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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，地方政府出臺的建設(shè)導(dǎo)則要求新建大型數(shù)據(jù)中心單項目規(guī)模不低于3000個標(biāo)準(zhǔn)機架，平均單機架IT功率不低于6kW，單個數(shù)據(jù)中心的IT總功率達到18000kW（即18MW），互聯(lián)網(wǎng)客戶的大型應(yīng)用集群對數(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，這也是一個比較經(jīng)濟的建設(shè)規(guī)模。

10MW IT設(shè)備自身滿載每年運行中就要消耗8760萬度電能，絕大部分會轉(zhuǎn)換成熱能，如果不能及時把設(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)，將機房內(nèi)設(shè)備散發(fā)的熱量轉(zhuǎn)移出機房，再由設(shè)置在機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)機送至IT設(shè)備。空調(diào)盤管中的低溫冷凍水與機房熱風(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，再返送回機房精密空調(diào)，周而復(fù)始，一旦投用，將一直運行至合約項目的終止日，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)備故障維修場景配置適量的冗余設(shè)備。

冷源系統(tǒng)擔(dān)負的任務(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，因為每提升1度水溫約可減少3%的制冷能耗。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)測算，一座10MW級的數(shù)據(jù)中心模塊峰值時段機房與電氣室內(nèi)精密空調(diào)總熱負荷約13500kW，需要3臺4500kW（約1300冷噸）的冷水機持續(xù)運行產(chǎn)出循環(huán)冷凍水。考慮冗余備用，一般每個10MW數(shù)據(jù)中心模塊需配置4臺（3+1冗余）1300RT（冷噸）的變頻離心冷水機組，配套4臺變頻冷凍水循環(huán)水泵、4臺變頻冷卻水循環(huán)水泵、4組變頻風(fēng)機蒸發(fā)式冷卻塔、4臺免費制冷用板式換熱器（以下簡稱板換）、大量的手動隔離蝶閥、用于自動控制的電動開關(guān)蝶閥與流量調(diào)節(jié)的電動調(diào)節(jié)閥，若干流量、水溫、壓力、壓差、空氣濕球溫度傳感器測點，還需要在專業(yè)的冷源BA自動控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制下，才能在長達八至十年的合約服務(wù)期內(nèi)安全平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

2　項目實施

數(shù)據(jù)中心行業(yè)內(nèi)冷源BA自動控制系統(tǒng)大多采用DDC或PLC技術(shù)構(gòu)架，在本案例實施前未見有采用DCS技術(shù)構(gòu)架的報道，綜合技術(shù)可靠性、成熟度、設(shè)備采購交付期、建設(shè)成本以及我們已實施過的PLC與DDC控制系統(tǒng)項目經(jīng)驗教訓(xùn)等多方面考量，寶信自動控制技術(shù)人員選擇采用DCS技術(shù)構(gòu)架建設(shè)一個高可用、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

冷水機組在部分負荷下運行效率遠高于滿載下的運行效率，如圖2所示，某型1200RT冷水機滿負荷下的COP能效比為6.956，而在30%-70%部分負荷下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)中心的實際負荷，通過啟用冗余設(shè)備，平分所有負荷，冷源BA控制系統(tǒng)將每一臺運行的冷水機設(shè)備均控制運轉(zhuǎn)在其安全且高效率負荷區(qū)段、水泵與風(fēng)機設(shè)備運行在高效率曲線段，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)備機械運轉(zhuǎn)壽命周期。

圖2 某型1200冷噸冷水機組滿負荷與部分負荷技術(shù)參數(shù)

水泵、風(fēng)機類設(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)機與泵采用變頻調(diào)速節(jié)能的主因，大部分數(shù)據(jù)中心內(nèi)負荷都不會滿載，而且還有冗余備用的設(shè)備可以征用共同分擔(dān)總負荷，為冷機變負荷運行、風(fēng)機與泵變流量運行節(jié)能創(chuàng)造了有利的條件。

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

板換獨立運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)低于冷水機設(shè)計的冷凍水出水溫度至少2℃（假定板換的換熱溫差值為2℃），此時切換電動開關(guān)蝶閥，讓冷卻塔循環(huán)冷卻水出水直接進入板換一次側(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蒸發(fā)器側(cè)出水溫度時，可關(guān)閉冷水機，冷源系統(tǒng)低電耗運轉(zhuǎn)，俗稱冬季冷卻塔-板換免費制冷，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)與冷水機冷凝器串聯(lián)，板換二次側(cè)與冷水機蒸發(fā)器串聯(lián)，冷卻塔循環(huán)冷卻水出水先進入板換的一次側(cè)，與二次側(cè)來自機房精密空調(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，再送入冷水機的蒸發(fā)器降至設(shè)計的出水溫度值，而板換一次側(cè)換熱后升溫的冷卻循環(huán)水仍能滿足冷水機冷凝器循環(huán)冷卻水進水溫度要求。冷水機與板換各自承擔(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，冷水機運行電耗越低，節(jié)能越多。

