鄭駿文，宋嘉皓，胡 濤

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 浙江分公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

為了確保數(shù)據(jù)中心核心機(jī)房的正常運(yùn)行，中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行及維護(hù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心的重要日常工作，其中中央空調(diào)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水處理更是維護(hù)工作的重中之重。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)處理的效果好壞不僅直接關(guān)系到中央空調(diào)機(jī)組的正常運(yùn)行，還在很大程度上影響著數(shù)據(jù)中心的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益。

數(shù)據(jù)中心空調(diào)水系統(tǒng)冷卻水不斷蒸發(fā)濃縮，水中的鈣、鎂等離子成倍增加，導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢、腐蝕及藻類滋生問題嚴(yán)重，降低了換熱效率。目前，水系統(tǒng)運(yùn)維一般采用化學(xué)加藥法控制水質(zhì)，但這種方式人工工作量大、水質(zhì)控制精度差，而且化學(xué)藥劑對(duì)管路有較強(qiáng)腐蝕性。本文通過研究和評(píng)估一種新型的智能水處理特頻裝置，利用物理特頻電磁波對(duì)水質(zhì)進(jìn)行處理和干擾，可以抑制水中結(jié)垢物質(zhì)、微生物、藻類，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)加藥法控制水質(zhì)的替代，控制各項(xiàng)水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)及冷卻水系統(tǒng)排污，提高數(shù)據(jù)中心水系統(tǒng)的運(yùn)行安全性。

1 傳統(tǒng)水處理現(xiàn)狀

空調(diào)水系統(tǒng)通過冷卻水的蒸發(fā)進(jìn)行散熱，隨著冷卻水不斷蒸發(fā)濃縮，水中的鈣、鎂等離子成倍增加，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢、腐蝕以及粘泥、藻類滋生，降低換熱效率。冷水機(jī)組冷凝器及板式換熱器板片結(jié)垢情況如圖1所示。

圖1 冷水機(jī)組冷凝器及板式換熱器板片結(jié)垢情況

通常情況下，水系統(tǒng)運(yùn)維會(huì)增加循環(huán)水處理環(huán)節(jié)，一般采用化學(xué)加藥法控制水質(zhì)?；瘜W(xué)加藥法能良好地控制水質(zhì)，但同時(shí)也存在一定問題，具體如下文所述。

1.1 水質(zhì)控制精度差

由于目前冷卻水系統(tǒng)排污及自動(dòng)加藥采用周期控制，沒有具體的水質(zhì)參數(shù)反饋，因此無法判斷水質(zhì)情況及加藥量和排污量是否合理，經(jīng)常多排、多加會(huì)導(dǎo)致水和水處理藥劑的大量浪費(fèi)。

1.2 化學(xué)水處理腐蝕

化學(xué)水處理加藥的方式對(duì)管路具有一定的腐蝕，特別對(duì)于換熱管壁較薄的冷機(jī)冷凝器，腐蝕可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱管穿孔、制冷劑大量泄露，從而造成制冷單元運(yùn)行事故。

1.3 人工工作量大

目前，冷卻水系統(tǒng)加藥分為2個(gè)部分，均需要人工參與，工作量較大。一部分是采用自動(dòng)加藥裝置添加緩蝕阻垢劑，防止水質(zhì)結(jié)垢；另一部分是通過人工每天投放殺菌滅藻劑、銅預(yù)膜劑等，防止粘泥、藻類滋生。

2 創(chuàng)新解決思路及原理闡述

在循環(huán)水系統(tǒng)中，需要一整套維護(hù)處理程序才能有效控制腐蝕、結(jié)垢以及微生物生長3大問題，保障系統(tǒng)穩(wěn)定有效運(yùn)行。運(yùn)用一種超低頻率的時(shí)變脈沖電磁波，電磁波能量能有效作用于水系統(tǒng)，該物理特性對(duì)于數(shù)據(jù)中心循環(huán)水系統(tǒng)處理時(shí)遇到的常見問題可以提供一種非傳統(tǒng)的創(chuàng)新方案。

2.1 系統(tǒng)原理及架構(gòu)

智能水系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射器與接收器之間的特種頻率，借助頻率的不斷變化形成一個(gè)時(shí)變電磁場(chǎng)，使水分子產(chǎn)生共振效果，增強(qiáng)水流的內(nèi)部能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水垢的控制等水處理效果。

系統(tǒng)配備的自動(dòng)排放控制閥組基于電導(dǎo)率限值對(duì)循環(huán)冷卻水的排放進(jìn)行控制。電磁波發(fā)射器固定在冷卻塔的集水池，電磁波接收器焊接于集水盤外的金屬結(jié)構(gòu)，發(fā)射器與接收器的信號(hào)線連接至系統(tǒng)電氣控制柜。電磁波發(fā)射器實(shí)際安裝效果如圖2所示，智能水特頻處理系統(tǒng)循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖2 特頻電磁波發(fā)射器安裝示例

