来源：中国制冷学会杂志2024年8月第四期 文章编号：ISSN1005-9180 (2024) 04-0049-05

杨小波，吴康，徐雪峰

（南京苏宁电子信息技术有限公司，南京，210012）

[摘要]水垢和腐蚀问题是影响数据中心开式循环冷却水系统正常运行的两个主要因素，目前，业内主要采用定期添加缓蚀阻垢药剂和及时排污的方法进行治理。笔者通过调研发现，大部分数据中心企业并未对药剂用量及排污水量大小进行科学规划，导致冷却水系统水质无法得到准确控制，由此形成的水垢或腐蚀杂质导致暖通设备运行功耗高、隐患大，威胁数据中心运营安全。因此，如何精确控制开式循环冷却水系统水质是当前数据中心暖通系统安全且高效运行的重点和难点。本文以华东某数据中心水处理为实例，对如何科学治理开式循环水系统缓蚀阻垢过程进行介绍分析。

[关键词]数据中心；缓蚀；阻垢；循环水；排污水量；稳定指数

[中图分类号]  TU83   [文献标志码] B  doi: 10.3969/J.ISSN.1005-9180.2024.04.0011

Discussion on Corrosion and Scale Inhibition Practice of Open Circulation Cooling Water System in Data Center

YANG Xiaobo, WU Kang, XU Xuefeng

（Nanjing Suning Electronic Information Technology Co., Ld.Nanjing,210012, China)

Abstract: Seale and corrosion issues are the two main factors allecting the normal operation of open loop cooling watersystems in data centers. Currently, the industry mainly adopts the methods of regularly adding corrosion and scaleinhibitors and timely discharge for treatment, "The author found through research that most data center enterprises havenot scientifically planned the dosage of chemicals and the amount of wastewater discharged, resulting in the inability toaecurately control the water quality of the cooling water system. The resulting seale or corrosive impurities lead to highpower consumption and hidden dangers in the operation of HVAC equipment, posing a threat to the safety of data eenteroperations. 'Therefore, how to aeeurately control the water quality of open loop cooling water systems is the key anddifficult point for the safe and ellicient operation of HVAC systems in current data centers. This article takes the waterireatment of a data center in East China as an example to introduce and analyze how to scientilically calculate andimplement the corrosion and scale inhibition process of an open circulating water system.

Abstract: Data Center; Seale Inhibition; Cireulating Water; Sewage Discharge Volume; Evaporated Water Volum

2023年，笔者在华东区域数据中心暖通系统调研工作发现，大部分数据中心企业在循环水系统中安装了水处理设备，但并未实现良好效果。工程师对缓蚀阻垢药剂用量、排污水量、浓缩倍数等重要水处理参数未进行科学计算。使药剂效果无法得到发挥，导致制冷设备运行功耗高、隐患大，设备长期结垢或腐蚀可能导致非正常停机，严重时影响数据中心运营安全和企业管理成本提升。因此，笔者根据多年数据中心暖通系统建设及运维经验，以主导华东区域某数据中心开式循环冷却水系统缓蚀阻垢处理实例，做如下分析。

1 华东某数据中心暖通系统介绍及循环水分析

华东某数据中心暖通系统组成及运行情况如下(部分):

冷水机组2台:低压变频离心冷水机组，制冷量1000Rt，冷冻水供水温度13℃，回水温度19℃，冷却水供水温度37℃，回水温度32℃;

冷却塔4台:钢制方形开式逆流冷却塔，夏季工况Q>4500kW，湿球温度28℃，进水温度37 ℃，出水温度32 ℃;

循环冷却水泵2台:卧式双吸式离心泵，流量为600m/h，扬程30m;

冷却水系统采用两管制开式循环水系统，环路布置，冷水机组与冷却塔、循环冷却水泵采用“一对一”模式，主要设备采用“N+1”备份。

根据该数据中心暖通系统23年7月能耗实测数据，冷水机组运行功率496.6kW，冷凝器换热温差3.6℃,冷却塔风机运行功率82.8kW，冷却水泵运行功率114kW。依据设备手册对数据进行分析，当循环冷却水温度每升高1℃，冷水机组运行功率升高2~3%。

华东地区在夏季易受副热带高压影响，冷却循环水蒸发量大，致使水中各有害物质浓度高，通过对该数据中心循环冷却水泵人口处进行水质取样，经第三方水质检测机构测得水质参数及各水质指标对结垢和腐蚀倾向(表1):

表1华东某数据中心循环冷却水实测数据及倾向

水质稳定指数(R.S.I)是根据循环水运行工况及水质判断循环水结垢和腐蚀倾向的数据，通过2倍水的饱和pH值和实际pH值得差值得出，计算方法见式(1)-(2)

R.S.I=2pHS-pH   (1)

式中 pHS=(9.70+A+B)-(C+D)   (2)

其中:A 总溶解固体系数;

B温度系数;

C钙硬度系数;

