數據中心用靜音集裝箱式高壓柴油發電機組的設計

盧天兵

（三菱重工業（上海）有限公司，上海 200051）

0 引 言

隨著互聯網及數據中心（Internet Data Center，IDC）產業的蓬勃發展，柴油發電機組作為備用電源或者臨時電源，以其可靠性和安全性廣泛應用于IDC等通信行業。為了縮短建設周期和減少土建施工量，許多用戶傾向于選擇采用8臺靜音集裝箱式高壓柴油發電機組組成模塊式供電模式。8臺機組并聯運行，可互為備用。

1 靜音集裝箱式高壓柴油發電機組的設計圖與部件明細

集裝箱發電站也可用于除數據中心外的海島、荒漠等場所作為常用或備用電源。根據多年工作經驗，本文設計了一款靜音集裝箱式高壓柴油發電機組，設備布置如圖1和圖2所示，各部件明細如表1所示。

表1 集裝箱輔機部件明細表

2 結構設計

集裝箱參照標準40尺超高集裝箱設計（外形尺寸長12 192 mm，寬2 438 mm，高2 896 mm），箱體額定載重26 570 kg，發電機組本體質量約18 t，輔機約4 t，合計約22 t，符合要求。集裝箱根據海陸聯運的標準要求進行設計，按照常規港口集裝箱的制作工藝，設計及選材符合集裝箱制造要求。它的4個頂部及底部的角件符合港口專用集裝箱吊機的滿載標準起吊。另外，為了方便客戶現場采用鋼絲繩吊扣吊卸，縮小吊鉤與集裝箱之間的距離，頂部配有4只采用鋼板向內60°角折彎制成的吊耳。底部配備標準位置的定位角件，以滿足海陸聯運的要求。集裝箱箱體采用整體封閉結構，能夠防雨雪和防風沙。箱體表面按照港口機械的油漆涂裝，能防潮、防腐、防日曬以及防鹽霧。所有使用的集裝箱材料符合-20～80 ℃環境下的使用要求，材料及其參數如表2所示。箱體所有鋼材表面經過打砂處理，噴砂除銹至Sa2.5級，表面粗糙度≥40 μm。所有的焊縫焊接完成后需要經過二次打砂處理，焊接表面要求除銹至Sa2.5。集裝箱箱面刷四面油漆，分別為富鋅底漆、環氧中間漆和丙烯酸面漆；內箱刷兩面油漆，分別為富鋅底漆和環氧面漆；箱體底部刷富鋅底漆和隔水瀝青。

集裝箱主要結構材料清單如表2所示，靜音集裝箱式高壓柴油發電機組的設計引用的標準如表3所示。

表2 集裝箱主要結構材料清單

表3 引用標準

3 相關設備

3.1 箱 內

集裝箱內裝有常用功率1 800 kW/額定電壓10.5 kV的柴油發電機組1臺、進排風消聲器各1套、日用油箱1臺、柜式氣體滅火裝置1臺、機油散熱器1臺、機房通風軸流風機2臺、輔機低壓配電箱1臺以及照明燈具。

3.2 箱 頂

箱頂包括臥式水散熱器1臺、排煙消聲器1臺以及進氣過濾箱2臺。

4 各系統設計方案及相關計算

4.1 輔機低壓供電系統

輔機負載功率情況，如表4所示。

表4 輔機負載功率表

因風機功率較小，可采取負載從大到小分步加載全壓啟動方式。單臺最大電源容量按3倍負載計算，所需電源容量為：

輔機電源常規做法是取自客戶端不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS），但此方案占用發電機和UPS輸出功率，且需要從UPS配電室敷設專用供電電纜至集裝箱，降低了供電可靠性。本設計方案采用發電機組自身柴油機前端皮帶輪驅動1臺小型低壓發電機給輔機供電，提高了供電可靠性。發電機選取連續功率58 kW、額定電壓400 V、功率50 Hz的雙軸承低壓發電機。

4.2 通風散熱消音系統

箱體右側進風，左側排風。風道內裝厚度50 mm的可拆裝消音片，總長度約1 m，波浪形布置，風速控制在5 m/s左右。根據經驗，可降低噪聲約30 dBA。箱體四壁及頂部用8 mm厚的白色硅酸鈣穿孔吸音板和50 mm厚消音玻璃棉裝飾消音，可降低箱內噪聲混響，美化機房環境。根據經驗，箱體周圍1 m處噪聲不超過80 dBA。進風口兩側風口處安裝帶過濾網的電動密閉百葉窗，由發電機組自帶蓄電池供電，有自動和手動兩種工作方式，且與消防控制系統聯動，火災時緊急關閉。

