數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中柴油發(fā)電機(jī)組的選擇

郭利群

(中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司(原中國建筑設(shè)計(jì)研究院)智能工程中心，北京 100044)

近幾年來，數(shù)據(jù)中心在各個(gè)行業(yè)的重視下，數(shù)量越來越多，而且在迅猛膨脹的數(shù)據(jù)要求下，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也越來越大。

在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)過程中，電力保障系統(tǒng)在諸多系統(tǒng)中顯得尤為重要，而作為電力保障的重要組成環(huán)節(jié)，柴油發(fā)電機(jī)組的選擇與應(yīng)用在以往小機(jī)房的建設(shè)中很少涉足。

《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50174-2008)中規(guī)定：A級(jí)機(jī)房設(shè)N或N+X臺(tái)冗余(X=1～N)后備柴油發(fā)電機(jī)；B級(jí)機(jī)房供電電源不能滿足要求時(shí)，設(shè)N臺(tái)后備柴油發(fā)電機(jī)；C級(jí)機(jī)房當(dāng)不間斷電源系統(tǒng)的供電時(shí)間滿足信息存儲(chǔ)要求時(shí)，可不設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)。

由此可見，除了一些不重要的C級(jí)機(jī)房，A、B級(jí)機(jī)房設(shè)置后備柴油發(fā)電機(jī)是有必要的。這在Uptime Tier Standards topology及TIA 942 Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers等國際標(biāo)準(zhǔn)中也得到了印證。

在幾年的實(shí)踐中，筆者認(rèn)為在柴油發(fā)電機(jī)組的選擇與應(yīng)用上有幾個(gè)方面應(yīng)重點(diǎn)考慮，在下文中進(jìn)行簡單探討。

1 性能等級(jí)

為了滿足各供電系統(tǒng)的不同要求，《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組》(GB/T 2820.1-2009)定義了4種性能等級(jí)，如表1所示。

表1 性能等級(jí)表

從表1中可以分析得出，對(duì)于數(shù)據(jù)中心，由于其負(fù)載大多是IT負(fù)載，由UPS提供持續(xù)運(yùn)行的電源，其所選用的柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)該達(dá)到G3級(jí)或G4級(jí)規(guī)定的要求，同時(shí)達(dá)到《通信用柴油發(fā)電機(jī)組的進(jìn)網(wǎng)質(zhì)量認(rèn)證檢測實(shí)施細(xì)則》規(guī)定的24項(xiàng)性能指標(biāo)要求。

2 功率定義

根據(jù)《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組》(GB/T 2820.1-2009)中定義，同一臺(tái)發(fā)電機(jī)組按照負(fù)荷率和使用時(shí)間的長短可以標(biāo)定成不同的功率。各種功率的標(biāo)定方法如表2所示。

從表2可看出，持續(xù)功率(COP)是機(jī)組的最基礎(chǔ)功率，其余的是強(qiáng)化功率，通過限制使用時(shí)間、平均負(fù)載等來提高機(jī)組功率。需要注意的是，基本功率(PRP)與緊急備用功率(ESP)都是在24h以內(nèi)平均70%負(fù)載的標(biāo)定。

表2 功率標(biāo)定表

在選用柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，需要確定所采用的功率是以上四種功率中的哪一種，避免招標(biāo)采購時(shí)造成誤解。建議以持續(xù)功率(COP)或基本功率(PRP)為標(biāo)注功率。

Uptime在Accredited Tier Designer Technical Paper Series: Engine-Generator Ratings文中提到對(duì)于Tier III 或 Tier IV級(jí)別的數(shù)據(jù)中心，不適用于備用功率。“When practically applying these definitions and the requirement for no runtime limitations at N demand, standby-rated units do not comply with Tier III and IV.”這里面Uptime的 Tier III 或 Tier IV級(jí)別與《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50174-2008)的A級(jí)機(jī)房是對(duì)應(yīng)的，其基礎(chǔ)設(shè)施條件類似。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)水箱風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)方式

