某數(shù)據(jù)中心油機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)測分析

劉京晶，田振武，呂申龍

（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

目前，各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級，對信息、數(shù)據(jù)的管理和分析產(chǎn)生了極大依賴。數(shù)據(jù)中心作為信息、數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施平臺，扮演著越來越重要的角色。通過升級迭代，數(shù)據(jù)中心逐漸形成由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信連接系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)以及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等組成的基本架構(gòu)。其中，電力系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為避免供電故障發(fā)生導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等災(zāi)難性后果，數(shù)據(jù)中心通常要求配置應(yīng)急電源系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)中心應(yīng)急電源系統(tǒng)最常用的形式是柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，尤其是在中大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，一般采用高壓（10 kV）柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急供電保障。發(fā)生市電中斷時，不間斷電源系統(tǒng)（Uninterruptible Power Supply，UPS）或高壓直流切換至蓄電池放電模式，從而保持信息技術(shù)（Information Technology，IT）設(shè)備、空調(diào)末端等關(guān)鍵設(shè)備的連續(xù)供電[1]。同時，柴油發(fā)電機(jī)組迅速啟動，在蓄電池后備供電時間內(nèi)完成并機(jī)輸出動作，為數(shù)據(jù)中心全部系統(tǒng)提供電力保障。

1 油機(jī)方案

1.1 工程概況

以江蘇省蘇州市某數(shù)據(jù)中心為研究對象進(jìn)行分析，該數(shù)據(jù)中心已建成一座110 kV 專用變電站，該機(jī)樓共引入4 組8 回10 kV 市電電源，每組以2 回市電電源互為備用電源，每回均能負(fù)載該組全部用電負(fù)荷。數(shù)據(jù)中心高壓配電系統(tǒng)10 kV 電源主接線采用單母線分段，中間不設(shè)母聯(lián)開關(guān)，兩段母線由2 路10 kV 電源分別供電。2 段10 kV 母線以放射式向各臺變壓器供電；變壓器采用“1+1”配置，每臺變壓器負(fù)荷率均不超過50%，若其中一臺變壓器發(fā)生故障，則另外一臺變壓器帶起全部負(fù)荷[2,3]。同時，該機(jī)樓設(shè)置2 個油機(jī)區(qū)，獨(dú)立為數(shù)據(jù)中心樓保障用電負(fù)荷供電。整棟樓規(guī)劃了3 724 個機(jī)架，油機(jī)保障負(fù)荷約33 046 kW，共規(guī)劃了20 臺主用2 000 kW 油機(jī)，分為4 個并機(jī)系統(tǒng)，本期主要測試1#并機(jī)系統(tǒng)。1 號并機(jī)系統(tǒng)主要規(guī)劃保障用戶一期650 架IT 設(shè)備、空調(diào)主機(jī)、水泵、冷塔（1 主1 備）、空調(diào)末端等負(fù)荷，該系統(tǒng)保障負(fù)荷約8 023 kW，負(fù)荷率不超80%，若選擇“N+1”配置，則需配置5+1臺主用2 000 kW油機(jī)。

1.2 油機(jī)系統(tǒng)

某數(shù)據(jù)中心機(jī)樓將根據(jù)負(fù)載情況分期建設(shè)，終期將建設(shè)4 套并機(jī)系統(tǒng)各為4 段高壓系統(tǒng)進(jìn)行供電。其中，1#并機(jī)系統(tǒng)建設(shè)6 臺10 kV 主用2 000 kW 高壓集裝箱機(jī)組（卡特）放置在一層?xùn)|側(cè)油機(jī)室內(nèi)，同時該系統(tǒng)配置了2 臺油機(jī)出線柜、1 臺假負(fù)載測試柜，5 臺油機(jī)進(jìn)線柜。其并機(jī)控制系統(tǒng)目標(biāo)如下：控制、監(jiān)測并機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各臺油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；各臺油機(jī)間的相互通信、控制、反饋；相關(guān)斷路器、接觸器的分合閘；實(shí)現(xiàn)機(jī)房輔助設(shè)備如百葉窗、自動加油系統(tǒng)、進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備的邏輯控制等；達(dá)到油機(jī)并機(jī)系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的工作。

1.2.1 1#發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并機(jī)方案

供電系統(tǒng)平面圖如圖1 所示，作為1#中壓系統(tǒng)后備電源，1#油機(jī)系統(tǒng)本期主要規(guī)劃為保障用戶設(shè)備負(fù)荷。

圖1 供電系統(tǒng)平面圖

1#并機(jī)系統(tǒng)用電負(fù)荷如表1 所示。

表1 油機(jī)并機(jī)系統(tǒng)用電負(fù)荷表

油機(jī)配套的進(jìn)（出）線柜等在二層高低壓配電室內(nèi)建設(shè)，并機(jī)柜、配電屏等在一層配電室內(nèi)建設(shè)，為達(dá)到總體控制并機(jī)系統(tǒng)的目的，在一層配置1 臺主控柜，發(fā)電機(jī)供電與市電不并網(wǎng)。

