肖鑫， 孟慶鵬， 宣依彤

（成方金融信息技術(shù)服務(wù)有限公司）

1 引言

水冷系統(tǒng)換熱效率高、節(jié)能效果好的特點(diǎn)使其在PUE要求越來(lái)越嚴(yán)苛的趨勢(shì)下成為數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的優(yōu)先選擇之一。閉式水冷系統(tǒng)[1]循環(huán)利用冷卻水，水量損失很小、水質(zhì)較為穩(wěn)定，而開(kāi)式水冷系統(tǒng)由于蒸發(fā)、排污等客觀因素導(dǎo)致耗水量大，水質(zhì)調(diào)控指標(biāo)精準(zhǔn)度和及時(shí)性要求都比較高，且水質(zhì)調(diào)控管理的效果直接影響制冷系統(tǒng)的安全性，如管道的結(jié)垢和腐蝕、微生物的滋生等。我單位運(yùn)維的某數(shù)據(jù)中心，是10 年前建成投產(chǎn)的自然冷卻水冷型系統(tǒng)，建設(shè)過(guò)程中配套安裝的水質(zhì)調(diào)控裝置功能單一、監(jiān)控指標(biāo)少，經(jīng)常需要人工投藥，不具備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，無(wú)法滿足制冷系統(tǒng)水質(zhì)調(diào)控精準(zhǔn)化管理需求。經(jīng)過(guò)充分調(diào)研和技術(shù)論證，成功換裝了新的水質(zhì)調(diào)控裝置，全面優(yōu)化了藥劑投放控制邏輯，不僅提升了冷卻水運(yùn)行的穩(wěn)定性和現(xiàn)場(chǎng)管理效率，也帶來(lái)了環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，為打造高效、綠色機(jī)房提供了有力支撐。

2 水系統(tǒng)基本情況

2.1 水系統(tǒng)運(yùn)行構(gòu)架

四臺(tái)板式換熱器是一次水和二次水換熱的主體，一次水通過(guò)板換給二次水降溫后，再通過(guò)開(kāi)式冷卻塔將熱量散出；二次水供精密空調(diào)用于機(jī)房降溫。一次水系統(tǒng)保有水量50m3，循環(huán)水量約1000m3/h，進(jìn)出水溫差3℃。一次側(cè)的冷卻水系統(tǒng)屬于典型的高循環(huán)量/保有量比值的系統(tǒng)，也是數(shù)據(jù)中心較為常見(jiàn)的一種設(shè)計(jì)。

2.2 水系統(tǒng)水源主要參數(shù)

數(shù)據(jù)中心位于北京市，制冷系統(tǒng)補(bǔ)充水應(yīng)為南水北調(diào)水源，從實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)看明顯屬于典型長(zhǎng)江流域水質(zhì)，水質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。該水質(zhì)具有中等鈣硬度和堿度，在循環(huán)水系統(tǒng)中濃縮后屬于結(jié)垢性水質(zhì)，濃縮4.5 倍時(shí)在該系統(tǒng)運(yùn)行條件下飽和指數(shù)LSI 約為2.7，屬于高結(jié)垢壓力。

3 水質(zhì)調(diào)控功能的不足及升級(jí)改造方案

3.1 調(diào)整投藥的控制方式

系統(tǒng)的循環(huán)量/保有量比值約20，正常負(fù)荷下系統(tǒng)藥劑停留的半衰期時(shí)間指數(shù)HTI為22小時(shí)。若每天投加一次阻垢緩蝕劑，則每次投加前系統(tǒng)藥劑濃度不足峰值的50%。為保證系統(tǒng)水質(zhì)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要確保藥劑谷底濃度滿足水質(zhì)穩(wěn)定運(yùn)行要求，這會(huì)導(dǎo)致峰值藥劑濃度過(guò)高，一方面造成藥劑的浪費(fèi)，另外過(guò)高藥劑濃度也會(huì)帶來(lái)腐蝕及結(jié)垢/沉積的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于保有量小、循環(huán)量大的系統(tǒng)，系統(tǒng)藥劑濃度受氣溫影響也較大，季節(jié)的不同，甚至白天或夜間都會(huì)明顯影響藥劑濃度，故定時(shí)投藥的方式很難穩(wěn)定控制系統(tǒng)中藥劑的濃度，系統(tǒng)水質(zhì)容易出現(xiàn)較大的波動(dòng)。為保持藥劑濃度的穩(wěn)定，盡量減少水質(zhì)波動(dòng)[2]，必須將按時(shí)投藥的落后控制方式調(diào)整為按需投藥方式。