D M碱度系数。

通过稳定系数进行对该数据中心水质计算得出:R.S.I=3.1;查询得知该数据中心循环冷却水水质结垢倾向非常严重(表2)，这是导致冷水机组换热效率差，运行功耗高的原因。

表2 稳定指数判断水质倾向

同时通过稳定系数指标可以判定，开式循环水系统由于水质、温度等环境因素引起的腐蚀和结垢不会同时发生，因而根据循环水的稳定指数投加阻垢缓蚀药剂处理的药剂较为科学，同时减少人为投加药剂的成本。循环水系统运行期间所发生的金属管网腐蚀是由于循环水系统的电化学腐蚀发生的，此类腐蚀需要在系统投入运行前进行清洗预膜处理来抑制发生。

2 依据数据中心开式循环冷却水系统实际运行情况设计加药相关参数

开式循环冷却水系统受气候影响明显，随着蒸发水量的增加导致循环水中有害物质浓度升高。因此，添加药剂前需要计算循环水系统蒸发水量、风吹损失量、排污量，最终计算出加药量，每月根据室外气温变化增加或减小排污量和加药量。使循环冷却水水质控制在正常范围内，暖通系统达到最佳运行工况[2]。分析流程见图1:

图1开式循环冷却水系统水质控制步骤

2.1 计算冷却塔蒸发水量Q_e

蒸发水量指循环冷却水在一定时段内经过蒸发而散布在大气中的水量。可以通过式(3)计算:

Q_e=K △T Q_t

式中:K气温系数(1/℃);

△T冷却塔进出水温差(℃);

Q_t循环水流量(m³/h)。

查询该数据中心所在位置7月平均气温在31℃，通过表3得出气温系数K值，最终算出该数据中心在室外温度为31℃时每日蒸发水量为108吨。

表3 气温系数对应值

2.2计算冷却塔风吹损失水量Q_w

风吹损失量为冷却塔散热风机运转与空气一起排出的水滴及进风格栅处飞溅的损失水量之和。查询该数据中心冷却塔运行手册，风吹损失水量取值为循环水量的0.01%，根据循环水量得出冷却塔每日风吹损失量为14吨。

2.3确定浓缩倍数N并计算开式循环冷却水系统排污水量Q_b

为满足国家及地区相关水处理标准，集中开式冷却水系统浓缩倍数不应小于4.0。结合该数据中心水源情况及加药成本考虑，我们在设计水处理时确定浓缩倍数为4.0。

排污水量是在确定浓缩倍数条件下，需要从循环水中排放的水量。是控制开式冷却水系统水质的一项重要措施，如浓缩倍数较小，则导致水资源浪费，加药量也相应增加，成本提升。如浓缩倍数较大，则水质可能达不到国标及设备运行环境要求，长期影响设备或部件使用寿命。通过式(4)计算出排污水量:

Q_b=[Q_e/(N-1)-Q_w]   (4)

得出每日排污水量为22吨，通过调整排污阀门开度，并在排污管道上安装水表监控排污水量。

2.4 根据排污水量计算出阻垢缓释剂加药量G_T

阻垢缓蚀剂加药装置配置计量泵、储药桶和自动控制箱以及在pH值、电导率、ORP等常用参数在线检测装置，储药桶有效容积不低于7天的加药量，同时应符合《环境保护产品技术要求水处理用加药装置》HJ/T369规定，并取得国家环保产品检测中心合格性检验报告。对该数据中心采用药剂主要由有机膦羧酸、聚羧酸、含磺酸盐共聚物、缓蚀剂、特殊界面活性剂等组成，适用于循环水中钙硬度加总碱度要求达到1500mg的高浓缩倍率的循环冷却水系统，减少有害废水的排放。缓蚀阻垢剂指标如下:

缓蚀阻垢药剂外观:无色或浅黄色透明液体;包装:聚乙烯塑料桶25kg;固体含量的质量分数%>45.0;密度(20℃)g/cm3>1.20;pH(1%水溶液)2.0±1.0;阻垢(碳酸钙)率%≥96.0;年平均腐蚀率碳钢/(mm/a)≤0.064;每升循环水加药量:100-200mg:储放要求:仓库应保持干燥、通风、整洁,无杂物堆放;贮存期十二个月。

液体药剂经过计量泵添加到循环冷却水将药剂在循环泵入口处(即冷却塔塔盘出口处)连续加人中。加药量计算方法见式(5):

G_T=(Q_b+Q_w).g/100   (5)

式中:g缓释阻垢药剂每升添加量。

计算得出每日加药量为7.2kg。

2.5 计算药剂有效停留时间T_d

药剂有效停留时间为缓蚀阻垢药剂在循环水里发生效用的最长有效时间，一般由厂家提供。阻垢缓蚀剂在冷却塔集水盘中的允许停留时间目前并没有统一的标准，它取决于多个因素，包括但不限于以下几点:

(1)水质特性:不同的水质具有不同的垢生成和腐蚀速度。如果冷却塔集水盘中的水质特别容易生成垢或者导致金属腐蚀严重，则需要更长的停留时间来让阻垢缓蚀剂充分发挥作用。

