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★上海寶信軟件股份有限公司程玉寶

1　背景

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心IDC與新型智算中心AIDC集約建設(shè)的規(guī)模越來越大，地方政府出臺(tái)的建設(shè)導(dǎo)則要求新建大型數(shù)據(jù)中心單項(xiàng)目規(guī)模不低于3000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，平均單機(jī)架IT功率不低于6kW，單個(gè)數(shù)據(jù)中心的IT總功率達(dá)到18000kW（即18MW），互聯(lián)網(wǎng)客戶的大型應(yīng)用集群對(duì)數(shù)據(jù)中心IT容量定制化建設(shè)需求一般也在單模塊10MW左右，從建筑、電氣、制冷、消防、安防等機(jī)電基礎(chǔ)設(shè)施模塊化配套建設(shè)投資角度考慮，這也是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的建設(shè)規(guī)模。

10MW IT設(shè)備自身滿載每年運(yùn)行中就要消耗8760萬度電能，絕大部分會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能，如果不能及時(shí)把設(shè)備的發(fā)熱量轉(zhuǎn)移出建筑體量約15000平方米的數(shù)據(jù)中心，熱量累積將會(huì)使得數(shù)據(jù)中心室內(nèi)環(huán)境溫度不斷升高，以致超出IT設(shè)備正常運(yùn)行允許的溫度范圍。因此數(shù)據(jù)中心采用風(fēng)-風(fēng)換熱、風(fēng)-水-風(fēng)換熱、風(fēng)-液間接換熱乃至將IT設(shè)備浸沒在絕緣導(dǎo)熱液中直接換熱手段，通過應(yīng)用這些傳統(tǒng)或新穎的空調(diào)冷卻技術(shù)，將機(jī)房內(nèi)設(shè)備散發(fā)的熱量轉(zhuǎn)移出機(jī)房，再由設(shè)置在機(jī)房外的冷卻塔或干冷器放散到大氣環(huán)境中，也可用水盤管形式放散到天然水體中。

盡管液冷技術(shù)的應(yīng)用在迅速發(fā)展中，大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用冷凍水型的精密空調(diào)風(fēng)冷仍然是主流的冷卻方式。末端精密空調(diào)送風(fēng)機(jī)通過送風(fēng)道為IT設(shè)備輸送冷風(fēng)，與IT設(shè)備換熱升溫后的熱風(fēng)經(jīng)機(jī)房內(nèi)的回風(fēng)道循環(huán)吸入精密空調(diào)回風(fēng)口，與空調(diào)冷凍水盤管翅片換熱后降溫后的冷風(fēng)再次被空調(diào)風(fēng)機(jī)送至IT設(shè)備。空調(diào)盤管中的低溫冷凍水與機(jī)房熱風(fēng)交換升溫后，被冷凍水泵吸入轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心冷源冷卻后，再返送回機(jī)房精密空調(diào)，周而復(fù)始，一旦投用，將一直運(yùn)行至合約項(xiàng)目的終止日，因此要求末端精密空調(diào)與冷源系統(tǒng)均具有高可用性與高可靠性，還要為低概率的設(shè)備故障維修場(chǎng)景配置適量的冗余設(shè)備。

冷源系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的任務(wù)就是為數(shù)據(jù)中心內(nèi)的末端精密空調(diào)連續(xù)不斷提供低溫循環(huán)冷凍水，民用建筑供水溫度7℃，回水溫度12℃，節(jié)能型數(shù)據(jù)中心供水溫度提升至12℃，回水溫度18℃，甚至更高，因?yàn)槊刻嵘?度水溫約可減少3%的制冷能耗。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算，一座10MW級(jí)的數(shù)據(jù)中心模塊峰值時(shí)段機(jī)房與電氣室內(nèi)精密空調(diào)總熱負(fù)荷約13500kW，需要3臺(tái)4500kW（約1300冷噸）的冷水機(jī)持續(xù)運(yùn)行產(chǎn)出循環(huán)冷凍水?？紤]冗余備用，一般每個(gè)10MW數(shù)據(jù)中心模塊需配置4臺(tái)（3+1冗余）1300RT（冷噸）的變頻離心冷水機(jī)組，配套4臺(tái)變頻冷凍水循環(huán)水泵、4臺(tái)變頻冷卻水循環(huán)水泵、4組變頻風(fēng)機(jī)蒸發(fā)式冷卻塔、4臺(tái)免費(fèi)制冷用板式換熱器（以下簡稱板換）、大量的手動(dòng)隔離蝶閥、用于自動(dòng)控制的電動(dòng)開關(guān)蝶閥與流量調(diào)節(jié)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，若干流量、水溫、壓力、壓差、空氣濕球溫度傳感器測(cè)點(diǎn)，還需要在專業(yè)的冷源BA自動(dòng)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制下，才能在長達(dá)八至十年的合約服務(wù)期內(nèi)安全平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2　項(xiàng)目實(shí)施