發(fā)動(dòng)機(jī)水箱驅(qū)動(dòng)方式分為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)與直接驅(qū)動(dòng)兩種方式，從原理上講都是可行的。但在工程實(shí)踐中，如不加以說明，會(huì)由于采購產(chǎn)品的不同而對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)造成影響。柴油發(fā)電機(jī)組水箱風(fēng)扇直接驅(qū)動(dòng)功率和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)功率如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，如不注意風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)方式，以發(fā)電機(jī)功率作為選擇標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)造成實(shí)際輸出功率不滿足設(shè)計(jì)要求。

從工程實(shí)際及方便招標(biāo)出發(fā)，除了需要設(shè)置遠(yuǎn)置水箱方案的案例，推薦采用風(fēng)扇直驅(qū)方式。

4 0.4kV機(jī)組與10kV機(jī)組的選擇

數(shù)據(jù)中心常用的柴油發(fā)電機(jī)組分為0.4kV的低壓機(jī)組和10kV的中壓機(jī)組兩種，同樣功率的兩種機(jī)組相比：低壓機(jī)組的特點(diǎn)是電流大、造價(jià)略低、不需單獨(dú)設(shè)置接地系統(tǒng)，適用于單機(jī)或小容量并聯(lián)系統(tǒng)；中壓機(jī)組的特點(diǎn)是電流小、造價(jià)比同功率低壓機(jī)組高10%～15%、需單獨(dú)設(shè)置接地系統(tǒng)，適用于大容量并機(jī)系統(tǒng)。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組水箱風(fēng)扇直接驅(qū)動(dòng)功率示意圖

圖2 柴油發(fā)電機(jī)組水箱風(fēng)扇電動(dòng)驅(qū)動(dòng)功率示意圖

對(duì)于多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)容量進(jìn)行限制是因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)的0.4kV低壓配電柜沒有6 300A以上的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并聯(lián)運(yùn)行的多臺(tái)發(fā)電機(jī)的總?cè)萘坎灰^3 200kW(0.4kV)。如需要更大的容量，建議采用10kV發(fā)電機(jī)組并機(jī)運(yùn)行方式。

另外，需要加以注意的是，由于10kV發(fā)電機(jī)組需要經(jīng)過變壓器才能給后端負(fù)載供電，與低壓發(fā)電機(jī)組的直接供電相比，其系統(tǒng)內(nèi)阻更高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更差。正是由于系統(tǒng)內(nèi)阻不同，10kV發(fā)電機(jī)組帶滯后性和帶超前性負(fù)載的能力不如0.4kV發(fā)電機(jī)組，這在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中必須引起足夠的重視。

5 突加負(fù)載能力

《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組 第5部分：發(fā)電機(jī)組》(GBT 2820.5-2009)特別規(guī)定了性能等級(jí)的運(yùn)行限值，對(duì)突加100%負(fù)載時(shí)的瞬態(tài)頻率偏差、瞬態(tài)電壓偏差、頻率恢復(fù)時(shí)間、電壓恢復(fù)時(shí)間等均作出嚴(yán)格定義。對(duì)發(fā)電機(jī)加100%階躍負(fù)載時(shí)電壓和頻率與時(shí)間對(duì)比的變化曲線如圖3所示。

圖3 對(duì)發(fā)電機(jī)加100%階躍負(fù)載時(shí)電壓和頻率與時(shí)間對(duì)比的變化曲線

從圖3可以看出，各項(xiàng)偏差越小越好、各項(xiàng)恢復(fù)時(shí)間越短越好，即柴油發(fā)電機(jī)組的突加負(fù)載能力對(duì)于整個(gè)配電系統(tǒng)性能都有重要影響。

6 與后端負(fù)載的配合

數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷一般分為兩類，一類是以IT負(fù)載為代表的容性負(fù)載，另一類是以空調(diào)負(fù)載為代表的感性負(fù)載。