為確保響應(yīng)速度，采用準(zhǔn)同期的方式同步控制并機(jī)系統(tǒng)，同時該系統(tǒng)采用隨機(jī)并聯(lián)的方式。具體而言，系統(tǒng)中任意達(dá)到額定輸出功率的機(jī)組都可以先合閘到母線供電，剩余機(jī)組與該機(jī)組同步后再按順序合閘供電。

每臺發(fā)電機(jī)組配置一套控制器，用于控制發(fā)電機(jī)組，并配備負(fù)載分配和自動同步模塊，通過對機(jī)組電壓與轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而達(dá)到各個機(jī)組之間的并聯(lián)及負(fù)載均衡的目的。同時，應(yīng)用廣角模擬表監(jiān)控發(fā)電機(jī)組的輸出參數(shù)，滿足操作人員對多臺機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)直觀了解的需求。為節(jié)省空間、降低總成本及便于維護(hù)，利用新增的主控柜控制各機(jī)組的并機(jī)柜，并協(xié)調(diào)控制整體系統(tǒng)運(yùn)行，通過設(shè)定的程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制，包括投入和切除機(jī)組、優(yōu)先級設(shè)定等[4]。

1.2.2 負(fù)載管理方案

全部機(jī)組自動并聯(lián)運(yùn)行，系統(tǒng)自動地分配負(fù)載，按以下邏輯實(shí)現(xiàn)負(fù)載的管理。

1#油機(jī)系統(tǒng)負(fù)載管理按照“N+1”模式來控制，6 臺油機(jī)的容量均可作為后備使用。

全部機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行1 ～10 min 后，若系統(tǒng)整體負(fù)載小于在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組60%（可調(diào)）額定容量且持續(xù)時間超過1 min，則系統(tǒng)自動切除第6 臺機(jī)組，此時全部負(fù)載由5 臺機(jī)組帶載，以此保證供電的可靠性；隨著負(fù)載的降低，會依次切除在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組，直至保持最少2 臺機(jī)組在線運(yùn)行[5]；若系統(tǒng)負(fù)載增加至機(jī)組的60%額定容量，系統(tǒng)將自動啟動第2臺機(jī)組，并自動同步后合閘向負(fù)載供電；若系統(tǒng)全部負(fù)載增加至在網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)額定容量的60%，則自動啟動第3 臺機(jī)組，以此類推啟動后續(xù)機(jī)組，最終6 臺機(jī)組全部啟動，其保障方式為“N+1”，保障容量為5 臺機(jī)組的總?cè)萘浚?0 000 kW 主用）。

1.2.3 市電油機(jī)切換方案

10 kV 并機(jī)系統(tǒng)輸出，與10 kV 外市電引入在機(jī)樓二層高壓配電室內(nèi)完成切換。為了保證切換的安全性和可靠性，采用控制柜和2 個斷路器為核心，協(xié)同所有進(jìn)出線斷路器搭建電源切換控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)鎖和機(jī)械聯(lián)鎖，同時實(shí)現(xiàn)逐級投切[6]。

1.2.4 10 kV 發(fā)電機(jī)接地方案

動力中心樓的接地系統(tǒng)采用聯(lián)合接地方式，接地電阻小于1Ω。該大樓已經(jīng)完工，接地體、接地總匯集線以及預(yù)留接地端子施工完成，并采用現(xiàn)有的接地系統(tǒng)。新增接地扁鋼與原有接地系統(tǒng)連接，機(jī)組設(shè)備等所需的保護(hù)接地線從新增的接地扁鋼引接，并做好其他可導(dǎo)電物體的等電位聯(lián)結(jié)。每臺機(jī)組分別設(shè)置1 臺接地電阻柜，采用中性點(diǎn)接地的方式，通過設(shè)置接地電阻柜實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

1.2.5 高壓系統(tǒng)方案

1#油機(jī)并機(jī)系統(tǒng)建設(shè)6 臺高壓進(jìn)線開關(guān)柜、4 臺高壓出線開關(guān)柜、1 臺電壓互感器柜以及1 套220 V 直流電源，新增高壓開關(guān)柜應(yīng)滿足防止誤分、合斷路器，防止帶負(fù)荷分、合隔離開關(guān)，防止帶電掛（合）接地線（接地開關(guān)），防止帶接地線（接地開關(guān)）合斷路器，防止誤入帶電間隔要求。

