數(shù)據(jù)中心用靜音集裝箱式高壓柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)

盧天兵

（三菱重工業(yè)（上海）有限公司，上海 200051）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源或者臨時(shí)電源，以其可靠性和安全性廣泛應(yīng)用于IDC等通信行業(yè)。為了縮短建設(shè)周期和減少土建施工量，許多用戶傾向于選擇采用8臺(tái)靜音集裝箱式高壓柴油發(fā)電機(jī)組組成模塊式供電模式。8臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，可互為備用。

1 靜音集裝箱式高壓柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)圖與部件明細(xì)

集裝箱發(fā)電站也可用于除數(shù)據(jù)中心外的海島、荒漠等場(chǎng)所作為常用或備用電源。根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了一款靜音集裝箱式高壓柴油發(fā)電機(jī)組，設(shè)備布置如圖1和圖2所示，各部件明細(xì)如表1所示。

表1 集裝箱輔機(jī)部件明細(xì)表

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

集裝箱參照標(biāo)準(zhǔn)40尺超高集裝箱設(shè)計(jì)（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(fā)電機(jī)組本體質(zhì)量約18 t，輔機(jī)約4 t，合計(jì)約22 t，符合要求。集裝箱根據(jù)海陸聯(lián)運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照常規(guī)港口集裝箱的制作工藝，設(shè)計(jì)及選材符合集裝箱制造要求。它的4個(gè)頂部及底部的角件符合港口專用集裝箱吊機(jī)的滿載標(biāo)準(zhǔn)起吊。另外，為了方便客戶現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)60°角折彎制成的吊耳。底部配備標(biāo)準(zhǔn)位置的定位角件，以滿足海陸聯(lián)運(yùn)的要求。集裝箱箱體采用整體封閉結(jié)構(gòu)，能夠防雨雪和防風(fēng)沙。箱體表面按照港口機(jī)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(huán)境下的使用要求，材料及其參數(shù)如表2所示。箱體所有鋼材表面經(jīng)過打砂處理，噴砂除銹至Sa2.5級(jí)，表面粗糙度≥40 μm。所有的焊縫焊接完成后需要經(jīng)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(huán)氧中間漆和丙烯酸面漆；內(nèi)箱刷兩面油漆，分別為富鋅底漆和環(huán)氧面漆；箱體底部刷富鋅底漆和隔水瀝青。

集裝箱主要結(jié)構(gòu)材料清單如表2所示，靜音集裝箱式高壓柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)引用的標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表2 集裝箱主要結(jié)構(gòu)材料清單

表3 引用標(biāo)準(zhǔn)

3 相關(guān)設(shè)備

3.1 箱 內(nèi)

集裝箱內(nèi)裝有常用功率1 800 kW/額定電壓10.5 kV的柴油發(fā)電機(jī)組1臺(tái)、進(jìn)排風(fēng)消聲器各1套、日用油箱1臺(tái)、柜式氣體滅火裝置1臺(tái)、機(jī)油散熱器1臺(tái)、機(jī)房通風(fēng)軸流風(fēng)機(jī)2臺(tái)、輔機(jī)低壓配電箱1臺(tái)以及照明燈具。

3.2 箱 頂

箱頂包括臥式水散熱器1臺(tái)、排煙消聲器1臺(tái)以及進(jìn)氣過濾箱2臺(tái)。

4 各系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及相關(guān)計(jì)算

4.1 輔機(jī)低壓供電系統(tǒng)

輔機(jī)負(fù)載功率情況，如表4所示。

表4 輔機(jī)負(fù)載功率表

因風(fēng)機(jī)功率較小，可采取負(fù)載從大到小分步加載全壓?jiǎn)?dòng)方式。單臺(tái)最大電源容量按3倍負(fù)載計(jì)算，所需電源容量為：

