數(shù)據(jù)中心循環(huán)水系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行及停機(jī)操作要點(diǎn)

循環(huán)冷卻水的良好運(yùn)行直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的穩(wěn)定性及PUE和WUE等關(guān)鍵運(yùn)行效率指標(biāo)。因?yàn)椴捎美鋮s冗余設(shè)計，數(shù)據(jù)中心的冷卻水系統(tǒng)會交替輪換啟動，導(dǎo)致始終會有部分系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)。

另外低負(fù)荷運(yùn)行也是數(shù)據(jù)中心冷卻水系統(tǒng)經(jīng)常遇到的一種工況，比如新系統(tǒng)啟動初期，或季節(jié)性氣溫降低后。停機(jī)或低負(fù)荷運(yùn)行會給系統(tǒng)水處理（腐蝕、沉積和微生物控制）帶來巨大的挑戰(zhàn)。

腐蝕控制是需要緩蝕劑在金屬表面參與的過程。在水中，金屬表面存在一個擴(kuò)散層，藥劑需要從水體中穿過擴(kuò)散層才能到達(dá)金屬表面。

水的流速越高，湍流度越大則擴(kuò)散層越薄，藥劑則越容易到達(dá)金屬表面。當(dāng)水流速偏低或者靜止時，擴(kuò)散層會增厚，水體中的緩蝕劑很難及時補(bǔ)充到金屬表面，導(dǎo)致雖然水體中有充足的緩蝕劑，但金屬表面的緩蝕劑濃度卻很低，金屬表面實(shí)際處于未被有效保護(hù)的狀態(tài)，金屬腐蝕速率大大上升。

除此之外，由于腐蝕速率的上升，金屬表面會產(chǎn)生大量的鐵銹。在正常工況下，腐蝕產(chǎn)物會被分散劑分散并隨水流帶走，但停機(jī)狀態(tài)下，腐蝕產(chǎn)物不能有效的被分散帶走而沉積在金屬表面。導(dǎo)致短時間停機(jī)后再啟動，系統(tǒng)水質(zhì)總鐵濃度和濁度偏高；若長時間的停機(jī)，則會導(dǎo)致金屬表面形成銹瘤和鱗片式銹片，再啟動時會由于水流擾動而剝離管道上的銹片及銹瘤，堵塞換熱器進(jìn)水口和空調(diào)末端的換熱盤管。

危害：影響換熱效率，提升制冷機(jī)的能耗，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心PUE的上升。

腐蝕率的增大以及銹瘤的形成，可能會加速管路局部穿孔，影響循環(huán)水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并威脅數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性。

系統(tǒng)運(yùn)行時，除了較大顆粒的懸浮物外，其它懸浮物會隨著排污或旁濾系統(tǒng)排出系統(tǒng)。在停機(jī)狀態(tài)下，沒有水流的擾動，在水體中懸浮的懸浮顆粒大部分會沉積聚集在金屬表面，重新開機(jī)后，很多沉積物并不會重新被水流擾動帶走。

另一方面，沉積的顆粒會進(jìn)一步誘導(dǎo)垢下腐蝕以及作為微生物滋生的溫床。

與腐蝕控制類似，有效微生物控制的目的是保持金屬表面的潔凈，停機(jī)狀態(tài)下殺菌劑不能有效擴(kuò)散到金屬表面，從而促使表面更容易滋生微生物膜。

一旦滋生大量微生物膜，系統(tǒng)再啟動時，常規(guī)的殺菌劑濃度已很難有效去除微生物膜，導(dǎo)致系統(tǒng)長時間處于高微生物滋生壓力下，而持續(xù)影響系統(tǒng)換熱。

同時，微生物膜的滋生會進(jìn)一步誘導(dǎo)產(chǎn)生厭氧酸化菌而加速金屬的腐蝕，也會促進(jìn)產(chǎn)生一些有害細(xì)菌（如軍團(tuán)菌）而危害人體健康。

危害：在換熱器表面的沉積物以及滋生的微生物膜，會降低換熱器的換熱效率和制冷機(jī)的運(yùn)行效率，導(dǎo)致冷凝器小溫差的升高。小溫差每上升1oC，會直接導(dǎo)致制冷機(jī)能耗升高2-3%。作為數(shù)據(jù)中心主要用電設(shè)備之一，制冷機(jī)能耗的提高會顯著影響PUE。除此之外，水質(zhì)的惡化會消耗大量新鮮水去置換系統(tǒng)水質(zhì)，也影響到數(shù)據(jù)中心的WUE。

長時間的低負(fù)荷運(yùn)行，意味著系統(tǒng)會間歇性的經(jīng)常處于停機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)的排污量很少，停留時間過長，在系統(tǒng)內(nèi)累積過多的懸浮物而導(dǎo)致水質(zhì)濁度偏高，增加了沉積發(fā)生及腐蝕（垢下腐蝕）和微生物控制的風(fēng)險，降低了制冷機(jī)的運(yùn)行效率以及循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并直接影響數(shù)據(jù)中心運(yùn)行穩(wěn)定和PUE；

