变频冷机在超低负载下如何安全又节能运行？

导语

使用变频冷机是为了节能，节能的前提是“冷机处于非满载工况下运行”。但如果当冷机负载太低（低于30%以下），冷机不仅无法有效节能，甚至不能正常工作——此时冷机会反复出现剧烈的机组“喘振”现象，“喘振”次数多了，冷机会因自我保护而停机。

本篇将为您解析腾讯数据中心的工程师是如何解决这个问题的。

喘振是怎么回事？

对于离心式冷机来说，压缩机是一个高速旋转的“气泵”。内部结构和离心水泵相似。当压缩机工作时，蒸发器中的冷媒被高速旋转的叶轮吸收后，在叶轮旋转过程中，提升压力和流速，最后从压缩机出口处到达冷凝器中。冷媒在“气泵”前后的压差，我们称为“压头”。原理和水泵增压一样。

图1 喘振原理

冷媒刚离开压缩机叶轮时，全压是最高的，此后，流向压力稍低的冷凝器中。假设此时压缩机叶轮转速忽然降低（或者是冷凝器中的压力忽然升高），这时，冷凝器中的压力就比压缩机叶轮出口的压力要高了，那会发生什么样的问题呢？——气体制冷剂从冷凝器倒流，经过压缩机叶轮与壳体的缝隙，回流到蒸发器。这就是“喘振”！

图2 喘振发生时冷媒流向示意图

当制冷剂流回到蒸发器之后，冷凝压力下降，蒸发压力上升，压差减小，压缩机开始再次按正确方向工作。但是，随着冷凝压力的升高，蒸发压力下降，机组将再次开始“喘振”！

喘振有哪些危害？

喘振发生时，机组会发出一种剧烈的“嘶叫”声——“嘠！！！”，尖锐刺耳，机器似乎也因快要解体而痛苦难堪。喘振还会伴随着强烈的震动摇摆，对整机结构也非常不利。喘振次数多了，对于高速旋转（每分钟上万转）的叶轮来说，无疑是一种致命的伤害。所以，厂家为了保护主机，但喘振发生时，会对喘振进行计数，频次超过阀值后，主机将自我保护停机。此时，需要人工现场确认复位后，主机才能再次投入工作。

为什么变频离心机轻载下容易喘振？

现在，我们已经知道叶轮转速过低或者是冷凝器压力过高都容易导致喘振。那么，这两种情形都是什么情况下会发生的呢？

叶轮转速过低往往是因为变频离心机在频率下降时造成的。当负载低的时候，离心机将自动进入降频节能工况，使得叶轮转速降低。但如果转速减得太低了，叶轮产生的压头不足以抵御两器（蒸发器和冷凝器）的压差时，冷媒将发生“倒流”，冷机就容易发生喘振。

另外一种原因是冷凝器由于散热不良（散热不良的原因有很多种：比如冷却水温过高、冷却水流量过小、盘管赃堵等等），使得冷凝器内部的冷凝压力过大，也会造成冷机喘振。

如何解决喘振？

通过以上分析，我们知道了负载太轻是运营初期变频冷机产生喘振的原因，如何解决呢？如果我们增大负荷会怎么样？

在腾讯某数据中心空调系统管路结构中，和冷机并联布置的有几套板式换热器（简称板换）。在冬季时，当流经室外冷塔的冷却水回水温度低于末端冷冻水回水温度时，才会启用板换做免费的制冷。但是在夏季的时候，板换是不工作的，如果强制让板换开启，由于冷却水温度比冷冻水温度要高，冷冻水是会被加热的。

如今，因为需要人为增加冷机热负荷，我们尝试了一下开启板换，把冷机负载率提高至避开喘振区。测得冷机平均运行能耗约大于400KW(如图2)，水泵需要多开启1到2台。

图3 冷机平均运行能耗

开启板换的解决方案下冷机输出功率存在波动，高于400KW。这种方法虽然解决了冷机喘振问题，但同时又引发了另外一个问题：冷冻水到精密空调末端主供水的两路主管供水温度不一致，存在较大的差异。

