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数据中心循环水系统低负荷运行及停机操作要点

文章出处:本站浏览次数:130发表时间:2022-06-10

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文章转载来源:上海循诺环保科技


作者介绍

童银银,上海循诺环保科技有限公司,北京大学博士,《GB/T 50050-2017 工业循环冷却水处理设计规范》参编者。

循环冷却水的良好运行直接关系到数据中心运行的稳定性及PUE和WUE等关键运行效率指标。因为采用冷却冗余设计,数据中心的冷却水系统会交替轮换启动,导致始终会有部分系统处于停机状态。

另外低负荷运行也是数据中心冷却水系统经常遇到的一种工况,比如新系统启动初期,或季节性气温降低后。停机或低负荷运行会给系统水处理(腐蚀、沉积和微生物控制)带来巨大的挑战。


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 停机对循环水系统的影响 


 1

腐蚀控制

腐蚀控制是需要缓蚀剂在金属表面参与的过程。在水中,金属表面存在一个扩散层,药剂需要从水体中穿过扩散层才能到达金属表面。

水的流速越高,湍流度越大则扩散层越薄,药剂则越容易到达金属表面。当水流速偏低或者静止时,扩散层会增厚,水体中的缓蚀剂很难及时补充到金属表面,导致虽然水体中有充足的缓蚀剂,但金属表面的缓蚀剂浓度却很低,金属表面实际处于未被有效保护的状态,金属腐蚀速率大大上升。

除此之外,由于腐蚀速率的上升,金属表面会产生大量的铁锈。在正常工况下,腐蚀产物会被分散剂分散并随水流带走,但停机状态下,腐蚀产物不能有效的被分散带走而沉积在金属表面。导致短时间停机后再启动,系统水质总铁浓度和浊度偏高;若长时间的停机,则会导致金属表面形成锈瘤和鳞片式锈片,再启动时会由于水流扰动而剥离管道上的锈片及锈瘤,堵塞换热器进水口和空调末端的换热盘管。

危害:影响换热效率,提升制冷机的能耗,从而导致数据中心PUE的上升。

腐蚀率的增大以及锈瘤的形成,可能会加速管路局部穿孔,影响循环水系统的正常运行,并威胁数据中心运行的稳定可靠性。


 2

沉积控制

系统运行时,除了较大颗粒的悬浮物外,其它悬浮物会随着排污或旁滤系统排出系统。在停机状态下,没有水流的扰动,在水体中悬浮的悬浮颗粒大部分会沉积聚集在金属表面,重新开机后,很多沉积物并不会重新被水流扰动带走。

另一方面,沉积的颗粒会进一步诱导垢下腐蚀以及作为微生物滋生的温床。


 3

微生物控制

与腐蚀控制类似,有效微生物控制的目的是保持金属表面的洁净,停机状态下杀菌剂不能有效扩散到金属表面,从而促使表面更容易滋生微生物膜

一旦滋生大量微生物膜,系统再启动时,常规的杀菌剂浓度已很难有效去除微生物膜,导致系统长时间处于高微生物滋生压力下,而持续影响系统换热。

同时,微生物膜的滋生会进一步诱导产生厌氧酸化菌而加速金属的腐蚀,也会促进产生一些有害细菌(如军团菌)而危害人体健康。

危害:在换热器表面的沉积物以及滋生的微生物膜,会降低换热器的换热效率和制冷机的运行效率,导致冷凝器小温差的升高。小温差每上升1ºC,会直接导致制冷机能耗升高2-3%。作为数据中心主要用电设备之一,制冷机能耗的提高会显著影响PUE。除此之外,水质的恶化会消耗大量新鲜水去置换系统水质,也影响到数据中心的WUE。



 长时间低负荷运行对循环冷却水的影响 


长时间的低负荷运行,意味着系统会间歇性的经常处于停机状态,系统的排污量很少,停留时间过长,在系统内累积过多的悬浮物而导致水质浊度偏高,增加了沉积发生及腐蚀(垢下腐蚀)和微生物控制的风险,降低了制冷机的运行效率以及循环水系统运行的稳定性,并直接影响数据中心运行稳定和PUE;

对补水水质偏软的系统(如南方水质或采用软化水作为补水的水质),由于浓缩倍数很难提升而导致水质腐蚀性较强,系统金属腐蚀速率偏高。

如数据中心常用的镀锌冷却塔,在低钙硬、低碱度水质运行时,在镀锌层表面会经常观察到突起的白色腐蚀物,又称白锈。较高的腐蚀速率也会导致水质浊度、铁等指标超标,并消耗大量的新鲜水去置换系统水,一方面增加了系统的水耗,另一方面又进一步降低了系统的浓缩倍数,形成了一种不断恶性循环的状态。

对典型的水冷冷水机组的循环水系统来说,低负荷的界定与数据中心制冷机的运行负荷和循环水系统的补水水质相关。

负荷越低,系统的停留时间就越长;补水水质越软,需要的浓缩倍数越高,停留时间也会越长。对南方区域(珠三角、广西、福建等地区),补水的硬度、碱度都较低,补水的腐蚀性较强,系统一般运行到6-8倍以上的浓缩倍数,当制冷机平均运行负荷小于30% 左右的设计负荷时,循环水系统会处于低负荷状态;而对长江及长江以北的区域,补水属于偏结垢性水质,系统一般可以运行到3-5倍左右的浓缩倍数,当制冷机平均运行负荷小于20% 左右的设计负荷时,循环水会处于低负荷状态。


