高層機房空調水系統維護經驗交流

葉明哲

（中國電信浙江省杭州分公司）

0 前 言

現代電信樞紐樓越來越多地采用高層設計，在高層建筑中，傳統的風冷機房空調外機無法布置，這使得高層通信樞紐樓只能采用水冷的機房空調或者是冷凍水型的機房空調，同時現代通信樞紐樓機房設備發熱量大，要求空調系統連續運行。這種情況下，水系統是無法中斷的，必須在運行中進行檢修和維護，這就對空調水系統的運行和維護提出了非常苛刻的要求。因此高層通信樞紐樓水系統的運行和維修經驗對保障機房的安全具有重要的意義，而目前已有的水系統維護經驗僅僅停留在民用空調水系統上，不能在通信機房空調水系統中進行運用和借鑒。

1 關于高層機房水系統設計建議

（1）水系統最好采用閉式循環：由于通信機房的特點，要求水系統連續運行，不容許中斷。如果采用開式系統（圖1），水與大氣接觸，循環水中含氧量高，容易導致管路腐蝕。而采用閉式系統，由于管路不與大氣相接觸，管道與設備不宜腐蝕；不需為高處設備提供靜水壓力，循環水泵的壓力低，從而水泵的功率相對較小；由于沒有回水箱、不需重力回水、回水不需另設水泵等，因而投資省、系統簡單。

圖1 開式循環和閉式循環

（2）系統宜采用同程式：異程式的管路配置簡單，管材省，但各并聯環路管長不相等，因而阻力不等，流量分配不平衡。采用同程設計，各并聯環路管長相等，阻力大致相同，流量分配較平衡。如果管理安裝受限，無法采用同程式，可以在各樓層選用流量平衡閥。

（3）系統要備份和冗余：考慮系統的可靠性和備份，高層數據機房水系統宜采用兩個獨立的水系統或者設計成兩個獨立的單元，每個系統或者單元包括獨立的冷卻塔、水泵、管路及機房空調等；兩個系統或者單元的管路間通過閥門連通，水泵、冷卻塔和管路均形成雙備份，考慮水泵的重要性，循環水泵的電源不能來自于同一路市電，以消除單點故障隱患。

（4）水泵（圖2）和閉式涼水塔均要有冗余和備份，且水泵和冷卻塔要可以進行切換和調度靈活方便，以便于檢修和根據需要調整改變運行方式。

圖2 浙江第二樞紐樓冷卻水水泵系統配置

（5）每個樓層或者機房宜安裝聯絡閥門，確保每一處可以進行冷卻水系統的切換和調度，確保靈活方便，消除樓層和機房的單點故障。

2 浙江省第二長途樞紐大樓水冷系統簡介

浙江省第二長途樞紐大樓是比較具有代表性的一幢高層建筑，樓高240 m，建筑面積約80 000 m2，集機房和辦公功能于一體，其中1樓到21樓為機房，目前各樓層機房功能和機房空調數量如表1，為了滿足通信樞紐樓制冷的要求，浙江省第二長途樞紐大樓1層～21層采用了水冷的專用空調系統（閉式冷卻系統＋外置殼管式水冷冷凝器機房專用空調機組），系統設計了2個相對獨立的單元，每個單元由4臺冷卻水量為388.8 m3／h（108l／s）的 BAC閉式冷卻塔（1臺備用）和3臺690 m3／h的冷卻水泵（1臺備用）組成，每個單元系統如圖3所示。

表1 浙江省第二長途樞紐大樓已安裝空調情況

圖3 浙江第二通信樞紐大樓機房空調水冷系統1單元系統圖

第二通信樞紐大樓的冷卻水系統，設計為兩個單獨的系統，組成1＋1備份模式。每個系統各配置4臺冷卻塔和3臺冷卻水泵，共8臺冷卻塔和6個冷卻水泵，樓層水平支管采用聯絡閥聯絡。機房空調系統示意圖如圖4。

圖4 浙江第二通信樞紐大樓機房空調系統示意圖

系統安裝8臺，每臺冷卻塔標稱冷量為1 500 k W，4臺冷卻塔并聯工作時，冷量為6 000 k W。整個樞紐樓目前安裝單臺冷量為100 k W的機房空調90多臺，散熱量合計11 000 k W以上。專用空調水系統設計長期穩定工作的最高供水溫度為32℃。