數(shù)據(jù)中心行業(yè)內(nèi)冷源BA自動(dòng)控制系統(tǒng)大多采用DDC或PLC技術(shù)構(gòu)架，在本案例實(shí)施前未見有采用DCS技術(shù)構(gòu)架的報(bào)道，綜合技術(shù)可靠性、成熟度、設(shè)備采購交付期、建設(shè)成本以及我們已實(shí)施過的PLC與DDC控制系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等多方面考量，寶信自動(dòng)控制技術(shù)人員選擇采用DCS技術(shù)構(gòu)架建設(shè)一個(gè)高可用、節(jié)能型的冷源BA控制系統(tǒng)，圖1是數(shù)據(jù)中心冷源DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 數(shù)據(jù)中心冷源DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下運(yùn)行效率遠(yuǎn)高于滿載下的運(yùn)行效率，如圖2所示，某型1200RT冷水機(jī)滿負(fù)荷下的COP能效比為6.956，而在30%-70%部分負(fù)荷下COP均高于12，采用全變頻設(shè)備，可靈活適應(yīng)不同上架率下數(shù)據(jù)中心的實(shí)際負(fù)荷，通過啟用冗余設(shè)備，平分所有負(fù)荷，冷源BA控制系統(tǒng)將每一臺(tái)運(yùn)行的冷水機(jī)設(shè)備均控制運(yùn)轉(zhuǎn)在其安全且高效率負(fù)荷區(qū)段、水泵與風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行在高效率曲線段，不但可降低數(shù)據(jù)中心制冷總電耗，變頻低轉(zhuǎn)速下設(shè)備的磨損減少，有利于延長設(shè)備機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)壽命周期。

圖2 某型1200冷噸冷水機(jī)組滿負(fù)荷與部分負(fù)荷技術(shù)參數(shù)

水泵、風(fēng)機(jī)類設(shè)備的流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，它們的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)降低轉(zhuǎn)速時(shí)流量等比例下降，而軸功率卻以轉(zhuǎn)速比的三次方比例下降，這是風(fēng)機(jī)與泵采用變頻調(diào)速節(jié)能的主因，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)負(fù)荷都不會(huì)滿載，而且還有冗余備用的設(shè)備可以征用共同分擔(dān)總負(fù)荷，為冷機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行、風(fēng)機(jī)與泵變流量運(yùn)行節(jié)能創(chuàng)造了有利的條件。

除了利用設(shè)備變頻運(yùn)行節(jié)能外，節(jié)能型數(shù)據(jù)中心配置了與冷水機(jī)組既可并聯(lián)，也可串聯(lián)運(yùn)行的板換，通過控制每組冷水機(jī)與板換組合連接管路上的八個(gè)電動(dòng)開關(guān)蝶閥工作狀態(tài)，可以選擇以下三種運(yùn)行模式：冷水機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行（夏季電制冷）模式、板換獨(dú)立運(yùn)行（冬季免費(fèi)制冷）模式、冷水機(jī)與板換串聯(lián)組合運(yùn)行（過渡季板換預(yù)冷）模式。

板換獨(dú)立運(yùn)行模式啟用的條件是冬季室外大氣濕球溫度低于設(shè)定的模式轉(zhuǎn)換溫度值，冷卻塔循環(huán)冷卻水的出水溫度已持續(xù)低于冷水機(jī)設(shè)計(jì)的冷凍水出水溫度至少2℃（假定板換的換熱溫差值為2℃），此時(shí)切換電動(dòng)開關(guān)蝶閥，讓冷卻塔循環(huán)冷卻水出水直接進(jìn)入板換一次側(cè)換熱，待板換二次側(cè)循環(huán)冷凍水出水溫度趨近冷水機(jī)蒸發(fā)器側(cè)出水溫度時(shí)，可關(guān)閉冷水機(jī)，冷源系統(tǒng)低電耗運(yùn)轉(zhuǎn)，俗稱冬季冷卻塔-板換免費(fèi)制冷，是降低數(shù)據(jù)中心PUE值最有效的手段。

