使用變頻冷機是為了節(jié)能，節(jié)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(jié)能，甚至不能正常工作——此時冷機會反復出現(xiàn)劇烈的機組“喘振”現(xiàn)象，“喘振”次數(shù)多了，冷機會因自我保護而停機。

本篇將為您解析騰訊數(shù)據(jù)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(zhuǎn)的“氣泵”。內(nèi)部結構和離心水泵相似。當壓縮機工作時，蒸發(fā)器中的冷媒被高速旋轉(zhuǎn)的葉輪吸收后，在葉輪旋轉(zhuǎn)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。

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(zhuǎn)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(fā)生什么樣的問題呢？——氣體制冷劑從冷凝器倒流，經(jīng)過壓縮機葉輪與殼體的縫隙，回流到蒸發(fā)器。這就是“喘振”！

圖2喘振發(fā)生時冷媒流向示意圖

當制冷劑流回到蒸發(fā)器之后，冷凝壓力下降，蒸發(fā)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(fā)壓力下降，機組將再次開始“喘振”！

喘振有哪些危害？

喘振發(fā)生時，機組會發(fā)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(shù)多了，對于高速旋轉(zhuǎn)（每分鐘上萬轉(zhuǎn)）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(fā)生時，會對喘振進行計數(shù)，頻次超過閥值后，主機將自我保護停機。此時，需要人工現(xiàn)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(xiàn)在，我們已經(jīng)知道葉輪轉(zhuǎn)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(fā)生的呢？

葉輪轉(zhuǎn)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(jié)能工況，使得葉輪轉(zhuǎn)速降低。但如果轉(zhuǎn)速減得太低了，葉輪產(chǎn)生的壓頭不足以抵御兩器（蒸發(fā)器和冷凝器）的壓差時，冷媒將發(fā)生“倒流”，冷機就容易發(fā)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(nèi)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(chǎn)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(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)管路結構中，和冷機并聯(lián)布置的有幾套板式換熱器（簡稱板換）。在冬季時，當流經(jīng)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(qū)。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。

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(fā)了另外一個問題：冷凍水到精密空調(diào)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(qū)有關——冷機和板換本是處于一個并聯(lián)結構，相等溫度的冷凍水回水分別流經(jīng)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(zhì)上并不會發(fā)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(qū)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(jīng)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(qū)域的機房IT負載來說，冷量供應不一致，系統(tǒng)存在較大的風險！

解決上述問題的兩種方案

①在環(huán)網(wǎng)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(fā)生混合。但這將使得系統(tǒng)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(jīng)過兩側板換的熱水后做混合，并且通過人工不斷微調(diào)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(diào)節(jié)方式屬純手動調(diào)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(jié)能又安全的解決方案了嗎？

新的突破

面對以上困難，空調(diào)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(jīng)測試，管道中的水每循環(huán)一圈，水溫上升2度，經(jīng)過多圈循環(huán)后，管道中的水上升至16度，已經(jīng)接近系統(tǒng)供水溫度上限，在這個水溫下，微模塊A的末端空調(diào)送風溫度達到24度，接近溫度上限。（IT負載已經(jīng)滿載，6臺列間空調(diào)全開，全部水閥開度90%以上）。

然后，工程師還在自控系統(tǒng)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(tǒng)遠程啟動冷機；冷機開始以8度的供水溫度產(chǎn)冷，當冷機回水溫度低于10度，自控系統(tǒng)遠程關閉冷機（冷凍水泵一直保持運轉(zhuǎn)）。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(fā)生喘振。

測試中，冷機啟動后，會以內(nèi)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(diào)節(jié)。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(shù)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(tǒng)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(tǒng)水溫再自由回升至16度，再遠程啟動冷機。

圖4冷機頻繁啟停

圖5管路中水溫的波動曲線情況

經(jīng)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(jié)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(shù)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(nèi)部廠家參數(shù)進行深入研究。

經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)冷機內(nèi)部有一項設置參數(shù)比較重要：現(xiàn)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(chǎn)冷量輸出。

圖6采用了“限流”后的冷機輸出功率

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

①設定“冷機現(xiàn)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。

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(chǎn)冷量控制在較低值。此時的冷量只夠產(chǎn)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(xiàn)喘振，查看冷機面板內(nèi)部關鍵參數(shù)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(tài)，是進氣百葉全關的狀態(tài)，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(wěn)定在48Hz，接近滿頻，說明壓縮機壓頭比較大，可避開喘振區(qū)。（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(tài)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)冷量）會增加。最終整體水溫趨于穩(wěn)定。所以我們不必擔心機房負荷的變動對冷機系統(tǒng)的影響。只有當供水溫度上升達到或超過16度（系統(tǒng)供水溫度允許最大值），我們才需要重新上調(diào)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(jù)負荷自動調(diào)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(wěn)地運行，又能把系統(tǒng)能耗將至最低。電費的明顯下降，與工程師對冷機系統(tǒng)運行模式的優(yōu)化調(diào)整是息息相關的。

總結

上述調(diào)整方式的創(chuàng)新，充分說明了一點：在空調(diào)系統(tǒng)中，一切的參數(shù)都是可調(diào)的，都不是永恒不變的，要想實現(xiàn)系統(tǒng)最佳的安全與節(jié)能，離不開運營工程師的模式創(chuàng)新。參與運營實踐，從實踐中總結提煉，才是數(shù)據(jù)中心挖掘系統(tǒng)安全與節(jié)能的最佳門路。

相關閱讀：

經(jīng)驗萃取丨制冷管道上的開關及導線連接問題

機房空調(diào)不只是制冷的!

合一液冷EDC的邊緣之戰(zhàn)

標簽： idc idc資訊 安全 機房 機房空調(diào)

版權申明：本站文章部分自網(wǎng)絡，如有侵權，請聯(lián)系：west999com@outlook.com
特別注意：本站所有轉(zhuǎn)載文章言論不代表本站觀點！
本站所提供的圖片等素材，版權歸原作者所有，如需使用，請與原作者聯(lián)系。