这主要与管道中水体流向存在分区有关——冷机和板换本是处于一个并联结构，相等温度的冷冻水回水分别流经冷机和板换后，一路被冷机制冷，另一路被板换加热，导致冷冻水出水温度差值比较大。再因为水流会遵循“阻力最小”的就近原则，两路出水实质上并不会发生混合，而是直接选择各自两侧最近的主供水管，直接去不同的末端区域。

末端回水也一样，哪里最近回到哪里。所以冷机侧的回水更多来自冷机原有的供水，板换侧的回水更多来自板换侧的供水，这将导致冷机回水温度较低，板换回水温度较高。经测试，这种方式最终导致靠近板换侧的主管供水温度高达18度，而靠近冷机侧的只有8度。这对于不同区域的机房IT负载来说，冷量供应不一致，系统存在较大的风险！

解决上述问题的两种方案

①在环网上关闭一侧的供水（或回水），让水流只走一路供（回）水，冷热水会发生混合。但这将使得系统可靠性降低；

②开启中间位置的冷机，并在冷机左右两侧各开启一套板换，让冷机出水都经过两侧板换的热水后做混合，并且通过人工不断微调板换上的水阀开度，最终保证冷冻水两侧主管道的供水温度一致。这种调节方式属纯手动调整，因存在误差累加，运行时间久了，两侧供水温度还是存在误差，它需要运营人员投入较多时间和精力去关注，增加工作量，属于“事倍功半”。

上述的增大冷机负荷的方式，明显是不智能的，难道就没有既节能又安全的解决方案了吗？

新的突破

面对以上困难，空调工程师首先想到了“管道蓄冷”的方法，某栋楼宇因为没有蓄冷罐，不可能在极轻负载下采用“蓄冷罐充放冷”的模式，但是否可以把管道中的这点保有水量当做蓄冷池来使用呢？管道的蓄冷能力有多少呢？工程师开始了以下的方式探索——

首先，尝试停止冷机，只开水泵，让管道中的冷冻水保持流动。经测试，管道中的水每循环一圈，水温上升2度，经过多圈循环后，管道中的水上升至16度，已经接近系统供水温度上限，在这个水温下，微模块A的末端空调送风温度达到24度，接近温度上限。（IT负载已经满载，6台列间空调全开，全部水阀开度90%以上）。

然后，工程师还在自控系统上加载了一个控制程序，用于控制冷机的启停，避开冷机喘振点：冷机自身设定供水温度8度，当冷机冷冻水回水温度达到16度时，自控系统远程启动冷机；冷机开始以8度的供水温度产冷，当冷机回水温度低于10度，自控系统远程关闭冷机（冷冻水泵一直保持运转）。任何时候都保持冷机进出水温差在2度以上的负荷，以防止冷机因负荷太低（比如进出水温差1度）而发生喘振。

测试中，冷机启动后，会以内部设定的供水温度目标值（比如8度）进行自身输入功率的调节。在回水温度较高时（比如16度），冷机运行功率会非常大，“运行电流百分比”参数为90%以上。约半小时过后，整个管道水温就由16度下降至低于10度，冷机因进出水温差减小，开始减载。此时，冷机减载过程中会伴随着轻微的喘振，当电流百分比减少至30%以下时，冷机频率进一步下降，喘振也越来越厉害。为了不让冷机喘振，自控系统在检测冷机回水温度到达10度后，先行关停冷机。然后让系统水温再自由回升至16度，再远程启动冷机。

图4 冷机频繁启停

图5 管路中水温的波动曲线情况

经测试，这种工作方式虽然可以解决冷机轻载喘振问题及起到节能效果，但由于冷机启停周期时间太短（3小时），导致每天需要频繁起停冷机（每天8次），频繁启停对冷机这样的大型设备来说也是非常不利。

如何把冷机一天的起停次数减少到合理范围？(比如一天1-2次)，甚至一直不停。这需要冷机在开启过程中，缓慢输出冷量，延迟冷机运行时间。工程师开始对冷机的内部厂家参数进行深入研究。