輔機(jī)電源常規(guī)做法是取自客戶端不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS），但此方案占用發(fā)電機(jī)和UPS輸出功率，且需要從UPS配電室敷設(shè)專用供電電纜至集裝箱，降低了供電可靠性。本設(shè)計(jì)方案采用發(fā)電機(jī)組自身柴油機(jī)前端皮帶輪驅(qū)動(dòng)1臺(tái)小型低壓發(fā)電機(jī)給輔機(jī)供電，提高了供電可靠性。發(fā)電機(jī)選取連續(xù)功率58 kW、額定電壓400 V、功率50 Hz的雙軸承低壓發(fā)電機(jī)。

4.2 通風(fēng)散熱消音系統(tǒng)

箱體右側(cè)進(jìn)風(fēng)，左側(cè)排風(fēng)。風(fēng)道內(nèi)裝厚度50 mm的可拆裝消音片，總長度約1 m，波浪形布置，風(fēng)速控制在5 m/s左右。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(nèi)噪聲混響，美化機(jī)房環(huán)境。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，箱體周圍1 m處噪聲不超過80 dBA。進(jìn)風(fēng)口兩側(cè)風(fēng)口處安裝帶過濾網(wǎng)的電動(dòng)密閉百葉窗，由發(fā)電機(jī)組自帶蓄電池供電，有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式，且與消防控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，火災(zāi)時(shí)緊急關(guān)閉。

4.2.1 集裝箱內(nèi)通風(fēng)散熱軸流風(fēng)機(jī)選型

已知1 800 kW柴油發(fā)電機(jī)組滿載時(shí)柴油機(jī)對(duì)周圍空氣熱排放為150 kW，發(fā)電機(jī)對(duì)周圍空氣熱排放為72 kW，集裝箱外部環(huán)境溫度40 ℃，因此當(dāng)風(fēng)機(jī)排風(fēng)溫度50 ℃時(shí)所需的排風(fēng)量為：

式中，Q為機(jī)組每小時(shí)散熱量，單位為kW；M為每秒流過機(jī)房的空氣質(zhì)量流量，單位為kg/s；C為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下40 ℃時(shí)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(jī)房的空氣質(zhì)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(jī)油散熱器所配風(fēng)機(jī)流量為39 600 m3h，可同時(shí)提供機(jī)房散熱，因此所需風(fēng)機(jī)風(fēng)量為：

為了散熱迅速，采用2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)高位左右布置，則每臺(tái)風(fēng)機(jī)需要提供的風(fēng)量為：

風(fēng)機(jī)選2臺(tái)機(jī)號(hào)為NO.800、額定轉(zhuǎn)速為960 r/min、額定功率為2.2 kW的軸流風(fēng)機(jī)[1]。

4.3 氣體滅火消防系統(tǒng)

柴油發(fā)電機(jī)房屬于重要機(jī)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(shè)計(jì)方案采用柜式七氟丙烷氣體滅火裝置。該裝置又稱無管網(wǎng)七氟丙烷裝置，是集氣體滅火、自動(dòng)控制以及火災(zāi)探測(cè)等于一體的現(xiàn)代化智能型自動(dòng)滅火裝置，符合《GB 50370—2005 氣體滅火設(shè)計(jì)規(guī)范》及ISO 14520-9《氣體滅火系統(tǒng)-物理性能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)》系統(tǒng)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(xué)滅火方式為主的氣體滅火劑，毒性比鹵代烷滅火劑小，對(duì)臭氧層的耗損潛能值（Ozone Depleting Potential，ODP）為零，具有不導(dǎo)電、無二次污染、滅火效能高以及對(duì)電器電子設(shè)備無腐蝕及污損的特點(diǎn)，特別適用于有人員工作的場(chǎng)所，如計(jì)算機(jī)房、電訊中心、圖書館以及配電房等重要場(chǎng)所[2]。

消費(fèi)器材的選型。已知40尺集裝箱內(nèi)容積約為80 m3，滅火劑采用七氟丙烷。根據(jù)《GB 50370—2005 氣體滅火設(shè)計(jì)規(guī)范》，滅火劑設(shè)計(jì)用量W為：

