膠球在線清洗裝置在數據中心的應用實踐及節能評估

       介紹了目前數據中心冷水主機冷凝器日常維護的清洗方法及膠球在線清洗裝置的結構原理。對浙江某信息產業園3臺相同型號的冷水主機采用3種不同的清洗方式進行對照分析實驗，分別為加藥水處理同時周期性通炮清洗、膠球在線清洗、加藥水處理同時膠球在線清洗，通過以上3種方式對比分析了對主機冷凝器端差的影響。結果表明，加藥水處理同時膠球在線清洗方式效果佳，主機冷凝器年平均端差為1.63℃,較傳統清洗維護模式主機冷凝器年平均端差下降了1.89℃,主機全年能耗降低9.1%，全年節約電量163167kW·h/臺。相較于另外兩種方式，加藥水處理同時膠球在線清洗的方式成本及效果優，年日常維護清洗費用節約130933元/臺，投資回報周期約0.76年。
       冷凝器是冷水機組的重要部件,但是冷卻水中的雜質、微生物、水溶性礦物質等均會導致冷凝器換熱管表面產生污垢,會在以下3個方面對冷凝器性能產生影響:
       ①污垢會降低換熱器的換熱效率,直接導致冷水主機能耗上升。手冊指出當冷水機組冷凝器有0.3mm厚的薄膜型水垢時,冷水機組會增加12.4%的能耗。
       ②污垢會增加水泵能耗。污垢凝結在換熱管內壁,減小了換熱管的流通面積,在冷卻水流量不變的情況下,會使流速增加;同時,污垢還會使換熱管表面粗糙度增加,摩擦系數上升。
       ③污垢沉積的地方容易引起局部過熱,引發鼓包、爆管等事故,部分污垢還具有腐蝕性。
       為了解決冷凝器結垢問題,人們從抑制和清洗兩個方面入手。抑制的方式主要是添加化學阻垢劑、抑制腐蝕污垢的緩蝕劑和控制生物污垢的殺生劑,但并不能完全避免污垢的生成,因而定期清除污垢也是必須的。清洗的方式主要分三類:化學清洗、物理清洗和機械清洗。
2、測試方案
       為了比較膠球在線清洗裝置和傳統維護清洗兩種方法對主機冷凝器端差的影響,本文對浙江某信息產業園3臺主機采用3種不同的清洗方式,并對其進行對照實驗。通過主機冷凝器端差大小判斷清洗效果,并對3種不同的清洗方式做節能評估。
2.1測試背景
       浙江某信息產業園南區機樓采用空調水系統制冷,制冷機房有3臺同樣型號約克離心式冷水機組,如表2所示。3臺主機分別在3個獨立的冷卻水系統(南1#、南2#、南3#)中。
表2冷水機組主要參數數據
參數項 參數
額定電壓/kV 10
額定制冷量/kW 4094
額定功率/kW 627
冷凝器換熱管外徑/mm 19.05±0.02
冷凝器換熱管壁厚/mm 1.092±0.05
冷凝器換熱管材質 黃銅
制冷劑 R134a
       南2#、南3#系統主機于2018年12月安裝膠球在線清洗設備,并于同月調試運行。改造前3套膠球在線清洗裝置系統都是采用傳統維護清洗方式進行日常維護的。
       測試參數主要來自空調水系統的BA系統和動環監控系統,主要參數包括:主機冷卻水回水溫度、主機冷凝溫度、冷水主機用電量。為保證測量精度,主機冷卻水回水溫度測量使用某品牌薄膜鎳溫度傳感器,量程-46~100℃,精度為±0.2℃;主機冷凝溫度通過主機冷凝壓力換算得到,冷凝壓力測量使用某品牌原裝壓力傳感器,量程0~300psi,精度±0.15%;用電量測量使用某品牌電度表。
2.2測試方法
       測試從2019年1月開始到2019年12月結束。采用對照試驗,南1#系統采用加藥水處理同時周期性通炮清洗(傳統維護清洗方式),南2#系統采用加藥水處理同時膠球在線清洗,南3#系統停止加藥后單獨采用膠球在線清洗。
2.3測試結果
       導出BA系統中的數據,并對每套系統主機冷凝器端差做日平均值處理,得到如圖3所示的結果。南1#系統主機冷凝器端差呈周期性變化,每次機械通炮清洗后冷凝器端差下降到1.8℃左右,隨著運行時間慢慢變長,冷凝器端差上升到5℃左右,這個時間周期在3個月左右。南1#系統主機冷凝器端差年平均值為3.52℃。