感性負(fù)載，電流滯后于電壓；容性負(fù)載，電流超前于電壓。一般把帶電容參數(shù)的負(fù)載，即符合電壓滯后電流特性的負(fù)載稱為容性負(fù)載。充放電時(shí)，電壓不能突變。其對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)為負(fù)值，對(duì)應(yīng)的感性負(fù)載的功率因數(shù)為正值。發(fā)電機(jī)功率因數(shù)曲線如圖4所示。

在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)過程中強(qiáng)調(diào)的PUE值，使得數(shù)據(jù)中心的所有負(fù)載中以容性負(fù)載占絕大多數(shù)，所以容性負(fù)載與柴油發(fā)電機(jī)組容量的匹配就顯得尤為重要。

圖4 發(fā)電機(jī)功率因數(shù)曲線

《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50174-2008)中8.1.7條規(guī)定：電子信息設(shè)備應(yīng)由不間斷電源系統(tǒng)供電。不間斷電源系統(tǒng)應(yīng)有自動(dòng)和手動(dòng)旁路裝置。確定不間斷電源系統(tǒng)的基本容量時(shí)應(yīng)留有余量，不間斷電源系統(tǒng)的基本容量可按式(1)計(jì)算。

E≥1.2P

(1)

式中，E為不間斷電源系統(tǒng)的基本容量(不包含備份不間斷電源系統(tǒng)設(shè)備)，kW/kVA；P為電子信息設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷，kW/kVA。

8.1.12條規(guī)定：A級(jí)電子信息系統(tǒng)機(jī)房應(yīng)配置后備柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)市電發(fā)生故障時(shí)，后備柴油發(fā)電機(jī)能承擔(dān)全部負(fù)荷的需要。

8.1.13條規(guī)定：后備柴油發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)包括UPS的基本容量、空調(diào)和制冷設(shè)備的基本容量、應(yīng)急照明及關(guān)系到生命安全等需要的負(fù)荷容量。

參照《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組》(GB/T 2820.1-2009)中相關(guān)條文，選擇柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，以其COP功率或70%的PRP功率能滿足8.1.13條規(guī)定的全部負(fù)荷為估算依據(jù)。

但需要注意的是：UPS的諧波治理至關(guān)重要，UPS整流器吸收的諧波電流THDi可能會(huì)對(duì)上級(jí)母線排的總諧波電壓失真度THDu產(chǎn)生更大的影響。UPS的諧波電流使發(fā)電機(jī)損耗明顯增大，發(fā)電機(jī)的不穩(wěn)定運(yùn)行反作用于UPS，將造成UPS旁路輸入頻率頻繁地超限、不同步報(bào)警，整流器輸入電壓不穩(wěn)定、電池頻繁放電。

7 柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)啟動(dòng)方式

1)柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)有兩種常見啟動(dòng)方式

(1)原廠并機(jī)啟動(dòng)方式

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組控制屏和并車主控制屏處于自動(dòng)模式時(shí)，一旦兩路正常電源發(fā)生故障，在收到啟動(dòng)信號(hào)10s內(nèi)，各臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組將同時(shí)自行啟動(dòng)，最先建立電壓和頻率的機(jī)組首先自動(dòng)投入到母線，其余機(jī)組參照母線上電流電壓依次同期并聯(lián)運(yùn)行，然后通過輸出開關(guān)柜為所連接的負(fù)載提供應(yīng)急電源。為柴油發(fā)電機(jī)主控制屏配備報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)故障時(shí)自動(dòng)停機(jī)、卸載。當(dāng)正常電源恢復(fù)供電時(shí)，關(guān)閉發(fā)電機(jī)，復(fù)位到待機(jī)狀態(tài)，直至下一次電源故障時(shí)再啟動(dòng)。當(dāng)正常電源恢復(fù)后，系統(tǒng)經(jīng)過可調(diào)整的時(shí)間延遲，自動(dòng)將所有負(fù)荷切換回正常電源。發(fā)電機(jī)斷路器同時(shí)斷開，柴油機(jī)將在無負(fù)載情況下運(yùn)行0～30min，時(shí)間可以通過控制屏調(diào)節(jié)?？刂破磷詣?dòng)復(fù)位到待機(jī)狀態(tài)。