對補(bǔ)水水質(zhì)偏軟的系統(tǒng)（如南方水質(zhì)或采用軟化水作為補(bǔ)水的水質(zhì)），由于濃縮倍數(shù)很難提升而導(dǎo)致水質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)，系統(tǒng)金屬腐蝕速率偏高。

如數(shù)據(jù)中心常用的鍍鋅冷卻塔，在低鈣硬、低堿度水質(zhì)運(yùn)行時，在鍍鋅層表面會經(jīng)常觀察到突起的白色腐蝕物，又稱白銹。較高的腐蝕速率也會導(dǎo)致水質(zhì)濁度、鐵等指標(biāo)超標(biāo)，并消耗大量的新鮮水去置換系統(tǒng)水，一方面增加了系統(tǒng)的水耗，另一方面又進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)，形成了一種不斷惡性循環(huán)的狀態(tài)。

對典型的水冷冷水機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)來說，低負(fù)荷的界定與數(shù)據(jù)中心制冷機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷和循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水水質(zhì)相關(guān)。

負(fù)荷越低，系統(tǒng)的停留時間就越長；補(bǔ)水水質(zhì)越軟，需要的濃縮倍數(shù)越高，停留時間也會越長。對南方區(qū)域（珠三角、廣西、福建等地區(qū)），補(bǔ)水的硬度、堿度都較低，補(bǔ)水的腐蝕性較強(qiáng)，系統(tǒng)一般運(yùn)行到6-8倍以上的濃縮倍數(shù)，當(dāng)制冷機(jī)平均運(yùn)行負(fù)荷小于30% 左右的設(shè)計負(fù)荷時，循環(huán)水系統(tǒng)會處于低負(fù)荷狀態(tài)；而對長江及長江以北的區(qū)域，補(bǔ)水屬于偏結(jié)垢性水質(zhì)，系統(tǒng)一般可以運(yùn)行到3-5倍左右的濃縮倍數(shù)，當(dāng)制冷機(jī)平均運(yùn)行負(fù)荷小于20% 左右的設(shè)計負(fù)荷時，循環(huán)水會處于低負(fù)荷狀態(tài)。

圖一：某數(shù)據(jù)中心低負(fù)荷運(yùn)行6個月左右系統(tǒng)的腐蝕情況 

圖二：某數(shù)據(jù)中心低負(fù)荷運(yùn)行6個月左右塔內(nèi)沉積物和微生物粘泥

基于上述原因，并結(jié)合數(shù)據(jù)中心實(shí)際運(yùn)行的工況狀態(tài)，有必要針對停機(jī)以及低負(fù)荷運(yùn)行制定相應(yīng)的方案，以盡量降低停機(jī)以及低負(fù)荷運(yùn)行對系統(tǒng)的影響。

循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化管理需要依次從下面三個方面著手進(jìn)行：

良好的系統(tǒng)設(shè)計是基礎(chǔ)，設(shè)計上的缺陷將會給水處理帶來巨大的挑戰(zhàn)，甚至導(dǎo)致水處理的完全失效。比如，換熱器或進(jìn)出水管路設(shè)計選型的不合理導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)的流速偏低，會引起腐蝕、結(jié)垢沉積以及微生物等一系列問題，雖然從操作和化學(xué)品上能幫助改善，但很難從根本上避免這些問題。

完善的操作管理是系統(tǒng)正常運(yùn)行以及持續(xù)優(yōu)化的關(guān)鍵。它承上啟下的聯(lián)系系統(tǒng)設(shè)計和化學(xué)品方案兩個方面。比如旁濾的操作管理，涉及到旁濾運(yùn)行效果并進(jìn)而影響化學(xué)品方案的選擇和使用，并最終關(guān)系到系統(tǒng)水質(zhì)和腐蝕、沉積控制。

化學(xué)品方案需要匹配系統(tǒng)設(shè)計和操作流程。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)良的化學(xué)品方案可進(jìn)一步提升水處理的效果及效率。單純從化學(xué)品角度著手優(yōu)化，而忽視了系統(tǒng)設(shè)計和操作的優(yōu)化，往往是事倍功半，并不能有效解決問題。

理論上，長時間停機(jī)最好的保護(hù)方式是將整個系統(tǒng)吹干保存，但實(shí)際運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)中心需要保持系統(tǒng)處于待命狀態(tài)而必須維持正常水位，這就要求對系統(tǒng)進(jìn)行必要的濕保，以盡量緩解停機(jī)狀態(tài)下循環(huán)水對系統(tǒng)的影響。

盡量避免系統(tǒng)單次停機(jī)時間>7天。建議系統(tǒng)之間進(jìn)行切換運(yùn)行，縮短每個系統(tǒng)的停機(jī)時間。在系統(tǒng)停車期間，建議每1-2天循環(huán)30分鐘以上，以促進(jìn)藥劑向金屬表面擴(kuò)散以及懸浮物的分散。同時，建議在循環(huán)過程中加強(qiáng)系統(tǒng)的殺菌控制。

