现代化高等级的大型数据中心,柴油发电机组是最后一道用电保障。柴油发电机组在数据中心的应用有单机容量大、电压等级高、台数众多的发展趋势。相对于传统的柴油机房占地空间大,建筑规划难度高的缺点,我们提出了室外集装箱式的模块化柴发的设计思路。
模块化柴发,是把标准型的柴油发电机组本体,经过产品优化环节安装在一个定制的户外集装箱之内,同时应用子系统集成技术,把自动供油、供配电、应急照明、消音降噪、烟尘净化、消防预警、以及并联管控平台等系统配套集成在集装箱内,使之成为一套可靠、高效、环保的模块化备用电源平台。
模块化柴发,适合长期放置在户外使用,高集成,占地小,灵活配置。由于摒弃了传统的大机房建设环节,省去了建筑物内部的进排气和动载荷计算预留等传统规划难点,节省出大量的配套投资费用,有效的降低了数据中心一次性投资成本。同时工厂化的预制生产模式,减少了分期施工的不确定性,可以有效的控制采购风险,提高产品在可验证环境下的系统可靠性,是各类型绿色数据中心建设的良好选择。对于模块化柴发的产品规划与设计,请参考以下建议:
一、模块化柴发箱体的定制
1、模块化柴发箱体的尺寸
(1)根据ISO668《系列1特种箱——类型、外部尺寸和额定值》可分为10’;20’;30’;40’标箱;同时对于不同机组的要求,结合公路,海运,铁路运输的特点,也可做成其它非标准运输规格的尺寸,如24’;43’;45’;48’;53’等。
(2)在模块化柴发箱体的定制过程中,需要特别申明的是,设计环节对模块化柴发能否实现设计功能是非常重要的,必须严格根据实际承载的柴发机组动载荷以及各产品组合的综合特性进行优化、量身订造,才能满足数据中心对模块化柴发可靠性、安全性、快速反应能力的需求。
(3)任何基于标准物流箱体基础上的结构改造,都会造成系统可靠性的降低以及后期运维隐患,是不能被接受的。
2、模块化柴发箱体的材质
(1)箱体的承重件(结构件部分),选用Q345或16Mn等更强的结构件;对于箱体表面材料,选用B480(Cortena)耐腐蚀的全新板材,从原材料方面控制表面质量。
(2)箱体的表面油漆,选用耐盐碱的油漆同时适合于洗涤剂清理的聚胺脂双组份油漆;同时为了保证表面的美观性,选用高光、淡基色的油漆,其保光性及保色性能好,同时对于油漆的施工工艺要求为双层涂料高温一次成型,环境温度较高地区推荐使用防辐射等级95%以上的防紫外线涂料。
(3)箱体的内外部配件及活动件部分,如防溅罩、消声器外包裹、进排风百叶、铰链、螺栓等五金件选择防腐蚀的配件,一般为SUS316的配件,同时根据不同的结构,不锈钢的等级可以按需配置。
3、模块化柴发箱体的预制门窗和预留口
(1)模块化柴发箱体的两侧均需设置方便维护检修的门,预留电力输出等的线缆通道。外部最基本需要预制、预留的通道为:进排风消音室检修口,排烟消声器出口、日用油箱的进回油通道、集装箱箱体内的排污口、柴发机组的入水排水口、机油排放口、急停开关口、自带爬梯凹口、消防管道接口以及可以在室外观察到机组控制屏运行状态的透明窗口等等。
(2)所有箱体开口位置,均需要在主体框架施工时一次成型(电气接口需考虑防溅罩的设计),且预制有与主框架联接的独立钢结构支撑,保证箱体持久不变形。
(3)注意没有使用的预留口要用堵头等器件封堵起来,防止小动物进入箱体。
4、模块化柴发箱体制作过程的要求
众所周知,特种集装箱的出现是为了户外场所使用所服务的,风沙雨雪具有较高的酸碱性,长期在此作业的金属表面及易产生锈蚀,结合实际模块化柴发箱体可能出现的各种极端环境,我们的模块化柴发箱体表面以此为验收标准进行表面处理。
模块化柴发箱体的制作工艺及表面处理流程:
原材料的表面打砂处理→原材料下料→根据设计进行焊接组框→框架部分的强度方面试验论证(样箱)→部件的二次打砂→表面油漆的处理(分内,外表面)→箱内的隔音装配→箱内外配件的装配→箱外的油漆修补→箱体外部的标贴粘贴→箱体整箱淋雨测试→箱内机组及配件的安装→合格出货
