使用變頻冷機(jī)是為了節(jié)能，節(jié)能的前提是“冷機(jī)處于非滿載工況下運(yùn)行”。但如果當(dāng)冷機(jī)負(fù)載太低（低于30%以下），冷機(jī)不僅無法有效節(jié)能，甚至不能正常工作——此時(shí)冷機(jī)會(huì)反復(fù)出現(xiàn)劇烈的機(jī)組“喘振”現(xiàn)象，“喘振”次數(shù)多了，冷機(jī)會(huì)因自我保護(hù)而停機(jī)。

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(gè)問題的。

喘振是怎么回事？

對(duì)于離心式冷機(jī)來說，壓縮機(jī)是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的“氣泵”。內(nèi)部結(jié)構(gòu)和離心水泵相似。當(dāng)壓縮機(jī)工作時(shí)，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(jī)出口處到達(dá)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(jī)葉輪時(shí)，全壓是最高的，此后，流向壓力稍低的冷凝器中。假設(shè)此時(shí)壓縮機(jī)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(shí)，冷凝器中的壓力就比壓縮機(jī)葉輪出口的壓力要高了，那會(huì)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(jī)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(shí)冷媒流向示意圖

當(dāng)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(jī)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(jī)組將再次開始“喘振”！

喘振有哪些危害？

喘振發(fā)生時(shí)，機(jī)組會(huì)發(fā)出一種劇烈的“嘶叫”聲——“嘠�。�！”，尖銳刺耳，機(jī)器似乎也因快要解體而痛苦難堪。喘振還會(huì)伴隨著強(qiáng)烈的震動(dòng)搖擺，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)也非常不利。喘振次數(shù)多了，對(duì)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(hù)主機(jī)，但喘振發(fā)生時(shí)，會(huì)對(duì)喘振進(jìn)行計(jì)數(shù)，頻次超過閥值后，主機(jī)將自我保護(hù)停機(jī)。此時(shí)，需要人工現(xiàn)場確認(rèn)復(fù)位后，主機(jī)才能再次投入工作。

為什么變頻離心機(jī)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(dǎo)致喘振。那么，這兩種情形都是什么情況下會(huì)發(fā)生的呢？

葉輪轉(zhuǎn)速過低往往是因?yàn)樽冾l離心機(jī)在頻率下降時(shí)造成的。當(dāng)負(fù)載低的時(shí)候，離心機(jī)將自動(dòng)進(jìn)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(shí)，冷媒將發(fā)生“倒流”，冷機(jī)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(huì)造成冷機(jī)喘振。

如何解決喘振？

通過以上分析，我們知道了負(fù)載太輕是運(yùn)營初期變頻冷機(jī)產(chǎn)生喘振的原因，如何解決呢？如果我們增大負(fù)荷會(huì)怎么樣？

在騰訊某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)中，和冷機(jī)并聯(lián)布置的有幾套板式換熱器（簡稱板換）。在冬季時(shí)，當(dāng)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(shí)，才會(huì)啟用板換做免費(fèi)的制冷。但是在夏季的時(shí)候，板換是不工作的，如果強(qiáng)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(huì)被加熱的。

如今，因?yàn)樾枰�人為增加冷機(jī)熱負(fù)荷，我們嘗試了一下開啟板換，把冷機(jī)負(fù)載率提高至避開喘振區(qū)。測得冷機(jī)平均運(yùn)行能耗約大于400KW(如圖2)，水泵需要多開啟1到2臺(tái)。

圖3冷機(jī)平均運(yùn)行能耗

開啟板換的解決方案下冷機(jī)輸出功率存在波動(dòng)，高于400KW。這種方法雖然解決了冷機(jī)喘振問題，但同時(shí)又引發(fā)了另外一個(gè)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(guān)——冷機(jī)和板換本是處于一個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，相等溫度的冷凍水回水分別流經(jīng)冷機(jī)和板換后，一路被冷機(jī)制冷，另一路被板換加熱，導(dǎo)致冷凍水出水溫度差值比較大。再因?yàn)樗�流�?huì)遵循“阻力最小”的就近原則，兩路出水實(shí)質(zhì)上并不會(huì)發(fā)生混合，而是直接選擇各自兩側(cè)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(jī)側(cè)的回水更多來自冷機(jī)原有的供水，板換側(cè)的回水更多來自板換側(cè)的供水，這將導(dǎo)致冷機(jī)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(dǎo)致靠近板換側(cè)的主管供水溫度高達(dá)18度，而靠近冷機(jī)側(cè)的只有8度。這對(duì)于不同區(qū)域的機(jī)房IT負(fù)載來說，冷量供應(yīng)不一致，系統(tǒng)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)！