经研究，发现冷机内部有一项设置参数比较重要：现场电流百分比限制。它指的是冷机运行过程中，控制冷机最大的运行电流比不得超过某一设定值。如果电流比一直控制在较低值，也就能控制冷机的产冷量输出。

图6 采用了“限流”后的冷机输出功率

这项参数给了工程师新的启发：为了让冷机运行时间更久，减少启停次数，必须限制冷机输出，这就需要对冷机现场电流百分比设定做限制。工程师通过对这项参数进行反复调整，在确保冷机不出现喘振情况下，最终得到了以下最优的运行方案调整：

①设定“冷机现场运行电流百分比”上限不超过30%；

②设定冷机供水温度6度，目的不是让冷机达到供水温度6度，而是为了让冷机运行百分比提到最高，达到条件①所说的上限。

在完成上述两设定后，我们得到冷机在当前负载下的最终运行曲线：采用了“限流”后的冷机输出功率比较恒定，降低至200KW。

图7 采用了“限流”后的冷机供水温度曲线

成果提炼

通过这条曲线，我们得到以下分析结果——

冷机启动前，整个管道水温16度；冷机启动后，一直以最低的电流百分比输出（30%）运行，产冷量控制在较低值。此时的冷量只够产生3度的温降（回水16

度，出水13度）。

对于末端IT负载来说，供回水温差在1—1.5度，说明冷机还是有冷量富余，故整体水温会缓慢下降。

但从曲线斜率看，随着时间轴的偏移，供水温度下降斜率越来越平缓，说明冷量剩余随着供水温度的降低，也越来越少。当冷机供水温度到达7.3度后，供水温度下降趋势停止，并且保持平直。说明冷机在7.3度供水下，冷机输出冷量基本等于末端负荷热量。冷机富余冷量为0。

更好的消息是，冷机一直没有出现喘振，查看冷机面板内部关键参数为：

①压缩机叶轮进气导流叶片开度接近为0%，说明冷媒流量很小。（备注：开度为0状态，是进气百叶全关的状态，但并不是没有流量，因为百叶中心还有一个小孔，保证进气最低流量）。

②压缩机马达运行频率稳定在48Hz，接近满频，说明压缩机压头比较大，可避开喘振区。（冷机正常运行频率为35%-50%）。

③冷机运行电流百分比一直保持在30%。

怎么形象理解上述工作状态的原理呢？

这里打个比方：自己在家洗车时，软管的水流很慢，喷洒的距离有限，为了达到更远的射程，往往会把水管出口给捻紧，通过把水管内部的水压憋大，让水射得更远。同理，冷机把压缩机叶轮进气关到最小，同时把压缩机频率提到很高，也是为了在冷媒小流量（保证较低产冷量）下，提高冷机压缩机压头，防止喘振。

这种运行模式还有个特点：冷机输出功率（电流百分比）基本保持恒定。但如果末端负荷增加时，冷机供水温度也会随着上升，但随着供水温度的上升，冷机的COP（单位耗电量下的冷机产冷量）会增加。最终整体水温趋于稳定。所以我们不必担心机房负荷的变动对冷机系统的影响。只有当供水温度上升达到或超过16度（系统供水温度允许最大值），我们才需要重新上调冷机电流百分比限定。

基于这种运行模式的特征，我们起了个名字：冷机“限流不限温”运行模式(限定冷机最大运行电流，根据负荷自动调整供水温度)。

收益

通过这种运行方式，既使得冷机在能极低的负荷下保持恒定平稳地运行，又能把系统能耗将至最低。电费的明显下降，与工程师对冷机系统运行模式的优化调整是息息相关的。

总结

上述调整方式的创新，充分说明了一点：在空调系统中，一切的参数都是可调的，都不是永恒不变的，要想实现系统最佳的安全与节能，离不开运营工程师的模式创新。参与运营实践，从实践中总结提炼，才是数据中心挖掘系统安全与节能的最佳门路。