過渡季的節(jié)能方法是通過板換一次側(cè)與冷水機(jī)冷凝器串聯(lián)，板換二次側(cè)與冷水機(jī)蒸發(fā)器串聯(lián)，冷卻塔循環(huán)冷卻水出水先進(jìn)入板換的一次側(cè)，與二次側(cè)來自機(jī)房精密空調(diào)的高溫冷凍循環(huán)水換熱，將冷凍循環(huán)水溫度先降低一部分，再送入冷水機(jī)的蒸發(fā)器降至設(shè)計(jì)的出水溫度值，而板換一次側(cè)換熱后升溫的冷卻循環(huán)水仍能滿足冷水機(jī)冷凝器循環(huán)冷卻水進(jìn)水溫度要求。冷水機(jī)與板換各自承擔(dān)的換熱比例取決于大氣的濕球溫度，濕球溫度越低，冷卻塔循環(huán)冷卻水出水溫度越低，板換承擔(dān)的換熱比例越大，冷水機(jī)運(yùn)行電耗越低，節(jié)能越多。

前述三種運(yùn)行模式在冷源BA控制系統(tǒng)中被互鎖，每次只有一種模式能被激活。當(dāng)模式之間切換時(shí)，如果模式切換不成功，將退回至原模式，確保冷源運(yùn)行安全。

圖3是數(shù)據(jù)中心冷源水系統(tǒng)簡化原理框圖，四套冷水機(jī)與板換組合，可以大致了解冷水機(jī)與板換的管路連接方式與電動(dòng)開關(guān)蝶閥設(shè)置的位置，便于理解如何在冷源BA控制系統(tǒng)中編寫切換控制邏輯。圖4是DCS組態(tài)控制畫面上1號(hào)冷水機(jī)與板換運(yùn)行狀態(tài)畫面局部截圖。

圖3 數(shù)據(jù)中心冷源水系統(tǒng)簡化原理框圖

圖4 DCS控制畫面上1號(hào)冷水機(jī)與板換運(yùn)行狀態(tài)局部截圖

系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組與水泵、冷卻塔開啟與關(guān)閉的順序連鎖控制，冷水機(jī)只有在循環(huán)冷卻水與循環(huán)冷凍水及冷卻塔開啟運(yùn)轉(zhuǎn)后才能啟動(dòng)，關(guān)閉時(shí)順序相反，保護(hù)冷水機(jī)，防止銅管凍裂爆管。

系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實(shí)際負(fù)荷，按預(yù)定的規(guī)則自動(dòng)加載或減載冷水機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使每臺(tái)承擔(dān)的負(fù)荷百分比落入最優(yōu)效率負(fù)荷段范圍內(nèi)，不會(huì)因負(fù)荷過小而落入易發(fā)生喘振故障的小負(fù)荷區(qū)內(nèi)。冷凍水泵變頻運(yùn)行除了要滿足冷水機(jī)與機(jī)房精密空調(diào)的水流量要求外，還要保證機(jī)房內(nèi)供回水管路上最不利環(huán)路處的供回水壓差和溫差滿足機(jī)房設(shè)計(jì)要求。

大型數(shù)據(jù)中心均配有全容量應(yīng)急備用供電的柴油發(fā)電機(jī)組，但從外市電意外停電時(shí)刻起，到備用柴發(fā)啟動(dòng)向數(shù)據(jù)中心供電，是有數(shù)十秒到2分鐘的市電供電間斷，其間冷水機(jī)、冷卻泵與冷卻塔會(huì)因供電間斷而停止運(yùn)行，在柴發(fā)供電下重新啟動(dòng)冷水機(jī)到滿載供冷需要幾分鐘時(shí)間延遲，這會(huì)導(dǎo)致循環(huán)冷凍水升溫與機(jī)房內(nèi)升溫，因此高可用數(shù)據(jù)中心均需設(shè)置冷凍循環(huán)水應(yīng)急蓄放冷罐，在UPS電源支持下，可實(shí)現(xiàn)市電斷電后15分鐘連續(xù)放冷運(yùn)行，保障數(shù)據(jù)中心機(jī)房供冷連續(xù)不中斷。在供電恢復(fù)正常，冷水機(jī)組開啟，制冷系統(tǒng)逐步恢復(fù)正常供冷后，自動(dòng)切換應(yīng)急蓄冷罐為充冷工況，充滿后進(jìn)入小流量保冷工況。圖3中示出了應(yīng)急蓄冷罐蓄冷與放冷切換的管路與電動(dòng)開關(guān)蝶閥與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在管路上的設(shè)置位置。

此外系統(tǒng)中還設(shè)置有設(shè)備自動(dòng)防凍保護(hù)功能，在冬季極低氣溫來臨時(shí)，自動(dòng)開啟室外補(bǔ)水箱內(nèi)的電加熱帶，自動(dòng)開啟減載停運(yùn)的冷卻塔水盤內(nèi)的防凍電加熱器，防止設(shè)備凍害事故發(fā)生。

