摘要： 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。本文根据数据中心对供电连续性的高要求，阐述A、B、C级机房的柴发设置规定，分析G1～G4性能等级与数据中心负载的匹配关系，比较原厂并机与第三方并机两种启动方式的技术特点与经济性差异，并系统论述柴发机房选址、储油罐设置及噪音环保等关键设计要求。
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》（GB 50174—2008）中规定。
1. A级机房的柴发配置
（1）A级机房设N或N+x台冗余（X=1～N）后备柴油发电机。A级机房对供电可靠性要求最高，通常采用N+1或更高的冗余配置，确保任何一台机组检修或故障时仍能满足全部负载需求。
（2）冗余配置的工程实践。对于大型数据中心，常见配置为N+1（一台备用）或2N（双倍冗余）。2N配置下，即使一组机组全部失效，另一组仍能承担全部负载，但投资成本显著增加。
（3）A级机房的容错要求。A级机房要求供电系统具有容错能力，单点故障不应影响系统正常运行。因此，柴油发电机组的并机母线、燃油管路、冷却系统等关键环节均需冗余设计。
2. B级机房的柴发配置
（1）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。B级机房不要求冗余配置，但需保证在市电中断时机组能够承担全部负载。
（2）B级机房的可靠性要求。B级机房允许计划性维护期间影响系统运行，但不允许非计划性中断。因此，N台配置即可满足要求，但建议考虑N+1配置以提高可用性。
（3）B级机房的典型应用。B级机房适用于一般企业数据中心、政务系统等，其对供电连续性的要求低于金融交易系统，但仍需保障较长时间的备电能力。
3. C级机房的柴发配置
（1）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。C级机房允许较长时间的停电恢复，只需UPS提供足够时间完成数据保存和系统关闭。
（2）C级机房的备电策略。对于C级机房，UPS后备时间通常为15～30分钟，足以完成关键数据的保存和系统安全关闭。
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。机房建设可参考图1的系统预制图。
图1 数据中心柴发机房系统预制图
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。
1. G1级——基本用电等级
（1）适用范围。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。
（2）典型应用。一般用途（照明和其他简单的电气负载），如普通照明系统、电加热设备、小型电动机等对电能质量不敏感的负载。
（3）性能特点。频率降≤8%，稳态频率偏差≤2.5%，瞬态电压偏差（突加功率）≤-25%，电压恢复时间≤10s。该等级对电压和频率的波动容忍度最高，适用于对供电质量要求最低的场景。
2. G2级——常规用电等级
（1）适用范围。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。
（2）典型应用。照明系统；泵、风机和卷扬机等普通工业负载。此类负载允许在启动或负载突变时出现短暂的电压和频率波动。
（3）性能特点。频率降≤5%，稳态频率偏差≤1.5%，瞬态电压偏差（突加功率）≤-20%，电压恢复时间≤6s。较G1级更为严格，适用于大多数常规工业与商业负载。
3. G3级——严格用电等级
（1）适用范围。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。
（2）典型应用。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。此类负载的电流波形非正弦，会产生谐波，对发电机电压波形的畸变有严格要求。
（3）性能特点。频率降≤3%，稳态频率偏差≤0.5%，瞬态电压偏差（突加功率）≤-15%，电压恢复时间≤4s，电压调制≤0.3%。G3级对电压和频率的控制精度明显提高，电压恢复时间缩短，能够满足大多数精密电子设备的供电要求。
（4）数据中心应用。对于配置了6脉冲或12脉冲整流UPS的数据中心，由于UPS输入电流中含有大量谐波（尤其是5次、7次和11次），选用G3级发电机组能够更好地抑制电压波形畸变，保证IT设备正常工作。
4. G4级——超严格用电等级
（1）适用范围。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。
（2）典型应用。数据处理设备或计算机系统。现代数据中心的大量服务器电源为开关电源，对电压波形的正弦性和频率稳定性要求极高，电压波形畸变率超过5%可能引起电源模块误动作。
（3）性能特点。频率恢复时间、瞬态电压偏差及有功功率分配等参数由制造商与用户商定（AMC），通常要求THD（总谐波失真）低于3%，电压调整率优于±0.5%。G4级是四个等级中最高的性能要求，通常需配合更精密的AVR（自动电压调节器）和更低的发电机次暂态电抗设计来实现。
从上面等级划分可以分析得出，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，原理如图2所示。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。
图2 柴油发电机组并车系统电路图
四、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12m²，排风面积达到8m²，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》（GB 50174—2008）要求备油时间达到72h，定义T4机房备油96h、T3机房备油72h，但修订后的Uptime Tier Standards topology 2012中已改为Tier IV可储油12h。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》（GB 50174-2008）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1m³。民用建筑消防负荷应急供电时间满足3h即可，1m³柴油基本可满足常用功率1200kW机组满载运行3h。当机房柴油发电机组总功率超过1200kW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，1m³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15m³，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15m³，且直埋于建筑附近、面向油罐一面4.0m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≥10m，距次要道路≥5m，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3设计方案。
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》（GB 3096—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。
图3 发电机房储油间油管布置图
总结： 数据中心柴油发电机组选型应遵循A、B级机房设置后备电源的要求，并选择G3或G4性能等级以满足IT负载对电能质量的严格要求。并机启动方式中，原厂并机系统启动迅速（20s完成整组投入），适合台数多、可靠性要求高的工程；第三方并机系统经济性较好但启动时间较长（60～100s），适用于投资敏感、可靠性要求不高的项目。机房设计应优先考虑独立柴发楼以解决多台机组的进排风需求；储油罐容量应根据备油时间要求合理设置，大于15m³的室外油罐须严格满足防火间距，机房内储油间容量不应大于1m³；噪声须满足Ⅱ类标准（昼间≤60dB(A)，夜间≤50dB(A)），烟气黑度不超过林格曼1级。以上设计要求需在建筑、电气、暖通等多专业协同下统筹实现。
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