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机房设计与设备安装 |
数据中心所用柴油发电机的选择及机房标准 |
导读：在数据中心的设计过程中，柴油发电机组的选择尤为重要。各项技术指标的选择，与负载特性的配合以及土建基础设施的配合等方面都值得深入思考。数据中心持续功率在柴油发电机组行业内的应用在持续增长，该如何确定哪种发电机组最适数据中心项目？本文将对这些问题展开探讨，详细阐述柴发设置规定、性能等级、常见启动方式和柴发机房的要求等相关内容。
随着互联网技术的飞速发展，很多产业都与这项技术接轨。网络信息的流量也随之越来越大，存储、处理和分析如此海量的数据(即我们所指的“大数据”)成为必然。近几年来，数据中心在各个行业的重视下，数量越来越多，而且在迅猛膨胀的数据要求下，数据中心的规模也越来越大。在数据中心的设计过程中，电力保障系统在诸多系统中显得尤为重要，而作为电力保障的重要组成环节，柴油发电机组的选择与应用在以往小机房的建设中很少涉足。
数据中心能让企业和用户快速读取数据，但维持数据中心正常运转及给机房散热都需要消耗大量的电力。这些设施的温度维持在20CIC左右，是服务器的理想工作环境温度。即使仅仅几分钟的电力中断，都可能使整个企业的工作中断，造成重大经济损失。因此，这些设施不仅需要稳定的电力，它们的连续可用性还必须有备用电源提供保障。这正是专为数据中心设计的发电机组的用武之地。
数据中心柴发机房预制图
一、柴发设置规定
多种因素共同决定着如何在市场上现有发电机组中进行选择：主电网的可靠性；发电机组整体预算；数据中心所存数据的敏感度，决定着在出现电源中断时要求被保护程度的高低。根据民用建筑柴油发电机房设计主要依据GB 50352 - 2019《民用建筑设计统一标准》、GB 50016 - 2014《建筑设计防火规范》（2018年版）和 GB 51348 - 2019《民用建筑电气设计标准》等相关条文以及《电子信息系统机房设计规范》(GB50174—2008)中规定：
○ A级机房设N或N+x台冗余(X=1～N)后备柴油发电机。
○ B级机房供电电源不能满足要求时，设N台后备柴油发电机。
○ C级机房当不间断电源系统的供电时间满足信息存储要求时，可不设置柴油发电机。
由此可见，除了一些不重要的C级机房，A、B级机房设置后备柴油发电机是有必要的。
二、性能等级：
为了满足各供电系统的不同要求，《往复式内燃机驱动的交流发电机组》(GB／T 2820.1-2009)定义了4种性能等级，如表1所示。
表1 性能等级表
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等级
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适用范围
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实例
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G1级
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只需规定其基本的电压和频率参数的连接负载。其电压特性与公用电力系统非常类似。
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一般用途（照明和其他简单的电气负载）。
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G2级
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当负载发生变化时，可有暂时的然而是允许的电压和频率的偏差。
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照明系统；泵、风机和卷扬机。
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G3级
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连接的设备对发电机组的频率、电压和波形特性有严格的要求。
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电信负载和晶闸管控制的负载。整流器和晶闸管控制的负载对发电机电压波形的影响需要特殊考虑。
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G4级
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对发电机组的频率、电压和波形特性有特别严格要求的负载。
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数据处理设备或计算机系统。
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从表1中可以分析得出，对于数据中心，由于其负载大多是IT负载，由UPS提供持续运行的电源，其所选用的柴油发电机组应该达到G3级或G4级规定的要求，同时达到《通信用柴油发电机组的进网质量认证检测实施细则》规定的24项性能指标要求。
三、并机常见启动方式
1、原厂并机启动方式
当柴油发电机组控制屏和并车主控制屏处于自动模式时，一旦两路正常电源发生故障，在收到启动信号10s内，各台柴油发电机机组将同时自行启动，最先建立电压和频率的机组首先自动投入到母线，其余机组参照母线上电流电压依次同期并联运行，然后通过输出开关柜为所连接的负载提供应急电源。为柴油发电机主控制屏配备报警系统，当柴油发电机故障时自动停机、卸载。当正常电源恢复供电时，关闭发电机，复位到待机状态，直至下一次电源故障时再启动。当正常电源恢复后，系统经过可调整的时间延迟，自动将所有负荷切换回正常电源。发电机断路器同时断开，柴油机将在无负载情况下运行0～30min，时间可以通过控制屏调节。控制屏自动复位到待机状态。