3　項(xiàng)目創(chuàng)新性

該項(xiàng)目首次在國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用DCS集散控制系統(tǒng)實(shí)施數(shù)據(jù)中心冷源BA控制系統(tǒng)，單系統(tǒng)控制的點(diǎn)數(shù)接近2500個(gè)。

數(shù)據(jù)中心從建成投運(yùn)初期低上架率到高上架率接近滿載，有一個(gè)較長的負(fù)荷增長爬坡期，特別是上架率低的投運(yùn)初期，冷水機(jī)低負(fù)載易發(fā)生喘振現(xiàn)象，不利于設(shè)備安全，需要重點(diǎn)解決。應(yīng)對(duì)方法是兼用應(yīng)急蓄放冷罐的周期充放冷邏輯，將蓄冷罐模擬為冷水機(jī)負(fù)載或循環(huán)冷凍水運(yùn)行緩沖罐，可解決數(shù)據(jù)中心投用上架初期低負(fù)荷時(shí)冷水機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求，圖5是DCS主控畫面蓄冷罐放冷電動(dòng)閥狀態(tài)截圖。

在工期緊的條件下如何保障冷源系統(tǒng)工程按期完工交付，也是一個(gè)重難點(diǎn)問題。應(yīng)對(duì)方法是工程技術(shù)人員做好充分準(zhǔn)備，理清冷源運(yùn)行工藝控制要求和全部控制邏輯、各功能應(yīng)用的進(jìn)入與退出時(shí)機(jī)，梳理清全部信號(hào)點(diǎn)表，通過設(shè)備出廠前檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，爭取DCS控制設(shè)備成套盤箱零缺陷出廠。安裝調(diào)試中認(rèn)真仔細(xì)打點(diǎn)測(cè)試校核，確認(rèn)來自現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)與發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器的動(dòng)作命令執(zhí)行無誤后，再進(jìn)入系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，逐個(gè)模擬驗(yàn)證每一個(gè)功能控制邏輯和運(yùn)行參數(shù)的正確性，投運(yùn)后還需在相應(yīng)季節(jié)來臨后再進(jìn)行復(fù)核、優(yōu)化。

圖5 DCS控制畫面應(yīng)急蓄冷罐放冷運(yùn)行狀態(tài)局部截圖

4　效益分析

該冷源BA系統(tǒng)投運(yùn)后，不僅滿足高可靠性、高可用性、可維修性、易操作性等多方面需求，而且節(jié)能效果顯著，實(shí)現(xiàn)了冷凍水型精密空調(diào)風(fēng)冷型數(shù)據(jù)中心年平均電能利用效率PUE在華東地區(qū)低于1.26的實(shí)績，每年可為用戶節(jié)約可觀的運(yùn)行電費(fèi)。

雖然控制系統(tǒng)的架構(gòu)與以往不同，但系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)畫面與園區(qū)內(nèi)運(yùn)行的其他數(shù)據(jù)中心畫面風(fēng)格一致，沒有改變數(shù)據(jù)中心運(yùn)維操作者的使用習(xí)慣，方便老員工向新員工傳幫帶。

此外，還充分利用DCS冷源控制系統(tǒng)軟硬件資源富余的能力，將數(shù)據(jù)中心樓宇中為暖通與消防設(shè)置的空調(diào)新風(fēng)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)、正壓送風(fēng)機(jī)、機(jī)械排煙風(fēng)機(jī)、補(bǔ)風(fēng)機(jī)、排煙防火閥、電動(dòng)風(fēng)閥等通風(fēng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)啟?？刂婆c遠(yuǎn)程手動(dòng)操作等功能全部集成在本系統(tǒng)中，并設(shè)置相應(yīng)的操作、監(jiān)視與報(bào)警畫面，降低了數(shù)據(jù)中心總體建設(shè)成本，也為降低投運(yùn)后的運(yùn)維人工成本創(chuàng)造了有利條件。

5　項(xiàng)目意義

此項(xiàng)目的成功實(shí)施證明可以基于工業(yè)級(jí)的DCS技術(shù)構(gòu)建大型數(shù)據(jù)中心冷源BA控制系統(tǒng)，工程師站兼實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫運(yùn)行主備服務(wù)器，所有控制邏輯均駐留在DCS控制器模塊中，在模塊級(jí)冗余容錯(cuò)、應(yīng)對(duì)復(fù)雜的多設(shè)備群控、通信網(wǎng)絡(luò)安全性等方面優(yōu)于DDC構(gòu)架的系統(tǒng)。對(duì)于18~24MW或更大體量的數(shù)據(jù)中心與智算中心，可拆分為兩個(gè)或多個(gè)冷源系統(tǒng)模塊進(jìn)行實(shí)施，這也是10MW級(jí)冷源系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)、可快速復(fù)制的意義所在。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年10月刊