1.2.6 供油系統(tǒng)方案

本期室外集裝箱油機(jī)的日用油箱設(shè)置在集裝箱內(nèi)，結(jié)合最新消防規(guī)范，每臺集裝箱發(fā)電機(jī)組后部設(shè)置1 個日用油箱，日常儲油量在1 m3以內(nèi)，日用油箱液位為自動控制。供油管路為2 路獨(dú)立管道加末端環(huán)路，任意一路管道出現(xiàn)故障均不影響供油。每個日用燃油室配備一臺防爆型回油泵，回油回至地下油罐。每臺日用油箱設(shè)置緊急卸油手動和電動卸油閥，遇到緊急情況時，關(guān)閉油箱間內(nèi)進(jìn)油總管上的電動閥，同時開啟電動卸油閥和回油泵，將日用油箱里的燃油泄至地下油罐。

1.3 油機(jī)參數(shù)配置

本工程柴油發(fā)電機(jī)組選用了某知名品牌主用功率為2 000 kW 的油機(jī)，發(fā)電機(jī)組燃油消耗率如表2所示，發(fā)電機(jī)組排氣溫度如表3 所示。表2 和表3 的部分性能為廠家在可變負(fù)載條件、不限運(yùn)行時間下，提供的發(fā)電機(jī)組燃油消耗率和發(fā)電機(jī)組排氣溫度的主要出廠數(shù)據(jù)。

表3 發(fā)電機(jī)組排氣溫度表

1.4 油機(jī)并機(jī)系統(tǒng)控制邏輯

并機(jī)采用自動模式，主控柜檢測2 路遠(yuǎn)程啟動信號，根據(jù)遠(yuǎn)程啟動信號自動控制發(fā)電機(jī)組起機(jī)運(yùn)行；檢測發(fā)電機(jī)組并機(jī)開關(guān)柜的合閘數(shù)量，合閘數(shù)量達(dá)到設(shè)定值時，控制對應(yīng)的饋線柜合閘輸出，為用戶提供電源。并機(jī)系統(tǒng)啟動控制邏輯參如圖2 所示。

圖2 并機(jī)系統(tǒng)啟動控制邏輯

發(fā)電機(jī)組處于自動運(yùn)行狀態(tài)，主控柜檢測遠(yuǎn)程啟動信號，任意1 路遠(yuǎn)程啟動信號恢復(fù)，滿足停機(jī)條件時，自動控制饋線柜分閘，控制發(fā)電機(jī)組冷卻停機(jī)，并機(jī)系統(tǒng)停機(jī)控制邏輯參如圖3 所示。自動模式下，系統(tǒng)的操作運(yùn)行由邏輯控制器自動完成，無須人員操作，能夠及時供電，從而保障電力供應(yīng)。系統(tǒng)同時接收到2 路市電停電信號，控制發(fā)電機(jī)組起機(jī)運(yùn)行；當(dāng)任意一路市電信號恢復(fù)，系統(tǒng)自動控制發(fā)電機(jī)組停機(jī)。

2 測試分析

本次工程記錄油機(jī)負(fù)載率分別為0、25%、50%、75%、100%以及110%時的實(shí)測數(shù)據(jù)，通過分析單臺油機(jī)負(fù)載率與小時耗油量關(guān)系、單臺油機(jī)負(fù)載率與排氣溫度關(guān)系、單臺油機(jī)負(fù)載率與發(fā)動機(jī)水溫關(guān)系，測試該方案落地實(shí)際結(jié)果。單臺油機(jī)負(fù)載率與小時耗油量關(guān)系如圖4 所示。實(shí)測油機(jī)小時耗油量與油機(jī)負(fù)載率成正比，在額定工況負(fù)載率100%的情況下，耗油量為489.4 L/h。單臺油機(jī)負(fù)載率與排氣溫度關(guān)系如圖5 所示。隨著負(fù)載率的增加，排氣溫度增加，但是溫度增速率減小，在進(jìn)氣平均溫度為73.5 ℃的情況下，溫度增速率減小的原因是流量在增加。單臺油機(jī)負(fù)載率與發(fā)動機(jī)水溫關(guān)系如圖6 所示。隨著負(fù)載率的增加，發(fā)動機(jī)水溫增大。當(dāng)油機(jī)負(fù)載率大于50%以上時，發(fā)動機(jī)水溫增速率減小，水溫趨于平衡。

圖4 單臺油機(jī)負(fù)載率與小時耗油量關(guān)系

圖5 單臺油機(jī)負(fù)載率與排氣溫度關(guān)系

圖6 單臺油機(jī)負(fù)載率與發(fā)動機(jī)水溫關(guān)系

3 結(jié) 論

以某數(shù)據(jù)中心為研究對象，并改進(jìn)柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，該方案落地實(shí)施后，經(jīng)第三方測試單位現(xiàn)場測試各項(xiàng)參數(shù)，表明本方案實(shí)際效果優(yōu)于廠家的性能參數(shù)。實(shí)踐結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案可為數(shù)據(jù)中心提供有效電力保障，希望能夠?yàn)閷?shí)際的數(shù)據(jù)中心機(jī)組設(shè)計(jì)工作開展提供有價值的參考，助力數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)長期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。