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機房設計與設備安裝 |
數據中心所用柴油發電機的選擇及機房標準 |
導讀：在數據中心的設計過程中，柴油發電機組的選擇尤為重要。各項技術指標的選擇，與負載特性的配合以及土建基礎設施的配合等方面都值得深入思考。數據中心持續功率在柴油發電機組行業內的應用在持續增長，該如何確定哪種發電機組最適數據中心項目？本文將對這些問題展開探討，詳細闡述柴發設置規定、性能等級、常見啟動方式和柴發機房的要求等相關內容。
隨著互聯網技術的飛速發展，很多產業都與這項技術接軌。網絡信息的流量也隨之越來越大，存儲、處理和分析如此海量的數據(即我們所指的“大數據”)成為必然。近幾年來，數據中心在各個行業的重視下，數量越來越多，而且在迅猛膨脹的數據要求下，數據中心的規模也越來越大。在數據中心的設計過程中，電力保障系統在諸多系統中顯得尤為重要，而作為電力保障的重要組成環節，柴油發電機組的選擇與應用在以往小機房的建設中很少涉足。
數據中心能讓企業和用戶快速讀取數據，但維持數據中心正常運轉及給機房散熱都需要消耗大量的電力。這些設施的溫度維持在20CIC左右，是服務器的理想工作環境溫度。即使僅僅幾分鐘的電力中斷，都可能使整個企業的工作中斷，造成重大經濟損失。因此，這些設施不僅需要穩定的電力，它們的連續可用性還必須有備用電源提供保障。這正是專為數據中心設計的發電機組的用武之地。
數據中心柴發機房預制圖
一、柴發設置規定
多種因素共同決定著如何在市場上現有發電機組中進行選擇：主電網的可靠性；發電機組整體預算；數據中心所存數據的敏感度，決定著在出現電源中斷時要求被保護程度的高低。根據民用建筑柴油發電機房設計主要依據GB 50352 - 2019《民用建筑設計統一標準》、GB 50016 - 2014《建筑設計防火規范》（2018年版）和 GB 51348 - 2019《民用建筑電氣設計標準》等相關條文以及《電子信息系統機房設計規范》(GB50174—2008)中規定：
○ A級機房設N或N+x臺冗余(X=1～N)后備柴油發電機。
○ B級機房供電電源不能滿足要求時，設N臺后備柴油發電機。
○ C級機房當不間斷電源系統的供電時間滿足信息存儲要求時，可不設置柴油發電機。
由此可見，除了一些不重要的C級機房，A、B級機房設置后備柴油發電機是有必要的。
二、性能等級：
為了滿足各供電系統的不同要求，《往復式內燃機驅動的交流發電機組》(GB／T 2820.1-2009)定義了4種性能等級，如表1所示。
表1 性能等級表
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等級
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適用范圍
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實例
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G1級
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只需規定其基本的電壓和頻率參數的連接負載。其電壓特性與公用電力系統非常類似。
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一般用途（照明和其他簡單的電氣負載）。
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G2級
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當負載發生變化時，可有暫時的然而是允許的電壓和頻率的偏差。
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照明系統；泵、風機和卷揚機。
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G3級
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連接的設備對發電機組的頻率、電壓和波形特性有嚴格的要求。
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電信負載和晶閘管控制的負載。整流器和晶閘管控制的負載對發電機電壓波形的影響需要特殊考慮。
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G4級
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對發電機組的頻率、電壓和波形特性有特別嚴格要求的負載。
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數據處理設備或計算機系統。
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從表1中可以分析得出，對于數據中心，由于其負載大多是IT負載，由UPS提供持續運行的電源，其所選用的柴油發電機組應該達到G3級或G4級規定的要求，同時達到《通信用柴油發電機組的進網質量認證檢測實施細則》規定的24項性能指標要求。
三、并機常見啟動方式
1、原廠并機啟動方式
當柴油發電機組控制屏和并車主控制屏處于自動模式時，一旦兩路正常電源發生故障，在收到啟動信號10s內，各臺柴油發電機機組將同時自行啟動，最先建立電壓和頻率的機組首先自動投入到母線，其余機組參照母線上電流電壓依次同期并聯運行，然后通過輸出開關柜為所連接的負載提供應急電源。為柴油發電機主控制屏配備報警系統，當柴油發電機故障時自動停機、卸載。當正常電源恢復供電時，關閉發電機，復位到待機狀態，直至下一次電源故障時再啟動。當正常電源恢復后，系統經過可調整的時間延遲，自動將所有負荷切換回正常電源。發電機斷路器同時斷開，柴油機將在無負載情況下運行0～30min，時間可以通過控制屏調節。控制屏自動復位到待機狀態。
