胶球在线清洗装置在数据中心的应用实践及节能评估

       介绍了目前数据中心冷水主机冷凝器日常维护的清洗方法及胶球在线清洗装置的结构原理。对浙江某信息产业园3台相同型号的冷水主机采用3种不同的清洗方式进行对照分析实验，分别为加药水处理同时周期性通炮清洗、胶球在线清洗、加药水处理同时胶球在线清洗，通过以上3种方式对比分析了对主机冷凝器端差的影响。结果表明，加药水处理同时胶球在线清洗方式效果佳，主机冷凝器年平均端差为1.63℃,较传统清洗维护模式主机冷凝器年平均端差下降了1.89℃,主机全年能耗降低9.1%，全年节约电量163167kW·h/台。相较于另外两种方式，加药水处理同时胶球在线清洗的方式成本及效果优，年日常维护清洗费用节约130933元/台，投资回报周期约0.76年。
       冷凝器是冷水机组的重要部件,但是冷却水中的杂质、微生物、水溶性矿物质等均会导致冷凝器换热管表面产生污垢,会在以下3个方面对冷凝器性能产生影响:
       ①污垢会降低换热器的换热效率,直接导致冷水主机能耗上升。手册指出当冷水机组冷凝器有0.3mm厚的薄膜型水垢时,冷水机组会增加12.4%的能耗。
       ②污垢会增加水泵能耗。污垢凝结在换热管内壁,减小了换热管的流通面积,在冷却水流量不变的情况下,会使流速增加;同时,污垢还会使换热管表面粗糙度增加,摩擦系数上升。
       ③污垢沉积的地方容易引起局部过热,引发鼓包、爆管等事故,部分污垢还具有腐蚀性。
       为了解决冷凝器结垢问题,人们从抑制和清洗两个方面入手。抑制的方式主要是添加化学阻垢剂、抑制腐蚀污垢的缓蚀剂和控制生物污垢的杀生剂,但并不能完全避免污垢的生成,因而定期清除污垢也是必须的。清洗的方式主要分三类:化学清洗、物理清洗和机械清洗。
2、测试方案
       为了比较胶球在线清洗装置和传统维护清洗两种方法对主机冷凝器端差的影响,本文对浙江某信息产业园3台主机采用3种不同的清洗方式,并对其进行对照实验。通过主机冷凝器端差大小判断清洗效果,并对3种不同的清洗方式做节能评估。
2.1测试背景
       浙江某信息产业园南区机楼采用空调水系统制冷,制冷机房有3台同样型号约克离心式冷水机组,如表2所示。3台主机分别在3个独立的冷却水系统(南1#、南2#、南3#)中。
表2冷水机组主要参数数据
参数项 参数
额定电压/kV 10
额定制冷量/kW 4094
额定功率/kW 627
冷凝器换热管外径/mm 19.05±0.02
冷凝器换热管壁厚/mm 1.092±0.05
冷凝器换热管材质 黄铜
制冷剂 R134a
       南2#、南3#系统主机于2018年12月安装胶球在线清洗设备,并于同月调试运行。改造前3套胶球在线清洗装置系统都是采用传统维护清洗方式进行日常维护的。
       测试参数主要来自空调水系统的BA系统和动环监控系统,主要参数包括:主机冷却水回水温度、主机冷凝温度、冷水主机用电量。为保证测量精度,主机冷却水回水温度测量使用某品牌薄膜镍温度传感器,量程-46~100℃,精度为±0.2℃;主机冷凝温度通过主机冷凝压力换算得到,冷凝压力测量使用某品牌原装压力传感器,量程0~300psi,精度±0.15%;用电量测量使用某品牌电度表。
2.2测试方法
       测试从2019年1月开始到2019年12月结束。采用对照试验,南1#系统采用加药水处理同时周期性通炮清洗(传统维护清洗方式),南2#系统采用加药水处理同时胶球在线清洗,南3#系统停止加药后单独采用胶球在线清洗。
2.3测试结果
       导出BA系统中的数据,并对每套系统主机冷凝器端差做日平均值处理,得到如图3所示的结果。南1#系统主机冷凝器端差呈周期性变化,每次机械通炮清洗后冷凝器端差下降到1.8℃左右,随着运行时间慢慢变长,冷凝器端差上升到5℃左右,这个时间周期在3个月左右。南1#系统主机冷凝器端差年平均值为3.52℃。
       南2#系统主机冷凝器端差全年在1.4~2.2℃区间内波动,端差年平均值为1.63℃。
       南3#系统主机冷凝器端差全年在1.4~3.2℃区间内波动,端差年平均值为2.24℃。
       南2#系统相较于南1#系统,主机冷凝器端差年平均值下降了1.89℃,主机冷凝器端差稳定性高、波动性小。胶球在线清洗装置相较于周期性机械通炮清洗装置能使主机运行更稳定,节省能耗,减小对换热管的损伤,减少了人工工作量。
       南2#系统相较于南3#系统,主机冷凝器端差年平均值下降了0.61℃,主机冷凝器端差波动性小。化学水处理对抑制主机冷凝器结垢、改善主机冷凝器端差具有较明显的效果。
       南2#系统采用加药水处理同时胶球在线清洗,对改善主机冷凝器端差效果明显。
3、胶球在线清洗装置节能评估
3.1节电量分析
       根据中华人民共和国机械行业标准JBT11133—2011《水冷冷水机组管壳式冷凝器胶球自动在线清洗装置》[10]逆卡诺循环计算可知,冷水机组冷凝温度每升高1℃,冷水机组性能系数约降低4%,端差的上升
等同于冷凝温度上升对主机的影响。
逆卡诺循环的制冷系数:q0T0w0Tk-T0式中:ε0为逆卡诺循环制冷系数;q0为制冷量,W;w0为耗功率,W;T0为蒸发温度,K;Tk为冷凝温度,K。
       由于本文数据中心实际运行时要求冷冻水出水温度为10℃,所以主机运行时一般全年蒸发温度在8℃左右,冷凝温度在18~40℃之间,冷凝温度随冷却塔的出水温度变化而变动。从厂家得到该型号主机在蒸发温度为8℃时的能效数据,如表3所示。
表3冷凝温度对冷水主机性能的影响