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图一:某数据中心低负荷运行6个月左右系统的腐蚀情况 


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图二:某数据中心低负荷运行6个月左右塔内沉积物和微生物粘泥


基于上述原因,并结合数据中心实际运行的工况状态,有必要针对停机以及低负荷运行制定相应的方案,以尽量降低停机以及低负荷运行对系统的影响。



 循环水系统的优化管理 


循环水系统的优化管理需要依次从下面三个方面着手进行:


 1

系统设计(Design)

良好的系统设计是基础,设计上的缺陷将会给水处理带来巨大的挑战,甚至导致水处理的完全失效。比如,换热器或进出水管路设计选型的不合理导致换热器内的流速偏低,会引起腐蚀、结垢沉积以及微生物等一系列问题,虽然从操作和化学品上能帮助改善,但很难从根本上避免这些问题。


 2

操作流程(Process)

完善的操作管理是系统正常运行以及持续优化的关键。它承上启下的联系系统设计和化学品方案两个方面。比如旁滤的操作管理,涉及到旁滤运行效果并进而影响化学品方案的选择和使用,并最终关系到系统水质和腐蚀、沉积控制。


 3

化学品方案(Chemical)

化学品方案需要匹配系统设计和操作流程。在此基础上,优良的化学品方案可进一步提升水处理的效果及效率。单纯从化学品角度着手优化,而忽视了系统设计和操作的优化,往往是事倍功半,并不能有效解决问题。



 系统停机操作建议 


理论上,长时间停机最好的保护方式是将整个系统吹干保存,但实际运行过程中,数据中心需要保持系统处于待命状态而必须维持正常水位,这就要求对系统进行必要的湿保,以尽量缓解停机状态下循环水对系统的影响。

尽量避免系统单次停机时间>7天。建议系统之间进行切换运行,缩短每个系统的停机时间。在系统停车期间,建议每1-2天循环30分钟以上,以促进药剂向金属表面扩散以及悬浮物的分散。同时,建议在循环过程中加强系统的杀菌控制。

对停机时间大于7天的系统,建议每周在系统循环时投加1-2次杀菌剂,可以非氧化性杀菌剂为主,交叉投加氧化性杀菌剂,并维持1-2ppm的余氯。同时在循环过程中检测水质及药剂浓度,并根据检测值补充阻垢缓蚀剂到1.5-2.0倍的日常维护浓度。

具体湿保操作流程和步骤参见水处理厂商的循环水湿保操作SOP。

通过高的药剂浓度,补充杀菌剂以及定期循环等方式, 湿保能一定程度缓解停机对系统的危害,但并不能完全避免出现一定程度的腐蚀、沉积和微生物等问题。对停机时间大于一个月的系统,建议再次开机前对系统进行必要剥离及预膜操作,以去除金属表面的微生物膜以及铁锈,并钝化金属表面,以修复长时间停机对金属表面造成的破坏。

对于数据中心的循环水系统,良好的旁滤运行状态能有效缓解停机再启动以及低负荷运行时系统出现浊度以及总铁浓度偏高的情况。系统停机再启动时,循环水一般浊度会较高,有效的旁滤能帮助系统水质尽快恢复正常,减少置换用水量,同时也能保持系统水质的整体稳定性,避免水质较大波动对系统运行的冲击。



 低负荷系统运行优化建议 


对低负荷运行的系统,为保持系统水质浊度在控制范围内,最为有效的方法是维持良好的旁滤运行效果。 

确保旁滤出水管道上有取样口,以方便日常监测旁滤出水。定期检测旁滤出水浊度,较好的旁滤效果应能保持出水浊度<3.0NTU。

旁滤效果较差时,应及时排查反洗频率设置是否合适,填料是否需要更换等,必要时可以在旁滤进水管线上添加旁滤助剂,以提升悬浮物的截留效率。

虽然系统水质浓缩较慢,但也需要维持合适的排污量,以减缓系统过长停留时间(<200h)对药剂性能以及系统腐蚀、结垢沉积和微生物控制的影响。

对补水水质较软的系统,低负荷运行时水质浓缩较慢,导致系统长时间处于偏腐蚀的状态(低钙硬、低碱度),为更好的控制系统的腐蚀,建议对水质进行必要的调整:

(1)适当补充氯化钙,以提升系统钙硬>100ppm;

(2)适当补充碱度,可以添加碳酸钠,氢氧化钠或者碳酸氢钠等,以提升碱度>100ppm且pH>8.3;

(3)适当提升缓蚀剂浓度,一般提升到1.2-1.5倍左右的正常运维浓度,具体提升的浓度需针对不同药剂方案确定。

对镀锌层的腐蚀控制,除了停机和低负荷运行的影响外,正常运行时的操作管理以及水质的控制范围也都需要关注,具体内容参见镀锌层腐蚀控制的操作建议。



 闭式冷冻水/低温水系统停机优化建议 


对于冷冻水的闭式循环水系统,在系统停机前应对系统进行必要的湿保,具体湿保流程和步骤参见水处理厂商的湿保SOP。

对于添加冷媒的冷冻水系统,由于冷媒成本较高,所以当系统出现水质超标(比如浊度较高)时,很难通过置换的方式优化系统水质。虽然旁滤系统能帮助解决这个问题,但闭式循环水系统很少设计有旁滤系统,这种情况下可考虑外接一套过滤装置帮助系统去除悬浮固体。类似装置不仅限于添加冷媒的系统,对常规低温水的系统,也能取得良好的效果和经济性,在提升系统水质质量的同时也避免了大量置换水和药剂的浪费。


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低负荷运行操作要点图片

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