Резервирование модульных чиллеров N+1: расчет модулей

Вам достался чужой объект: три чиллера по 60 кВт соединены последовательно одной трубой Ø133, арматуры нет, расход по машинам никто не мерил, все три обмерзают. Фреон доливали, ток вырос, лучше не стало.

Это один узнаваемый случай из обращения читателя, а не статистика рынка. Но на нем видно, что модульный чиллер в паре с соседями резервируется не покупкой лишней машины, а расчетом плюс гидравликой.

Или вы только выбираете: 180 кВт и модули по 60, брать ли 3+1. Тогда начните с расчета ниже.

Коротко

• N считают по условиям, а не по паспорту: при условных поправках примера (свои возьмите из руководства) 180 кВт при +40 °C на гликоле дают 4+1, а не 3+1.
• «+1» без запорной арматуры по модулю, защит по протоку и резерва насоса резервом не является.
• Условный пример: при недоступности насоса 1 % времени схема 4+1 (99,90 % при условном u = 1 %) с одним насосом дает ≈98,9 %.
• Проверяйте схему замером расхода и ΔT по каждой машине: «реле стоит» не значит «расход в норме».

Как посчитать N: 180 кВт это не «3×60»

Паспортная мощность обычно дана для воды 12/7 °C и воздуха +35 °C; условия смотрите в каталоге модели.

N = ceil( Q / (P · k_жара · k_гликоль · k_загр) )

• Q: нагрузка, кВт, с запасом на рост, а не цифра из старого ТЗ;
• P: паспортная мощность модуля, кВт;
• k_жара: для примера +40 °C ≈ 0,92 (−8 %), +43 °C ≈ 0,87 (−13 %);
• k_гликоль ≈ 0,93 и k_загр ≈ 0,95: тоже условные значения примера.

Коэффициенты показывают метод, а не данные модели: возьмите свои из руководства или программы подбора. «+1» добавляют после поправок. Пример: Q = 180 кВт, P = 60 кВт.

Условия	k	Модуль, кВт	Q / модуль	N	N+1
Паспорт, 12/7, +35 °C	1	60	3,0	3 (запаса ноль)	4
Вода, +35 °C, загрязнение	0,95	57	3,16	4	5
Вода, +40 °C, загрязнение	0,874	52,4	3,43	4	5
Гликоль, +40 °C, загрязнение	0,813	48,8	3,69	4	5

Поправки перемножаются: 0,92 · 0,93 · 0,95 = 0,813. Четыре модуля по 48,8 кВт дают 195 кВт против 180, запас 8 %. Расход при гликоле растет: для ЭГ35 около +11 % (оценка КРИОТЕРМ по справочным свойствам растворов; точное значение берите из программы подбора).

Тест N−1: оставшиеся модули при расчетных условиях тянут нагрузку, причем выросшую, а не записанную в ТЗ. Расход G = P·3600/(ρ·cp·ΔT) = 60·3600/(998·4,186·5) = 10,3 м³/ч на модуль, 31 м³/ч на три. Если «+1» добавить к нулевому запасу по паспорту, «резервный» модуль работает как основной.

Какое «+1» нужно: N+1, N+2, 2N или резерва нет

Схема	Что это	Подходит, если
Резерва нет	Модули только на N	Простой допустим, ручное переключение на другой источник холода устраивает по времени
N+1	Один резервный модуль	Ремонт быстрый, ЗИП на складе
N+2	Два резервных модуля	Процесс критичен (молочка с потерей партии, лазер, станки) или ремонт долгий
2N	Две независимые гидравлические линии	Остановка равна потере партии, общую гидравлику нельзя обслуживать на ходу

Схемы N+1, N+2 и 2N в таблице — инженерная практика, а не требование норм. Критерий выбора: цена часа простоя против цены модуля с поправкой на время ремонта и ЗИП. Вопросы заказчику:

• Сколько стоит час остановки процесса?
• За сколько ремонтируют модуль и что из ЗИП есть на складе?
• Есть ли запасной источник холода и как быстро его подключают?

