數據中心離心式冷水機組喘振分析及防治

崔杰 魯思棋 劉薇 張雲欽 沈朱哲

中國農業銀行數據中心，中國·北京 100095

1 引言

連續穩定地將機房內產生的熱量轉移到外部環境中是數據中心制冷空調系統的主要任務，可靠的制冷系統有助于數據中心內部各系統的高效穩定運行。

離心式冷水機組具有制冷量大、占地面積小、能耗低、等優點，比活塞式和螺桿式的性能系數更高[1]，是大型數據中心制冷系統經常采用的冷水機類型[2]，機組的主要部件為離心式制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流裝置、制冷劑、制冷劑系統、潤滑系統、控制系統等。

其中，圖1為數據中心常采用的冷凍水空調系統簡圖。

圖1 冷凍水空調系統簡圖

2 離心式水冷機組喘振現象

喘振作為離心式冷水機組固有的特性，在實際運行中，離心式壓縮機會在負荷過低或冷凝壓力過高時發生喘振現象，喘振發生時，壓縮機性能迅速惡化，導致整個水冷機組的制冷效率降低。

2.1 喘振現象內在機理

圖2（a）為實際工況時，離心壓縮機在不同轉速ni下出入口壓縮比隨流量Q變化曲線。在轉速一定時，曲線最高點C稱作喘振點，也是壓縮機揚程H隨流量Q變化下性能曲線的最高點，見圖2（b）。當機組在B點運行時，隨著負荷的增加，而冷凝器不能被及時冷卻時，為了向外界排放更多的熱量，需要壓縮機出口的制冷工質溫度更高，壓力更大，使工作點由B點向C點靠近。當負荷持續增加導致工質流量Q＜QC時，工作點會從C點跳到D點，壓縮機出口壓力變為PD，而冷凝器的壓力仍為PC，導致壓力差大于壓縮機的揚程，工質倒流，喘振現象發生，冷凝器壓力下降，直至其壓力與壓縮機出口壓力相等，回到工作點A，由于負荷依然存在，又會到達工作點B，如此整個機組周期性的反復喘振現象發生。

圖2 離心式壓縮機變化圖

2.2 喘振危害

在數據中心建設運營初期，IT設備負載較低，此時數據中心冷卻系統處于低負載運行，易發生喘振現象[3]。機組喘振發生時的危害主要體現以下幾個方面：

①運行時機組將伴隨著劇烈的電壓、電流波動，機組無法正常運行。

②在工質對葉片的連續沖擊下，葉輪應力增加，加劇軸承磨損，損壞機組部件。

③壓力、流量的波動造成系統內儀器、儀表的損壞。

④巨大噪聲影響現場運維人員的正常工作。

3 喘振的原因與預防

3.1 喘振的原因

離心式冷水機組發生喘振的主要原因是冷凝壓力過高或吸氣壓力過低，導致冷凝壓力過高或吸氣壓力過低的外在原因主要包括以下四方面。

3.1.1 冷水機組選型原因

冷水機組選型偏大，前期IT設備投產前期，最低負荷與最小單機冷量不匹配。

3.1.2 冷凝器原因

對于水冷型冷水機組：

①冷卻水流量不足。

②冷凝器結垢，導致小溫差偏大。

③冷卻塔散熱性能差，且室外環境潮濕、炎熱。

對于風冷型冷水機組：

①冷凝器散熱空氣流量不足。

②冷凝器結垢，導致小溫差偏大。

③冷凝器散熱性能差，且室外環境炎熱。

3.1.3 蒸發器原因

①冷凍水流量不足。

②冷凍水出水溫度設置偏低。

③蒸發器結垢，導致小溫差偏大。

3.1.4 制冷劑原因

①制冷劑泄露或添加量不足。

②制冷劑中含油較多。

3.2 喘振的預防

對于數據中心，系統的安全穩定運行十分重要，需在系統設計及運維管理階段針對喘振現象進行預防。

3.2.1 設計階段

①機組設計選型時，嚴格地進行冷熱負荷計算，預估數據中心運行前期最小的系統負載。在設備選型中，壓縮機可以卸載以滿足最小負載而不會出現喘振，如前期負載較小，可采用大小冷機搭配策略，或配備適當數量的螺桿式冷水機組。

②可按照比設計條件更高的冷卻水溫配置冷凝器，即冷凝器型號可偏大，雖然這會稍微降低設計效率，但它可確保在異常炎熱的天氣中避免喘振的發生。

③合理地選擇冷卻塔和冷卻水泵，根據預期的最高環境濕球條件選擇冷卻塔，并在冷卻水泵選擇中保證足夠的揚程，以確保冷卻水流量滿足冷水機組的要求。

3.2.2 運維管理階段

①結合運維最佳實踐，設置合理的冷源控制邏輯，如同時開啟多臺冷卻塔，避免冷卻流量不足。

②低負載時，在確保末端空調提供足夠冷量的基礎上提高冷凍水供水溫度設定值。在允許的條件下，降低冷卻水溫度設定值。

③重視對冷機、冷卻塔等系統的維護，定期開展水質監測、水質加藥處理以及冷卻塔、冷凝器清洗服務，保障機組小溫差在允許的范圍，同時保證冷卻塔保持較高的換熱效率。

④結合系統架構和配置，從系統層面尋找防止喘振的最佳實踐。

4 實際運行中喘振控制的最佳實踐舉例

某數據中心離心機組安裝完成后，末端空調設備及相應的假負載還未完成安裝，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，此時啟用冷機會發生喘振。在實際運行中，可使用圖3所示方法對冷機進行無負荷調試，該方法利用板式換熱器將冷機冷凝器的熱量傳至蒸發器，帶走蒸發器側的冷量，從而使冷機冷量與熱負荷相匹配。具體調試步驟為：

圖3 板式換熱器充當假負載進行冷機無負荷調試簡圖

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將冷凍水側冷機和板換得閥門全開，確保冷機和板換水路暢通，冷機制取的冷水和板換充分換熱，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將冷機冷卻水閥門全開，板換冷卻水側閥門部分開啟，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將板式換熱器閥門的開度在25%～100%進行調整，改變其換熱能力。

⑦根據冷卻水水溫情況部分開啟冷卻塔風機，以帶走壓縮機軸功率為準。

5 結語

論文針對數據中心常采用的離心式水冷機組的喘振現象進行探討，深入分析喘振的內在機理和危害，介紹了造成機組喘振現象的原因，分別從設計和運維角度給出喘震預防的建議，結合實際案例，提出了數據中心運行調試階段喘振的解決方法，為設計和運維提供參考。