Rambler's Top100
Статьи ИКС № 2 2019
Андрей ПАВЛОВ  Сергей ЯГЖОВ  17 мая 2019

Об опыте эксплуатации адиабатических систем охлаждения в ЦОДах

Несколько лет эксплуатации адиабатической установки позволили выявить ее узкие места и предложить способы улучшения работы системы.

Теория применения систем адиабатического охлаждения достаточно хорошо освещена в профильных изданиях. Мы же расскажем о собственном опыте эксплуатации подобных систем в ЦОДах.

Система, о которой пойдет речь, находится в эксплуатации около восьми лет. Она представляет собой двухконтурную вентиляционную установку, в которой потоки наружного и внутреннего воздуха, не смешиваясь, проходят через пластинчатый теплообменник воздух-воздух. Перед подачей в теплообменник наружный воздух проходит через секцию адиабатики, состоящую из нескольких кассет. Испарительные кассеты изготовлены из GLASdek – негорючего неорганического материала на основе стекловолокна (аналогичные кассеты изготавливаются из материалов на основе целлюлозы, алюминия с покрытием и т.д.). Каплеотделители (система предотвращения попадания воды с адиабатических кассет в другие секции вентустановки) реализованы на основе аналогичной испарительной кассеты меньшей толщины.

Для снятия теплопритоков в дни с пиковыми значениями положительных температур в контуре внутреннего воздуха установлена секция фреоновых теплообменников, подключенная к наружному компрессорно-конденсаторному блоку (ККБ). Вентиляционная установка расположена вне здания, в собственном конструктиве.

Основные параметры вентиляционной установки таковы:
  • расчетная эффективность теплообменника воздух-воздух – около 70%;
  • расчетный КПД адиабатического увлажнения – 95% (увлажнение воздуха может достигать 95%);
  • требуемое давление для нормальной работы адиабатики – 5 бар;
  • проектные значения параметров воздуха на входе в кассету – температура 26°С и относительная влажность 18,4%, на выходе из кассеты – 13,9°С и 89,4%.
Производительность адиабатического охлаждения в системе регулируется ступенчато, с использованием нескольких насосов и электромагнитных клапанов впуска воды, позволяющих достаточно плавно (семь ступеней) изменять объемы подаваемой воды в зависимости от температуры воздуха на выходе кассеты. Данная система адиабатики предполагает использование проточной воды без водоподготовки.

Далее опишем технические аспекты и проблемы, с которыми мы столкнулись на собственном опыте в процессе  эксплуатации системы.

Фреоновый доохладитель

Эффективность охлаждения напрямую зависит от влажности входящего (уличного) воздуха: так, при значениях относительной влажности, близких к проектным (18–20%) и бОльшим, вплоть до 30–35%, температура воздуха снижается на 9–11°С. А при относительной влажности 45–50% перепад температур уменьшается до 4–6°С. Адиабатическая установка работает в диапазоне уличных температур от 14°С и выше.

При относительной влажности выше 45% и/или температуре окружающей среды выше 26°С адиабатический охладитель переставал справляться с задачей поддержания требуемого уровня температуры воздуха в первичном контуре вентиляционной установки, и для доохлаждения воздуха, согласно изначально установленному алгоритму работы вентустановки, подключался ККБ. При этом на фреоновый испаритель начинал поступать уже охлажденный адиабатикой воздух, что провоцировало возникновение многочисленных аварий компрессоров, вызванных гидроударами, вследствие пониженной тепловой нагрузки на испаритель. (При снижении нагрузки на теплообменник снижаются температура и давление кипения, соответственно, ухудшается процесс кипения фреона и, как следствие, увеличивается количество жидкого фреона, попадающего в компрессор.)

