数据中心离心式冷水机组喘振分析及防治

离心式冷水机组因其制冷量大、能耗低和可靠性高等优点，在数据中心制冷系统中得到广泛应用。然而，机组在低负荷或高冷凝压力条件下易发生喘振现象，导致制冷效率下降，甚至危及设备安全运行。本文基于文献《Analysis and Prevention of Surge Phenomenon of Centrifugal Chiller in Data Center》，结合文档内容，从机理、危害、原因、预防及实际案例等方面进行系统分析，旨在为设计和运维提供参考。

一、喘振现象概述

喘振是离心式冷水机组的固有特性，指压缩机在负荷过低或冷凝压力过高时，出现气流周期性倒流和剧烈波动的现象。喘振发生时，机组性能急剧恶化，伴随电流波动、噪声增大等问题，严重影响数据中心稳定运行。文档中指出，喘振点对应压缩机性能曲线的最高点，当流量低于临界值（Qc）时，工作点突变，引发喘振。

二、喘振内在机理与危害

2.1 内在机理

喘振的根源在于离心式压缩机的性能曲线特性。如图2所示，在恒定转速下，压缩机扬程（H）随流量（Q）变化呈抛物线型，曲线最高点C为喘振点。当负荷增加导致流量Q＜Qc时，压缩机出口压力无法维持，工质倒流，形成周期性振荡。文档通过图2(a)和(b)详细展示了压缩比和扬程随流量的变化规律，揭示了喘振的动态过程。

2.2 主要危害

• 电气系统不稳定：电压和电流波动使机组无法正常运行。

  
  

• 机械部件损坏：叶轮应力增加，轴承磨损加剧，缩短设备寿命。

  
  

• 仪器仪表故障：压力与流量波动导致监测设备失灵。

  
  

• 环境影响：巨大噪声干扰运维工作，降低现场安全性。

  
  

三、喘振原因分析

文档将喘振原因归纳为四类：

1. 选型不当：机组容量偏大，与数据中心低负荷阶段不匹配。

   
   

2. 冷凝器问题：冷却水流量不足、结垢或冷却塔散热差（水冷机组）；或空气流量不足、环境炎热（风冷机组）。

   
   

3. 蒸发器问题：冷冻水流量不足、出水温度设置过低或结垢导致小温差偏大。

   
   

4. 制冷剂问题：泄漏、量不足或含油量过高影响换热效率。

   
   

四、喘振预防措施

4.1 设计阶段预防

• 合理选型：精确计算冷热负荷，采用大小冷机搭配或螺杆机组适配低负荷。

  
  

• 优化冷凝器：选择偏大型号，提升高温环境适应性。

  
  

• 完善辅助系统：确保冷却塔和泵的流量与扬程满足要求，如图1所示的数据中心冷冻水空调系统，需保证水路畅通和换热效率。
  

  
  

4.2 运维阶段预防

• 控制逻辑优化：多台冷却塔并联运行，避免流量不足；适当提高冷冻水温度或降低冷却水温度。

  
  

• 定期维护：清洗冷凝器和冷却塔，监测水质，保障小温差在合理范围。

  
  

• 系统层面策略：结合架构配置，制定防喘振运行规程。

  
  

五、实际案例：无负荷调试解决方案

某数据中心在调试阶段面临末端负载不足易引发喘振的问题。文档提出采用板式换热器作为假负载的解决方案（图3），通过以下步骤实现安全调试：

1. 开启冷冻水旁通阀门，形成循环水路。

   
   

2. 调整板换阀门开度（25%~100%）控制换热能力。

   
   

3. 配合冷却塔风机调节，确保热负荷匹配。
   该方法有效避免了低负荷喘振，为类似场景提供了实践参考。

   
   

六、总结

喘振防治需从设计选型和运维管理双管齐下。通过机理分析、原因识别和预防策略，可显著提升离心式冷水机组的运行可靠性。文档结合案例表明，主动优化系统配置和维护流程，是保障数据中心制冷安全的关键。未来，建议进一步集成智能控制系统，实现喘振的实时预测与抑制。

参考文献

[1] 王跃峰. 离心式冷水机组在空调系统中的应用分析[J]. 科学之友, 2011.

[2] 侯瑞. 山西某银行数据中心冷水机组选用对比分析[J]. 山西建筑, 2020.

[3] 王亮. 数据中心低负荷下制冷运行方案[C]. 2017年中国通信能源会议.

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