(1)原材料表面的打砂处理:
对于原材料打砂,需要满足原材料表面的粗糙度、板材表面的洁净度及打砂密度。
• 原材料表面的粗糙度:将板材表面打毛,使油漆喷涂后复盖在板材表面,增加油漆的附着力,使油漆不易脱落,一般要求表面粗糙度为45-65u;粗糙度测量用微分深度测量仪。
• 板材表面的洁净度:保证板材表面的清洁,以保证油漆的质量;经过表面打砂的板材需达到ISO 8501-1 Sa2.5,具体原材料表面的打砂洁净度Sa对比请见下面附表。
附表 原材料表面的打砂洁净度Sa对比表
• 打砂密度:保证油漆表在贩附着力,一般要求不低于80%,检验的标准为对比表。原材料打砂的目的是去除原材料表面的锈蚀,清理原材料的表面,使其洁净。
(2)原材料下料,焊接:根据设计图纸要求进行下料焊接;具体的制作成品后的尺寸要求必须符合GB985《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》;GB/ZQ3680《焊缝外观质量》;ISO668《系列1集装箱——类型、外部尺寸和额定值》。
(3)框架部分的强度方面试验论证:其主要是模拟模块化柴发箱体在海运;铁路运输及车运输过程的具体情况,进行的强度方面的论证,具体要求参照ISO1496-1《系列1集装箱— 技术条件与试验方法》的标准要求进行测试。(附表5 系列一集装箱测试的方法)对模块化柴发箱体而言,需要通过海运运输,必须通过船级社对整套箱体进行论证合格后才可以进行交易及运输,对于内陆运输,没有明确强制要求,但对于模块化柴发箱体的可靠性以及安全性来说,必要的强度方面的测试环节还是必须的,下面就CSC国际船级社认证的试验方面及其所测试的内容进行解释如下:
• 堆码试验:主要为测试集装箱箱体上部可以容纳多少的重量,即箱子上面还可以堆放几层,主要是考虑角柱的强度,一般设计按上部可以堆放9层进行设计,即箱子上部还可以堆放8个重箱进行设计。
• 顶吊试验:主要为测试集装箱顶部角件与角柱的强度,模拟箱子起吊,确保其起吊安全。
• 底吊试验:主要为测试集装箱底部角件与箱子框架的强度,模拟箱子底部用角件作为支承,整体箱子的强度要求,确保箱子以4个角件支承时,箱子使用安全。
• 侧壁,端壁试验:测试墙板的强度,防止货物在运输过程中倾斜,货物碰到侧板,同时防止恶劣天气情况下,雨雪拍打墙板时保证其安全。
• 纵向钢性试验,横向钢性试验:测试底角件及底架的强度,主要是模拟箱子在海上运输时,船在高浪的情况下,保证箱子可以与船固定一体,且安全的运输。
• 纵向栓固试验,横向栓固试验:测试底角件及底架的强度,主要是模拟汽运的条件,在急刹车或急转弯时,保证箱子可以在底角件锁止的情况下,保证箱子不冲出或倾倒下车子。
• 叉举试验:测试底架叉车槽的强度,主要是针对有叉车的箱子,在重箱情况下用叉车装卸,保证其装卸安全。
• 抓吊试验:测试底架有抓槽的强度,主要是针对有抓叉的箱子,在重箱情况下用抓槽装卸,保证其装卸安全。
• 箱顶试验:测试顶板的强度,保证作业人员在顶部作业时保证作业人员的安全。
• 爬梯强度测试:确认梯子的强度,保证作业人员在上下梯子时保证其作业安全。
试验过程中,箱子的弹性变形及试验后箱子永久变形必须在要求范围以内。
(4)模块化柴发箱体的二次打砂
模块化柴发箱体的二次打砂主要是针对后继焊接的焊缝及热影响区进行喷砂表面除焊接的氧化皮,焊烟等杂质,使表面符合喷漆前的要求。(具体要求同一次打砂要求)。
(5)模块化柴发箱体表面的油漆处理
目的:进行板材表面的防锈处理,防止箱体表面生锈面影响到箱体表面的美观。常规的符合模块化柴发箱体要求的油漆配比:富锌底漆:35u+环氧中层漆45u+聚胺脂面漆40u=120u;具体的油漆的要求可以根据客户要求与油漆供应商讨论油漆的具体配比,另外为了保证箱体表面的美观及光感性,相对面漆要求可以加厚处理。