3 水冷系統運行情況和面臨問題

該專用空調水冷系統從2006年4月投入運行，運行非常穩定，至今已經6個年頭，為通信樞紐樓的正常運行提供了非常好的保障。但是系統也面臨著下列問題：

3.1 水冷系統運行的極限溫度

表2是2011年夏季兩個冷卻水系統8個冷卻塔均投入工作的最高運行溫度。

表2 水冷系統夏季最高工作溫度

I2套冷卻系統供水最大水溫已經分別達到31.6℃和31.8℃，已經接近正常工作的32℃上限。在2011年6月22日下午，網運中心動力部門在夏季進行了模擬單系統工作試驗，關閉了一半冷卻塔，模擬單系統運行進行了一次試驗。

試驗過程中供水溫度一直上升，約40分鐘后水溫突破35℃依然無法穩定，表3為水冷系統最高溫度；專用空調器陸續出現高壓故障，試驗被迫終止（圖5）。試驗過程中，溫升速度約0.1℃／min。

從測試情況來看，在單系統或4個冷卻塔工作情況下，供水水溫突破35℃依然無法穩定，并導致專用空調器陸續出現高壓故障。這表明杭州電信大廈專用空調水系統在夏季已經不能單系統工作。

表3 水冷系統測試情況下最高工作溫度

圖5 冷卻系統供水水溫變化圖

3.2 水冷系統檢修問題

2011年底，在進行系統倒換過程中，發現部分閥門出現了泄露，導致系統無法關嚴的問題，水系統失去備份和冗余關系，系統需要維護和檢修，但是維護和檢修過程必須確保兩個水冷系統中一個系統能正常運行，以確保機房安全，然后才可以對另外一個水系統進行放水操作，之后進行維修。但目前因為閥門泄露的原因，導致兩個系統間無法完全關閉，一旦放水，會影響到另外一個系統。

特別是在系統不能停的情況下，系統運行和維護的問題就是如何找出泄露的閥門；如何在不影響機房空調工作的情況下，更換泄露或故障的閥門。

3.3 找出泄露的閥門

杭州電信大廈2層～19層的水平管路如圖6。目前1、2系統均處于運行狀態，供、回水閥全部開啟，聯絡閥均處于關閉，系統分離運行。由于系統處于運行中，兩個系統的水壓基本一致。

圖6 水冷系統水平管路示意圖

經過多次現場測試和維護人員的群策群力，我們提出如下閥門查漏方法：

（1）現場根據系統運行狀態，先關閉系統1的供水閥門，之后關閉回水閥門，這時系統1管路顯示的是回水壓力，正常時該壓力應該維持不變，如果回水壓力上升，說明供水閥門異常。

（2）微開供水閥，這時系統顯示供水壓力，再關閉供水閥。正常時該壓力應該維持不變，如果回水壓力下降，說明回水閥門異常。

（3）供回水閥門恢復正常位置，并對出現高壓報警的機房空調及時進行復位。

（4）采用同樣方法對系統2進行判斷。

（5）進行下一樓層查找。

通過上述方法，成功找到了泄露的閥門，情況如表4：

表4 水冷系統閥門損害情況統計

3.4 更換在線運行的閥門

考慮到系統的重要性和更換的復雜性，杭州電信網絡操作中心制定了嚴格的閥門更換步驟，按以下步驟操作進行：

（1）相關樓層空調割接：對7樓的四臺機房空調的8臺殼管式冷凝器的水系統進行割接，將7樓1號系統運行的空調全部割接到2系統上，割接過程見圖7～圖14。

（2）系統倒換：割接成功后，對水冷系統進行倒換，打開聯絡閥并關閉1系統的供回水閥，將1號系統的空調全部倒換到2號系統（圖15、圖16），確保空調正常運行。

（3）觀察：倒換成功后，對1號水冷系統進行放水，密切觀察2號系統工作情況。

（4）閥門更換：1號水系統水全部排出后，對上述閥門進行檢修和更換（圖17～圖19）。

考慮過程處理時間可能較長，而且故障處理過程中會出現一些不可預計情況，因此必須確保另外一套冷水系統的萬無一失，為此制定了應急預案，明確施工人員的相關操作以及工具和儀器準備完善。同時要求在更換過程中，中央空調維護人員必須開啟低區、高區中央空調，確保中央空調可以隨時投入使用或直接投入使用。