式中，W為滅火設(shè)計(jì)用量；V為防護(hù)區(qū)凈容積，單位為m3；K為海拔高度修正系數(shù)；C1為滅火設(shè)計(jì)濃度，發(fā)電機(jī)房取9%；S為滅火劑過熱蒸汽在101 kPa大氣壓和防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度下的質(zhì)量體積，單位為m3/kg，計(jì)算方式為：

式中，T為防護(hù)區(qū)內(nèi)最低環(huán)境溫度，單位為℃，要求不低于-10 ℃。按規(guī)范附錄B取值，則滅火設(shè)計(jì)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(guī)格。保護(hù)區(qū)內(nèi)即集裝箱內(nèi)，安裝多點(diǎn)煙感、溫感傳感器及1臺(tái)柜式氣體滅火器。集裝箱外壁安裝放氣勿入發(fā)光警告指示牌、聲光報(bào)警器、氣體滅火控制器主機(jī)以及手動(dòng)控制盒。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，柜式氣體滅火器可自動(dòng)噴射滅火劑，或者人為按下手動(dòng)控制盒內(nèi)按鈕開啟滅火器滅火。控制器可向監(jiān)控室發(fā)出火災(zāi)信號(hào)。保護(hù)區(qū)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(shí)緊急手動(dòng)滅火。

4.4 供油系統(tǒng)

集裝箱內(nèi)安裝1臺(tái)容積為1 000 L的日用油箱、磁翻板液位計(jì)、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(shè)儲(chǔ)油罐一座，配有輸油泵，用于給多臺(tái)集裝箱機(jī)組日用油箱供油。根據(jù)需要，可打開泄油閥將日用油箱內(nèi)柴油泄回儲(chǔ)油罐。

4.5 箱體頂部輔機(jī)系統(tǒng)

集裝箱頂部安裝可拆卸防水蓋板，方便發(fā)電機(jī)組進(jìn)出；安裝1臺(tái)抗性、阻性復(fù)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(tái)臥式水散熱器，裝有8臺(tái)單機(jī)1.9 kW軸流風(fēng)機(jī)，能夠向上排風(fēng)給柴油機(jī)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(tái)，便于工人施工作業(yè)。

4.6 云監(jiān)控即5遙自動(dòng)化系統(tǒng)

集裝箱內(nèi)平時(shí)無人，處于黑暗狀態(tài)，屬于無人值守機(jī)房。為了保障設(shè)備安全，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，根據(jù)《GB 51348—2019 民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和《GB 50198—2011 民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，每臺(tái)集裝箱機(jī)組配置1臺(tái)云監(jiān)控控制模塊和4臺(tái)超低照度紅外防水筒型攝像機(jī)，24 h不間斷對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行遙測(cè)（讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)）、遙控（控制機(jī)組啟停）、遙信（讀取機(jī)組工作狀態(tài)及故障信息）、遙調(diào)（修改機(jī)組控制器參數(shù)）以及攝像機(jī)遙視（視頻監(jiān)控），實(shí)現(xiàn)5遙監(jiān)視，隨時(shí)隨地掌握發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。DT4000云監(jiān)控通信模塊如圖3所示。

DT4000云監(jiān)控通信模塊是一種4G版本數(shù)據(jù)通信采集模塊，主要功能是采用無線方式將發(fā)電機(jī)組控制器連入互聯(lián)網(wǎng)，無需敷設(shè)專用通信線路。有4G網(wǎng)絡(luò)的地方，均可通過手機(jī)App和電腦PC端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制機(jī)組、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障診斷、機(jī)組位置GPS實(shí)時(shí)定位以及保養(yǎng)維護(hù)管理等功能。模塊登錄云服務(wù)器后，云服務(wù)器將傳送相應(yīng)的發(fā)電機(jī)組控制器通信協(xié)議到模塊。云監(jiān)控模塊可通過RS485接口連接到機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和寫入操作。遙控和遙測(cè)機(jī)組如圖4所示。