Во избежание подобных аварий были модернизированы алгоритмы работы контуров охлаждения вентиляционных установок и внесены изменения в стандартную программу контроллеров, регулирующую одновременную работу фреонового и адиабатического контуров. Были оптимизированы алгоритмы регулирования температуры и расхода воздуха контура адиабатики, а также алгоритмы регулирования производительности компрессоров второго контура охлаждения, что позволило устранить причины аварий и значительно повысить отказоустойчивость.

Насосная группа

При работе контура адиабатики наблюдались частые пуски насосов, что приводило к регулярному выходу из строя как насосов, так и тепловых защит и пускателей. Этот эффект возникал из-за некорректной настройки алгоритма подключения ступеней подачи воды. Система состоит из двух насосов и четырех клапанов впуска воды, работающих по следующему алгоритму: сначала запускается первый насос и открывается один из клапанов, при росте нагрузки запускается второй насос, при дальнейшем росте нагрузки второй насос отключается и открывается второй клапан, а при дальнейшем росте температуры снова включается второй насос уже при двух открытых клапанах и т.д. При снижении нагрузки соответственно снижается и производительность, т.е. насосы и клапаны поочередно отключаются.

Кроме того на вент.установках , расположенных наиболее удаленно от насосной группы общей системы водоснабжения объекта, в пиковые нагрузки наблюдалась нехватка воды, что тоже сказывалось на режимах работы и износе насосов адиабатики.
Для снижения и выравнивания нагрузки на насосную группу были оптимизированы временные параметры работы насосов: настроены задержки между пусками, время работы и останова системы.

Демонтаж кассет

Габаритные и прочностные характеристики кассет адиабатики накладывают свои требования на процедуры работы с ними. Габариты и вес кассет довольно велики, особенно после нескольких лет эксплуатации (вес одной сухой и чистой кассеты – примерно 48 кг, вес влажной и закальцованной – 94–106 кг, при размерах 3000/600/300 мм), поэтому при проектировании и монтаже вентустановок необходимо предусмотреть свободную зону обслуживания в секциях до и после адиабатики. Габариты секций и дверей должны быть достаточными для монтажа и демонтажа кассеты, поворота кассеты внутри секции и вноса и выноса ее вручную. Кроме того, в связи с большими габаритами при ТО и ремонте используется лестница, соответственно нужно пространство для ее  установки, чтобы провести измерения рабочих параметров на входе-выходе адиабатики по всей площади системы.

Существует и еще один нюанс эксплуатации кассет адиабатики, связанный с тем, что в них накапливается большое количество солей. Материал кассет в нашем случае оказался достаточно хрупким, что потребовало очень аккуратного обращения с ним. Как оказалось, даже при небольших механических воздействиях на сам испарительный материал он повреждается, осыпается в поддон и засоряет систему водоснабжения и водоотведения, а также забивает саму кассету. Переноска же кальцинированных кассет представляет собой отдельную логистическую задачу – вес кассет  за годы службы может вырасти более чем в два раза, но ее кожух не рассчитан на такие нагрузки, и при переноске кассеты иногда рассыпаются прямо в руках.

Водоподготовка и накопление солей

Основным камнем преткновения и предметом споров при выборе адиабатических охладителей является вопрос о необходимости водоподготовки. Речь идет не об очистке воды от механических примесей, что само собой разумеется, но о химической очистке, обессоливании воды. При подаче в систему воды, содержащей довольно много минеральных солей, неизбежно образование налета на всех поверхностях внутри установки и на поверхности испарительных кассет. В нашем случае производитель заявлял отсутствие необходимости в водоподготовке при использовании водопроводной воды.  

Система водоснабжения построена по оборотному принципу, когда вода, скапливающая в поддоне под кассетами адиабатики, используется повторно. Но при этом часть воды обязательно сливается из поддона через клапан перелива для ее обновления, что необходимо для самоочищения кассет и поддона, так как в них постепенно накапливаются соли.