4.2.1 集裝箱內通風散熱軸流風機選型

已知1 800 kW柴油發電機組滿載時柴油機對周圍空氣熱排放為150 kW，發電機對周圍空氣熱排放為72 kW，集裝箱外部環境溫度40 ℃，因此當風機排風溫度50 ℃時所需的排風量為：

式中，Q為機組每小時散熱量，單位為kW；M為每秒流過機房的空氣質量流量，單位為kg/s；C為一個標準大氣壓下40 ℃時空氣的定壓比熱容，單位為kJ/（kg·℃）；ΔTc為溫升，單位為℃。每秒流過機房的空氣質量流量M為：

體積流量V為：

式中，ρ=1.128 kg/m3，為40 ℃空氣密度。另外，機油散熱器所配風機流量為39 600 m3h，可同時提供機房散熱，因此所需風機風量為：

為了散熱迅速，采用2臺軸流風機高位左右布置，則每臺風機需要提供的風量為：

風機選2臺機號為NO.800、額定轉速為960 r/min、額定功率為2.2 kW的軸流風機[1]。

4.3 氣體滅火消防系統

柴油發電機房屬于重要機房，因集裝箱空間狹小，不適合安裝水噴霧滅火裝置，因此本設計方案采用柜式七氟丙烷氣體滅火裝置。該裝置又稱無管網七氟丙烷裝置，是集氣體滅火、自動控制以及火災探測等于一體的現代化智能型自動滅火裝置，符合《GB 50370—2005 氣體滅火設計規范》及ISO 14520-9《氣體滅火系統-物理性能和系統設計》系統設計及產品標準規范的要求。七氟丙烷（HFC-227ea）是一種無色無味、可低壓液化貯存、以化學滅火方式為主的氣體滅火劑，毒性比鹵代烷滅火劑小，對臭氧層的耗損潛能值（Ozone Depleting Potential，ODP）為零，具有不導電、無二次污染、滅火效能高以及對電器電子設備無腐蝕及污損的特點，特別適用于有人員工作的場所，如計算機房、電訊中心、圖書館以及配電房等重要場所[2]。

消費器材的選型。已知40尺集裝箱內容積約為80 m3，滅火劑采用七氟丙烷。根據《GB 50370—2005 氣體滅火設計規范》，滅火劑設計用量W為：

式中，W為滅火設計用量；V為防護區凈容積，單位為m3；K為海拔高度修正系數；C1為滅火設計濃度，發電機房取9%；S為滅火劑過熱蒸汽在101 kPa大氣壓和防護區最低環境溫度下的質量體積，單位為m3/kg，計算方式為：

式中，T為防護區內最低環境溫度，單位為℃，要求不低于-10 ℃。按規范附錄B取值，則滅火設計用量為：

查詢消防器材廠家樣本，七氟丙烷充裝密度為1 000 kg/m3，選70 L柜式規格。保護區內即集裝箱內，安裝多點煙感、溫感傳感器及1臺柜式氣體滅火器。集裝箱外壁安裝放氣勿入發光警告指示牌、聲光報警器、氣體滅火控制器主機以及手動控制盒。發生火災時，柜式氣體滅火器可自動噴射滅火劑，或者人為按下手動控制盒內按鈕開啟滅火器滅火。控制器可向監控室發出火災信號。保護區外即箱體外配備2只手提式干粉滅火器，用于氣體滅火器失靈時緊急手動滅火。

4.4 供油系統

集裝箱內安裝1臺容積為1 000 L的日用油箱、磁翻板液位計、液位傳感器、阻火呼吸閥、溢流管、緊急泄油閥、檢修口及蓋板以及供、回油管及球閥等。集裝箱群外埋設儲油罐一座，配有輸油泵，用于給多臺集裝箱機組日用油箱供油。根據需要，可打開泄油閥將日用油箱內柴油泄回儲油罐。

4.5 箱體頂部輔機系統

集裝箱頂部安裝可拆卸防水蓋板，方便發電機組進出；安裝1臺抗性、阻性復合排煙消音器，高位向上排煙，可降低排煙噪聲約30 dBA；安裝1臺臥式水散熱器，裝有8臺單機1.9 kW軸流風機，能夠向上排風給柴油機冷卻液散熱。集裝箱箱頂水箱位置四周焊接有外伸維修平臺，便于工人施工作業。