5 遙自動(dòng)化系統(tǒng)具有諸多特點(diǎn)

第一，可通過4G無線網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器連接，一個(gè)云監(jiān)控模塊監(jiān)控一臺(tái)發(fā)電機(jī)組。第二，具備和多種機(jī)組控制模塊進(jìn)行通信的接口，如RS485和USB（Host），可監(jiān)控國際一流品牌的大多數(shù)發(fā)電機(jī)組控制模塊。第三，安全可靠。DTU模塊采用加密的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議定時(shí)上傳機(jī)組數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)可自動(dòng)重連，保證數(shù)據(jù)傳輸不丟包。第四，費(fèi)用低廉。采用專業(yè)壓縮算法，流量消耗比傳統(tǒng)JSON格式數(shù)據(jù)減少70%以上，大大減少了網(wǎng)絡(luò)流量。第五，方便易用。系統(tǒng)采用阿里云服務(wù)器，系統(tǒng)軟件安裝在服務(wù)器上，無需單獨(dú)安裝控制軟件，能上網(wǎng)的電腦均可使用，而手機(jī)或平板電腦通過安裝APP應(yīng)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(jī)界面。通過設(shè)備列表可實(shí)時(shí)了解所有機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。第八，通過視頻監(jiān)控讓現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組如同近在咫尺。第九，采用原裝進(jìn)口ARM 32位單片機(jī)，具有處理速度快、系統(tǒng)集成度高以及擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點(diǎn)。第十，模塊具有GPS定位和基站定位功能，可獲取機(jī)組的位置信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)組實(shí)時(shí)定位，圖5為系統(tǒng)的電子地圖界面。第十一，優(yōu)秀的擴(kuò)展功能。不僅可根據(jù)用戶需要接入環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊和門禁模塊等，還可以擴(kuò)展檢測(cè)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、一氧化碳濃度以及門禁狀態(tài)等。第十二，黑匣子功能。可通過機(jī)組故障發(fā)生時(shí)的歷史曲線圖查詢數(shù)據(jù)明細(xì)，為維護(hù)人員判斷故障提供依據(jù)，以便準(zhǔn)確定位分析故障原因，為檢修做好準(zhǔn)備，節(jié)省維護(hù)時(shí)間。第十三，維修保養(yǎng)管理功能。可將每次維修保養(yǎng)情況錄入系統(tǒng)，并可查詢指定時(shí)間段的維修保養(yǎng)記錄，方便客戶管理維護(hù)保養(yǎng)成本。第十四，運(yùn)行統(tǒng)計(jì)功能。可通過本系統(tǒng)查詢指定時(shí)間段機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，如開機(jī)時(shí)間、停機(jī)時(shí)間、負(fù)載功率、電壓以及電流等數(shù)據(jù)，并可導(dǎo)出EXCEL報(bào)表。第十五，當(dāng)發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障報(bào)警時(shí)，同步上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，故障報(bào)警界面如圖6所示。第十六，支持多種網(wǎng)絡(luò)制式，如同時(shí)支持移動(dòng)4G、3G、2G，聯(lián)通4G、3G、2G，電信4G。第十七，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，阻燃ABS外殼，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。第十八，標(biāo)準(zhǔn)π型35 mm導(dǎo)軌安裝或螺絲固定安裝。

6 其 他

集裝箱內(nèi)安裝6盞LED防爆熒光燈及4盞防爆直流LED燈。箱外兩側(cè)設(shè)有爬梯方便人員上下。集裝箱兩側(cè)檢修門內(nèi)凹設(shè)計(jì)，門把手不外凸，防雨防刮碰，簡(jiǎn)潔美觀。箱體內(nèi)、外部設(shè)置發(fā)電機(jī)組排污系統(tǒng)（冷卻液、潤滑油、油箱排污口）。