某大型数据中心冷源设备监控系统
2017-07-05王永涛
王永涛
(中国建筑设计院有限公司智能工程中心)
某大型数据中心冷源设备监控系统
王永涛
(中国建筑设计院有限公司智能工程中心)
近几年以来,更多的大型数据中心采用冷冻水型机房空调系统,具有高效节能的优点。实现冷源设备的集中智能化监测控制,对数据中心高效管理与节能控制有着重要的意义。
数据中心;冷源设备监控;运行模式;控制流程
1 引言
冷源系统设备的高效运行离不开控制系统,冷源设备监控系统通过自控技术将冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、电动阀门及相关管道传感器统筹监控,实现连锁控制、逻辑顺序启停和节能控制等功能。系统可使各冷站设备相互协调,运行在最佳状态,在满足用户需求及稳定性的前提下,将整个冷站系统能耗降到最低[1]。本文对某大型数据中心水冷冷水机组部分的单元控制进行分析探讨。
2 系统情况
本数据中心冷源采用2N架构的冷冻水系统。A路冷源采用水冷冷水机组,共4台(“三用一备”);B路冷源采用风冷冷水机组,共15台(“十二用三备”)。各自配备相应的一次冷冻水泵、二次冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、板式换热器、加压装置、定压装置等辅助设备。两个冷源均能承担100%精密空调冷负荷,两个冷冻站以及冷冻水输送管路均进行物理隔离,满足容错要求;两路冷源之间设置相应连通管和电动切断阀,冷源既可以各自独立运行,也可以相互连通,相互备用,遇到紧急情况或其中一个冷源出现故障时可以自动关断连通管上的电动阀,使得未出故障的冷源独立运行,不受另一路冷源故障的影响;两个冷源连通以后,每个冷源承担的空调负荷灵活调节,可以全部采用水冷冷水机组运行,也可以全部采用风冷冷水机组运行;在二次泵相互连通的情况下,每一种方式均可做到在线维护要求。
为了降低能耗和节省运行费用,应尽量多地使用水冷冷水机组供冷。冷冻水设计供回水温度为12~18℃,实际运行时,可以根据服务器实际需求适当提高冷冻水温度,这样将有利于提高冷机效率,节省能耗。
3 模块化制冷单元控制
为确保数据中心冷源的可靠性,实现不间断在线式维修,将水冷冷冻站房的设备分成4个制冷单元,系统中相应的离心式冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、板式换热器、加压定压装置、传感器、阀门等管路设备组成一套制冷单元,各组制冷单元相互独立。系统正常运作时,在某一制冷单元中,冷冻侧水流通过冷水机组,由二次冷冻泵输送到末端制冷设备,其中有部分冷冻水会流经蓄冷罐供其蓄冷,最终由一次冷冻泵流回板式换热器或直接到机组;冷却侧冷却水流向冷却塔,最终由冷却泵流回板式换热器或直接到冷水机组。
4 运行模式
冷源系统主机运行模式分为三种:电制冷模式、预自然冷却模式(混合制冷模式)、完全自然冷却模式。
水冷系统开机时,根据室外湿球温度选择其中一种运行模式;在运行过程中,根据室外湿球温度及冷却水回水温度来判断运行模式的切换。安装两个室外温湿度传感器,比较两个湿球温度时,宜采用温度低者进行控制,这主要影响到电制冷主机是否能安全工作。为防止冷水机组冻机,冷却水进水温度不能过低。
4.1 电制冷模式
当室外湿球温度≥14℃并且冷却水回水温度高于制冷模式设定值时,为电制冷模式,此时只开冷机,切换组合阀门,水路只走冷机,不经过板式换热器,相应制冷单元中阀门泵组及冷却塔开启。(VLV5)阀门关闭,(VLV6)打开,冷却水不经过板式换热器,(VLV4)阀门开向主机侧,以电制冷模式频率运行(由现场测试决定,要求可调),此模式下完全靠冷水主机制冷(见图1)。
电制冷时,一期单台机组运行,到三期后由于一共4台变频主机,三用一备,其容量一般设计为最大负荷的150%,且同时运行,每套单元运行在33%负荷下,一旦1台失效,剩下两台可以满足100%负荷。因此,台数控制主要是满足安全性需要,与惯用的需求冷量控制法不同,为了实现备份功能,负荷再低也至少开3套制冷单元,因此此项目只有两种情况:开3套或4套。制冷单元开启套数切换点主要看效率,但机组的效率曲线随着冷却水温的变化而变化,本项目冷却水温是根据室外湿球计算而来,因此最佳效率的切换点也是动态变化的,预先在系统软件中输入机组效率曲线的变化范围,从而根据环境的变化动态选择这个切换时机。