Есть ли в вашем проекте обязательные требования к резерву холода, уточняйте у проектировщика; в этой статье мы их не приводим. Доступность: A = Σ C(N+1,i)·(1−u)^i·u^(N+1−i), i от N до N+1, u это доля времени, когда модуль недоступен. Условное u = 1 % это иллюстрация, а не данные по отказам; отказы модулей считаем независимыми. Для 4+1 получаем 99,90 % против 96,1 % без резерва (вероятность нехватки ≈0,10 % против 3,94 %). С ростом N «+1» защищает слабее.

Резерв выключен или все в работе. В примере при N+1 = 5 каждый модуль нагружен на 74 % (69 % и 63 % в мягких условиях) вместо 92 % при четырех работающих (86 % и 79 %). Тип компрессора определяет, чем это обернется: при грубых ступенях регулирования ниже минимальной ступени растет число пусков, а у одного изготовителя контроллер допускает не более 10 пусков в час (цикл около 6 мин); при плавном регулировании ступень тоньше, но ниже минимума цикл пуск-стоп возвращается. Если резерв выключен, закладывайте ротацию по моточасам: давно не работавший модуль может не запуститься в аварии (инженерное предположение). Есть ли ротация и что происходит при отказе ведущего модуля, смотрите в руководстве на модель: в одной линейке реле протока, насос и допнагреватель стоят только на ведущем, и его отказ останавливает всю установку.

Гидравлика резерва: что не так со схемой из цитаты

Допустим, замер показал 7–8 м³/ч: это условное допущение для иллюстрации, на своем объекте расход мерьте. В последовательной схеме через каждую машину идут те же 7–8 м³/ч, это ≈73 % номинала 10,3 м³/ч, выше минимума, и реле протока такой режим может не заметить. Вероятная причина обмерзания (инженерное объяснение, в руководствах изготовителей не описано): вода проходит три испарителя подряд, вторая и третья машины получают уже охлажденную воду и работают с пониженной температурой кипения. Группа снимает 180 кВт одним потоком: при 7,5 м³/ч это ΔT ≈ 20,7 K на группе (≈ 6,9 K на машину), для воды это лед. Чем холоднее вход, тем меньше запас до замерзания, последним рубежом остается защита по температуре выхода. Точную причину на конкретной установке установит только замер. Для сравнения: при параллельной схеме те же 7–8 м³/ч дали бы ≈24 % от нужных 31 м³/ч, а при 31 м³/ч через каждую машину в ряду ΔT ≈ 1,7 K.

Схема	Что получаем	Когда выбирать
Последовательно	Вывести машину без остановки всех нельзя	Не для резерва
Параллельный коллектор	Проще, но общий насос: точка отказа	Нужны байпас и резервный насос
Насос на модуль с запорным клапаном	Выход модуля почти не меняет расход остальных, дороже	Критичная нагрузка

Правильная схема по шагам (ее можно нарисовать):

1. Общие коллекторы: подающий и обратный на всю группу.
2. Ветка каждого модуля: изолирующий клапан, сетчатый фильтр (ячейка не более 1,0 мм для пластинчатого испарителя по руководству одного изготовителя; для других типов испарителя и других изготовителей значение иное, смотрите руководство модели), модуль, обратный клапан, изолирующий клапан, балансировочный клапан.
3. Насос на каждый модуль или общий насос по схеме N+1.
4. Байпас между коллекторами или буфер, чтобы расход через работающие испарители не падал.
5. Воздухоотводчик в верхней точке, дренаж в нижней, манометры и термометры.

По инженерной логике (прямого описания и числовой оценки в руководствах изготовителей нет) выключенный модуль с открытой веткой становится перемычкой: теплая обратка проходит через него без охлаждения и смешивается с подачей, температура подачи растет. Обратный клапан закрывает обратный ход, а изолирующий клапан выключенного модуля закрывают вручную или по сигналу внешнего управления, если оно предусмотрено проектом. Без запорной арматуры вывод модуля требует слива и разборки фланцев.

Защиты на каждом модуле:

• реле или датчик протока на каждом модуле или в точке, защищающей все испарители (в некоторых модульных линейках реле стоит только на ведущем модуле, смотрите руководство);
• защита от замерзания по температуре воды на выходе;
• датчики температуры на входе и выходе.

