统见图1。

2.1 冷站负荷调整依据

A、B冷站冷源供、回水温度，供回水压差是冷源供应质量的标准，冷站必须确保供、回水温度和压差达标，并以此作为冷站负荷调整依据。

2.2 运行数据分析

通过对每个板换器的温度、差压信号分析对比，判断出当前运行板换器的工况，是否泄露或堵塞，甚至判断出板换器换热效率是否下降。

如板换一次侧回水温度较其他板换器偏低或接近于一次侧供水温度时，判断板换可能内漏。表2列出了其他判断条件。

表2 其他数据判断

分析内容参考数据比较结论一次侧回水、二次侧供水温度一、二次侧供回水压差二次侧供水压力与已投运板换的统计数据进行比较,再与其历史数据比较太低有内漏,太高可能有堵塞太低有内漏,太高可能有堵塞太低水泵故障,或过滤器、逆止阀堵塞蓄冷罐内部蓄水水位蓄冷罐出水总管温度蓄冷罐内部蓄水温度冷站冷源供、回水压力冷源供水流量和温度 与设定值比较太低表示该蓄水罐有漏超过11℃,报警提示容灾释冷不足。(见2.5)4个蓄水罐内部水温均低于10℃,转为在线制冷模式1。(见2.5)突然下降并没有恢复表明可能爆管,建议切换其他冷源供冷。波动较大,报警提示该处供冷质量下降建议切换其他冷源供冷

板换换热效率判断：

根据板换压差计算公式：

△P=2f(1/Dh)ρω2m(μf/μw)-0.17[1]

式中：

△P—压差；

f—摩擦系数；

图1 保障型不间断供冷系统简图

Dh—特征长度；

ρ—密度；

ω —流速；

m—流程数；

μf—流体粘度；

μw—壁面粘度。

当板换内部堵塞、结垢时，会发生压差增加、流速增加，换热温差变大的现象，最终导致板换效率下降。在开启相同板换数量的条件下，将一、二次侧压差信号、温差信号进行数据分析(与其他板换器对比，或与其历史数据对比)，可判断板换换热效率是否降低，做出是否需要清洗的决定

2.3 冷源故障切换、负荷调配功能的举例

工况一：A站、B站同时提供冷源供应，A冷源带3#～6#板换；B冷源带9#～12#、13#、14#板换；1#、2#、7#、8#板换备用；启动J1～J8、J13、J14水泵。如B站故障不能提供冷源，或B站冷源供水管爆管，系统在判断故障后按照下面的进程执行：

(1)通知增加A站冷源负荷，增加供水流量；

(2)关闭M2、N2电动阀；

(3) 开启P1、Q1电动阀。

工况二：A站、B站同时提供冷源供应，A冷源带3#～6#板换，B冷源带13#、14#板换，1#、2#、7#～12#板换备用，启动J1～J4、J13、J14水泵。这时，由于B冷源供水温度或压力波动太大，导致保障供冷侧也波动较大，影响了制冷工况。切换供冷源：

(1)关闭S18、S19电动阀；

(2)开启T1、T2电动阀

(3) 启动J11、J12水泵；

(4) 停J13、J14水泵；

(5)关闭T13、T14电动阀。.

工况三：在夏季和冬季，“中心”用冷负荷会有变化，特别是非保障区的用冷负荷会有较大变化，这就需要重新配置投入板换器的数量，另外当部分板换器由于检修需要退出运行时，就需要更灵活的配置方法。A站、B站同时提供冷源供应，A冷源带5#～6#板换，B冷源带11#～12#、13#、14#板换，1#、2#、3#～4#、7～10#板换备用，启动J1～J4、J13、J14水泵。这时如果5#板换发生内漏或者5#板换一次侧供水手动阀漏需要检修，此时A3、B3、A5、B5电动阀是关闭的，需要执行如下操作：

(1)开启T3、T4电动阀；

(2)关闭A2、B2电动阀。

(3)退出5#、6#板换运行，进行检修。

或者：

(1) 开启T9、T10电动阀；

(2)开启A5、B5电动阀；

(3) 关闭A4、B4电动阀；

(4) B站冷源逐渐增大供冷负荷；

(5) 关闭M1、N1电动阀，切断A站冷源；

(6)关闭T5、T6电动阀。

2.4 保障性供冷区的调节

1#、2#、13#、14#板换器直接向末端供应冷源，2用2备，由于末端设备的特殊要求，要求做到机房内恒温、恒湿，对板换的供冷负荷有较高要求。系统以每台板换的二次侧供水温度为调节变量，通过调节阀L1、L2、L3、L4来控制一次侧的冷冻水供水流量，再通过末端空调保持机房内恒温、恒湿。

2.5 蓄冷罐的运行方式

表3 蓄冷罐运行说明

模式说明VaVbVc模式1蓄冷罐在线供冷关关开模式2蓄冷罐容灾释冷供冷关关开模式3蓄冷罐离线制冷,板换直接供冷开开关

(1)1#～4#蓄冷罐作为冷源中断时的后备，正常时为在线运行模式1，二次侧冷冻水经过蓄冷罐后再向末端供冷。此时关闭Va、Vb电动阀，开启Vc电动阀。

(2)当A、B冷站冷源中断，蓄冷罐进入容灾释冷供冷模式2。蓄冷罐能够提供30分钟≤11℃的冷冻水源。

(3)当A、B冷站冷源回复，蓄冷罐容灾释冷供冷结束，转为离线制冷模式3。末端由板换器直接供冷。此时开启Va、Vb电动阀，关闭Vc电动阀，蓄冷罐开始蓄冷。

(4)当4个蓄冷罐内的水温均已下降到10℃以下时，蓄冷罐转为在线制冷模式1，冷冻水经过蓄冷罐后间接供冷**。

2.6 水泵故障隔离

如果水泵故障需要更换，则关闭前后手动阀即可实现隔离，如果手动阀关不严，还可通过S1～S17手动阀进一步隔离。

2.7 投运板换数量的判断逻辑

总换热量=(A冷站冷源换热量+B冷站冷源换热量)·0.9

Q总=(G2·Cp·△T2+G3·Cp·△T3)·0.9

式中：

Q总—总换热量；

G2、G3—A、B冷站冷源质量流量；

Cp—水的比热容；

△T2、△T3—A、B冷站冷源进出口温差。

保障型供冷用板换器的调节阀(L1～L4)为线性流量调节阀，设计供冷量为Q额定1

Q保障=∑Q额定1·FLn%；(n=1～4)

式中：

Q保障—保障型供冷用板换器的换热量；

FLn—调节阀开度。

其他板换投入台数为n，单台板换器设计供冷量为Q额定2，则应投入运行的板换台数为：

n=(Q总-Q保障)/Q额定2，(n进一法取整)

3 总结

系统冷源互为备用，管路采用矩阵布局，每个设备都能按需投入和切出，设备配置灵活，既满足了冷负荷的配置需求，同时也为检修提供了多种隔离手段，实现了长期不间断的供冷任务。采用数据统计分析，对重要设备进行监控和故障报警，保证了故障设备能及时发现，也为高效能利用设备提供了数据分析基础。

[1] 倪晓华，夏萧渊.板式换热器的换热与压降计算[J].流体机械，2002，30(3):22-25

(1) 邓重秋，吴冬青，许新毅，李双磊.广州超级计算中心机房机电信息化总体设计.设计，施工说明(一)，2013，5

(2) 邓重秋，吴冬青，许新毅，李双磊.广州超级计算中心机房机电信息化总体设计.L-1、2冷冻水流程图，2013，5