4.2 预自然冷却模式
图1 制冷单元系统图
当14℃>室外湿球温度≥7℃,且冷却水回水温度低于冷冻水回水温度2℃时,为预冷模式;此时,切换组合阀门,水路先进板式换热器,再进冷机,冷却水作为板式换热器冷源为冷冻回水做预冷处理,从而减少冷机负荷,起到节能的效果。这种模式下,冷机与相对应板式换热器成组启停。(VLV5)阀门关闭,(VLV6)打开(VLV4)阀门开向主机侧(此阀门由冷水主机控制),在此模式下,由冷冻水控制,其板式换热器冷冻水出水温度不低于12℃(可调),通过调节冷却塔风扇转速,控制冷却水温度,来达到冷冻水温度的控制,或者直接控制冷却水温度,此温度可考虑设在13.8℃或14℃。
预自然冷却模式下,制冷单元台数控制与电制冷模式相同。
4.3 完全自然冷却模式
当室外湿球温度<7℃,水路只走板式换热器,冷却水作为板式换热器冷源为冷冻回水提供冷量,为最节能模式:(VLV5)阀门打开(VLV6)关闭,冷却水只经过板式换热器,冷水主机关闭,(VLV4)阀门开向旁通,此阀门由冷水主机控制)(此模式下完全靠冷却水制冷)。冷却水水温保证不低于10℃,当室外温度低于10℃,调节冷却塔风扇,以保证冷却水温度最低达到10℃。
所有模式下:冷冻水始终经过板式换热器,当冷冻站刚开始运行时,(DF1)阀门关闭,(DF2)阀门打开,保证期初制冷的冷冻水不进入冷冻水主管。当冷水主机出水温度达到12℃时,(DF1)阀门打开,(DF2)阀门关闭,冷冻水进入冷冻水主管道,2号、3号、4号主机开机时控制与1号相同。完全自由冷却下,当冷冻水供水总管温度超限,或单元控制器向统筹控制器提出加减载申请时,统筹控制器做出决定并发出命令。
4.4 三种模式间切换
1)电制冷向预自然冷却转换:室外湿球温度+偏差4℃(可在软件界面中调整)=冷却水出水设定温度。当这个计算出的冷却水出水设定温度,低于冷冻水回水温度-偏差2℃(可在软件界面中调整),则进入预自然冷却。
2)预自然冷却向完全自然冷却转换:室外湿球温度低于6℃(该数值可在软件界面中调整),或者由制冷单元DDC提供预警信号。
3)由完全自然冷却向预自然冷却转换:室外湿球温度高于8℃(该数值可在软件界面中调整),进入预自然冷却。
4)预自然冷却转换向电制冷转换:计算出的冷却水出水设定温度,高于冷冻水回水温度+偏差2℃(可在软件界面中调整)。
退出和进入完全自由冷却的过程,需要避免机组频繁启停,因此室外湿球温度低于6℃,并非实时测量值,而是采样某一个时间段内的平均温度(这个范围应根据当地天气条件修改)。高于8℃这个条件,也是通过采样一个时间段内的平均温度(这个范围应根据当地天气条件修改)。控制系统管理自由冷却所需的各种模式转换,能够完成电制冷模式、预自然冷却模式、完全自由冷却模式之间的安全过渡。同时,配合机组特性,合理控制冷却水温,并优化机组输出逻辑,保障系统运行在最佳效率点。
5 冷冻站控制顺序
制冷单元DDC接受统筹控制器的命令包括:开启、停止、电制冷模式启动、预自然冷却模式启动,完全自然冷却模式启动、维修等。
5.1单个制冷单元的开启顺序
打开冷冻水隔离阀→状态返回后打开冷却水隔离阀→状态返回后打开冷却塔蝶阀→状态返回后延时15s启动冷冻水泵→状态返回后延时15s启动冷却水泵→状态返回后延时15s启动冷却塔风机→确认水流开关状态返回→状态返回后延时60s启动冷水主机
5.2 单个制冷单元的停止顺序
停止冷水主机→延时60s后关闭冷却塔蝶阀,冷却水隔离阀,停止冷却水泵→延时120s后关闭冷冻水隔离阀,停止冷冻水泵(其中冷冻水蝶阀,冷却水蝶阀和冷水主机为串联设备)。
6 蓄冷罐应急运行保障
正常状态下,数据中心供冷部分冷冻水水冷、风冷双路管网同时运行,单边负荷率50%,单机负荷率采用台数调节保障冷机处于高效区;当单边系统发生故障时,非故障端系统承担100%负荷;当冷源系统失电,或者也有可能每套单元都有设备问题而导致无法同时使用,此时只能利用紧急供冷。采用二次泵+蓄冷罐供冷方式,保障15min正常供冷,满足冷水机组及一次循环泵冷却水泵重新启机所需时间段的供冷需求。蓄冷罐由低到高安装5个或更多温度传感器,系统正常运作时,冷冻一次泵的量程大于二次泵的量程,以保证一次泵在运行时,蓄冷罐能处于充能状态,冷冻水部分流进蓄冷罐中供其蓄冷。不同高度的温度传感器可通过温度识别跃温层,从而判断罐中所蓄冷量的多少,当最上面一个温度传感器温度已接近冷冻水温度,表示此时蓄冷罐已蓄满,但蓄满后阀门会持续保持一个最小开度以维持蓄冷罐中的冷量;紧急供冷时,由于一次泵停用,蓄冷罐上供回水倒流,再通过二次泵将蓄冷罐中冷水作为冷源给设备提供冷量。控制蓄冷罐及其响应阀门DDC应有UPS单独电源,从而保障失电时紧急供冷设备正常运作。