       南2#系統主機冷凝器端差全年在1.4~2.2℃區間內波動,端差年平均值為1.63℃。
       南3#系統主機冷凝器端差全年在1.4~3.2℃區間內波動,端差年平均值為2.24℃。
       南2#系統相較于南1#系統,主機冷凝器端差年平均值下降了1.89℃,主機冷凝器端差穩定性高、波動性小。膠球在線清洗裝置相較于周期性機械通炮清洗裝置能使主機運行更穩定,節省能耗,減小對換熱管的損傷,減少了人工工作量。
       南2#系統相較于南3#系統,主機冷凝器端差年平均值下降了0.61℃,主機冷凝器端差波動性小。化學水處理對抑制主機冷凝器結垢、改善主機冷凝器端差具有較明顯的效果。
       南2#系統采用加藥水處理同時膠球在線清洗,對改善主機冷凝器端差效果明顯。
3、膠球在線清洗裝置節能評估
3.1節電量分析
       根據中華人民共和國機械行業標準JBT11133—2011《水冷冷水機組管殼式冷凝器膠球自動在線清洗裝置》[10]逆卡諾循環計算可知,冷水機組冷凝溫度每升高1℃,冷水機組性能系數約降低4%,端差的上升
等同于冷凝溫度上升對主機的影響。
逆卡諾循環的制冷系數:q0T0w0Tk-T0式中:ε0為逆卡諾循環制冷系數;q0為制冷量,W;w0為耗功率,W;T0為蒸發溫度,K;Tk為冷凝溫度,K。
       由于本文數據中心實際運行時要求冷凍水出水溫度為10℃,所以主機運行時一般全年蒸發溫度在8℃左右,冷凝溫度在18~40℃之間,冷凝溫度隨冷卻塔的出水溫度變化而變動。從廠家得到該型號主機在蒸發溫度為8℃時的能效數據,如表3所示。
表3冷凝溫度對冷水主機性能的影響
冷凝溫度/℃ 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
制冷系數 13.69 12.55 11.59 10.76 10.04 9.41 8.86 7.93 7.53 7.17 6.85
冷凝溫度每升高1℃制冷系數降低百分數/% 9.1 8.3 7.7 7.1 6.7 6.3 5.9 5.6 5.3 5.0 4.8
冷凝溫度/℃ 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
制冷系數 6.55 6.28 6.02 5.79 5.58 5.38 5.19 5.02 4.86 4.71 4.56
冷凝溫度每升高1℃制冷系數降低百分數/% 4.3 4.2 4.0 3.8 3.7 3.6 3.4 3.3 3.2 3.1 3.0
       根據BA系統中的歷史數據可得到主機冷凝溫度月平均值;根據南1#、南2#、南3#系統主機冷凝器端差月平均值可得到南2#、南3#相較于南1#系統主機冷凝器端差月平均減小量;根據主機進線側高壓配電柜上的數據可得到平均每臺主機的月平均用電量數據,如表4所示。
由式(2)可以計算得到主機節電率:
主機節電率=端差減小量×冷凝溫度每升高1℃制冷系統降低百分數(2)
由式(3)可以計算得到主機節電量:
主機節電量=端差減小量×冷凝溫度每升高1℃制冷系統降低百分數×主機用電量(3)
表4試驗工況月平均數據匯總
時間 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 總計
主機冷凝溫度/℃ 23 20 20 22 31 33 36 39 33 29 25 19 
主機用電量/(kW·h/臺) 38788 39417 79311 197683 189034 195659 243297 245448 185100 161873 144031 74261 1793902
