數據中心柴油發電機的設計

謝向煒

【摘要】數據中心運行中主機停機故障與電源系統有很大的關系，為了保證電源系統的安全、可靠、穩定，需要按照現行規范對供配電系統做認真規劃和設計，其中本次主要講解的是后備柴油發電機的設計要點。

【關鍵詞】數據中心； 柴油發電機； 供配電系統

Design of Diesel Generator in Data Center

Xie Xiang-wei

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）

【Abstract】In order to ensure the safety， reliability and stability of the power supply system， it is necessary to make careful planning and design of the power supply and distribution system according to the existing regulations. The main reason for this is that the backup of the power supply system is related to the power supply system. Design Essentials of Diesel Generator.

【Key words】Data center；Diesel generator；Power supply and distribution system

數據中心是為了滿足現代社會的信息化需求而建設的一整套包括計算機系統、信息處理設備、數據通信設備及其他與之配套設備的設施。柴油發電機臺數選擇按照GB 50174《電子信息系統機房設計規范》對于A級機房的設計要求，柴油發電機儲油時間需達到72 h；而按照美國標準TIA-942-2014 《數據中心的通信基礎設施標準》對于Tier IV級機房的設計要求，柴油發電機需要達到儲油時間96 h，即柴油發電機可能運行72 h或96 h，所以柴油發電機也需要備份。柴油發電機需要與配電變壓器對應分組設置，每組柴油發電機兩臺或三臺，采用“1+1”或“2+1”方式設置，可互為備用或輪流備用。柴油發電機電源分別與兩段低壓母線引出的回路通過ATS開關轉換，然后對UPS、空調設備和消防設備供電[1]。

1. 柴油發電機電壓選擇

柴油發電機宜選擇低壓發電機，與配電變壓器共同組成“N+2”電源系統，如采用中壓柴油發電機，在一臺配電變壓器檢修時，因檢修時間不會很短，故障發生的時機又是隨機的，有可能發生單點故障，造成災難性后果，所以需要增設備用配電變壓器。由于低壓發電機單臺容量受到低壓斷路器斷流容量的限制，一般與配電變壓器同樣按組設置。采用高壓柴油發電機可以提高單臺柴油發電機容量，減少柴油發電機臺數，由于需要配置備用配電變壓器，卻增加了配電變壓器臺數，每組高壓柴油發電機對應幾組配電變壓器。

2. 柴油發電機組性能分析

柴油發電機組由柴油機、發電機、啟動電機彈性聯軸節及支撐底座組成。套發電機組放置在重型鋼架機座上， 全焊接結構， 可精確地校正和支撐引擎/交流發電機， 底座架上有吊機孔作運輸及安裝之用。在發電機組與公共底盤之間，根據發電機組的動、靜載荷選配適合的減震器， 大大減少機組工作的振動對周圍的傳遞。該減震器高頻波動率較小， 對瞬態沖擊響應及瞬時過載工況等引起的自振能迅速消失； 該減震器采用碗形上蓋， 三相剛度相等， 有防剪切性能。具有調壓精度高、動態性能好電壓波形畸變小、效率高、結構緊湊、維修方便、工作可靠、使用壽命長和經濟性能好等特點。

3. 柴油發電機組系統設計

3.1高壓柴油發電機組系統由高壓配電系統和高壓柴油發電機組組成。高壓柴油發電機組又是由高壓發電機、柴油機、控制系統以及機組底盤等組成， 而配電系統則是由高壓進線柜、出線柜、PT柜和接地電阻柜等組成。

3.2油機機房選址。

綜合考慮柴油發電機組的進風、排風、排煙等情況，一般選擇在數據中心基地單獨建一座油機房。機房選址時應注意以下幾點[2]：

（1）應設在四周無外墻的房間，為熱風管道和排煙管道導出室外創造條件；

（2）勁量壁開建筑物的主入口、正立面等部位，以避免排煙、排風對其造成的影響。

（3）注意噪聲對環境的影響。

3.3油機安裝基礎設計。

（1）油機安裝基礎包含承重基礎、防震縫、排污油槽和擋土墻等。

（2）油機一般都很重，需要考慮地板的基礎承重設計。承重主要是油機本身（含底座）的重量和油機的運行重量之和。運行重量大概是油機機組本身重量的0.5倍，因此油機基礎的承重設計應該按照1.5倍機組重量設計。油機基礎主要由鋼筋網和砂石混凝土構成，而油機基礎基礎下面用粗砂和卵石墊厚200mm底，并夯實。

現在很多油機安裝基礎都忽略了防震縫的設計，由擋土墻與基礎構成防震墻。防震縫一般取60mm，防止與房屋產生共振現象。

（3）油機基礎應采取防油浸的設施，可設置排油污溝槽，具體如圖1所示。

3.4設備安裝及機房設計。

（1）發電機組安裝時，散熱器距通風口1.0～1.2m，風口底部距地面0.4m，機組的其余三面距機房墻壁為2.0m。多臺機組安裝時，其間距為2.0～2.5m，機房天花板距發動機至少為1.5m，或者要求機房地板離天花板不少于4.5m，以便于對機組的檢查、保養和維修。

（2）油機運行時會散出熱量，環境溫度升高會影響油機的輸出功率，降低油機的效率。因此，必須采取措施來保正發動機及發電機冷卻。正確的空氣流動路線應為圖2所示：空氣從機尾部經過發動機，經過散熱器，導風罩排出室外。如果沒有導風罩將熱氣排除戶外，風扇將把熱空氣抽散在四周，熱空氣將回散熱器，降低了冷卻效果。