Если расход падает в разы, ΔT на испарителе растет, температура выхода уходит вниз. Реле «на ноль потока» прикрытый поток может не поймать, тогда модуль останавливает защита по температуре выхода. После срабатывания не сбрасывайте аварию, пока не найдена причина: замерьте расход, проверьте сетки и воздух в контуре. После разморозки осмотрите испаритель до пуска: ущерб от замерзания обычно исключен из гарантии.

Минимальный расход и объем воды

Параметр	Что нормируют
Минимум расхода	50 % номинала у одного изготовителя; абсолютные минимумы у других 3,24 м³/ч (≈31 % от 10,3 м³/ч, оценка) и 5,1 м³/ч
Реле протока	Уставка 50 % номинала у одной линейки, срабатывание при 60 % у другой; у третьей ≈3,4 м³/ч при минимуме машины ≈5,1 м³/ч, ниже минимума
Объем воды	2,5–6,5 л/кВт; 3,5–5 л/кВт; около 11,5 л/кВт

Значения берите из руководства своей модели. Выжимка для модуля 60 кВт: консервативная граница, не норма изготовителей, не ниже 50–60 % расхода при 5 K, то есть около 5–6 м³/ч; объем воды от 150 до ≈690 л (для 180 кВт от 450 до ≈2060 л), у одного изготовителя при нескольких машинах объем считают на суммарную мощность установки.

Ошибки, из-за которых «N+1» превращается в «N»

• Резервируют машины, а не насос, контроллер и питание: условно 99,90 % × 99 % ≈ 98,9 %.
• Не проверили, что будет при отказе ведущего модуля: в некоторых модульных линейках его отказ останавливает всю установку.
• Реле «на ноль потока» и уставка ниже минимума расхода.
• Объем воды как для кондиционирования: частые пуски.
• Гликоль на глаз: расход +8…14 % (ЭГ 30–40 %), мощность на пластинчатом испарителе при режиме 12/7 −1…12 % (ЭГ35 −1…6 %, ПГ40 −4…12 %): оценка КРИОТЕРМ по расчетной модели, не данные каталога.
• Нет замеров ΔP и ΔT: «лечат» хладагентом.
• Резерв без ротации и тест-пуска.

Насос в комплекте не означает резерв насоса: подтверждайте под свой проект.

Если схема уже стоит и «не так»

Порядок: расход и ΔP на испарителе каждой машины; ΔT и температура воды на входе; код защиты и температура воды в момент срабатывания; сетки и воздух в контуре. Делайте замеры до очередного обмерзания. Малой кровью: арматура и обратные клапаны по модулю, реле протока, сетки, балансировка, перевод в параллель только вместе с подъемом общего расхода до ≈31 м³/ч: поровну по трем ветвям 7–8 м³/ч дают 2,5 м³/ч на машину, ниже минимума.

Менять схему целиком, если:

• расход по замеру не доходит до окна ни на одной машине;
• расчет трубопровода по длине и местным сопротивлениям не дает нужный расход при напоре насоса, хотя в трубе Ø133 со стенкой 4 мм (внутренний диаметр ≈125 мм, допущение) при 31 м³/ч скорость 0,70 м/с;
• нет места под арматуру и буфер;
• работа по обвязке сопоставима с ценой нового модуля.

Подробности: статья «Обвязка чиллера»; про ледяную воду и фрикулинг отдельный материал.

Исходные для самостоятельного расчета N:

1. Нагрузка Q, кВт, с запасом на рост.
2. Режим воды: температура на выходе и ΔT (для расхода G).
3. Жидкость и доля гликоля (для k_гликоль).
4. Расчетная температура воздуха в самый жаркий день (для k_жара).
5. Характер нагрузки: постоянная или скачки, пусков в час.
6. Допустимое время простоя и ремонта (для выбора N+1, N+2 или 2N).
7. Что уже стоит: схема, трубы, насос, объем воды.
8. Ограничения по месту и электропитанию.

Подставьте их в формулу, добавьте резерв по критерию и проверьте тест N−1. Если нужна сверка, пришлите эти 8 пунктов (чего не знаете, так и напишите): вернем N и N+1 при ваших условиях и схему обвязки с отсечкой по модулям. Начать можно со страницы модульные чиллеры, остальное оборудование в каталоге.