3.2 增加科學(xué)的監(jiān)控指標(biāo)

水質(zhì)監(jiān)控參數(shù)只有電導(dǎo)率和PH值，也不具備對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比查閱的功能，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員無(wú)法及時(shí)掌握水質(zhì)和藥劑波動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于水質(zhì)波動(dòng)帶來(lái)的潛在結(jié)垢、腐蝕或微生物風(fēng)險(xiǎn)也不可預(yù)判和有效控制。而結(jié)垢和微生物是換熱器換熱效率降低的主要原因之一，會(huì)導(dǎo)致能耗和維護(hù)成本的增加；另外，水質(zhì)波動(dòng)帶來(lái)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)則會(huì)影響管道系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而威脅到數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)的安全性。經(jīng)反復(fù)研究，在電導(dǎo)率和pH 值監(jiān)控基礎(chǔ)上，增加了藥劑濃度、水體腐蝕性和氧化還原電位指標(biāo)以及水流監(jiān)控報(bào)警，提高水質(zhì)調(diào)控系統(tǒng)的適用性和實(shí)用性。

3.3 升級(jí)水質(zhì)調(diào)控藥劑

傳統(tǒng)液體藥劑用量大、占地多且存在揮發(fā)性，在投藥、更換藥桶等操作過(guò)程中難免產(chǎn)生藥劑滴漏情況，對(duì)環(huán)境安全和人身健康產(chǎn)生不利影響，頻繁地藥劑接收、搬運(yùn)也占用了很多人力資源。為提高工作效率和操作安全性，本項(xiàng)目將原來(lái)的液體藥劑升級(jí)為全固體無(wú)磷藥劑，且藥劑自身帶有熒光成分可有效提高濃度檢測(cè)精度。

3.4 升級(jí)水質(zhì)調(diào)控綜合管理功能

原有調(diào)控裝置集成度低、管理功能少、數(shù)據(jù)提取和展示不便的缺點(diǎn)也給運(yùn)維人員帶來(lái)了極大的困擾。新的調(diào)控裝置在需求調(diào)研階段就充分進(jìn)行了針對(duì)性討論，選配了高清晰彩色顯示屏、本地與遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)控和調(diào)整功能、歷史數(shù)據(jù)查詢和曲線展示等運(yùn)維管理必需的功能。另外，新的調(diào)控裝置還具備原廠通訊直聯(lián)功能，甲方授權(quán)后可實(shí)現(xiàn)原廠實(shí)時(shí)監(jiān)控接管，為緊急情況下原廠及時(shí)遠(yuǎn)程分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、判斷裝置運(yùn)行故障提供了便捷渠道。

4 水質(zhì)調(diào)控裝置升級(jí)效果評(píng)估

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性有了保障

在實(shí)現(xiàn)藥劑濃度精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，將按時(shí)投藥的落后控制方式調(diào)整為按需投藥，確保系統(tǒng)中藥劑濃度滿足阻垢、防腐、殺菌等綜合需求，避免水質(zhì)指標(biāo)受室外溫度、濕度、風(fēng)力等因素而大幅波動(dòng)，各種藥劑實(shí)現(xiàn)智能化全自動(dòng)投放，自動(dòng)控制排污，確保水質(zhì)指標(biāo)的安全、穩(wěn)定和科學(xué)控制。

從圖1和圖2可以看到，通過(guò)新的水質(zhì)智能調(diào)控裝置可以精確、穩(wěn)定地控制藥劑投加量，將系統(tǒng)藥劑濃度、電導(dǎo)率兩個(gè)核心指標(biāo)始終穩(wěn)定控制在合理區(qū)間內(nèi)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行打好基礎(chǔ)。

圖1 藥劑濃度歷史曲線

圖2 電導(dǎo)率歷史曲線

4.2 水系統(tǒng)運(yùn)行整體安全水平得到提升

新的水質(zhì)調(diào)控裝置在2023 年5 月安裝使用，整個(gè)夏秋季節(jié)循環(huán)水系統(tǒng)未發(fā)生綠藻滋生情況；裝置本地實(shí)時(shí)顯示的水質(zhì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與取水樣后專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果高度一致，充分反映了水質(zhì)調(diào)控裝置的可靠性。增加水體腐蝕性、氧化還原電位指標(biāo)以及水流監(jiān)控報(bào)警功能（詳見(jiàn)圖3），為管道安全運(yùn)行、預(yù)防水體微生物滋生和及時(shí)發(fā)現(xiàn)水泵異常停機(jī)提供了依據(jù)。2023 年9 月例行板換裝置清洗過(guò)程中，板換裝置換熱片之間和供水/回水管道口內(nèi)壁的檢查結(jié)果顯示，水系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕情況控制效果良好。以上實(shí)際使用效果的核驗(yàn)，充分反映了我們選用的水質(zhì)調(diào)控裝置和藥劑方案對(duì)水系統(tǒng)運(yùn)行整體安全水平的提升產(chǎn)生了積極作用。

