|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Константин КОВАЛЕНКО
История применения турбин в различных сферах машиностроения началась еще на заре XX века. Где их с тех пор только не применяли — в самолетах, на кораблях, реакторах, автомобилях. Технология оказалась очень удачной и со временем нашла себе место даже в дата-центрах, а именно — в электрогенераторных установках и чиллерах. Применению турбин малой мощности в автономных электроустановках посвящена отдельная статья, опубликованная в этом же номере «СиБ» («Микротурбина — инновационная технология для создания АЭУ», стр. 34). Здесь же мы рассмотрим другой аспект, а именно — использование турбин в холодильных машинах. Если еще конкретнее, то речь пойдет о преимуществах и недостатках новых систем, которые называются Turbocore, поскольку обычные турбокомпрессоры в охлаждающих агрегатах используются еще с 30-х годов.
Не будем специально останавливаться на том, как устроен турбокомпрессор. Соответствующей информации достаточно на просторах Интернета. Отметим лишь, что по сути — это высоконапорный вентилятор, который позволяет добиться повышения давления газа (рабочего тела) двигателя за счет его нагнетания центробежным компрессором. В холодильной технике сжатый газ при нормальной температуре подается на периферию рабочего колеса турбины, раскручивает его и, расширяясь, охлаждается. Соответственно, чем выше давление подаваемого газа (фреона), тем более низких температур можно достичь. Однако нужного давления можно добиться только за счет повышения скорости вращения турбины, которая в современных чиллерных компрессорах колеблется в пределах 15-40 тыс. об./мин. Хотя технология известна довольно давно, тем не менее турбокомпрессоры долгое время использовались только в низкотемпературных холодильных установках (ледогенераторах, морозилках), поскольку было сложно регулировать производительность турбин. Лишь в начале 2000-х появились системы, вал которых раскручивается электродвигателем, использующим инвертор, что позволяет добиться плавного регулирования скорости вращения турбины и, соответственно, холодопроизводительности. Управлять мощностью турбокомпрессора помогает также еще один важный элемент — IGV-клапан (Inlet Guide Vane), оснащенный специальным микроконтроллером. Его конструкция такова, что позволяет подавать хладагент на рабочее колесо турбины под разными углами (чем угол больше, тем меньше холодопроизводительность). Эти два компонента (инвертор и IGV-клапан) позволяют современным чиллерам плавно реагировать на изменение нагрузки. Но и здесь есть ограничения, о которых поговорим немного позже, в другом разделе. Отметим, что для таких высоких скоростей вращения двигателя обычные подшипники не годятся. До последнего времени наилучшим вариантом было использование специальных газовых лепестковых подшипников. Но в 2006 году датская компания Danfoss выпустила на рынок новый тип турбокомпрессоров для холодильных машин с воздушным и водяным охлаждением конденсатора. Особенность разработки заключалась в том, что в отличие от традиционных схем, здесь используются не механические, а магнитные подшипники. В результате не требуется применение компрессионных масел для смазки подвижных силовых узлов и компонентов, поскольку ротор вращается («парит») в тороидальном электромагнитном поле (рис. 1). Для контроля положения двигателя используются специальные датчики, которые автоматически стабилизируют положение ротора на высоких скоростях в случае любых значительных отклонений (за счет корректировки магнитного поля).
Эта технология получила название Turbocore и была взята на вооружение многими производителями. На сегодняшний день холодильные машины с турбокомпрессорами выпускают такие производители, как Uniflair (принадлежит Schneider Electric), Clint, Daikin, McQuay и другие (рис. 2).
Конечно, только электромагнитным полем дело не ограничивается, ведь в случае отключения электропитания массивный двигатель на огромных оборотах может заклинить, что гарантированно выведет компрессор, да и весь чиллер, из строя. Поэтому для подстраховки вместе с магнитными, как правило, устанавливают и механические карбоновые подшипники.