(2)第三方并機(jī)啟動(dòng)方式

與原廠并機(jī)啟動(dòng)方式不同之處在于：當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組控制屏和并車主控制屏處于自動(dòng)模式時(shí)，一旦兩路正常電源發(fā)生故障，在收到啟動(dòng)信號(hào)10s內(nèi)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，第一臺(tái)建立穩(wěn)定的額定電壓和頻率，并通過發(fā)電機(jī)斷路器連接到應(yīng)急母線，然后第二臺(tái)自動(dòng)同步啟動(dòng)并聯(lián)于主母線，依次到最后一臺(tái)自動(dòng)同步啟動(dòng)并聯(lián)于主母線，分擔(dān)系統(tǒng)負(fù)載。全組機(jī)組的投切順序可以通過編程設(shè)定。

2)兩種啟動(dòng)方式依據(jù)工程特點(diǎn)可進(jìn)行不同的選擇

以10臺(tái)10kV機(jī)組并機(jī)為例，原廠并機(jī)系統(tǒng)20s可完成整組完全啟動(dòng)投入負(fù)載，第三方并機(jī)系統(tǒng)由于要等機(jī)組順序啟動(dòng)，往往要60s左右才能完成，最不利情況甚至達(dá)到100s。因此，對(duì)于同組并機(jī)臺(tái)數(shù)較多且業(yè)主對(duì)工程可靠性要求很高時(shí)，建議采用原廠并機(jī)系統(tǒng)。

但是從經(jīng)濟(jì)性方面比較，原廠并機(jī)系統(tǒng)除某些機(jī)組自帶原廠啟動(dòng)模塊外，一般需在每臺(tái)機(jī)組加裝該模塊，模塊價(jià)格在6萬元～10萬元/臺(tái)。當(dāng)同組并機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組大于3臺(tái)時(shí)，原廠并機(jī)系統(tǒng)造價(jià)大于第三方系統(tǒng)。第三方并機(jī)系統(tǒng)適用于業(yè)主對(duì)投資比較敏感，且對(duì)工程可靠性的要求不太嚴(yán)格的工程。

對(duì)大型并機(jī)系統(tǒng)，柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)不成功從而供電失敗導(dǎo)致的損失遠(yuǎn)大于采用第三方并機(jī)系統(tǒng)節(jié)約下來的投資，故推薦采用原廠并機(jī)系統(tǒng)。

8 環(huán)境要求

1)選址

按以往建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，機(jī)電用房往往設(shè)置在建筑物的地下，這樣可以增大地上各層的使用面積，更好地實(shí)現(xiàn)參觀效果，但對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組的布置需要經(jīng)過分析。一般的公共建筑，通常為了保障生命安全，需要設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組為消防及非常重要負(fù)荷提供后備電源，這種機(jī)組設(shè)置一臺(tái)就基本滿足要求，所以它的進(jìn)排風(fēng)豎井以及排煙管道很好解決；但對(duì)于數(shù)據(jù)中心，尤其是3臺(tái)以上機(jī)組并機(jī)的情況，其進(jìn)排風(fēng)的要求就尤其重要了。對(duì)于一臺(tái)PRP基本功率為1 800kW的機(jī)組來說，其自然進(jìn)風(fēng)面積已經(jīng)達(dá)到12m2，排風(fēng)面積達(dá)到8 m2，如果是多臺(tái)并機(jī)，對(duì)建筑專業(yè)來說在地下布置如此巨大的進(jìn)排風(fēng)井是一個(gè)考驗(yàn)；而且與單臺(tái)機(jī)組不同，多臺(tái)機(jī)組的進(jìn)排風(fēng)井不能相鄰設(shè)置，以避免風(fēng)路短路，這樣一來難上加難。因此，在條件允許的情況下，建議盡量設(shè)置單獨(dú)的柴油發(fā)電機(jī)樓，利用自然條件解決進(jìn)排風(fēng)問題，同時(shí)，維護(hù)柴油發(fā)電機(jī)的人員可不進(jìn)入機(jī)房區(qū)，避免人流混雜，提高機(jī)房使用安全。