南2#端差減小量/℃ 1.47 2.49 0.79 2.26 2.60 0.87 2.29 2.64 1.40 1.71 2.51 1.34 
南3#端差減小量/℃ 1.35 1.71 0.16 1.71 1.74 0.44 1.50 1.89 0.90 0.82 1.95 0.70 
南2#主機節電率/% 9.2 19.1 6.1 15.1 10.8 3.4 7.9 8.3 5.4 7.8 13.9 11.2 9.1
南3#主機節電率/% 8.4 13.2 1.2 11.4 7.2 1.7 5.2 5.9 3.5 3.7 10.8 5.9 6
南2#節電量/(kW·h/臺) 3567 7547 4825 29771 20445 6574 19236 20269 9932 12603 20081 8316 163167
南3#節電量/(kW·h/臺) 3275 5188 988 22559 13685 3308 12553 14525 6397 6047 15602 4346 108473
       南2#系統相較于南1#系統,全年主機節電率為9.1%,全年主機節電量為163167kW·h/臺;南3#系統相較于南1#系統,全年主機節電率為6%,全年主機節電量為108473kW·h/臺,從節電效果來看,加藥水處理同時膠球在線清洗方式的實際運行效果更佳。
3.2膠球在線清洗裝置清洗維護成本分析
       膠球在線清洗裝置設備單價為10萬元,電費單價為0.8元/kW·h,由式(4)可以計算得到南2#、南3#系統相較于南1#系統節約維護成本:節約維護成本=南1#系統維護運行費用+當前系統節電費-當前系統維護運行費用(4)
       加藥水處理同時膠球在線清洗和單獨采用膠球在線清洗兩種方式,節約維護成本相差不大,約為13萬元(如表5所示),而加藥水處理對冷卻水管路及冷卻塔也有清洗保養作用,在實際維護中采用一種方案。該方案主機節電率為9.1%,全年主機節電量為163167kW·h/臺,節約維護成本13.09萬元/臺·年,投資回報周期為0.76年。
表5維護成本匯總
系統名稱 維護清洗名稱 維護運行費用/(元/臺·年) 節電費/
(元/臺·年) 節約維護成本/(元/臺·年) 投資回報周期/年
南1# 化學水處理
機械通炮清洗 47028
8000 / / /
南2# 化學水處理
在線膠球清洗 47028
400 130533 130933 0.76
南3# 在線膠球清洗 400 86779 134207 0.75
4、結語
基于以上分析,得到如下結論:
       (1)膠球在線清洗裝置能夠有效清除冷凝器換熱管內的污垢,改善換熱效果,降低制冷能耗。實測結果表明:南2#系統相較于南1#系統,主機冷凝器端差年平均值下降了1.89℃,且主機冷凝器端差穩定性高、波動性小。
       (2)化學水處理對抑制主機冷凝器結垢、改善主機冷凝器端差具有較明顯的效果。南2#系統相較于南3#系統,主機冷凝器端差年平均值下降了0.61℃。
       (3)加藥水處理同時膠球在線清洗和單獨采用膠球在線清洗兩種方式,節約維護成本相差不大,約為13萬元,投資回報周期為0.75年左右。
       (4)加藥水處理同時膠球在線清洗,對改善主機冷凝器端差效果明顯,并且對冷卻水管路及冷卻塔也有清洗保養作用,在實際維護中采用此方案。該方案主機節電率為9.1%,全年節電量為163167kW·h/臺,節約成本13.09萬元/年,投資回報周期為0.76年。
       目前浙江某信息產業園改造膠球清洗裝置后,主機節能效果良好,后期推廣到浙江移動其余數據中心機房。針對該裝置存在的幾點問題,如該裝置對銅管的磨損影響及該裝置故障率分析等,在后續的數據中心水系統運行維護中再做相關的分析研究。