模块化柴发箱体油漆施工要求:箱体油漆的施工必要条件是需要在相对封闭的空间内进行,内部需要有足够的照明设施;进出风送抽风装置以及暖风加热,施工房体内同时箱体油漆需要在6小时之内的时间完成,这在具体工厂施工方面都有相对应的操作工艺。
5、模块化柴发箱体保证表面美观性的选材及制造工艺
影响到模块化柴发箱体表面质量主要问题有:
(1)箱体表面的工艺质量:箱体表面的做工质量需要在箱体制作过程中进行控制,这一点我们需要在制作过程中进行有效的控制。
(2)控制箱体表面不被锈蚀方案:此点对于箱子的表面处理工作尤其重要,一方面需要合理的选材,根据模块化柴发箱体的使用环境,结合模块化柴发箱体运输的特点,首先需要考虑模块化柴发箱体表面的油漆;根据具体箱型布置的特点,对于箱体外部易进水部份选用不锈钢材料进行焊接;对于箱体常拆装五金件,采用SUS316的材质,以保证表面不因锈蚀而影响表面质量。
(3)方便处理箱体表面污渍:这就需要在选择油漆进注意此点,需要选用方便清理的油漆。
二、模块化柴发进排风系统的设计
1、模块化柴发的进风通道
(1)设置在发电机后端相同高度侧,需要在满足系统满负载工作的燃烧、辐射空气量以及风速、背压等基本要求的同时,额外考虑到箱内阻碍物体对空气流向的影响。
(2)进风通道必须考虑在高气压环境下的消音降噪功能,高效消声通道的设计建议使用高强度的冲孔镀锌板材一次成型压制,消声片厚度及间距以150-200mm为宜,消声通道长度不宜超过1000mm。同时,需要提醒的是,任何没有机械辅助进风的迷宫式通道设计都是应该避免的。
(3)如需在进风口处设置自动百叶,应对百叶角度以及进风通道面积放大适当倍数计算,控制百叶开启的电动装置应为直流型杠杆传动机构(冗余设置),确保百叶在8秒内能够快速全部打开,机组停止时延时关闭。同时由于功能性的区别,应该独立设立防火阀,避免使用防火阀独立作为自动百叶的应用。
(4)箱体内进风通道内,尽量不设置阻挡柴油发电机组进风的大型电气设施,减少因环境温度以及减震处理所造成的额外成本。
(5)如必须要在模块化柴发进风通道内配置柴油发电机组的出口断路器或控制柜时,断路器柜距离发电机进风口水平方向不得小于800mm。
2、模块化柴发的排风通道
(1)设置在发动机端相同高度处,如使用柴油机驱动的自带散热器,应选用50度环境温度的散热风扇及水箱。如选用远置或分离水塔的设计,需配置有机械辅助排风风机(冗余设置)。
(2)同进风通道的描述,排风通道必须考虑在高气压环境下的消音降噪功能,高效消声通道的设计建议使用高强度的冲孔镀锌板材一次成型压制,消声片厚度及间距以150-200mm为宜,消声通道长度不宜超过1500mm。
(3)由于排风风速以及温度的影响,如由于更高的低噪音需求或者排风舒适度的考虑,需在排风通道末端做物理的隔断,阻挡物与散热器的直线距离应不小于2000mm,且需保证排风通道出口的畅顺。
提示:带有空空中冷的柴发机组由于对环境要求较高,不适宜户外箱式部署,应在柴发选型时尽量避免。如有切实需求,需做更加特别的技术规范要求。
三、模块化柴发排烟管路的设计
1、消音器
柴发机组增压器排烟出口必须安装波纹管后通过钢性管路与消音器相连,2000千伏安以下的柴发机组可使用集装箱体内置一体式消声器,2000千伏安以上的柴发机组排烟管需独立安装消音器和净化器,消音器和净化器之间不得直接连接。
2、防水及支撑
排烟管路如需穿过集装箱顶部时,需在集装箱顶部出口处安装防水、泄水结构处理,同时集装箱顶部应有与主体框架施工时一次成型,且预制有与主框架联接的独立承重梁及减震支撑件的设计。
3、排烟道