圖3 智能水特頻處理系統(tǒng)循環(huán)冷卻水處理架構(gòu)

2.2 結(jié)垢控制

通過特頻電磁波處理可以提升水中碳酸鈣的溶解度，同時(shí)激發(fā)水中的鈣離子轉(zhuǎn)換為高能態(tài)的微細(xì)文石粉末，并且不會(huì)在過飽和狀態(tài)下生成堅(jiān)硬的方解石[1]。方解石非常堅(jiān)硬，只能采用化學(xué)清洗工序才能去除，而酸性化學(xué)藥劑是有害的。由特頻電磁波物理處理后的高能態(tài)文石粉末可以溶解于水中，隨著水流沖走，不會(huì)吸附在管道內(nèi)壁形成難以清除的結(jié)垢。特頻電磁波結(jié)垢控制原理如圖4所示。

圖4 特頻電磁波結(jié)垢控制原理

2.3 腐蝕控制

水系統(tǒng)中的管道是鋼鐵材質(zhì)，長期運(yùn)行中內(nèi)壁極易被腐蝕產(chǎn)生鐵銹層，形成低能量多孔的Fe2O3，無法阻止鋼鐵表面進(jìn)一步腐蝕。通過處理，鋼鐵表面可以形成致密的磁鐵層Fe3O4。通常情況下，磁鐵層Fe3O4形成于現(xiàn)有赤鐵層Fe2O3下，保護(hù)層性能穩(wěn)定，可以保護(hù)管道免遭進(jìn)一步腐蝕。

2.4 藻類、細(xì)菌控制

特頻電磁波通過干擾藻類、細(xì)菌等的正常分裂進(jìn)程，抑制藻類、細(xì)菌等微生物生產(chǎn)，使細(xì)菌總數(shù)顯著下降，降低細(xì)菌的生長及新陳代謝速度。與此同時(shí)，特頻電磁波通過破壞藻類微生物體內(nèi)的葉綠素，使藻類細(xì)胞的增殖受到影響和抑制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物的全盤控制。

3 應(yīng)用情況及效果評(píng)估

基于上述解決思路，為了驗(yàn)證特頻裝置水系統(tǒng)處理的實(shí)際效果及效益，以某數(shù)據(jù)中心A的水系統(tǒng)為例進(jìn)行深入分析。

3.1 應(yīng)用情況

A數(shù)據(jù)中心機(jī)樓南區(qū)冷水機(jī)組配置有3套制冷系統(tǒng)，分別為南1#、南2#、南3#系統(tǒng)，每個(gè)制冷單元配有獨(dú)立的冷卻水系統(tǒng)。正常運(yùn)行時(shí)采取2套系統(tǒng)運(yùn)行、1套系統(tǒng)關(guān)閉備用的模式，3套系統(tǒng)每年運(yùn)行時(shí)間基本一致。其中，南1#冷卻水系統(tǒng)改造完成后，配置有1套水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與1套智能水處理系統(tǒng)。

3.2 測(cè)試方案

在測(cè)試機(jī)樓制冷系統(tǒng)機(jī)組配置及運(yùn)行環(huán)境一致的條件下，通過水質(zhì)、冷凝器端差、用水量等維度的對(duì)比進(jìn)行綜合評(píng)估。冷卻水化學(xué)加藥處理法的具體加藥內(nèi)容如表1所示。

表1 冷卻水化學(xué)加藥處理法具體加藥內(nèi)容

南1#系統(tǒng)采用智能水處理設(shè)備運(yùn)行，南2#系統(tǒng)采用化學(xué)水處理作為對(duì)照。南1#、南2#系統(tǒng)冷機(jī)冷凝器、冷卻塔于測(cè)試前進(jìn)行全面清洗，測(cè)試周期為2020年10月—2021年9月。

3.3 效果分析

采用特頻智能水系統(tǒng)裝置替代傳統(tǒng)化學(xué)加藥水處理方案，可以取消化學(xué)藥劑添加，大幅減少人工維護(hù)工作量。與此同時(shí)，該系統(tǒng)自帶水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便管理維護(hù)。

