离心冷水机组工作原理与常见故障

制冷主机简称冷机,是数据中心空调系统的重要组成部分,其载冷剂一般为水,简称为冷水机组,其冷凝器的冷却利用常温水的换热降温来实现,故也称为水冷机组。数据中心冷量需求大,选用离心式机组可以获得较好的能效，本文的冷水机组专指离心机组。

一、冷水机组原理  

离心式制冷压缩机是一种回转式速度型压缩机,吸气管将要压缩的气体引入到叶轮入口；气体在叶轮叶片的作用下跟着叶轮做高速旋转，通过叶轮中的叶片对叶轮槽道中的气体作功；提高气体的速度后引出叶轮出口处,然后导入扩压腔；由于气体从叶轮流出后,具有较高的流速,为了将这部分速度能转化为压力能,在叶轮排气口外侧设置了流通截面逐渐扩大的扩压器,进行能量的转换,以提高气体的压力；扩压后的气体在蜗壳里汇集起来后，进入机组的冷凝器进行冷凝。

二、离心机组组成  

离心机组组成如下:包括离心压缩机、蒸发器、冷凝器、节流孔板、供油装置、控制柜等组成。其中压缩机主要由吸气室、叶轮、扩压器、弯道与回流器、蜗壳组成。

离心压缩机 ：这是离心机组的心脏，负责压缩制冷剂蒸汽，提升其压力和温度。工作原理基于动能转换，即通过高速旋转的叶轮给予制冷剂蒸汽动能，随后在扩压器中将动能转换为压力能，从而实现制冷剂的连续吸入、压缩和排出。根据压缩级数的不同，可分为单级和多级压缩机。

蒸发器：蒸发器是制冷循环中制冷剂从液态转变为气态（蒸发）的地方，吸收被冷却介质（如水）的热量。在这个过程中，低温低压的制冷剂液体吸收周围热量后蒸发，达到冷却效果。

冷凝器：与蒸发器相反，冷凝器是制冷剂从气态转变为液态（冷凝）的场所，释放热量到环境中（通常是通过冷却水或空气）。高压高温的制冷剂气体在这里放热后凝结成液体，准备再次进入蒸发器循环使用。

节流孔板（或膨胀阀）：位于冷凝器和蒸发器之间，作用是调节进入蒸发器的制冷剂流量，并通过突然降低压力使制冷剂液体部分蒸发，确保蒸发器内制冷剂处于适宜的低压状态，利于吸收热量。

供油装置：为离心压缩机提供必要的润滑油，以减少摩擦、冷却部件并密封间隙，延长压缩机寿命。这通常包括油泵、油过滤器、油冷却器和油分离器等部件，确保润滑油清洁、冷却并有效循环。

控制柜：包含整台机组的电气控制系统，包括PLC（可编程逻辑控制器）、传感器、继电器、接触器等，用于监测和控制机组的运行状态，如启停、负荷调节、故障报警、数据记录等，确保机组高效安全地运行。

 

四、离心冷水机组常见故障  

1、低压告警

某数据中心一台冷冻机组运行过程中发生制冷能力下降现象，后触发冷机低压告警,机组外部检漏正常，采用肥皂水溶液涂抹到怀疑有渗漏的部位,冷凝器、压缩机、蒸发器之温度传感器、压力变送器、维修角阀、安全阀等丝扣连口及其它部位,未发现漏点,怀疑蒸发器内有泄漏,打开端盖查漏,确认为冷机蒸发器发生泄漏。

【问题解决】补漏方法:找出泄漏的管子,作好标记,维修时抽出旧换热管,更换新管后在端板处进行胀管,再进行检漏和气密试验;如果泄漏的管子比较少,也可用堵头将该铜管两端堵死。现场考虑只有一根铜管泄漏,就在该铜管两端进行了封堵,经查漏、抽空重新加注制冷剂调试后,冷机恢复正常运行。

2、低流量告警  

某冷机运行中,突然发生低流量告警，导致冷机停机，制冷中断，尝试消除故障,发现低流量告警故障一直存在,冷机无法开启。现场检查水泵运行情况、冷机阀门开启情况和流量情况,均正常,而流量开关触点始终呈现开路,无法闭合,怀疑流量开关存在问题。

【问题解决】现场停泵,关闭流量开关两端阀门，拆卸流量开关，发现靶式流量开关已经折断损坏，更换流量开关后,冷机正常开启和运行。

3、高压故障

某小型数据中心冷机运行过程中发生高压故障停机，复位后重新开机,不久又触发高压停机，停机前冷机伴有严重喘振现象，维护人员反映停机前发生多次较严重喘振现象。

复位后开机,发现冷凝温度偏高,运行过程中有多次喘振现象，通过咨询了解，冷机负荷率80%时，冷却水温进33℃,出37.5℃，水温偏高，检查小温差为6℃，严重偏大，对应冷凝温度为43.5℃，根据上述数值判断，冷机高压原因为冷凝不良和小温差过大。

【问题解决】现场先进行冷机保养，更换了冷冻油和过滤器;再进行冷却塔维护,更换调整风机皮带,调整风车倾角角度,对冷却塔填料和冷却塔水盘进行清洗维护,更换冷却塔部分填料,并进行水质处理;之后拆洗水系统管路上所有的过滤器,系统投入运行,冷却水温进29.1℃,出34.5℃,冷机小温差也只有1℃,喘振和高压现象消失,系统恢复正常运行。

4、低流量停机  

某冷机运行过程中,一台冷机的冷却水发生低流量控制器动作，冷机停止工作。发生流量告警故障,一般常见原因：水泵工作发生异常、过滤器堵塞导致的低流量，也可能是流量控制器故障或者设置值异常。

现场检查,发现水泵运行正常,两端阀门工作正常，但Y形过滤器两端压差异常,明显偏大，判断为Y形过滤器堵塞。

【问题解决】停水泵，关过滤器两端阀门,泄压后对过滤器进行拆卸，发现过滤网上有脏污导致堵塞，清洗重新安装后，开启冷却水泵,冷却水流量恢复正常，流量开关无告警，冷机正常工作。

5、冷机COP偏低

某数据机楼中，配置4台冷机，日常运行三台冷机，其额定COP均为5.5。但实测发现，即使在满负荷工况下,这三台冷机也达不到额定值,其中最低一台仅为3.5,最高一台为4.5。

离心机组COP偏低的原因,常见问题有冷机负荷率偏小，设备性能老化等,冷机和冷却塔效率偏低导致冷却水回水温度偏高等。现场检查，每台冷机制冷量为2037kW，而实际每台冷机供冷量只需要1500kW，低负载率导致了低效率；另外一个原因是设备性能老化,机组长时间运行中，冷却水质处理不及时，冷机和冷却塔换热效果较差，导致效率降低。

【问题解决】现场对冷机和冷却塔进行清洗，并进行水质维护；也对冷机工况进行调整，补充部分制冷剂，正常维护后，冷机COP达到5.3左右，恢复到额定值。