Инженерная инфраструктура центров обработки данных (ЦОД)

Мы приготовили для Вас две презентации: первая – Quantum и технология Turbocor, вторая – использование холодильных машин (англ. Chiller, чиллер) Quantum в центрах обработки данных (ЦОД). В первой презентации мы рассмотрим следующие вопросы – информация о компании, конструкцию холодильных машин Quantum, использование компрессоров типа Turbocor, схема холодильного контура без использования масла, конструкция теплообменника в холодильных машинах Quantum и области применения данных холодильных машин. Смотрите первую презентацию.

     На этой иллюстрации показаны основные элементы чиллера – испаритель (evaporator), конденсатор (condenser) , шкаф управления (control cabinet) и компрессор (compressor). Так выглядит любая холодильная машина. В чем отличие нашего чиллера от других, я расскажу чуть позже. Сейчас мы рассмотрим конструкцию холодильной машины с воздушным охлаждением. С торца холодильной машины находится шкаф управления. Сбоку находятся конденсаторы. Конденсаторы производятся компанией «Termo King», но по сертификации компании COFELY, в конденсаторах используются электронно-коммутируемые вентиляторы (EC fan). В холодильной машине устанавливаются от одного до четырех компрессоров Turbocor. Приблизительная максимальная мощность одного чиллера c использованием воздушного охлаждения составляет 1 Мегаватт.

Таблица с чиллерами Quantum

В машинах водяного охлаждения используется два типа компрессоров: c низкой и высокой температурой конденсацией. Максимальная холодопроизводительность первого типа холодильных машин с водяным охлаждением (Type W) доходит до 3,5 МВт, при этом максимальная температура конденсации не больше 43˚С, с другим типом компрессоров максимальная холодопроизводительность одной машины (Type X/B) будет 2,5 МВт, максимальная температура конденсации — 57˚. Второй тип машин используется в центрах обработки данных. То есть, в основном в дата центрах используются чиллера Типа X/B (в таблице средняя колонка), и практически никогда не применяется оборудование в дата центрах из первой колонки – с минимальной температурой конденсации. Также редко используются машины с воздушным охлаждением. Также одна из популярных версий холодильных машин тип S (split) с выносным конденсаторным блоком воздушного охлаждения: тоже очень эффективная и очень популярная машина.

Конструкция компрессора Quantum Turbocor

Компрессор Turbocor выглядит довольно сложно, но только на первый взгляд. Принцип работы данного компрессора такой же, как и у электронно-коммутируемого вентилятора. Центральная вращающаяся часть компресса — ротор. Ротор всегда двухступенчатый, на нем расположены два типа лопаток. И наиболее интересная вещь – изменяемая скорость вращения ротора. Скорость вращения ротора может изменяться от 18000 до 38000 оборотов в минуту. Соответственно, за счет такого вращения можно получить очень большую мощность. Мощность одного компрессора (модель ТТ300) составляет 250-270 киловатт. Это тот компрессор, который используется с высокой температурой конденсации. Сейчас попробую продемонстрировать, как это работает. Ротор находится в магнитном поле и «падает» только тогда, когда машина не работает. Принцип работы очень простой. Очень важно понять, что здесь нет никакого механического сцепления или контакта. То есть, только магнитные подшипники: нет трения, а значит нет масла. Отсутствие в холодильном контуре масла очень помогает. Это позволяет сделать компрессор с изменяемой скоростью вращения ротора. Всасывающая линия находится в передней части компрессора, а линия нагнетания с противоположной стороны. Достаточно простая конструкция. Сам компрессор охлаждают с помощью фреона. Два соленоидных клапана — один постоянно открыт, и фреон в теплом жидкостном состоянии, проходя через канавки, охлаждает электронику без образования конденсата и соответствующих проблем. Есть какие-нибудь вопросы?

     Слушатель: А как определяется скорость вращения?

     В середине вы видите мотор, который вращает вал. Вал поддерживается на магнитных подшипниках, на них и стоит мотор, который осуществляет вращение. Каждые шесть градусов измеряется положение ротора, и каждые три градуса положение меняется и балансируется. Нужно очень много значений, чтобы обеспечить скорость 38000 оборотов в минуту.

     Слушатель: А за счет чего обеспечивается скорость?

     Электрическим мотором, который вращает. Магнитные подшипники просто подвешивают, а вращение происходит за счет мотора.

     Слушатель: А магнит постоянный или переменный?

     Электронный. Подшипники тоже магнитные, но они контролируются электроникой. Расстояние между валом и внутренней поверхностью подшипника – плюс минус 0,2 мм. Когда останавливается вращение вала, то он, естественно, ложится на подшипник. Это тоже один из моментов, который позволяет достичь большего коэффициента COP.

     Слушатель: Какой способ крепления двигателя и турбины?