7 冷却塔风机的控制
1)在制冷单元DDC控制器执行电制冷模式时,冷却塔全开,满频,冷却水温度尽量低,无需追踪设定值。
2)直到室外湿球温度+偏差4℃,低于冷冻水回水温度-2℃偏差,进入预冷却模式后,在此模式下,PID控制风扇追踪计算出的冷却水温度设定值。
3)当套内自由冷却旁通阀开度达到70%上限,或主机内部参数电流百分比低于30%(这些数值都可在软件界面下修改)时,提高冷却水温度设定值0.5℃,从而间接影响冷却塔风扇调速。若继续达到上述条件,持续提高冷却水温度设定值,但该值不应高于冷冻水回水温度-偏差3℃(该偏差值可调)。
4)在完全自由冷却下,为了保持恒定的冷冻水温度,可通过控制冷却塔风扇进行调节。但为了避免响应滞后的影响,同样利用冷却水温度再设的方式间接控制冷却塔风扇。即当热交换冷冻水出水温度超过设定值时,降低冷却水温度设定值,降低幅度,反之亦然。
5)当冷却塔风扇已达最低运行状态,但冷冻水出水与设定值依然出现负偏差时,单元DDC控制器向统筹控制器发出卸载申请。反之,若冷却塔风扇已满频工作,但冷冻水出水与设定值依然出现正偏差时,单元控制器向统筹控制器发出加载申请。
8 压差旁通阀的控制
1)制冷单元接受统筹控制器的模式切换命令,响应转换对自然冷却旁通阀的控制逻辑。
2)进入预自然冷却模式后,根据冷机内部参数及蒸发器压力与冷凝器压力的压差,PID控制旁通阀的调节。且调节范围有下限,即保证流入主机至少30%流量。
9 二次泵组控制
1)水冷机房设一次泵4台,与冷机一一对应。设置二次泵4台,变频控制。风冷机房冷源侧风冷冷水机组设置循环水泵15台,与风冷冷水机组一一对应,风冷冷水机组冷水经板式换热器换热后提供系统冷源,系统侧设置一次水泵4台,与板式换热器一一对应。二次泵4台,变频控制。
2)采用相互冗余的DDC控制器控制二次泵组,要求压差传感器两套,分别接入主用、备用DDC,以水泵变频器为主,从控制信号配有相应的接线柱。
3)冗余DDC之间连接心跳线,通过最不利一组读数给出警报。
10 结束语
本文仅对数据中心冷源系统设备的各运行模式及基本控制流程进行描述,在实际的编写监控系统控制逻辑中还有很多的细节。冷源设备监控系统的设计实施人员需具备一定的暖通专业知识,只有掌握了工艺流程才能更好地进行监控系统的实施。
[1] 彭殿贞. 绿色数据中心空调设计[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2015.
Monitoring System of Cold Source Equipment for a Large Data Center
WANG Yong-tao
(Intelligent Engineering Center, China Architecture Design Group)
In recent years, more large data centers using chilled water air conditioning system, with the advantages of high efficiency and energy saving. It is of great significance for the efficient management of the data center and the energy saving control to realize the centralized intelligent monitoring and control of the cold source equipment.
data center; cold source equipment monitoring; operation mode; control flow