随着国家新基建大数据中心及人工智能超算中心的发展,其对信息存储和处理能力的要求越来越高。电力供应是数据中心IT设备正常运行的基础保障,数据中心一旦出现供电故障,数据丢失引发的后果将是灾难性的。因此,应急电源系统是数据中心不可或缺的重要设备之一。
　　
　　相较于常规项目的配电系统,数据中心的配电必须具有更高的可靠性和稳定的电力配送能力。电气设计方案也必须充分考虑系统的冗余性,故障可恢复性,需要配置备用电源-应急柴油发电站等设备以便抵御一般性的停电,需要具备一定的容错能力,确保不会发生设备故障断电。
　　
　　柴油发电机系统作为2N供电系统最后一道防线的重要性,本文在此与大家探讨用于柴油发电机保障燃油供应的自动供油系统控制逻辑,可能不同项目的使用要求也有所差异,在此欢迎各位同行及专家予以指正。
　　
　　一、柴油发电机的系统组成
　　
　　图1给出了柴油发电机的系统组成结构原理方框图。一套完整的应急柴油发电机保障系统会由较多系统和设备组成，在此仅列举几大主要部件系统;
　　
　　1.1 发动机动力部分:
　　
　　由四冲程发动机燃烧室、喷油与调速系统、润滑系统、电控系统、冷却系统及启动装置等核心元器件组成,根据发电机需求功率匹配发动机排量,需求发电功率越大则发动机排量、体积和自重越大,需留意柴发安装位置的结构承重。
　　
　　1.1.1 发电机部分
　　
　　发电机按电压的高低可分为0.4kV低压与10.5kV高压,目前有自励式、它励式和永磁式发电机,主流为永磁励磁式发电机能减少谐波对自动调压器AVR的影响。
　　
　　1.1.2 油机自身控制系统
　　
　　发电机组控制器主要确保发电机组安全合理运行,满足就地/远端切换、本地启动机组、检测并显示内部运行参数和告警等信息,设定自动同步跟踪并机运行逻辑和自动起功能等。
　　
　　1.1.3 接地系统
　　
　　目前有中性点直接接地和中性点电阻接地两种,常用的10kV发电机系统通常配置的是中性点电阻接地。
　　
　　1.1.4 辅助配套系统
　　
　　发电机的配套辅助配置是为了确保市电失电时机组能够快速启动供电,主要有机组冷却液加热、机油加热、进气加热、燃油加热、控制器空间加热、发电机除湿加热、蓄电池加热等各种加热器及启动蓄电池组的充电器,并可考虑配置启动蓄电池的电池内阻仪在线监控。如果项目地属于南方,则以上加热器的自用电配电功率可以降低。柴油发电机系统根据项目本身环境特性的原因,配置柴发自用电双电源柜、并机系统控制柜和保护计量控制柜等。
　　
　　除发动机本身配置的以上辅助配套装置以外,本文主要讲述燃油自动供油控制系统、日用油箱、室外地埋油罐及油路监测等。
　　
　　1.2 环境场地配套
　　
　　柴发系统需考虑的因素较多,机组安装尺寸、搬运方式及搬运路由通道、进风排风面积、喷淋消防架、环保降噪消音片尺寸较大,占地面积及高度空间需求也较大。根据项目的场地环境的限制可采用室外静音型集装箱式柴发系统与室内柴发系统;
　　
　　室外型集装箱柴发常见单层和上下双层摆放,设计时需考虑整体运行时的含集装箱重量的湿自重,亦可采用单台的独立基础方式或公用混凝土或钢结构基础的方式。
　　
　　二、自动供油系统的理解
　　
　　柴油发电机系统是数据机房建设完成后测试认证关注的重点,但一般具有资质的柴发油路系统设计单位多服务于石油和石化行业,他们的设计理念多仅限于满足“油路通畅”、“满足客户使用”等基础功能,不了解数据中心对油路系统的特有需求,也缺乏对国标A级数据中心标准的认识,因此柴发系统的供油系统深化设计往往也是测试验证和日后运维的难点。图2给出了柴油发电机供油系统主要配置器件的原理图。
　　
　　2.1 数据中心典型供油系统主要包含以下几部分组成:
　　
　　2.2.1地埋油罐