     Соединение тоже магнитное. Нет никакого трения или соприкосновения мотора с поверхностью двигателя и вала. Косинус фи – 0,98, причем всегда.

Небольшой пусковой ток в новых типах компрессоров

Как мы уже говорили, два типа компрессоров: ТТ300 и ТТ400. Первый компрессор — на 250-270 киловатт, второй – до 500. Размер одинаков – кожух один и тот же . Разница заключается в конструкции двигателя и конструкции самого вала с лопатками. А на этом рисунке – электроника, которая управляет компрессором. Не хочу детально рассматривать все эти компоненты и остановлюсь на том, что важно. У нас есть изменяемая скорость и, что очень существенно, стартовый ток меньше 5 А. Холодильная машина Quantum любой мощности всегда имеет стартовый ток меньше 5 А, при этом неважно, сколько компрессоров используется в холодильной машине. Из-за отсутствия механического трения (то, что при пуске обычно нужно преодолеть в обычных типах компрессоров) требуется небольшая электрическая мощность – всего 180 Вт, чтобы поднять вал ротора. После этого начинается вращение. Величина пускового тока особенно важна, когда мы применяем оборудование в вычислительных центрах или когда вы меняете старые машины, работающие с фреоном R22.

Взаимодействие компрессора и системы управления

На следующем рисунке – общая информация, как происходит взаимодействие компрессора с системой управления. Очень много информации и данных передается между компрессором и контроллером. Происходит мониторинг большого количества параметров – температура, давление, электрическая мощность на входе, мощность мотора. Это важно, так как все системы управления компрессора отличаются от компрессора обычного, так как необходимо учитывать много параметров.

Два основных преимущества Quantum при сравнении с винтовыми компрессорами

На графиках представлены два основных преимущества Quantum. На графике слева показаны пусковые токи различных компрессоров. На правом графике показана энергетическая эффективность при частичной нагрузке – сравнение COP компрессора квантум и винтового.

     Рассмотрим первый график. Красная линия – это стартовый ток винтового компрессора. синяя – стартовый ток работы компрессора Quantum. Как видите пусковой ток винтового компрессора гораздо выше. Иногда когда холодильная машина с винтовым компрессором включается, то свет выключается – это реальная практика.

      Второй график показывает разницу между холодильной машиной Quantum и стандартной машиной. Например, рассмотрим холодопроизводительность на графике 270 кВт. Компрессор винтовой на такой мощности, как правило, работает один. А компрессоры Quantum могут работать на такой мощности в паре. Соответственно, если вы хотите снизить холодопроизводительность, то снижение мощности винтового компрессора может быть где-то до 140-150 кВт. Если мы будем использовать компрессор Квантум, то мы можем изменить скорость вращения и уменьшить мощность до 150 кВт. И как раз на графике видна разница в коэффициента COP при использовании двух типов компрессоров. Она достигает значительной разницы при частичной нагрузке за счет работы не только одного компрессора. И компания COFELY, таким образом, может работать с компрессорами от одного до восьми с водяным охлаждением и от одного до четырех – с воздушным охлаждением. То есть, параллельно могут работать несколько компрессоров в этом режиме частичной нагрузки. То есть, компрессоры не включаются-выключаются, а работают параллельно, одновременно снижая нагрузку. На графике вы как раз видите разницу между двумя компрессорами – обычным и Quantum – при частичной нагрузке. Преимущество Quantum — более чем в два раза.

Холодильный контур в чиллерах Quantum без масла

Тут надо понимать, что это не просто сам по себе компрессор, а целая система – холодильная машина. Этот график показывает, что во время продолжительной работы обычный компрессор теряет производительность, потому что в нем постоянно добавляется и используется масло. И особенно неприятно для частичной нагрузки и предельной эксплуатации то, что масло начинает оставаться в холодильном контуре. Это означает, что внутренняя поверхность теплообменника будет засоряться маслом, а значит, после продолжительной работы чиллера холодопроизводительность машины будет снижаться. В итоге через определенное время расходы на работу машин возрастут. Вы видите: почти 13% циркуляции масла означают потерю холодопроизводительности в размере 21%. Это данные ASHRAE.