此外，還需注意：柴油發(fā)電機(jī)房的位置應(yīng)盡量避免設(shè)置在建筑物的主風(fēng)向處，以防止含硫排放物對(duì)機(jī)房IT設(shè)備的污染腐蝕。

2)儲(chǔ)油罐設(shè)置

對(duì)于A級(jí)機(jī)房，《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50174-2008)要求備油時(shí)間達(dá)到72h，對(duì)應(yīng)的TIA-942 Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers中定義T4機(jī)房備油96h、T3機(jī)房備油72h，但修訂后的Uptime Tier Standards topology 2012中已改為 Tier IV可備油12h，這是一個(gè)好消息。對(duì)于大型甚至超大型的數(shù)據(jù)中心，72h是一個(gè)難以想象的數(shù)字，其儲(chǔ)油量相當(dāng)于一個(gè)油庫，而之后運(yùn)營時(shí)的柴油老化與更新，更將是對(duì)運(yùn)維人員的考驗(yàn)。

希望正在修編的《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50174-2008)也能夠區(qū)分對(duì)待儲(chǔ)油問題，筆者認(rèn)為在供油條件良好，并與供油企業(yè)簽訂相關(guān)協(xié)議的前提下，A級(jí)機(jī)房實(shí)現(xiàn)12h～24h供油是有物質(zhì)基礎(chǔ)的。

3)排放物及噪音

對(duì)于大中型數(shù)據(jù)中心，由于其保障容量大，所以柴油發(fā)電機(jī)組的數(shù)量也相對(duì)可觀，其對(duì)空氣的污染以及機(jī)組運(yùn)行噪聲自然也備受關(guān)注。

一般要求整個(gè)機(jī)房環(huán)保處理工程達(dá)到《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3096-2008)的要求，噪聲執(zhí)行Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(即晝間≤60dB(A),夜間≤50dB(A))，其排煙管應(yīng)高出屋面并符合環(huán)保部門的要求。煙色須經(jīng)處理，執(zhí)行各地大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。以北京為例，應(yīng)執(zhí)行北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/501-2007)第Ⅱ時(shí)段標(biāo)準(zhǔn)。其煙氣黑度不得超過林格曼1級(jí)，并通過管道高空排放。工程完工后提供政府環(huán)保部門需要的監(jiān)測報(bào)告。

9 結(jié)束語

以上是筆者幾年來的一些心得體會(huì)以及認(rèn)為工程設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，還需不斷總結(jié)。不足之處，還請(qǐng)業(yè)內(nèi)同仁多多指正。

作者簡介

郭利群

1996年畢業(yè)于哈爾濱建筑大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，畢業(yè)至今在中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司工作，高級(jí)工程師，現(xiàn)任中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司(原中國建筑設(shè)計(jì)研究院)智能工程中心數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)室主任，并擔(dān)任中國建筑學(xué)會(huì)建筑電氣分會(huì)節(jié)能專業(yè)委員會(huì)副秘書長、中國計(jì)算機(jī)用戶協(xié)會(huì)機(jī)房設(shè)備應(yīng)用分會(huì)專家委員會(huì)委員等職務(wù)。

參與編寫多本國家建筑標(biāo)準(zhǔn)圖集，如《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》(04DX101-1)、《集中型電源應(yīng)急照明系統(tǒng)》(04D202-3)、《電氣照明節(jié)能設(shè)計(jì)》(06DX008-1)等。

在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)研究工作方面，作為專業(yè)負(fù)責(zé)人完成的典型工程有：中國民生銀行總部基地?cái)?shù)據(jù)中心、建行北京生產(chǎn)基地?cái)?shù)據(jù)中心、農(nóng)行北方數(shù)據(jù)中心、中國石油新疆區(qū)域數(shù)字網(wǎng)絡(luò)控制中心、濟(jì)南奧體金融中心項(xiàng)目A棟數(shù)據(jù)中心、TELEHOUSE BEIJING第二數(shù)據(jù)中心等。