　　
　　GB50174-2017中规定A级机房的柴发后备储油量不小于12h,日用油箱1m3的储油量已无法满足需求,需在室外合适区域内设置储油罐,为满足抵御火灾蔓延和爆炸的风险一般采用地埋隐蔽式安装;为保护土壤环境目前很多项目已采用双层油罐,地埋式油罐有较好的保温性能,也能有效减少长期储存柴油时的蒸发损失,如图3所示。
　　
　　2.2.2日用油箱
　　
　　数据中心柴油发电机房或室外柴发集装箱内的每台柴发均分别独立设置日用油箱,单个日用油箱间内储存量不大于1m3;日用油箱需配置检修口及磁翻板液位计电平反馈信号。
　　
　　2.2.3 手动阀门/防爆电动阀
　　
　　依据供油系统的四个液位状态传感器的反馈,结合供油系统控制逻辑来判断是否打开或关闭电动阀门;
　　
　　2.2.4 油管管路
　　
　　管路系统按照其功能可分为供油管、回油管、倒油管、进油管和通气管等功能;埋地敷设安装的碳钢管路需保压测试合格并做好防腐措施后采用软质覆土回填;
　　
　　2.2.5 防爆齿轮油泵
　　
　　根据油控系统的需求提供供油、回油的动力需求;
　　
　　2.2.6 自动油路控制系统
　　
　　为油路系统提供动力,包括配电柜、控制柜、电线电缆、线管、桥架等。自动油路控制系统能实现设备启停或阀门开关控制、设备状态监测、漏油检测等,如图4所示。
　　
　　2.2 柴发供油系统自控逻辑部署:
　　
　　2.2.1 对柴发对应编号的日用油箱能进行液位控制:
　　
　　1）日用油箱需设置液位传感器,液位传感器使用磁翻板液位计,具有远传功能,满足实时显示液位功能。液位计可根据需要重新认定低低液位、低液位、高液位和高高液位的位置。
　　
　　2）当液位到达高高液位(溢油口下50mm可调),能现场声光报警及控制中心报警,提醒运维人员;
　　
　　3）当液位达到高液位(溢油口下150mm可调)时,应能关闭对应日用油箱间的所有供油电磁阀;
　　
　　4）当日用油箱的液位达到低液位(高于油箱底600mm可调)时,需开启对应日用油箱中的A路供油电磁阀,当A路故障时,开启B路供油电磁阀;
　　
　　5）当日用油箱的液位达到低低液位（高于油箱底150mm可调）时，现场声光报警及控制中心报警。
　　
　　2.2.2室外油罐的液位控制:
　　
　　1）室外地埋油罐需设置液位传感器,液位传感器使用浸入式液位计,具有远传功能,满足实时显示液位功能。液位计可根据需要重新认定低低液位、低液位、中液位、高液位、高高液位的位置。
　　
　　2）当室外地埋油罐的液位达到低低液位（距油罐底部300mm，可调），现场声光报警及控制中心报警。此时日用油箱供油电动阀与供油泵不启动。
　　
　　3）当室外油罐的液位达到低液位(距油罐底部500mm可调),柴油控制系统和现场声光提醒油量过少应向此储油罐补充柴油,并关闭此油罐所有供油泵;未低液位告警的油罐需不受影响;
　　
　　4）当室外油罐的液位达到高液位,油罐储油量达到预警设置点时的液位(考虑预留回油空间),柴油控制系统和现场声光提醒此油罐已满,应停止向此储油罐补充柴油。
　　
　　5)当室外油罐的液位达到高高液位,油罐储油量达到预警设置点高限时的液位,现场声光报警及控制中心报警。(由回油管上防溢卸油阀控制此时液位)。
　　
　　2.2.3室外供油泵的控制
　　
　　1)每个日用油箱进油管道设有电动阀,油泵与电磁阀设置连锁控制。当A路任意一个电磁阀开启后,连锁开启YG-1油罐的A路供油泵,当此油罐液位到达低液位时,开启YG-2油罐的供油泵;当最后一个日用油箱间内的电磁阀关闭时,连锁关停所有供油泵。如果A路电磁阀开启不成功,自动开启B路电磁阀。
　　
　　2)供油泵需满足现场及远程开启,并反馈故障及状态信号至BA.