2、第三方并机启动方式
与原厂并机启动方式不同之处在于，当柴油发电机组控制屏和并车主控制屏处于自动模式时，一旦两路正常电源发生故障，在收到启动信号10s内发电机启动，第一台建立稳定的额定电压和频率，并通过发电机断路器连接到应急母线，然后第二台自动同步启动并联于主母线，依次到最后一台自动同步启动并联于主母线，分担系统负载。全组机组的投切顺序可以通过编程设定。
3、选择分析
两种启动方式依据工程特点可进行不同的选择以10台10kV机组并机为例，原厂并机系统20s可完成整组完全启动投入负载，第三方并机系统由于要等机组顺序启动，往往要60s左右才能完成，最不利情况甚至达到100s。因此，对于同组并机台数较多且业主对工程可靠性要求很高时，建议采用原厂并机系统。但是从经济性方面比较，原厂并机系统除某些机组自带原厂启动模块外，一般需在每台机组加装该模块，模块价格在6万元～10万元／台。当同组并机柴油发电机组大于3台时，原厂并机系统造价大于第三方系统。第三方并机系统适用于业主对投资比较敏感，且对工程可靠性的要求不太严格的工程。对大型并机系统，柴油发电机组并机不成功从而供电失败导致的损失远大于采用第三方并机系统节约下来的投资，故推荐采用原厂并机系统。
并车系统电路图
三、机房要求:
1、选址
按以往建设经验，机电用房往往设置在建筑物的地下，这样可以增大地上各层的使用面积，更好地实现参观效果，但对于柴油发电机组的布置需要经过分析。一般的公共建筑，通常为了保障生命安全需要设置柴油发电机组为消防及非常重要负荷提供后备电源，这种机组设置一台就基本满足要求，所以它的进排风竖井以及排烟管道很好解决：但对于数据中心，尤其是3台以上机组并机的情况，其进排风的要求就尤其重要了。对于一台PRP基本功率为1800kW的机组来说，其自然进风面积已经达到12m，排风面积达到8 m，如果是多台并机，对建筑专业来说在地下布置如此巨大的进排风井是一个考验：而且与单台机组不同，多台机组的进排风井不能相邻设置，以避免风路短路，这样一来难上加难。因此，在条件允许的情况下，建议尽量设置单独的柴油发电机楼，利用自然条件解决进排风问题，同时，维护柴油发电机的人员可不进入机房区，避免人流混杂，提高机房使用安全。此外，还需注意：柴油发电机房的位置应尽量避免设置在建筑物的主风向处，以防止含硫排放物对机房IT设备的污染腐蚀。
2、储油罐设置
对于A级机房，《电子信息系统机房设计规范》(GB50174—2008)要求备油时间达到72h，定义rr4机房备油96h、T3机房备油72h，但修订后的U ptim e Tier Standards topology2012中已改为Tier IV可各油12h，这是一个好消息。对于大型甚至超大型的数据中心，72h是一个难以想象的数字，其储油量相当于一个油库，而之后运营时的柴油老化与更新，更将是对运维人员的考验。希望正在修编的《数据中心设计规范》(G B50 174-2008)也能够区分对待储油问题，笔者认为在供油条件良好，并与供油企业签订相关协议的前提下，A级机房实现12h～24h供油是有物质基础的。
（1）机房内设置储油间时，其总储存量不应大于1 m3 。民用建筑消防负荷应急供电时间满足3 h即可，1 m3 柴油基本可满足常用功率1 200 kW机组满载运行3h，当机房柴油发电机组总功率超过1200 kW或对于医疗、星级酒店建筑等对柴油发电机组应急时间要求较高的场所，1 m3 柴油存储量就不满足供油要求了，此时根据项目条件可采取预留供油接口或设置室外油罐方式解决供油问题。
当采用室外埋地油罐时，需要注意防火间距要求，柴油属于丙类液体燃料，民用建筑柴油埋地油罐一般不大于15 m3 ，可按GB 50016 - 2014《建筑设计防火规范》（2018年版）第4.2.1条及注释第6条要求，满足其与建筑物的防火间距要求，当满足防火间距要求较困难时，可按第5.4.14条第1款要求“当总容量不大于15 m3 ，且直埋于建筑附近、面向油罐一面4.0 m范围内的建筑外墙为防火墙时，储罐与建筑的防火间距不限”处理，埋地油罐尺寸和做法可参考国标图集02R111《小型立、卧式油罐图集》。另外该规范第4.2.9条还要求柴油埋地油罐与场区内道路的防火间距要满足距主要道路 ≥ 10 m，距次要道路 ≥ 5 m，在建筑总图设计当中需要引起注意，还需要注意在地下室靠埋地油罐方向的外墙上为柴油供油管及回油管预埋4SC100进线防水套管。
（2）在进入建筑物前和设备间内的管道上均应设置自动和手动切断阀；储油间的油箱应密闭且应设置通向室外的通气管，通气管应设置带阻火器的呼吸阀，油箱的下部应设置防止油品流散的设施。虽然柴油发电机房后期由柴油发电机供应商进行深化处理，此强制性条款电气设计只在机房设计说明中进行交待，但严格来说并不能满足要求，在画柴油发电机房电气大样图时还应对此条进行设计，设计实施可参考图1设计方案。
储油间油管布置图
3、噪音要求
排放物及噪音对于大中型数据中心，由于其保障容量大，所以柴油发电机组的数量也相对可观，其对空气的污染以及机组运行噪声自然也备受关注。一般要求整个机房环保处理工程达到《声环境质量标准》(GB3096—2008)的要求，噪声执行Ⅱ类标准(即昼间≤60dB(A)，夜间≤50dB(A))，其排烟管应高出屋面并符合环保部门的要求。烟色须经处理，执行各地大气污染物综合排放标准。以北京为例，应执行北京市地方标准《大气污染物综合排放标准》(DB11／501.2007)第Ⅱ时段标准。其烟气黑度不得超过林格曼1级，并通过管道高空排放。工程完工后提供政府环保部门需要的监测报告。
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