前述三種運行模式在冷源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，如果模式切換不成功，將退回至原模式，確保冷源運行安全。

圖3是數(shù)據(jù)中心冷源水系統(tǒng)簡化原理框圖，四套冷水機與板換組合，可以大致了解冷水機與板換的管路連接方式與電動開關(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號冷水機與板換運行狀態(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號冷水機與板換運行狀態(tài)局部截圖

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

系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實際負荷，按預(yù)定的規(guī)則自動加載或減載冷水機運行臺數(shù)，使每臺承擔(dān)的負荷百分比落入最優(yōu)效率負荷段范圍內(nèi)，不會因負荷過小而落入易發(fā)生喘振故障的小負荷區(qū)內(nèi)。冷凍水泵變頻運行除了要滿足冷水機與機房精密空調(diào)的水流量要求外，還要保證機房內(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房設(shè)計要求。

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)電機組，但從外市電意外停電時刻起，到備用柴發(fā)啟動向數(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、冷卻泵與冷卻塔會因供電間斷而停止運行，在柴發(fā)供電下重新啟動冷水機到滿載供冷需要幾分鐘時間延遲，這會導(dǎo)致循環(huán)冷凍水升溫與機房內(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，可實現(xiàn)市電斷電后15分鐘連續(xù)放冷運行，保障數(shù)據(jù)中心機房供冷連續(xù)不中斷。在供電恢復(fù)正常，冷水機組開啟，制冷系統(tǒng)逐步恢復(fù)正常供冷后，自動切換應(yīng)急蓄冷罐為充冷工況，充滿后進入小流量保冷工況。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開關(guān)蝶閥與電動調(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)備自動防凍保護功能，在冬季極低氣溫來臨時，自動開啟室外補水箱內(nèi)的電加熱帶，自動開啟減載停運的冷卻塔水盤內(nèi)的防凍電加熱器，防止設(shè)備凍害事故發(fā)生。

3　項目創(chuàng)新性

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

數(shù)據(jù)中心從建成投運初期低上架率到高上架率接近滿載，有一個較長的負荷增長爬坡期，特別是上架率低的投運初期，冷水機低負載易發(fā)生喘振現(xiàn)象，不利于設(shè)備安全，需要重點解決。應(yīng)對方法是兼用應(yīng)急蓄放冷罐的周期充放冷邏輯，將蓄冷罐模擬為冷水機負載或循環(huán)冷凍水運行緩沖罐，可解決數(shù)據(jù)中心投用上架初期低負荷時冷水機安全穩(wěn)定運行的需求，圖5是DCS主控畫面蓄冷罐放冷電動閥狀態(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，也是一個重難點問題。應(yīng)對方法是工程技術(shù)人員做好充分準(zhǔn)備，理清冷源運行工藝控制要求和全部控制邏輯、各功能應(yīng)用的進入與退出時機，梳理清全部信號點表，通過設(shè)備出廠前檢驗環(huán)節(jié)，爭取DCS控制設(shè)備成套盤箱零缺陷出廠。安裝調(diào)試中認真仔細打點測試校核，確認來自現(xiàn)場的信號與發(fā)往現(xiàn)場執(zhí)行器的動作命令執(zhí)行無誤后，再進入系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，逐個模擬驗證每一個功能控制邏輯和運行參數(shù)的正確性，投運后還需在相應(yīng)季節(jié)來臨后再進行復(fù)核、優(yōu)化。

圖5 DCS控制畫面應(yīng)急蓄冷罐放冷運行狀態(tài)局部截圖

4　效益分析

該冷源BA系統(tǒng)投運后，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的實績，每年可為用戶節(jié)約可觀的運行電費。

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)機組、排風(fēng)機、正壓送風(fēng)機、機械排煙風(fēng)機、補風(fēng)機、排煙防火閥、電動風(fēng)閥等通風(fēng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、報警、自動啟停控制與遠程手動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，也為降低投運后的運維人工成本創(chuàng)造了有利條件。

5　項目意義

此項目的成功實施證明可以基于工業(yè)級的DCS技術(shù)構(gòu)建大型數(shù)據(jù)中心冷源BA控制系統(tǒng)，工程師站兼實時數(shù)據(jù)庫運行主備服務(wù)器，所有控制邏輯均駐留在DCS控制器模塊中，在模塊級冗余容錯、應(yīng)對復(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，可拆分為兩個或多個冷源系統(tǒng)模塊進行實施，這也是10MW級冷源系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計、可快速復(fù)制的意義所在。

摘自《自動化博覽》2024年10月刊