　　
　　2.2.4发生消防系统联动,火灾等紧急情况时:
　　
　　1)柴油管路设紧急切断阀,与火灾报警连锁,当柴发区域发生火灾时,紧急切断阀关闭,并切断供油泵电源、同时将供油主管道燃油通过倒油罐门打开,将供油主管道泄入油罐内。
　　
　　2)回油电动阀与消防系统联动,柴发间内火灾报警时,消防系统应发给油路控制系统信号,由油路控制系统打开该柴发集装箱间及相邻柴发集装箱间的回油电动阀(此时回油电磁阀不受日用油箱液位控制)。
　　
　　2.2.5柴发设施内的事故排风控制(火灾自动报警系统完成)
　　
　　柴发设施内设事故排风防爆风机,风机与柴发设施内的油气浓度探测装置连锁,风机应室内外均设置手动开关。
　　
　　2.2.6柴油泄漏探测系统(燃油自控完成)
　　
　　日用油箱下方需设置柴油泄漏探测装置。当燃油主控检测泄漏信号时，发生声光报警并上传，逻辑可设置命令泄漏点的所有进油阀门停止工作。
　　
　　三、三组N台柴发分别独立供油且能增加互相倒油的场景
　　
　　项目背景:某数据中心园区内有3组N台相同功率容量的柴发机组,每组柴发设置一个地埋储油罐,园区内3个储油罐安装位置距离很近,且分别油罐设置独立安装隔间,如图5所示。使用单位提出3个储油罐增加联通管后油池互为备份,应急倒油的需求。
　　
　　倒油操作时的应用场景适用于:
　　
　　单个地埋油罐油量不足且外部加油车无法按时补油时可应急调配其他油罐燃油;
　　
　　其中某个地埋油罐的燃油存放时间即将过期时,可在外市电计划停电检修时调配优先使用临期燃油;
　　
　　多个油罐环网形成一个大系统,容错能力强,其中某个地埋油罐故障时的应急调配处理。
　　
　　3.1园区多个油罐增加相互应急倒油系统图,如图6所示。
　　
　　3.2园区多个油罐增加相互应急倒油系统的框图,见图7所示。
　　
　　3.3三个储油罐之间倒油阀门的操作步骤:
　　
　　油罐间倒油作业建议在油罐未向日用油箱泵油时操作,操作完成所有状态变更的阀门须复位;
　　
　　场景01、1#油罐倒油至2#油罐:
　　
　　1)将编号“1-2”和“2-1”的电动闸阀打开,其它阀门保持其状态不变;
　　
　　2)1#油罐的加油泵与“1-2”电动阀门联动启动泵油,此时燃油从1#油罐泵出至1#系统的加油主管;
　　
　　3)再经过“1-2”电动阀进入到联通主管，最后经过“2-1”电动阀流向2#油罐，完成倒油过程。
　　
　　场景02、1#油罐倒油至3#油罐:
　　
　　1)将编号“1-2”和“3-1”的电动闸阀打开,其它阀门保持其状态不变;
　　
　　2)1#油罐的加油泵与“1-2”电动阀门联动启动泵油,此时燃油从1#油罐泵出至1#系统的加油主管;
　　
　　3)再经过“1-2”电动阀进入到联通主管，最后经过“3-1”电动阀流向3#油罐，完成倒油过程。
　　
　　场景03、2#油罐倒油至1#油罐:
　　
　　1)将编号“2-2”和“1-1”的电动闸阀打开,其它阀门保持其状态不变;
　　
　　2)2#油罐的加油泵与“2-2”电动阀门联动启动泵油,此时燃油从2#油罐泵出至2#系统的加油主管;
　　
　　3)再经过“2-2”电动阀进入到联通主管，最后经过“1-1”电动阀流向1#油罐，完成倒油过程。