2、第三方并機啟動方式
與原廠并機啟動方式不同之處在于，當柴油發電機組控制屏和并車主控制屏處于自動模式時，一旦兩路正常電源發生故障，在收到啟動信號10s內發電機啟動，第一臺建立穩定的額定電壓和頻率，并通過發電機斷路器連接到應急母線，然后第二臺自動同步啟動并聯于主母線，依次到最后一臺自動同步啟動并聯于主母線，分擔系統負載。全組機組的投切順序可以通過編程設定。
3、選擇分析
兩種啟動方式依據工程特點可進行不同的選擇以10臺10kV機組并機為例，原廠并機系統20s可完成整組完全啟動投入負載，第三方并機系統由于要等機組順序啟動，往往要60s左右才能完成，最不利情況甚至達到100s。因此，對于同組并機臺數較多且業主對工程可靠性要求很高時，建議采用原廠并機系統。但是從經濟性方面比較，原廠并機系統除某些機組自帶原廠啟動模塊外，一般需在每臺機組加裝該模塊，模塊價格在6萬元～10萬元／臺。當同組并機柴油發電機組大于3臺時，原廠并機系統造價大于第三方系統。第三方并機系統適用于業主對投資比較敏感，且對工程可靠性的要求不太嚴格的工程。對大型并機系統，柴油發電機組并機不成功從而供電失敗導致的損失遠大于采用第三方并機系統節約下來的投資，故推薦采用原廠并機系統。
并車系統電路圖
三、機房要求:
1、選址
按以往建設經驗，機電用房往往設置在建筑物的地下，這樣可以增大地上各層的使用面積，更好地實現參觀效果，但對于柴油發電機組的布置需要經過分析。一般的公共建筑，通常為了保障生命安全需要設置柴油發電機組為消防及非常重要負荷提供后備電源，這種機組設置一臺就基本滿足要求，所以它的進排風豎井以及排煙管道很好解決：但對于數據中心，尤其是3臺以上機組并機的情況，其進排風的要求就尤其重要了。對于一臺PRP基本功率為1800kW的機組來說，其自然進風面積已經達到12m，排風面積達到8 m，如果是多臺并機，對建筑專業來說在地下布置如此巨大的進排風井是一個考驗：而且與單臺機組不同，多臺機組的進排風井不能相鄰設置，以避免風路短路，這樣一來難上加難。因此，在條件允許的情況下，建議盡量設置單獨的柴油發電機樓，利用自然條件解決進排風問題，同時，維護柴油發電機的人員可不進入機房區，避免人流混雜，提高機房使用安全。此外，還需注意：柴油發電機房的位置應盡量避免設置在建筑物的主風向處，以防止含硫排放物對機房IT設備的污染腐蝕。
2、儲油罐設置
對于A級機房，《電子信息系統機房設計規范》(GB50174—2008)要求備油時間達到72h，定義rr4機房備油96h、T3機房備油72h，但修訂后的U ptim e Tier Standards topology2012中已改為Tier IV可各油12h，這是一個好消息。對于大型甚至超大型的數據中心，72h是一個難以想象的數字，其儲油量相當于一個油庫，而之后運營時的柴油老化與更新，更將是對運維人員的考驗。希望正在修編的《數據中心設計規范》(G B50 174-2008)也能夠區分對待儲油問題，筆者認為在供油條件良好，并與供油企業簽訂相關協議的前提下，A級機房實現12h～24h供油是有物質基礎的。
（1）機房內設置儲油間時，其總儲存量不應大于1 m3 。民用建筑消防負荷應急供電時間滿足3 h即可，1 m3 柴油基本可滿足常用功率1 200 kW機組滿載運行3h，當機房柴油發電機組總功率超過1200 kW或對于醫療、星級酒店建筑等對柴油發電機組應急時間要求較高的場所，1 m3 柴油存儲量就不滿足供油要求了，此時根據項目條件可采取預留供油接口或設置室外油罐方式解決供油問題。
當采用室外埋地油罐時，需要注意防火間距要求，柴油屬于丙類液體燃料，民用建筑柴油埋地油罐一般不大于15 m3 ，可按GB 50016 - 2014《建筑設計防火規范》（2018年版）第4.2.1條及注釋第6條要求，滿足其與建筑物的防火間距要求，當滿足防火間距要求較困難時，可按第5.4.14條第1款要求“當總容量不大于15 m3 ，且直埋于建筑附近、面向油罐一面4.0 m范圍內的建筑外墻為防火墻時，儲罐與建筑的防火間距不限”處理，埋地油罐尺寸和做法可參考國標圖集02R111《小型立、臥式油罐圖集》。另外該規范第4.2.9條還要求柴油埋地油罐與場區內道路的防火間距要滿足距主要道路 ≥ 10 m，距次要道路 ≥ 5 m，在建筑總圖設計當中需要引起注意，還需要注意在地下室靠埋地油罐方向的外墻上為柴油供油管及回油管預埋4SC100進線防水套管。
（2）在進入建筑物前和設備間內的管道上均應設置自動和手動切斷閥；儲油間的油箱應密閉且應設置通向室外的通氣管，通氣管應設置帶阻火器的呼吸閥，油箱的下部應設置防止油品流散的設施。雖然柴油發電機房后期由柴油發電機供應商進行深化處理，此強制性條款電氣設計只在機房設計說明中進行交待，但嚴格來說并不能滿足要求，在畫柴油發電機房電氣大樣圖時還應對此條進行設計，設計實施可參考圖1設計方案。
儲油間油管布置圖
3、噪音要求
排放物及噪音對于大中型數據中心，由于其保障容量大，所以柴油發電機組的數量也相對可觀，其對空氣的污染以及機組運行噪聲自然也備受關注。一般要求整個機房環保處理工程達到《聲環境質量標準》(GB3096—2008)的要求，噪聲執行Ⅱ類標準(即晝間≤60dB(A)，夜間≤50dB(A))，其排煙管應高出屋面并符合環保部門的要求。煙色須經處理，執行各地大氣污染物綜合排放標準。以北京為例，應執行北京市地方標準《大氣污染物綜合排放標準》(DB11／501.2007)第Ⅱ時段標準。其煙氣黑度不得超過林格曼1級，并通過管道高空排放。工程完工后提供政府環保部門需要的監測報告。
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