冷凝温度/℃ 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
制冷系数 13.69 12.55 11.59 10.76 10.04 9.41 8.86 7.93 7.53 7.17 6.85
冷凝温度每升高1℃制冷系数降低百分数/% 9.1 8.3 7.7 7.1 6.7 6.3 5.9 5.6 5.3 5.0 4.8
冷凝温度/℃ 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
制冷系数 6.55 6.28 6.02 5.79 5.58 5.38 5.19 5.02 4.86 4.71 4.56
冷凝温度每升高1℃制冷系数降低百分数/% 4.3 4.2 4.0 3.8 3.7 3.6 3.4 3.3 3.2 3.1 3.0
       根据BA系统中的历史数据可得到主机冷凝温度月平均值;根据南1#、南2#、南3#系统主机冷凝器端差月平均值可得到南2#、南3#相较于南1#系统主机冷凝器端差月平均减小量;根据主机进线侧高压配电柜上的数据可得到平均每台主机的月平均用电量数据,如表4所示。
由式(2)可以计算得到主机节电率:
主机节电率=端差减小量×冷凝温度每升高1℃制冷系统降低百分数(2)
由式(3)可以计算得到主机节电量:
主机节电量=端差减小量×冷凝温度每升高1℃制冷系统降低百分数×主机用电量(3)
表4试验工况月平均数据汇总
时间 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 总计
主机冷凝温度/℃ 23 20 20 22 31 33 36 39 33 29 25 19 
主机用电量/(kW·h/台) 38788 39417 79311 197683 189034 195659 243297 245448 185100 161873 144031 74261 1793902
南2#端差减小量/℃ 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#端差减小量/℃ 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#主机节电率/% 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#主机节电率/% 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#节电量/(kW·h/台) 3567 7547 4825 29771 20445 6574 19236 20269 9932 12603 20081 8316 163167
南3#节电量/(kW·h/台) 3275 5188 988 22559 13685 3308 12553 14525 6397 6047 15602 4346 108473
       南2#系统相较于南1#系统,全年主机节电率为9.1%,全年主机节电量为163167kW·h/台;南3#系统相较于南1#系统,全年主机节电率为6%,全年主机节电量为108473kW·h/台,从节电效果来看,加药水处理同时胶球在线清洗方式的实际运行效果更佳。
3.2胶球在线清洗装置清洗维护成本分析
       胶球在线清洗装置设备单价为10万元,电费单价为0.8元/kW·h,由式(4)可以计算得到南2#、南3#系统相较于南1#系统节约维护成本:节约维护成本=南1#系统维护运行费用+当前系统节电费-当前系统维护运行费用(4)
       加药水处理同时胶球在线清洗和单独采用胶球在线清洗两种方式,节约维护成本相差不大,约为13万元(如表5所示),而加药水处理对冷却水管路及冷却塔也有清洗保养作用,在实际维护中采用一种方案。该方案主机节电率为9.1%,全年主机节电量为163167kW·h/台,节约维护成本13.09万元/台·年,投资回报周期为0.76年。
表5维护成本汇总
系统名称 维护清洗名称 维护运行费用/(元/台·年) 节电费/
(元/台·年) 节约维护成本/(元/台·年) 投资回报周期/年
南1# 化学水处理
机械通炮清洗 47028
8000 / / /
南2# 化学水处理
在线胶球清洗 47028
400 130533 130933 0.76
南3# 在线胶球清洗 400 86779 134207 0.75
4、结语
基于以上分析,得到如下结论:
       (1)胶球在线清洗装置能够有效清除冷凝器换热管内的污垢,改善换热效果,降低制冷能耗。实测结果表明:南2#系统相较于南1#系统,主机冷凝器端差年平均值下降了1.89℃,且主机冷凝器端差稳定性高、波动性小。
       (2)化学水处理对抑制主机冷凝器结垢、改善主机冷凝器端差具有较明显的效果。南2#系统相较于南3#系统,主机冷凝器端差年平均值下降了0.61℃。
       (3)加药水处理同时胶球在线清洗和单独采用胶球在线清洗两种方式,节约维护成本相差不大,约为13万元,投资回报周期为0.75年左右。
       (4)加药水处理同时胶球在线清洗,对改善主机冷凝器端差效果明显,并且对冷却水管路及冷却塔也有清洗保养作用,在实际维护中采用此方案。该方案主机节电率为9.1%,全年节电量为163167kW·h/台,节约成本13.09万元/年,投资回报周期为0.76年。
       目前浙江某信息产业园改造胶球清洗装置后,主机节能效果良好,后期推广到浙江移动其余数据中心机房。针对该装置存在的几点问题,如该装置对铜管的磨损影响及该装置故障率分析等,在后续的数据中心水系统运行维护中再做相关的分析研究。