排烟管路不论箱体内或箱体外的部署,都必须考虑排烟管路的隔热以及防腐问题。建议选用高温岩棉,隔热纤维全程包裹处理后,外覆不低于6mm的SUS316不锈钢或铝板。上行弯头部分,在曲线最低处设置开口式的排水口。
四、模块化柴发出口断路器与电气连接的设计
1、出口断路器
(1)通常的柴油发电机组电力输出主端口设计,需要考虑机装的塑壳断路器(热磁或固态式),目的在于中断负载电流的额定容量以及分断故障短路电流。
(2)如柴油发电机组本身设计已具备了过电流的保护功能,则可以使用机装分离(塑壳)开关。
(3)如考虑到模块化柴发箱内空间狭小,需要规划独立操作方舱或者采用外置断路器的设计时,输出电力电缆或母线可以与发电机输出端子建立直接连接。
2、模块化柴发电力线输出的隔震处理
(1)发电机输出端子与出口断路器柜之间的连接建议使用电缆上走线的方式,当使用铠装母线做连接时,发电机侧必须为软性连接且至少一个折弯,以允许三维方向的移动。
(2)软连接部分,大规格硬电缆尽管柔性也很好,但弯曲能力可能不够,尽量考虑使用多股的柔性电缆或软铜带做以连接。
(3)另需注意电缆/母线通过集装箱体的出口处的防水处理。
3、控制电路的接线
(连接至远置控制设备和远程指示器的)交流和直流控制线必须与电力线分开,采用独立的套管布线。以降低控制电路中的电路干扰。发电机组上的连接必须使用多芯导线和柔性管套。
4、模块化柴发附件分支电路
(1)模块化柴发箱体内,系统运行所需的所有附件设备,必须设置分支电路。
(2)附件分支电路上端电力来源比较多,这些电路经由自动转换开关的负载端子排、发电机端子排或者蓄电池直流供电。相互连锁关系比较复杂,需要做集中的收集与逻辑管理。
(3)附件包括:主控柜、输油泵、电动百叶、照明、电磁阀、蓄电池充电器和冷却液加热器、电机加热器以及空间加热器等等。
五、模块化柴发油路系统
在数据中心模块化柴发的供油系统设计中,除却标准的备用柴发供油系统设计之外,需重点考虑以下几点:
1、日用油箱的容量
一般来说,备用柴发机组的满载耗油量约为0.26公升每千瓦时,比如1800KW备用柴发机组的满载耗油量约为468公升,根据柴发机组的容量大小,模块化柴发对日用油箱的通常要求为最低2个小时,最高不超过8个小时,且需要满足当地消防规例。
2、日用油箱的防护与安装设计
(1)在模块化柴发箱体内设置日用油箱,由于空间限制很难独立设置油箱间,所以首要考虑的是日用油箱的本体防护与日后维护的便利,要求设计时考虑双层壁的日用油箱。
(2)另外,日用油箱的摆放区间,与柴发设备摆放区间应设有物理围堰分区,双层保护的范围内通常可以设置日用油箱泄露的感测功能和声光警报,以防止燃油泄露时在箱体内蔓延。
(3)具体在日用油箱设计方面,除却正常的燃油系统进回油管路、自动液位控制、与大型储油罐的进油管路、快速卸油管路、排泄孔等传统设计外;容易疏漏且需要着重提示的是:
• 带百叶的箱体设计,日用油箱透气孔需预制管路伸出箱体外;
• 箱体需要保留有人工加油或者清理、更换日用油箱的足够空间与通道;
• 主回路燃油输送泵不能摆放在箱体内,且可采用复式设计,以提高系统可靠性。
3、供油管路的材质与设计
(1)由于集装箱内空间有限,油路系统预制完成后再行更换的难度很大,因此应该严格采用碳钢(黑铁)加厚材质予以设计。
• 系统中不得使用铸铁、铝制材料的管材与接头,因为这些材料质地疏松,会有漏油现象发生。
• 不得使用镀锌或者铜的材质,是因为燃油中的硫化物与冷凝水综合后产生的硫酸会腐蚀镀锌层造成油路堵塞,而铜也会发生分子结构变化,使燃油变质。
(2)考虑到数据中心通常使用的大功率电喷型柴发设备,设备运行时,回油流量比较大以及回油温度高且日用油箱容量较小。建议在有大型储油罐的设计时,柴发设备回油管路不在连接日用油箱,直接接入大型储油罐。如在没有大型储油罐的设计时,则需考虑尽量加大日用油箱的容量或增加额外燃油冷却器的设置。