4.6 云監控即5遙自動化系統

集裝箱內平時無人，處于黑暗狀態，屬于無人值守機房。為了保障設備安全，減輕操作人員勞動強度，根據《GB 51348—2019 民用建筑電氣設計標準》和《GB 50198—2011 民用閉路監視電視系統工程技術規范》，每臺集裝箱機組配置1臺云監控控制模塊和4臺超低照度紅外防水筒型攝像機，24 h不間斷對發電機組進行遙測（讀取運行數據）、遙控（控制機組啟停）、遙信（讀取機組工作狀態及故障信息）、遙調（修改機組控制器參數）以及攝像機遙視（視頻監控），實現5遙監視，隨時隨地掌握發電機組的運行狀態。DT4000云監控通信模塊如圖3所示。

DT4000云監控通信模塊是一種4G版本數據通信采集模塊，主要功能是采用無線方式將發電機組控制器連入互聯網，無需敷設專用通信線路。有4G網絡的地方，均可通過手機App和電腦PC端遠程實時監控發電機網，實現遠程控制機組、遠程數據監控、遠程故障診斷、機組位置GPS實時定位以及保養維護管理等功能。模塊登錄云服務器后，云服務器將傳送相應的發電機組控制器通信協議到模塊。云監控模塊可通過RS485接口連接到機組進行數據讀取和寫入操作。遙控和遙測機組如圖4所示。

5 遙自動化系統具有諸多特點

第一，可通過4G無線網絡與云服務器連接，一個云監控模塊監控一臺發電機組。第二，具備和多種機組控制模塊進行通信的接口，如RS485和USB（Host），可監控國際一流品牌的大多數發電機組控制模塊。第三，安全可靠。DTU模塊采用加密的網絡數據通信協議定時上傳機組數據，當網絡不穩定時可自動重連，保證數據傳輸不丟包。第四，費用低廉。采用專業壓縮算法，流量消耗比傳統JSON格式數據減少70%以上，大大減少了網絡流量。第五，方便易用。系統采用阿里云服務器，系統軟件安裝在服務器上，無需單獨安裝控制軟件，能上網的電腦均可使用，而手機或平板電腦通過安裝APP應用程序即可使用。第六，超寬范圍供電電源DC 8～36 V。第七，友好的人機界面。通過設備列表可實時了解所有機組的運行狀態。第八，通過視頻監控讓現場機組如同近在咫尺。第九，采用原裝進口ARM 32位單片機，具有處理速度快、系統集成度高以及擴展能力強的特點。第十，模塊具有GPS定位和基站定位功能，可獲取機組的位置信息，實現機組實時定位，圖5為系統的電子地圖界面。第十一，優秀的擴展功能。不僅可根據用戶需要接入環境監測模塊和門禁模塊等，還可以擴展檢測環境溫度、環境濕度、一氧化碳濃度以及門禁狀態等。第十二，黑匣子功能。可通過機組故障發生時的歷史曲線圖查詢數據明細，為維護人員判斷故障提供依據，以便準確定位分析故障原因，為檢修做好準備，節省維護時間。第十三，維修保養管理功能。可將每次維修保養情況錄入系統，并可查詢指定時間段的維修保養記錄，方便客戶管理維護保養成本。第十四，運行統計功能。可通過本系統查詢指定時間段機組運行數據，如開機時間、停機時間、負載功率、電壓以及電流等數據，并可導出EXCEL報表。第十五，當發電機組發生故障報警時，同步上傳數據到服務器，故障報警界面如圖6所示。第十六，支持多種網絡制式，如同時支持移動4G、3G、2G，聯通4G、3G、2G，電信4G。第十七，模塊化結構設計，阻燃ABS外殼，重量輕，結構緊湊，安裝方便。第十八，標準π型35 mm導軌安裝或螺絲固定安裝。

6 其 他

集裝箱內安裝6盞LED防爆熒光燈及4盞防爆直流LED燈。箱外兩側設有爬梯方便人員上下。集裝箱兩側檢修門內凹設計，門把手不外凸，防雨防刮碰，簡潔美觀。箱體內、外部設置發電機組排污系統（冷卻液、潤滑油、油箱排污口）。