Сравнение компрессора Turbocor Quantum и винтового (srew)

Простое сравнение Quantum и винтового (screw) компрессора. В верхней части таблицы идут абсолютно одинаковые значения. Подача воды потребителю и обратно – 10-16˚, 40-45˚ – параметры воды на входе и выход, например, при использовании dry-cooler. Пока ничего особенного нет. Все различия – ниже, и это становится интересно по двум причинам. Мы используем технологию без масла в холодильном контуре. Если вам нужно произвести захоложенную воду с температурой 10 градусов, то температура кипения в испарителе должны быть, естественно, меньше 10 градусов. В Quantum разница между температурой кипения в испарителе и температурой теплоносителя никогда не будет больше 1 К. В данном примере температура испарения в испарителе холодильной машины Quantum будет не ниже 9˚ С. Разница в 1 К это максимальное значение. Когда вы используете компрессор с маслом в холодильном контуре с целью достижения той же температуры захоложенной воды – 10 градусов. То температура испарения должна быть приблизительно 7˚. Вы должны поддерживать разницу в пределах 2-4К. Это достаточно большая разница. Такая разница должна быть как со стороны испарителя, так и со стороны конденсатора. Получается, что разница температур между испарителем и конденсатором у Quantum будет 36˚, у screw-компрессора – 39-45˚. То есть, это та разница, которую должен обеспечить нам компрессор за счет сжатия хладоагента: в первом случае компрессор должен создать разницу в 36, а во втором – в 39-45˚. Это означает то, что компрессор в первом случае выполнить меньше работу и потребляемая электрическая мощность будет меньше.

     Рассмотрим схему охлаждения — конденсатор и испаритель, насос, dry-cooler, трехходовой клапан. Температура охлаждения воды очень важна: необходимо создать минимальную разницу давления между испарителем и конденсатором. Здесь также разница между компрессором Turbocor и screw-компрессором только лишь из-за масла, и эта разница также дает преимущество Turbocor в энергоэффективности. Посмотрим, почему это происходит. Здесь есть screw-компрессор и есть 10-16. У dry-cooler температура разница должна составлять 12-14К, для того чтобы обеспечить минимальный перепад давления для работы винтового компрессора. Разница давления в Quantum может быть ниже. Это означает, что мы можем использовать более низкие температуры для работы Quantum от сухой градирни, минимальная температура может быть 18˚. Это особенно важно в работе весной и осенью, когда у нас температура снаружи более низкая. Это означает что, нам не нужно поддерживать наш комплекс теплым и, соответственно, терять производительность. Потому что если мы возьмем эту температуру в расчет частичной загрузки, это даст нам коэффициент COP больше, чем 10. Иногда он может составить 12, иногда – 14, иногда – 9,8. Но это очень большая и принципиальная разница по сравнению с обычным типом компрессоров.

Программное обеспечение для анализа и сравнения эффективности холодильных машин

У нас есть инструмент для анализа работы машин, который называется cool compare, где мы можем делать моделирование ваших проектов и различных вариантов и режимов работы. С помощью этой программы мы можем показать вам, как система будет работать в течение всего года, какова будут ее производительность и энергоэффективность. Мы можем сравнивать разные системы, с dry-cooler, с компрессорами TurboCore и, соответственно, со стандартными компрессорами.

Запуск машин после пропадания электрической мощности

После сбоя в электропитании. Обычный компрессор через 20 секунд опять может запуститься и где-то через две минуты выйти на свою стопроцентную производительность.

Рисунок 1. Время запуска чиллера с компрессором винтовым

     Проблема заключается не в том, когда холодильная машина встанет, а в том, когда и как она запуститься и войдет в рабочий режим. Обратите внимание, что пусковой ток при запуске холодильной машины в разы превышает ток при работе в рабочем режиме.

     А вот это наш график, показывающий, как начинает запускаться Quantum после появления электропитания.

Рисунок 2. Время запуска чиллера Quantum с компрессором Turbocor без опции UCO

     Перезапуск компрессора Turbocor требует больше времени, чем винтовой, потому что он полностью прекращает работу, а потом снова полностью происходит перезапуск системы. Соответственно, ему требуется около 6 минут, чтобы выйти на 100-процентную холодопроизводительность, если чиллер используется в стандартной и самой простой комплектации.

     Если мы запитаем только контроллер (controller) холодильной машины от источника бесперебойного электропитания (ИБП) и общее электропитание выключится, то, естественно, компрессор тоже выключится. Однако контроллер, который будет подключен к ИБП, будет в рабочем состоянии. Это позволит сократить время запуска в работу компрессора до стопроцентной холодопроизводительности и сократить время запуска до 4-х минут.

     А вот так выглядит график работы, если мы применяем опцию UCO (uninterruptible chiller operation).

Рисунок 3. Время запуска чиллера Quantum с компрессором Turbocor с использованием ИБП небольшой мощности

     В этом случае мы используем ИБП небольшой мощности для поддержки электропитания контроллера и вращения вала компрессора с небольшой скоростью. Что происходит при использовании опции UCO? Питание отключается и потом опять возвращается на стопроцентную холодопроизводительность в течение 30 секунд. Это приблизительное время, в течение которого система начинает работать на полную мощность. Получается, что необходимо только 30 секунд, чтобы привести машину в рабочий режим. При этом мы используем ИБП небольшой мощности.