六、模块化柴发照明系统
1、照明的设计
模块化柴发箱内应设置两套交流与直流电源供电的防爆型照明系统,各布置于箱体纵向两侧的上端,线管应选用一次成型的镀锌管。
2、照明的逻辑控制
正常情况下照明系统选择电源为自动转换开关的负载端子排,由市电供电。当市电停电瞬间,或系统出现故障时,由直流电源照明系统供电,正常发电或者市电重新开始供电时,延时切换至交流电源照明系统继续工作。
七、模块化柴发防火及消防系统
1、箱体内填充物的防火材质
模块化柴发箱体内的各种材质,均不应该采用易燃或者助燃物料,箱体隔音材料应选择岩棉,用耐火纤维包裹后,以不低于6mm的的镀锌冲孔钢板全面覆盖。
2、消防的设计
箱体内须配置消防装置,包括储油间的防爆型火灾自动报警探头、灭火装置、防火阀、报警装置等。具体在箱体进排风通道处内部设置防火阀,防火阀关闭时能够将箱体封闭起来,防止灭火气体的泄漏。当箱体内起火时,防火阀关闭,喷射灭火气体,同时,开启户外声光报警及远程报警信号。
3、消防装置
灭火装置建议使用七氟丙烷,或根据结构设计,预制柜式气溶胶自动灭火装置。同时,由于集装箱的特殊结构,消防系统的告警及操作温度设置都需要适当提高。
八、模块化柴发箱体避震和固定
1、在模块化柴发箱体内部,柴油发电机组的震动随着工况的变化,是不可避免的。因此,所有部件与柴油发电机组的物理连接必须采用柔性连接,以吸引振动位移,避免造成损坏。
2、需要隔离的部件包括:发动机排气系统、燃油管、电缆(电气连接部分已详细描述)柴油发电机组本体、通风管道(联机式散热器)、机械轴流风机(远置散热器)等。忽略这些物理连接和电气结点的隔离可能会导致集装箱体或者是发电机组零部件出现松脱与损坏,甚至造成箱体变形以及运行中的发电机组出现各种突发故障。
3、在柴油发电机组本体的避震器件,由于发动机部分通常已安装有合成橡胶减震垫,基础底座首选使用高效钢制弹簧减震器,弹簧减震器需由底部的橡胶垫、减震器主体、固定螺栓、支撑弹簧、调节螺丝和螺钉螺母所组成,可以消除98%以上的柴发机组的震动。
(1)高效钢制弹簧减震器的安装位置需要考虑设备的重心,非对称布置。
(2)但需明确使用地脚螺栓(L或者J型),将高效钢制弹簧减震器牢牢固定在集装箱箱体底座预制的主要结构上。
(3)针对数据中心应用较多的大型柴发设备时,由于模块化柴发箱体内高度空间受限,箱体内柴油发电机组本体可选用多层复合材料制作的隔离减震垫,同时在模块化柴发箱外部安装上述高效钢制弹簧减震器,且与外部基础以锚固螺栓固定,依旧能满足在模块化柴发的整体避震性能。
(4)高效钢制弹簧减震器的数量及规格,可根据减震器的额定承载重量与模块化柴发箱体的总重量,选择相应规格的减震器及数量,不需要额外再考虑箱体的动载荷。
九、模块化柴发的接地及防雷
1、直接接地
在低压模块化柴发箱体内,柴发设备需要通过导线(接地电极导线)接地、而不是有一接入电阻直接与地(接地电极)连接。电极规范通常要求在所有带有接地导线(通常为中线)、连接相负载的低压系统中使用此接地方式。同时,如果发电机中线连接至市电接地中线上(通常在三级转换开关的中线端子上)则发电机中线不得在发电机上接地。
2、电阻式接地
中压的模块化柴发箱体内,需考虑增加电阻式接地,接地电阻安装在发电机中性点到接地电极的路径中,配电系统中可使用三角形-Y型变压器,为相负载设备提供一个中性点。
3、箱体接地与防雷
(1)必须有满足要求的接地网敷设到集装箱附近,当没有现成的接地网时应当就地构建适当的独立接地装置。
(2)集装箱体须有不少于2处和接地网相连,要求接地电阻小于10欧姆,箱体内的附属电气设备也必须按照规范要求做好接地措施。
(3)同时,集装箱一般放置在室外,需要增加箱体防雷的设计。
(内容节选自《数据中心备用电源技术白皮书》(柴油发电机组篇))