　　
　　场景04、2#油罐倒油至3#油罐:
　　
　　1)将编号“2-2”和“3-1”的电动闸阀打开,其它阀门保持其状态不变;
　　
　　2)2#油罐的加油泵与“2-2”电动阀门联动启动泵油,此时燃油从2#油罐泵出至2#系统的加油主管;
　　
　　3)再经过“2-2”电动阀进入到联通主管，然后经过“3-1”电动阀流向3#油罐，完成倒油过程。
　　
　　场景05、3#油罐倒油至1#油罐:
　　
　　1)将编号“3-2”和“1-1”的电动闸阀打开,其它阀门保持其状态不变;
　　
　　2)3#油罐的加油泵与“3-2”电动阀门联动启动泵油,此时燃油从3#油罐泵出至3#系统的加油主管;
　　
　　3)再经过“3-2”电动阀进入到联通主管，然后经过“1-1”电动阀流向1#油罐，完成倒油过程。
　　
　　场景06、3#油罐倒油至2#油罐:
　　
　　1)将编号“3-2”和“2-1”的电动闸阀打开,其它阀门保持其状态不变;
　　
　　2)3#油罐的加油泵与“3-2”电动阀门联动启动泵油,此时燃油从3#油罐泵出至3#系统的加油主管;
　　
　　3)再经过“3-2”电动阀进入到联通主管，然后经过“2-1”电动阀流向2#油罐，完成倒油过程。
　　
　　注意事项:
　　
　　a.油罐间倒油作业建议在油罐未向日用油箱泵油时操作;
　　
　　b.1-2、2-2和3-2电动阀联动开启对应油罐的潜油泵;
　　
　　c.油罐间倒油作业完成后所有变动状态的阀门必须复位;
　　
　　此系统优点:
　　
　　1.每组柴发配置一套内置热备双PLC控制器的油控柜能有效降低建设成本;
　　
　　2.燃油储备充足时,每组柴发的燃油系统分别独立互不影响,安全系数高;
　　
　　3.单个油罐燃油消耗过快且燃油补充不及时则可应急调配其他油罐燃油,安全系数高;
　　
　　4.常规为每套柴发配置一个地埋油罐，但本项目应用了互为备份的倒油系统，可理解为油罐2N配置;
　　
　　四、燃油系统设计与深化的思考:
　　
　　表1为系统调试完成投入运行后的日常运维工作中,需要注意这些问题避免引发运维故障:
　　
　　以上操作内容的细节部署已能满足大部分常规项目的容错和应急保障要求。我们在后续的建设过程中需要提前了解使用单位的最终需求,并结合每个项目自身的特点,在深化设计过程中理解并落实“容错”、“自动控制”、“故障自动识别、自动隔离”等关键要求,以最大化的减少日后二次整改的材料和人力损失。
　　
　　五、结束语
　　
　　以上仅为本人对于燃油系统实际项目应用中的深化部署与理解思考,旨在抛转引玉,在此将从业理解和经验交流来促使大家都能成为项目建设的优秀建设者,在数据中心行业的发展浪潮中,勇立潮头,立足发展自己,成就自己的事业,是我们每一位从业者的执业目标。
　　
　　作者简介
　　
　　彭先技,汇金集团深圳公司数据中心行业资深技术专家、电气架构师、全国电源协会行业专家。先后任职数家国内数据中心行业知名企业、项目选址、设计和建设交付工作,对数据中心全生命周期和建设成本的实际控制卓有成效。擅长分析处理数据中心前期技术方案、建设交付及成本分析的实施和落地工作。
　　
　　编辑：Harris