解決上述問題的兩種方案

①在環(huán)網(wǎng)上關(guān)閉一側(cè)的供水（或回水），讓水流只走一路供（回）水，冷熱水會(huì)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(jī)，并在冷機(jī)左右兩側(cè)各開啟一套板換，讓冷機(jī)出水都經(jīng)過兩側(cè)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(cè)主管道的供水溫度一致。這種調(diào)節(jié)方式屬純手動(dòng)調(diào)整，因存在誤差累加，運(yùn)行時(shí)間久了，兩側(cè)供水溫度還是存在誤差，它需要運(yùn)營人員投入較多時(shí)間和精力去關(guān)注，增加工作量，屬于“事倍功半”。

上述的增大冷機(jī)負(fù)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(duì)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?yàn)闆]有蓄冷罐，不可能在極輕負(fù)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(diǎn)保有水量當(dāng)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(jī)，只開水泵，讓管道中的冷凍水保持流動(dòng)。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(gè)水溫下，微模塊A的末端空調(diào)送風(fēng)溫度達(dá)到24度，接近溫度上限。（IT負(fù)載已經(jīng)滿載，6臺(tái)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(gè)控制程序，用于控制冷機(jī)的啟停，避開冷機(jī)喘振點(diǎn)：冷機(jī)自身設(shè)定供水溫度8度，當(dāng)冷機(jī)冷凍水回水溫度達(dá)到16度時(shí)，自控系統(tǒng)遠(yuǎn)程啟動(dòng)冷機(jī)；冷機(jī)開始以8度的供水溫度產(chǎn)冷，當(dāng)冷機(jī)回水溫度低于10度，自控系統(tǒng)遠(yuǎn)程關(guān)閉冷機(jī)（冷凍水泵一直保持運(yùn)轉(zhuǎn)）。任何時(shí)候都保持冷機(jī)進(jìn)出水溫差在2度以上的負(fù)荷，以防止冷機(jī)因負(fù)荷太低（比如進(jìn)出水溫差1度）而發(fā)生喘振。

測試中，冷機(jī)啟動(dòng)后，會(huì)以內(nèi)部設(shè)定的供水溫度目標(biāo)值（比如8度）進(jìn)行自身輸入功率的調(diào)節(jié)。在回水溫度較高時(shí)（比如16度），冷機(jī)運(yùn)行功率會(huì)非常大，“運(yùn)行電流百分比”參數(shù)為90%以上。約半小時(shí)過后，整個(gè)管道水溫就由16度下降至低于10度，冷機(jī)因進(jìn)出水溫差減小，開始減載。此時(shí)，冷機(jī)減載過程中會(huì)伴隨著輕微的喘振，當(dāng)電流百分比減少至30%以下時(shí)，冷機(jī)頻率進(jìn)一步下降，喘振也越來越厲害。為了不讓冷機(jī)喘振，自控系統(tǒng)在檢測冷機(jī)回水溫度到達(dá)10度后，先行關(guān)停冷機(jī)。然后讓系統(tǒng)水溫再自由回升至16度，再遠(yuǎn)程啟動(dòng)冷機(jī)。

圖4冷機(jī)頻繁啟停

圖5管路中水溫的波動(dòng)曲線情況

經(jīng)測試，這種工作方式雖然可以解決冷機(jī)輕載喘振問題及起到節(jié)能效果，但由于冷機(jī)啟停周期時(shí)間太短（3小時(shí)），導(dǎo)致每天需要頻繁起停冷機(jī)（每天8次），頻繁啟停對(duì)冷機(jī)這樣的大型設(shè)備來說也是非常不利。

如何把冷機(jī)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(jī)在開啟過程中，緩慢輸出冷量，延遲冷機(jī)運(yùn)行時(shí)間。工程師開始對(duì)冷機(jī)的內(nèi)部廠家參數(shù)進(jìn)行深入研究。

經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)冷機(jī)內(nèi)部有一項(xiàng)設(shè)置參數(shù)比較重要：現(xiàn)場電流百分比限制。它指的是冷機(jī)運(yùn)行過程中，控制冷機(jī)最大的運(yùn)行電流比不得超過某一設(shè)定值。如果電流比一直控制在較低值，也就能控制冷機(jī)的產(chǎn)冷量輸出。