Одним из положительных следствий, вызванных особой конструкцией чиллеров с технологией Turbocore, является режим мягкого старта системы, что обеспечивает существенное снижение пусковых токов по сравнению с традиционными поршневыми холодильными машинами. Дело в том, что без подачи электропитания вал ротора лежит на магнитных подшипниках, и, соответственно, вращать его нельзя — для начала нужно создать электромагнитное поле. Эту задачу выполняют специальные конденсаторы, которые заряжаются при включении компрессора в электросеть, а затем, разряжаясь, создают первоначальное электромагнитное поле, поднимающее ротор. Только после этого двигать начинает постепенно раскручиваться с помощью инверторного двигателя. Такая схема не требует больших пусковых токов (хотя здесь при проектировании сети питания надо учитывать значительную реактивную мощность, создаваемую в момент запуска электродвигателя компрессора). Однако самым большим преимуществом чиллеров с технологией Turbocore является высокая энергоэффективность, особенно в режимах неполной нагрузки. Она достигается в том числе за счет того, что в магнитных подшипниках нет трения и, соответственно, не требуется затрат энергии на его преодоление. Кроме того, высокая скорость вращения турбины позволяет существенно уменьшить массу и габариты компрессора, а чем меньше вес, тем меньше энергии требуется на приведение механизма в движение и вывод его на рабочие обороты. При одинаковой холодопроизводительности размеры, скажем, винтового и Turbocore-компрессора отличаются почти в два-три раза (в пользу последнего). Это, в свою очередь позволяет существенно уменьшить площадь основы чиллера — на четверть, а то и вполовину. Что касается упомянутого режима частичной нагрузки, то в диапазоне от 30% до 90% мощности турбокомпрессорная система существенно (иногда в разы) эффективнее поршневых моделей. Но когда нагрузка близка к максимальной, показатели чиллеров обоих типов весьма близки. Немаловажным моментом является уровень шума и звукового давления. У турбокомпрессоров эти параметры в ряде случаев могут быть и выше, чем у поршневых моделей аналогичной мощности, но высокочастотный шум турбины довольно легко погасить за счет применения звукоизолирующего кожуха. В результате такие чиллеры выдают вполне приемлемые характеристики по шуму — на уровне 55-70 дБ (в зависимости от модели).
Как видим, чиллеры с турбокомпрессорами обладают многими достоинствами, которые недоступны другим типам холодильных машин. Тем не менее они не лишены и некоторых недостатков, являющихся неизбежным следствием конструктивных особенностей. И хотя они не относятся к числу особо критичных, их необходимо учитывать при выборе системы охлаждения для ЦОД. Самым, наверное, важным фактором в случае с нашей страной является цена. Системы с Turbocore ощутимо дороже моделей с традиционными компрессорами аналогичной мощности. Даже учитывая тот факт, что при правильном использовании чиллеры с Turbocore будут более экономичными, чтобы окупаться в приемлемые сроки, нужна довольно высокая мощность охлаждения. Как показывает практика, применение таких чиллеров наиболее оправдано на объектах, где требуется отводить не менее 1-2 МВт тепла. Кроме того, системы с турбокомпрессорами не вполне сочетаются с выносными теплообменниками, поскольку в силу конструктивных особенностей создают довольно низкое давление в охлаждающем контуре, что усложняет использование протяженных трасс. Для выхода турбины на рабочую мощность требуется определенное время ввиду ее инертности (даже в лучших моделях — не менее трех минут, а как правило, еще больше). Кроме того, в режиме малой нагрузки возможно возникновение «турбо-ям» (turbo-lag), когда мощность возрастает не сразу, а с некоторыми запаздыванием — это явление особенно ощутимо при переходе с низких оборотов (малая нагрузка) на более высокие и характерно для всех турбин. В результате холодопроизводительность может возрастать нелинейно. С такой ситуацией разные производители борются по-своему, в основном с помощью специальных электронных контроллеров. Справедливости ради стоит отметить, что малые обороты и низкая нагрузка противопоказаны любым чиллерным компрессорам, поскольку значительно снижают их эффективность. Но в случае с Turbocore, когда в чиллере несколько компрессоров, можно попасть на границу гистерезиса, и тогда стабильности климатических настроек добиться практически невозможно (разве что вручную четко задавать, сколько компрессоров и в какое время будут включаться). Соответственно, такие системы очень чувствительны к отключению электропитания. Ведь в таком случае для выхода на требуемую мощность необходимо время. В целом же подобные системы наиболее эффективны при загрузке 75-80%.
Следствием высокой скорости вращения
турбины (свойства, которое обеспечивает системам с турбокомпрессорами
вышеописанные преимущества) является износ трущихся частей, в частности,
карбоновых подшипников, что требует их периодического обслуживания
и замены. Кроме того, у турбокомпрессоров КПД ниже, чем у спиральных
систем, что необходимо учитывать, например, при расчете PUE.
Таким образом, учитывая вышеизложенное,
можно сделать вывод, что чиллеры с турбокомпрессорами наиболее
эффективны и даже предпочтительны на крупных объектах мощностью не менее
1-2 МВт с постоянной высокой нагрузкой (в идеальном случае не менее 75%)
и качественным электропитанием, поддержанным системой СГЭ. Учитывая эти
ограничения, а также стоимость подобных систем, очевидно, что их
применение в украинских проектах — дело будущего. Надеемся, недалекого.
Константин КОВАЛЕНКО СиБ |
|
