數據中心設計中柴油發電機組的選擇

郭利群

(中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)智能工程中心，北京 100044)

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。

《電子信息系統機房設計規范》(GB 50174-2008)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。這在Uptime Tier Standards topology及TIA 942 Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers等國際標準中也得到了印證。

在幾年的實踐中，筆者認為在柴油發電機組的選擇與應用上有幾個方面應重點考慮，在下文中進行簡單探討。

1 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

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。

2 功率定義

根據《往復式內燃機驅動的交流發電機組》(GB/T 2820.1-2009)中定義，同一臺發電機組按照負荷率和使用時間的長短可以標定成不同的功率。各種功率的標定方法如表2所示。

從表2可看出，持續功率(COP)是機組的最基礎功率，其余的是強化功率，通過限制使用時間、平均負載等來提高機組功率。需要注意的是，基本功率(PRP)與緊急備用功率(ESP)都是在24h以內平均70%負載的標定。

表2 功率標定表

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

Uptime在Accredited Tier Designer Technical Paper Series: Engine-Generator Ratings文中提到對于Tier III 或 Tier IV級別的數據中心，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級別與《電子信息系統機房設計規范》(GB 50174-2008)的A級機房是對應的，其基礎設施條件類似。

3 發動機水箱風扇驅動方式

發動機水箱驅動方式分為電動驅動與直接驅動兩種方式，從原理上講都是可行的。但在工程實踐中，如不加以說明，會由于采購產品的不同而對設計參數造成影響。柴油發電機組水箱風扇直接驅動功率和電動驅動功率如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，如不注意風扇驅動方式，以發電機功率作為選擇標準，會造成實際輸出功率不滿足設計要求。

從工程實際及方便招標出發，除了需要設置遠置水箱方案的案例，推薦采用風扇直驅方式。

4 0.4kV機組與10kV機組的選擇

數據中心常用的柴油發電機組分為0.4kV的低壓機組和10kV的中壓機組兩種，同樣功率的兩種機組相比：低壓機組的特點是電流大、造價略低、不需單獨設置接地系統，適用于單機或小容量并聯系統；中壓機組的特點是電流小、造價比同功率低壓機組高10%～15%、需單獨設置接地系統，適用于大容量并機系統。

圖1 柴油發電機組水箱風扇直接驅動功率示意圖

圖2 柴油發電機組水箱風扇電動驅動功率示意圖

對于多臺機組并聯容量進行限制是因為目前國內的0.4kV低壓配電柜沒有6 300A以上的實驗報告，并聯運行的多臺發電機的總容量不要超過3 200kW(0.4kV)。如需要更大的容量，建議采用10kV發電機組并機運行方式。

另外，需要加以注意的是，由于10kV發電機組需要經過變壓器才能給后端負載供電，與低壓發電機組的直接供電相比，其系統內阻更高，動態響應特性更差。正是由于系統內阻不同，10kV發電機組帶滯后性和帶超前性負載的能力不如0.4kV發電機組，這在實際設計過程中必須引起足夠的重視。

5 突加負載能力

《往復式內燃機驅動的交流發電機組 第5部分：發電機組》(GBT 2820.5-2009)特別規定了性能等級的運行限值，對突加100%負載時的瞬態頻率偏差、瞬態電壓偏差、頻率恢復時間、電壓恢復時間等均作出嚴格定義。對發電機加100%階躍負載時電壓和頻率與時間對比的變化曲線如圖3所示。

圖3 對發電機加100%階躍負載時電壓和頻率與時間對比的變化曲線

從圖3可以看出，各項偏差越小越好、各項恢復時間越短越好，即柴油發電機組的突加負載能力對于整個配電系統性能都有重要影響。

6 與后端負載的配合

數據中心的負荷一般分為兩類，一類是以IT負載為代表的容性負載，另一類是以空調負載為代表的感性負載。

感性負載，電流滯后于電壓；容性負載，電流超前于電壓。一般把帶電容參數的負載，即符合電壓滯后電流特性的負載稱為容性負載。充放電時，電壓不能突變。其對應的功率因數為負值，對應的感性負載的功率因數為正值。發電機功率因數曲線如圖4所示。

在數據中心設計過程中強調的PUE值，使得數據中心的所有負載中以容性負載占絕大多數，所以容性負載與柴油發電機組容量的匹配就顯得尤為重要。

圖4 發電機功率因數曲線

《電子信息系統機房設計規范》(GB 50174-2008)中8.1.7條規定：電子信息設備應由不間斷電源系統供電。不間斷電源系統應有自動和手動旁路裝置。確定不間斷電源系統的基本容量時應留有余量，不間斷電源系統的基本容量可按式(1)計算。

E≥1.2P

(1)

式中，E為不間斷電源系統的基本容量(不包含備份不間斷電源系統設備)，kW/kVA；P為電子信息設備的計算負荷，kW/kVA。

8.1.12條規定：A級電子信息系統機房應配置后備柴油發電機系統，當市電發生故障時，后備柴油發電機能承擔全部負荷的需要。

8.1.13條規定：后備柴油發電機的容量應包括UPS的基本容量、空調和制冷設備的基本容量、應急照明及關系到生命安全等需要的負荷容量。

參照《往復式內燃機驅動的交流發電機組》(GB/T 2820.1-2009)中相關條文，選擇柴油發電機組時，以其COP功率或70%的PRP功率能滿足8.1.13條規定的全部負荷為估算依據。

但需要注意的是：UPS的諧波治理至關重要，UPS整流器吸收的諧波電流THDi可能會對上級母線排的總諧波電壓失真度THDu產生更大的影響。UPS的諧波電流使發電機損耗明顯增大，發電機的不穩定運行反作用于UPS，將造成UPS旁路輸入頻率頻繁地超限、不同步報警，整流器輸入電壓不穩定、電池頻繁放電。

7 柴油發電機組并機啟動方式

1)柴油發電機組并機有兩種常見啟動方式

(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。

2)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。

8 環境要求

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1 800kW的機組來說，其自然進風面積已經達到12m2，排風面積達到8 m2，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》(GB 50174-2008)要求備油時間達到72h，對應的TIA-942 Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers中定義T4機房備油96h、T3機房備油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》(GB 50174-2008)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。

3)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》(GB 3096-2008)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》(DB 11/501-2007)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。

9 結束語

以上是筆者幾年來的一些心得體會以及認為工程設計中應重點關注的區域，還需不斷總結。不足之處，還請業內同仁多多指正。

作者簡介

郭利群

1996年畢業于哈爾濱建筑大學工業自動化專業，畢業至今在中國建筑設計院有限公司工作，高級工程師，現任中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)智能工程中心數據中心設計室主任，并擔任中國建筑學會建筑電氣分會節能專業委員會副秘書長、中國計算機用戶協會機房設備應用分會專家委員會委員等職務。

參與編寫多本國家建筑標準圖集，如《建筑電氣常用數據》(04DX101-1)、《集中型電源應急照明系統》(04D202-3)、《電氣照明節能設計》(06DX008-1)等。

在數據中心設計研究工作方面，作為專業負責人完成的典型工程有：中國民生銀行總部基地數據中心、建行北京生產基地數據中心、農行北方數據中心、中國石油新疆區域數字網絡控制中心、濟南奧體金融中心項目A棟數據中心、TELEHOUSE BEIJING第二數據中心等。