圖3 主界面顯示的各種監(jiān)控內(nèi)容

4.3 操作安全和環(huán)保方面沒(méi)有后顧之憂

全新固體無(wú)磷藥劑方案的使用，既實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水更綠色環(huán)保的排污要求，又實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢棄物的零產(chǎn)生，現(xiàn)場(chǎng)變得整潔、美觀，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景對(duì)比見(jiàn)圖4。固體藥劑方案避免了液體化學(xué)品帶來(lái)的場(chǎng)地潑濺、操作強(qiáng)度大、搬運(yùn)及儲(chǔ)存不便等問(wèn)題，大大提升了現(xiàn)場(chǎng)操作和工作環(huán)境的安全性。2022 年和2023 年藥劑使用對(duì)比數(shù)據(jù)最能說(shuō)明問(wèn)題：2022 年液體藥劑用量約3126kg，產(chǎn)生空桶125個(gè)，2023年系統(tǒng)升級(jí)后只需10個(gè)紙箱包裝的固體藥劑即可滿足使用需求。紙箱包裝可按一般廢棄物回收再利用，避免了傳統(tǒng)液體化學(xué)藥劑桶須由專(zhuān)業(yè)企業(yè)回收處置的問(wèn)題，降低了處理難度并節(jié)省了處置費(fèi)用。

圖4 水質(zhì)調(diào)控裝置升級(jí)前（左）后（右）對(duì)比

4.4 水系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)高效

在升級(jí)改造前，為降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，日常運(yùn)行的電導(dǎo)率控制在1200μs/cm左右，節(jié)水效果不佳。隨著水質(zhì)調(diào)控能力的提升，運(yùn)維團(tuán)隊(duì)逐步將系統(tǒng)電導(dǎo)率設(shè)定值從1200us/cm 提升到1450us/cm，濃縮倍數(shù)相應(yīng)從3.7 倍上升到4.5 倍左右，水系統(tǒng)運(yùn)行在更加經(jīng)濟(jì)高效的區(qū)間。經(jīng)對(duì)比實(shí)際用水?dāng)?shù)據(jù)，2023 年水系統(tǒng)較上一年減少了約3%的自來(lái)水用量，全年減少自來(lái)水用量1009t?？紤]2023 年極熱天氣現(xiàn)象和機(jī)房用電功率的增長(zhǎng)客觀上增加了用水量，故合理推斷同等條件下2023年減少的用水量應(yīng)在1009t基礎(chǔ)上再增加數(shù)百噸。下一步擬通過(guò)增加一套排污水回收裝置，將含藥劑的排污水去除高濃度離子[3]后回注到水系統(tǒng)中，進(jìn)一步提升節(jié)水效果。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，作為目前數(shù)據(jù)中心主要制冷方式之一的水冷系統(tǒng)，在開(kāi)式運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)循環(huán)水水質(zhì)的精準(zhǔn)控制和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須關(guān)注水質(zhì)調(diào)控系統(tǒng)的功能指標(biāo)和藥劑選配方案，使其既適合當(dāng)?shù)刈詠?lái)水水質(zhì)又達(dá)到保障水體和管道系統(tǒng)整體安全運(yùn)行的目標(biāo)。而且，在運(yùn)維過(guò)程中要尤其重視水質(zhì)調(diào)控管理工作的綜合性特點(diǎn)，應(yīng)通過(guò)自來(lái)水水質(zhì)指標(biāo)和循環(huán)水水質(zhì)指標(biāo)變化、過(guò)濾器過(guò)濾效果、冷塔塔盤(pán)腐蝕情況、加濕裝置運(yùn)行狀態(tài)、板換裝置換熱片結(jié)垢情況和換熱效果變化、補(bǔ)水量與排污量變化情況等綜合評(píng)估水質(zhì)調(diào)控效果，適時(shí)采取有針對(duì)性的檢測(cè)、檢查措施。功能強(qiáng)大的水質(zhì)調(diào)控設(shè)備和優(yōu)良的藥劑方案，能為運(yùn)維人員提供有力支持，但不可以只依賴水質(zhì)調(diào)控設(shè)備，必須從綜合的角度客觀、全面分析水系統(tǒng)運(yùn)行的整體安全性，才能確保達(dá)到維持整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的目標(biāo)。