3.5 閥門損壞的主要原因

從更換下來的閥門情況看，閥門的閥板橡膠普遍存在老化現象，因此閥板橡膠老化是閥門失效的主要原因，具體情況如下：

圖7 ～圖14 樓層空調割接現場

（1）7樓1號系統回水閥，閥門橡膠老化，有兩個針狀漏點；8樓系統聯絡閥、閥門橡膠老化，有明顯裂痕。12樓1號系統供水閥，閥門閥板橡膠老化，密封橡膠有部分脫離現象（約1c m），如圖20～圖22。

圖15 ～圖16 閥門倒換操作現場

圖17 ～圖19 閥門更換現場

圖20 ～圖22 閥門密封圈損壞情況

（2）閥門剛性損害：2冷卻塔1號系統進出水閥，閥門鋼板斷裂，閥門嚴重失效。2號冷卻塔2號系統閥門定位銷異常，導致閥門無法開啟和閉合，嚴重失效，如圖23、圖24。

（3）地下二樓防爆閥檢修情況

拆開防爆閥，發現閥體內部被頭發絲和拖把布條纏繞，造成閥門嚴重堵塞，影響到該閥門的排水。考慮到地下一樓的所有排水均通過該閥門排到地下二樓，該閥門堵塞會導致專用空調泵房的安全，故提請物業公司注意地下一樓用水，不要在地下一樓水池清洗物品，以免不必要的堵塞。

3.6 BAC冷卻塔檢修和更換

在2011年冬季，8臺冷卻塔中有一臺冷卻塔的盤管發生了泄漏，盤管裂開了一個大口子，杭州分公司維護人員及時對該冷卻塔進行補漏搶修，并及時制定了應急預案和更換步驟，然后根據方案及時進行了更換，如圖25～圖28。

圖23 ～圖24 閥門剛性損壞情況

4 水冷系統檢修的總結和反思

（1）從本次閥門的檢修情況來看，閥門橡膠老化以后將是閥門失效的一個主要問題。因此，要把水冷系統列入維修計劃，并在每年的大修計劃里面進行周密計劃和安排，定期對水冷系統進行檢查，及時發現損害的閥門，同時結合閥門的使用年限，對異常的閥門和超年限閥門及時進行更換，并有計劃對閉式冷卻塔進行維護和檢修。

（2）由于該水系統大量采用了蝶閥，而蝶閥的特點是啟閉速度較快，結構簡單，造價低廉，且是靠橡膠來密封的，嚴密性和承壓能力不好。在事關系統密封性和一些頻繁操作的場合，建議還是采用閘閥。閘閥是靠金屬來密封的，可靠性更高。

（3）關閉不使用的冷卻塔時，只能關閉一只閥門，如果進出閥門同時關閉，由于設備內的水受到熱脹冷縮的影響，會對設備或者閥門的造成損壞。

圖25 凍裂的鍍鋅鋼管

圖26 補漏現場

圖27 ～圖28 閉式冷卻塔更換現場

（4）冬季要對冷卻塔制定完善的防凍措施。在冬季基本不用的場合須將噴淋水和內部循環水排空，確保流水暢通和排空干凈，必要時可以通入壓縮空氣輔助排空。部分時間段運行的場合，自動控制電加熱器的啟停。電加熱器的功率選擇依據循環水量和外界氣溫確定。常年運行的場合要根據負荷的大小調整冷卻塔臺數運行的數量，同時不運行的冷卻塔不能關閉進出水的閥門，確保冷卻塔獲得合適的熱量，避免冷卻塔凍裂。

5 結束語

由于通信建設的大規模發展，水冷系統的應用將會越來越多，本文是拋磚引玉，給同行借鑒和參考，希望大家一起探索和積累，共同提升機房空調水系統的運維經驗。