（3）空氣的人口和出口都要滿足機組排風量要求， 進風口至少是散熱器芯面積的1.5 一1.8 倍，宜設在正對發電機端或發電機端兩側； 排風口凈流通面積大于散熱器芯面積的1.25 一1.5 倍， 宜靠近且正對柴油機散熱器， 不宜設在主導風向一側， 若有困難時應增設擋風墻。要求進出風口不能設置在同一個方向， 避免出風和進風混合。

（4）排煙宜采用架空敷設方式， 排煙管應單獨引出室外。排煙管彎頭盡量少， 并能自由伸縮。水平敷設的排煙管道宜設0.3% 一0.5 % 的坡度， 坡向室外， 并在管道最低點裝排污閥。為防止燙傷和減少輻射熱， 排煙管宜進行保溫處理。

4. 柴油發電機組供油系統設計

（1）為滿足柴油發電機組運行的用油要求， 根據GB 50174 - 2014、GB 50016 - 2014等規范要求， 本示例工程在柴油發電機房內每臺機組均單獨設有日用油箱間， 日用油箱間內儲存有1m2的日用燃油。結合日用油箱間， 還在地下一層設置油泵供油系統， 在室外設置儲油罐， 通過油泵系統自動供油， 滿足柴油發電機組運行時間不小于72 h 的用油要求。

（2）各個日用油箱上均設有液位控制儀， 當日用油箱內的油處于低液位時， 油泵啟動， 將埋在室外儲油罐內的柴油輸入日用油箱內； 反之，當日用油箱內的油處于高液位的時候， 供油泵自動關閉。當油位超過設置液位范圍時，報警器自動報警。當油位超過超高液位、柴油發電機發生故障或火災自動報警系統報警時，排油電磁閥啟動，將油排至室外儲油罐。日用油箱的油直接供柴油發電機使用，柴油發電機的回油，回到日用油箱繼續使用，日用油箱底部的排油管和溢油管接入溢油桶，溢油桶安裝液位顯示，當液位處于高位時，經手搖泵輸入日用油箱繼續使用[3]。

5. 測試負載設計

5.1柴油發電機組作為市政電源停電后的應急電源，多數時間都處于待機狀態，一旦市政電源停電或者發生故障，柴油發電機組就起到了至關重要的作用。為防止供電故障發生時柴油發電機組出現性能故障，加強日常柴油發電機組的檢測和維護，建立完善的柴油發電機組檢測和維護規程，定時規范地對柴油發電機組進行保養、檢測和維護就顯得格外重要。測試負載可以檢測柴油發電機組的帶載功率，作滿載測試、不平衡負載能力測試、突加突減功率測試、穩態電壓調整率、穩態頻率調整率、瞬態電壓調整頻率、電壓恢復時間、瞬態頻率調整、頻率恢復時間、柴油發電機組持續運行檢測[4]。

5.2根據柴油發電機組容量及運行要求， 選擇測試負載容量為2 000 kW。可供選擇的方案主要有如下3 個：

（1）方案一： 移動式測試負載。

測試負載采用車載移動式測試負載， 需要測試時，租用專業測試公司的測試負載及相應測試設備。此方案需在柴油發電機房三層并機室預留測試負載接線柜， 從接線柜引線纜至一層， 并預留管線至室外測試點。

（2）方案二： 20 KV 固定式測試負載。

配合市政電源與柴油發電機組成的20 KV 供電系統， 測試負載采用20 KV 電壓等級的固定式測試負載， 測試負載安裝于柴油發電機房屋頂。此方案需在柴油發電機房三層并機室預留20 KV 測試負載接線柜， 并從接線柜引20 KV 電纜經由電纜橋架從進出線間引至屋面測試負載處。

（3）方案三： 0. 4 KV 固定式測試負載。

本方案中測試負載采用0. 4 KV 電壓等級， 負載容量可選1 臺2 000 kW 或者4 臺500 kW， 測試負載安裝于動力中心屋頂。此方案需在柴油發電機房三層并機室設置20 / 0. 4 KV 降壓變壓器及相應低壓出線柜。低壓出線柜至屋頂測試負載利用低壓母線槽或低壓電纜經由進出線間引至屋面的測試負載。

5.3以上3 個方案中，方案一的優點是節省造價但其后期操作繁瑣， 每次進行測試時都需要租用測試設備， 測試前后需進行電纜連接和拆除的工作， 耗費大量人力物力， 且測試性能不夠穩定可靠。方案二的測試負載電壓等級為20 KV， 是直接模擬高壓配電柜的帶載性能， 不需設置降壓變壓器和相關低壓出線柜，工程相對簡單。但后期維護復雜， 建造成本及維護費用較高， 測試性能與0. 4 KV 電壓等級測試負載無太大差異。方案三中0. 4 KV 電壓等級模擬測試發電機組并機升壓（高壓配電柜） 又經變壓器降壓后的負載性能， 其整體建造成本、后期維護成本都相對低廉，在整機產品測試性能、絕緣、壽命、安全等方面均有一定優勢， 整機實用性高， 可獨立對單臺發電機組周期性帶載測試和其它低壓帶載測試。故本例中測試負載安裝按照方案三設計。

6. 結束語

在信息化時代的今天，大型數據中心的建設需求日益增長。數據中心機房的用電負荷等級均相對較高，因此，對其主、備用電源的供電可靠性要求相當嚴格。大型數據中心配套的柴油發電機房設計至關重要。

參考文獻

[1]數據中心柴油發電機組設計的若干問題.

[2]民用建筑中柴油發電機組的選擇與機房設計.

[3]高層建筑中柴油發電機組的選擇與機房設計.

[4]淺析柴油發電機組系統在高壓交流備用中的應用.