對停機(jī)時間大于7天的系統(tǒng)，建議每周在系統(tǒng)循環(huán)時投加1-2次殺菌劑，可以非氧化性殺菌劑為主，交叉投加氧化性殺菌劑，并維持1-2ppm的余氯。同時在循環(huán)過程中檢測水質(zhì)及藥劑濃度，并根據(jù)檢測值補(bǔ)充阻垢緩蝕劑到1.5-2.0倍的日常維護(hù)濃度。

具體濕保操作流程和步驟參見水處理廠商的循環(huán)水濕保操作SOP。

通過高的藥劑濃度，補(bǔ)充殺菌劑以及定期循環(huán)等方式， 濕保能一定程度緩解停機(jī)對系統(tǒng)的危害，但并不能完全避免出現(xiàn)一定程度的腐蝕、沉積和微生物等問題。對停機(jī)時間大于一個月的系統(tǒng)，建議再次開機(jī)前對系統(tǒng)進(jìn)行必要剝離及預(yù)膜操作，以去除金屬表面的微生物膜以及鐵銹，并鈍化金屬表面，以修復(fù)長時間停機(jī)對金屬表面造成的破壞。

對于數(shù)據(jù)中心的循環(huán)水系統(tǒng)，良好的旁濾運(yùn)行狀態(tài)能有效緩解停機(jī)再啟動以及低負(fù)荷運(yùn)行時系統(tǒng)出現(xiàn)濁度以及總鐵濃度偏高的情況。系統(tǒng)停機(jī)再啟動時，循環(huán)水一般濁度會較高，有效的旁濾能幫助系統(tǒng)水質(zhì)盡快恢復(fù)正常，減少置換用水量，同時也能保持系統(tǒng)水質(zhì)的整體穩(wěn)定性，避免水質(zhì)較大波動對系統(tǒng)運(yùn)行的沖擊。

對低負(fù)荷運(yùn)行的系統(tǒng)，為保持系統(tǒng)水質(zhì)濁度在控制范圍內(nèi)，最為有效的方法是維持良好的旁濾運(yùn)行效果。 

確保旁濾出水管道上有取樣口，以方便日常監(jiān)測旁濾出水。定期檢測旁濾出水濁度，較好的旁濾效果應(yīng)能保持出水濁度<3.0NTU。

旁濾效果較差時，應(yīng)及時排查反洗頻率設(shè)置是否合適，填料是否需要更換等，必要時可以在旁濾進(jìn)水管線上添加旁濾助劑，以提升懸浮物的截留效率。

雖然系統(tǒng)水質(zhì)濃縮較慢，但也需要維持合適的排污量，以減緩系統(tǒng)過長停留時間（<200h）對藥劑性能以及系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢沉積和微生物控制的影響。

對補(bǔ)水水質(zhì)較軟的系統(tǒng)，低負(fù)荷運(yùn)行時水質(zhì)濃縮較慢，導(dǎo)致系統(tǒng)長時間處于偏腐蝕的狀態(tài)（低鈣硬、低堿度），為更好的控制系統(tǒng)的腐蝕，建議對水質(zhì)進(jìn)行必要的調(diào)整：

（1）適當(dāng)補(bǔ)充氯化鈣，以提升系統(tǒng)鈣硬>100ppm；

（2）適當(dāng)補(bǔ)充堿度，可以添加碳酸鈉，氫氧化鈉或者碳酸氫鈉等，以提升堿度>100ppm且pH>8.3;

（3）適當(dāng)提升緩蝕劑濃度，一般提升到1.2-1.5倍左右的正常運(yùn)維濃度，具體提升的濃度需針對不同藥劑方案確定。

對鍍鋅層的腐蝕控制，除了停機(jī)和低負(fù)荷運(yùn)行的影響外，正常運(yùn)行時的操作管理以及水質(zhì)的控制范圍也都需要關(guān)注，具體內(nèi)容參見鍍鋅層腐蝕控制的操作建議。

對于冷凍水的閉式循環(huán)水系統(tǒng)，在系統(tǒng)停機(jī)前應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行必要的濕保，具體濕保流程和步驟參見水處理廠商的濕保SOP。

對于添加冷媒的冷凍水系統(tǒng)，由于冷媒成本較高，所以當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)（比如濁度較高）時，很難通過置換的方式優(yōu)化系統(tǒng)水質(zhì)。雖然旁濾系統(tǒng)能幫助解決這個問題，但閉式循環(huán)水系統(tǒng)很少設(shè)計有旁濾系統(tǒng)，這種情況下可考慮外接一套過濾裝置幫助系統(tǒng)去除懸浮固體。類似裝置不僅限于添加冷媒的系統(tǒng)，對常規(guī)低溫水的系統(tǒng)，也能取得良好的效果和經(jīng)濟(jì)性，在提升系統(tǒng)水質(zhì)質(zhì)量的同時也避免了大量置換水和藥劑的浪費(fèi)。

低負(fù)荷運(yùn)行操作要點(diǎn)