В результате нескольких лет эксплуатации системы мы можем отметить следующие моменты. Так, накопление солей привело к ряду последствий:
  • Увеличилась масса кассет (до двух раз). В связи с этим рекомендуется учитывать рост массы вентустановок при проектировании нагрузочной способности площадки для их установки.
  • Каналы внутри кассет постепенно закупоривались отложениями минеральных солей, что привело к увеличению скорости воздушного потока и изменило характер движения воды в кассете. Эти факторы вызвали рост энергопотребления вентиляторов и увеличение количества капель воды, срывающихся с кассет.
  • Срывающиеся капли попадали на насосы и электромагнитные клапаны, выводя их из строя, несмотря на имеющуюся степень защиты от воды.  Мы были вынуждены проводить дополнительную герметизацию клеммных коробок, корпусов насосов и клапанов. В результате был сделан вывод о приоритетности использования насосов погружного типа.
Из-за роста перепада давления на кассетах с течением времени воздушный поток (особенно при запуске установки, а также при разгоне вентиляторов при смене режимов работы) смещал кассеты от их первоначального положения, что приводило к деформации кассет и даже в некоторых случаях к их падению. Чтобы исключить такие явления, был установлен дополнительный крепеж для удержания кассет.

Далее, полное отключение перелива (обновления воды) или снижение его скорости до значений, меньших рекомендованного производителем (2,2 л/мин), например для экономии воды, при оборотной системе водоснабжения приводит к существенному скачку в скорости накопления солей.

Кроме того, были обнаружены протечки воды в поддонах, на которых расположены кассеты, в результате появления микротрещин. Предположительно микротрещины в поддонах образовались из-за увеличения массы кассеты и ее сдвигов вследствие возросшего давления. Мы были вынуждены демонтировать все кассеты, вынести их из установки, диагностировать поддон и выполнить его сварку и герметизацию. Для такого ремонта установка была выведена из работы на срок 2–3 дня.

Общий вывод по данному пункту таков: эксплуатация систем адиабатики возможна без применения системы водоподготовки, но при этом имеет смысл разработать технико-экономическое обоснование целесообразности использования данного оборудования.

Химическая очистка кассет

Чтобы снизить количество отложений солей на кассетах адиабатики, в ходе эксплуатации были проведены эксперименты по химической очистке кассет. Процедура проводилась двумя способами, с целью выяснить, какой из них более эффективен.

В первом случае кассету демонтировали из установки, погружали в ванну с раствором кислоты на 4–5 часов и вслед за этим промывали водой.  Во втором случае на кассету сверху, через штатный коллектор, насосом подавали раствор кислоты (имитировался рабочий процесс кассеты, в котором воду заменили раствором кислоты), затем также подавали воду для промывки. В обоих случаях желаемый результат не был достигнут: уровень закальцованности и масса кассет снизились не более чем на 10%. При экспериментах по промывке кассет были использованы сульфаминовая кислота, удалитель накипно-коррозионных отложений ЛИН, лимонная кислота.

По итогам эксперимента мы совместно с заказчиком приняли решение отказаться от химической промывки кассет как от экономически неэффективного способа повышения срока службы и улучшения работы системы адиабатики. При этом, кроме низкой эффективности процедуры промывки, были учтены вероятные затраты на страховку кассеты или закупку новой на случай ее повреждения во время монтажа, демонтажа и перевозки на место промывки и обратно.

Консервация установок

Расположение вентиляционной установки на открытом воздухе привело к необходимости ее консервации на холодный период года – с начала/середины октября, и соответственно расконсервации, которая проводится перед теплым периодом – с начала/середины апреля.

Во время консервации проводили слив воды из системы и продувку сжатым воздухом, а расконсервация включала подачу воды, проверку на герметичность, пролив кассет водой, проверку равномерности пролива кассет.

Существенных проблем при консервации/расконсервации обнаружено не было, за исключением того, что приходится внимательно отслеживать прогнозы наступления первых холодов (на объекте не предусмотрен обогрев труб водоснабжения адиабатики, поскольку система не используется в холодное время).