圖6采用了“限流”后的冷機(jī)輸出功率

這項(xiàng)參數(shù)給了工程師新的啟發(fā)：為了讓冷機(jī)運(yùn)行時(shí)間更久，減少啟停次數(shù)，必須限制冷機(jī)輸出，這就需要對(duì)冷機(jī)現(xiàn)場電流百分比設(shè)定做限制。工程師通過對(duì)這項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，在確保冷機(jī)不出現(xiàn)喘振情況下，最終得到了以下最優(yōu)的運(yùn)行方案調(diào)整：

①設(shè)定“冷機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行電流百分比”上限不超過30%；

②設(shè)定冷機(jī)供水溫度6度，目的不是讓冷機(jī)達(dá)到供水溫度6度，而是為了讓冷機(jī)運(yùn)行百分比提到最高，達(dá)到條件①所說的上限。

在完成上述兩設(shè)定后，我們得到冷機(jī)在當(dāng)前負(fù)載下的最終運(yùn)行曲線：采用了“限流”后的冷機(jī)輸出功率比較恒定，降低至200KW。

圖7采用了“限流”后的冷機(jī)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(jié)果——

冷機(jī)啟動(dòng)前，整個(gè)管道水溫16度；冷機(jī)啟動(dòng)后，一直以最低的電流百分比輸出（30%）運(yùn)行，產(chǎn)冷量控制在較低值。此時(shí)的冷量只夠產(chǎn)生3度的溫降（回水16度，出水13度）。

對(duì)于末端IT負(fù)載來說，供回水溫差在1—1.5度，說明冷機(jī)還是有冷量富余，故整體水溫會(huì)緩慢下降。

但從曲線斜率看，隨著時(shí)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(dāng)冷機(jī)供水溫度到達(dá)7.3度后，供水溫度下降趨勢停止，并且保持平直。說明冷機(jī)在7.3度供水下，冷機(jī)輸出冷量基本等于末端負(fù)荷熱量。冷機(jī)富余冷量為0。

更好的消息是，冷機(jī)一直沒有出現(xiàn)喘振，查看冷機(jī)面板內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)為：

①壓縮機(jī)葉輪進(jìn)氣導(dǎo)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(jìn)氣百葉全關(guān)的狀態(tài)，但并不是沒有流量，因?yàn)榘偃~中心還有一個(gè)小孔，保證進(jìn)氣最低流量）。

②壓縮機(jī)馬達(dá)運(yùn)行頻率穩(wěn)定在48Hz，接近滿頻，說明壓縮機(jī)壓頭比較大，可避開喘振區(qū)。（冷機(jī)正常運(yùn)行頻率為35%-50%）。

③冷機(jī)運(yùn)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(gè)比方：自己在家洗車時(shí)，軟管的水流很慢，噴灑的距離有限，為了達(dá)到更遠(yuǎn)的射程，往往會(huì)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(yuǎn)。同理，冷機(jī)把壓縮機(jī)葉輪進(jìn)氣關(guān)到最小，同時(shí)把壓縮機(jī)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(jī)壓縮機(jī)壓頭，防止喘振。

這種運(yùn)行模式還有個(gè)特點(diǎn)：冷機(jī)輸出功率（電流百分比）基本保持恒定。但如果末端負(fù)荷增加時(shí)，冷機(jī)供水溫度也會(huì)隨著上升，但隨著供水溫度的上升，冷機(jī)的COP（單位耗電量下的冷機(jī)產(chǎn)冷量）會(huì)增加。最終整體水溫趨于穩(wěn)定。所以我們不必?fù)?dān)心機(jī)房負(fù)荷的變動(dòng)對(duì)冷機(jī)系統(tǒng)的影響。只有當(dāng)供水溫度上升達(dá)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(jī)電流百分比限定。

基于這種運(yùn)行模式的特征，我們起了個(gè)名字：冷機(jī)“限流不限溫”運(yùn)行模式(限定冷機(jī)最大運(yùn)行電流，根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整供水溫度)。

收益

通過這種運(yùn)行方式，既使得冷機(jī)在能極低的負(fù)荷下保持恒定平穩(wěn)地運(yùn)行，又能把系統(tǒng)能耗將至最低。電費(fèi)的明顯下降，與工程師對(duì)冷機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行模式的優(yōu)化調(diào)整是息息相關(guān)的。

總結(jié)

上述調(diào)整方式的創(chuàng)新，充分說明了一點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳的安全與節(jié)能，離不開運(yùn)營工程師的模式創(chuàng)新。參與運(yùn)營實(shí)踐，從實(shí)踐中總結(jié)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。

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