3.3.1 水質(zhì)對(duì)比

水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告一般有12項(xiàng)指標(biāo)，關(guān)鍵指標(biāo)為pH值、電導(dǎo)率、氯離子濃度、水質(zhì)硬度、總鐵、銅離子濃度、磷酸鹽濃度、總菌數(shù)以及濁度等。PH值為弱堿性時(shí)能控制微生物繁殖的速率，弱酸性會(huì)使管路加快腐蝕；電導(dǎo)率和氯離子濃度直接反映了冷卻水的濃縮倍數(shù)；水質(zhì)硬度指標(biāo)表明冷卻水是否容易結(jié)垢；總鐵和銅離子濃度表示水質(zhì)對(duì)管路的腐蝕程度；磷酸鹽濃度表示水中加藥量；總菌數(shù)和濁度則表示水中微生物及懸浮雜質(zhì)的量，指標(biāo)過高會(huì)影響換熱器性能。水質(zhì)報(bào)告測(cè)試數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表2 水質(zhì)報(bào)告測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

經(jīng)過6次定期抽檢，使用智能特頻水處理法的南1#系統(tǒng)水質(zhì)所有指標(biāo)都合格，而使用化學(xué)加藥處理法的南2#系統(tǒng)無法在線檢測(cè)及控制水質(zhì)指標(biāo)，其中電導(dǎo)率、鈣硬度、氯離子、銅離子以及總菌數(shù)均有超標(biāo)項(xiàng)。智能水處理裝置能夠?qū)λ|(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并且能夠?qū)⒏黜?xiàng)水質(zhì)指標(biāo)控制在國標(biāo)限值內(nèi)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.3.2 端差對(duì)比

冷凝溫度對(duì)理論制冷循環(huán)系數(shù)的影響可以通過冷凝器端差值反映，冷凝溫度每降低1 ℃，相應(yīng)的制冷系數(shù)會(huì)以一定比例提升[2]。當(dāng)冷凝器溫度端差減小時(shí)，近似認(rèn)為冷凝溫度降低，冷水主機(jī)電功耗減少[3-5]。在測(cè)試期間，剔除系統(tǒng)停機(jī)期間的數(shù)據(jù)，具體端差對(duì)比如圖5所示。

圖5 南1#、南2#系統(tǒng)冷凝器端差比對(duì)

由圖5可知，南1#系統(tǒng)平均端差為2.32 ℃，南2#系統(tǒng)平均端差為2.77 ℃，兩系統(tǒng)的端差差值為0.45 ℃。

3.3.3 節(jié)電效果對(duì)比

根據(jù)冷凝器端差，結(jié)合不同月份平均冷凝溫度下的冷水機(jī)組用電功耗降低率與實(shí)際耗電量數(shù)據(jù)，分析節(jié)電效果。南1#、南2#系統(tǒng)經(jīng)過12個(gè)月的測(cè)試，剔除系統(tǒng)停機(jī)期間的數(shù)據(jù)，得到冷水主機(jī)能耗降低率及節(jié)電效果測(cè)算數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 冷水主機(jī)能耗降低率及節(jié)電效果測(cè)算數(shù)據(jù)

由表3可知，相較于化學(xué)加藥處理法，使用智能水處理特頻裝置進(jìn)行水處理的年均節(jié)電量約為39 862 kW·h，全年平均節(jié)電率約為2.22%。

3.3.4 節(jié)水效果對(duì)比

南1#系統(tǒng)是根據(jù)電導(dǎo)率自動(dòng)排污，日均排污量約9 t；南2#系統(tǒng)是根據(jù)手動(dòng)設(shè)置值進(jìn)行周期排污，日均排污量約18 t。由此可知，南1#系統(tǒng)的節(jié)水效果更好。

3.4 效益測(cè)算

根據(jù)對(duì)比測(cè)算，若采用智能特頻裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)加藥處理法，年節(jié)省成本約11.5萬元，投資回報(bào)周期約為2.2年。

4 結(jié) 論

智能水處理特頻裝置采用純物理、智能化方式處理循環(huán)冷卻水，可以有效抑制數(shù)據(jù)中心水循環(huán)系統(tǒng)中的管道結(jié)垢、微生物滋生、管道腐蝕等問題，避免化學(xué)藥劑添加操作過程中造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，提升了冷水機(jī)組運(yùn)行的安全性和運(yùn)行效率。此外，智能特頻水處理系統(tǒng)安裝簡易便捷，自動(dòng)控制維護(hù)方便，能夠持續(xù)保障系統(tǒng)運(yùn)維正常，有效降低了機(jī)組能耗，自動(dòng)排污用水量較少，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排降碳的效果，能夠充分滿足智慧數(shù)據(jù)中心建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展要求?；诖耍ㄗh智能水處理特頻裝置在安裝冷水機(jī)組的數(shù)據(jù)中心全面推廣使用，以此替代現(xiàn)有化學(xué)加藥處理方式，實(shí)現(xiàn)健康綠色發(fā)展。