Влажность в вентустановках

Влажность в вентиляционной установке обусловлена двумя факторами – естественным процессом повышения влажности в результате работы системы адиабатики и срывом капель с кассет из-за увеличения скорости потока воздуха и высокой закальцованности кассет.

В результате повышения влажности в секции вентиляционной установки, где располагается система адиабатики, часть влаги из воздуха выпадала на поверхностях установки и при испарении образовывала тонкую пленку из минеральных солей на стенах и полу, удалить которую со временем стало практически невозможно.

В то же время в процессе срыва капель появлялись небольшие лужицы, в том числе на элементах крепежа кассеты и насосной группы, не защищенных от влаги, что спровоцировало появление на них ржавчины. На конструкции обечайки самих кассет заводские заклепки давали очаги коррозии, распространявшейся на остальной металл обечайки; то же самое произошло и с креплением насосов, шлангов, клапанов – саморезы и винты ржавели. По этой причине мы были вынуждены заменять те подверженные коррозии элементы, которые можно было демонтировать без полной замены кассет.  

Плановое техническое обслуживание

Плановое обслуживание системы адиабатики включало чистку поддонов, коллекторов, фильтров насосов и линий подачи воды. Проводились также проверка работы насосов и клапанов, проверка их на герметичность и, при необходимости, герметизация; проверка и замена по мере необходимости крепежа и шлангов; проверка системы дренажа; проверка на закальцованность элементов системы; настройка клапана отвода воды.

При проведении технического обслуживания конкретных кассет производитель обратил наше внимание на несколько неочевидных нюансов. Первый – запрет на разворот кассеты на 180° (например, при желании сделать фронтом менее закальцованную сторону кассеты). Дело в том, что внутри кассеты, по информации производителя, существует определенная структура каналов, и изменение положения кассеты нарушит нормальный режим протекания воды по материалу и ее испарения, а также будет нарушена способность кассеты к самоочищению. Второй нюанс состоит в том, что при прочистке форсунок водораспределительного коллектора необходимо соблюдать их первоначальное положение для правильного распределения воды по кассете.

Пути модернизации

В результате многолетней эксплуатации данных адиабатических систем, помимо уже реализованных мер, мы определили ряд возможных путей ее модернизации в дальнейшем.

Во-первых, если расчет подтверждает экономическую целесообразность, стоит рассмотреть установку системы водоподготовки, которая с высокой вероятностью продлит срок жизни кассет адиабатики, несколько увеличит их КПД и снизит косвенные эксплуатационные расходы на проведение дополнительного технического обслуживания и восстановительных ремонтов. Подготовленную воду можно также подавать на орошение конденсаторов (что увеличит энергоэффективность системы в целом, снизит риск повреждения теплообменников и повысит отказоустойчивость установки в аномальную жару) и на паровые увлажнители, что повысит их ресурс. В случае подготовленной воды уменьшится и время на проведение технического обслуживания, так как не потребуется в теплый период года несколько раз отключать установки и проводить очистку, в ходе которой к тому же зачастую происходят механические поломки: мнутся кассеты, ломаются крепления.

Во-вторых, провести модернизацию системы водоснабжения таким образом, чтобы избежать нехватки воды на отдельных вент.установках в пиковые нагрузки.

* * *
На текущий момент система адиабатики отработала свой заявленный срок эксплуатации и даже более без водоподготовки (она функционирует уже около восьми лет), сохраняя эффективность, близкую к проектной при проектных нагрузках, и сейчас готовится ее плановая замена вследствие физического износа.

Надеемся, что информация, изложенная в статье, будет полезна специалистам при выборе технологии системы охлаждения и планирования ее дальнейшей эксплуатации, если выбрана будет адиабатическая технология.

Андрей Павлов, генеральный директор, «ДатаДом»
Сергей Ягжов, ведущий инженер систем вентиляции и кондиционирования, «ДатаДом»
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!