(2)阻垢缓蚀剂类型和浓度:不同类型和浓度的阻垢缓蚀剂对水系统的保护效果不同。较高浓度的阻垢缓蚀剂通常需要较短的停留时间达到预期的效果。

(3)水处理系统设计和操作要求:具体的水处理系统设计和操作要求也会对阻垢缓蚀剂的停留时间有影响。例如，系统需要定期排放部分中的冷却循环系统中的水，限制阻垢缓蚀剂在循环水系统中停留的时间。

药剂有效停留时间可通过公式(6)计算：

T_d=VI(Q_b+Q_w)    (6)

式中:V冷却循环水容积(包含管道、冷水机组、冷却塔塔盘等设备及组件容积之和);从该公式中我们可以得出，在冷却循环水容积V和风吹损失量Q_w一定的条件下，排污量Q_b和药剂有效停留时间Td成反比关系。通过计算，该数据中心循环水容积为97M，药剂有效停留时间Td为65小时，综合考虑用水成本及加药成本，设计药剂有效停留时间T_d,小于药剂实际有效停留时间，则药剂选择合理，否则应当重新选择药剂或适当调整排污水量。

2.6 计算循环系统冷却首次加药量G_f

在系统正常运行时，通过上述公式计算处蒸发水量Q_e、风吹损失量Q_w、排污水量Q_b、加药量G_T,进行水处理;此处还需要注意的是，当系统首次使用时，由于管道、冷却塔塔盘及冷水机组等设备里是刚补充到系统的水，此时该循环水仅靠排污量和风吹损失量进行加药是不够的，需要根据系统循环水容积确定加药量，计算方法见式(7):

G_f=V.g/1000   (7)

式中:G,首次加药量(kg);

根据上述公式，可算出该数据中心首次运行加药量为19.4kg

使用上述方法计算出加药量精准加药、及时排污、定期冷却塔清洗，每月定期通过第三方对该数据中心进行采样检测，并在冷却塔集水盘采用挂片方式确认结垢情况。测得水质参数如下:

表4 华东某数据中心开式循环冷却水系统处理后水质指标

通过稳定指数计算得出:R.S.I=6.08，查询表2得知该水质正常，既不结垢也不腐蚀。对冷水机组进行化学和物理清洗，使冷水机组冷凝器换热温差降低至0.9℃，通过在查询该型号冷水机组手册在与7月相同温度情况下运行实测对比，冷水机组节省58kW，冷却塔节省3kW，循环水泵节约5kw，该数据中心冷却水系统共计节约66kW电功率。

3 开式循环冷却水系统水质控制标准

通过该数据中心循环冷却水处理前后第三方检测数据对比，电导率、pH值、氯离子、总碱度等指标均由明显差别，如何判断循环水质数据是否在正常范围，可以参照现行国家标准GB/T29044-2012《采暖空调系统水质》相关规定。开式间冷循环冷却水系统循环水及补充水水质推荐标准表5。当然，该标准制定时考虑到我国地域差异、水质不同及应用行业区别，实际控制标准可在该范围内适当优化，考虑到数据中心业务重要性，以及华东区域水资源情况。笔者结合水处理经验，拟定表6该数据指标供读者参考。

表5 集中空调间冷供冷开式循环冷却水系统水质要求

表6 数据中心开式循环水处理系统水质参考指标

结论

通过对华东某数据中心开式循环冷却水系统各项数据计算并实施，使缓蚀阻垢处理有标准可循，水质各项指标符合国标GB/T 29044-2012《采暖空调系统水质》相关规定，同时具有提高设备运行效率、降低运行功耗，延长暖通设备及部件使用寿命的优点。通过实际统计水处理前与处理后暖通系统用电量进行对比，23年9月节省电量48219kW，以该数据中心所在市工业用电每度0.74元计算，仅该月可节省电费3.57万元，减少二氧化碳排放量46.3吨，符合国家当前节能减排政策要求。

参考文献:

[1]郑书忠.我国工业循环冷却水处理发展现状与展望北京:中国水处理技术研讨会暨第29届年会,2009.

[2]工业循环冷却水处理设计规范.GBT 50050-2017.北京:中国计划出版社,2018

[3]供暖空调系统水处理设计标准.DBJ50/T-416-2022重庆: 重庆市住房和城乡建设发展中心,2023.

[4]采暖空调系统水质.GB/T29044-2012.北京:中国质检出版社.2013.

[5]水处理剂阳垢缓蚀剂Ⅱ.HG/T2430-2018.北京:化学工业出版社.2019.

[6]水处理剂阳垢缓蚀剂Ⅲ.HG/T 2431-2018.北京: 化学工业出版社.2019

[7]数据中心设计规范.GB50174-2018.北京:中国计划出版社.2019.

[8]蒸气压缩循环冷水(热泵)机组.GBT18430.1-2007北京: 中国质检出版社,2008.