     Также иногда обсуждают такой вопрос, как наличие в проекте аккумулирующего бака (buffer tank). Если мы возьмем в качестве примера для расчета 700 кВт, дельта Т — 6 К, расход 100 куб. м в час. Если рассчитать запас на 10 минут, это будет означать 15 куб. м в час бак-аккумулятор. То есть, для того, чтобы сохранить 700 кВт на 10 минут, требуется 15 «кубов». Если мы говорим не о 700 кВт, а о 2100 кВт, объем аккумулирующего бака потребуется очень большой. Для этого нужно место в помещении, решение статических проблем, очень хорошая гидроизоляция. Мы не хотим сказать, что это принесет много проблем, но нужно отдавать себе отчет и думать о том, что вы делаете. Потому что сейчас используются большие мощности для строительства дата центров – до 12 МВт и более, например, используемые для облачных вычислений. Эти компьютеры требуют мощной инфраструктуры, потому что им требуется на небольшой площади большая холодопроизводительность. В данном случае важный фактор – надежность и доступность к ресурсам. Исходя из современных требований мы создали три варианта работы чиллера для центров обработки данных.

     Слушатель: А мощность UPS на 700 кВт какой должна быть?

     Ответ — не знаю. Этот вопрос больше философский. Наши компрессоры проектируются под конкретную компьютерную технологию. Соответственно, нагрузка должна быть ориентирована на заданную производительность. Мы отталкиваемся от того, какую холодопроизводительность хочет получить заказчик. Это наш принцип. Сама холодильная машина получается более эффективной, в ней меньше компонентов, которые могут выйти из строя. Конечно, каждый компонент имеет право сломаться, но чем меньше компонентов, тем больше вероятность, что это произойдет. Надежность работы холодильной машины возрастает и, соответственно, риск уменьшается. Более подробно про опцию UCO смотрите по данной ссылке.

Конструкция теплообменника труба в трубе

Вода находится внутри, хладоагент снаружи – это всегда. Каждый компрессор имеет свое соединение, и они друг на друга не влияют. Всегда двухходовой, то есть вход и выход с одной стороны. И для большей эффективности получается больший КПД в данном случае.

Заключение

Это лучший дизайн, который можно сделать для холодильной машины Quantum. Если мы суммируем то, что было сказано выше, выделяются три основных составляющих: теплообменник, контроль управления и компрессор Turbocor. Объединенные в одной машине, они дают хороший результат. Важно понять, что Quantum – это не просто холодильная машина, а система.

     Вот это часть теплообменника обычной холодильной машины, а это — часть теплообменника Quantum. Разница в том, что здесь поверхность теплообмена в 4 раза больше, и этот тип теплообменника не может использоваться в чиллерах, потому что масло всё зальет и никакого теплообмена не будет. Если посмотреть внутрь, вы увидите резьбу. И конденсатор, и испаритель оба спроектированы на скорость 1,1-2,2 м/с движения жидкости внутри. Эта скорость может меняться. Компрессор стандартный вам даст точно 700 кВт, потому что в стандартной холодильной машине есть компрессоры разной мощности, комбинируют их работу, они дают вам ту производительность, которая нужна. У нас есть только один тип компрессора, и мы используем только один тип с одной максимальной мощностью, которая может изменяться. Чтобы получить 700 кВт по холоду нам нужно будет установить три компрессора Quantum в чиллер, каждый максимальной мощности 300 кВт. Это означает, что мы поставим машину на 900 кВт холодопроизводительности. Это означает, что Quantum 900 кВт будет сравниваться с обычным чиллером на 700 кВт. И это будет означать для работы Quantum частичную нагрузку по сравнению с обычным компрессором, который будет работать на полную мощность – 700 кВт. В этом случае, естественно, коэффициент COP будет лучше, чем в обычном компрессоре, потому что для Quantum это уже частичная нагрузка. Но если мы имеем не 700, а 850 кВт, обычный компрессор будет лучшим вариантом, чем Quantum. То есть, когда мы четко ставим компрессор высокой производительности, при полной нагрузке обычный будет лучше. Здесь определяющим будет вопрос использования, и основная задача проектирования систем – подбор оборудования для того, чтобы сделать номинальную нагрузку уже частично.

     Слушатель: а компрессоры могут стоять одной мощности или разной?

     В чиллерах Quantum компрессоры устанавливаются только одинаковой мощности.

     Семинар по чиллерам Quantum был организован компанией Термокул. ТРЕЙД ГРУПП (Группа компаний ТЕРМОКУЛ) является эксклюзивным поставщиком чиллеров Quantum в России.

     Выступал Юрген Ромер, компания Cofely Refrigeration.

Поделиться информацией

Вы можете послать эту статью или новость коллеге или знакомому по email со своим комментарием, пригласить обсудить ее. Просто нажмите на иконку конверта --->