数据中心低温型冗余控制集装箱电站的设计.pdf

37移动电源与车辆2023年第2 期数据中心低温型穴余控制集装箱电站的设计汤明星，陈传勇（泰豪电源技术有限公司，江西南昌，330 0 2 0）摘要：为了解决低温区域数据中心对集装箱电站备用电源的需求，设计了数据中心低温型亢余控制集装箱电站。结果表明：该电站采用集装箱内保温设计方案，确保机组低温环境下顺利启动；采用双模块余、双PLC穴余及双CAN通讯余控制，满足了数据中心对应急备用电源供电可靠性的要求；油路系统采用PLC自动控制及触摸屏集中监控，实现对整个电站油路系统控制的可视化、智能化。同时，该电站采用尾气黑烟净化方案，实现烟气黑度符合国家排放标准。关键词：低温型；穴余控制；数据中心；集装箱电站Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.02.010中图分类号：TM624文献标志码：A文章编号：10 0 3-42 50（2 0 2 3）0 2-0 0 37-0 61引言随着大型数据中心的快速发展，数据中心备用电源的容量需求越来越大，建设在内蒙古、哈尔滨等低温地域的户外箱式数据中心也越来越多。这对柴油发电机组的低温环境下性能有较高的要求，因为低温环境下会造成柴油发电机组启动困难、热损增加、燃料消耗大、机油粘度大，加大了发动机内部零部件磨损等问题，此外，数据中心用户对供电质量的可靠性、穴余控制及可视化集中监控等方面的需求也越来越高。数据中心低温型穴余控制集装箱电站的设计，该电站集装箱内温度可控制在10 以上，且具有穴余控制功能，能实现对整个电站的动态管理以及控制系统的可视化、智能化，满足机组低温区域使用，提高应急供电系统的稳定及可靠性，避免因应急缺电而影响数据中心运行。2电站设计要求2.1技术参数要求数据中心低温型余控制集装箱电站技术参数见表1。表1电站技术参数机组技术项目单位机组技术参数环境温度-3540机组功率kW1800频率Hz50额定电压V10500额定转速r/min1500功率因数0.8（滞后）2.2电站性能指标要求所选用的柴油发电机组可达到往复式内燃机驱动的交流发电机组（G B/T 2 8 2 0.1-2 0 0 9）中规定的G3等级要求，见表2。表2性能指标参数表技术参数单位性能指标备注频率降%3稳态频率带%0.5+10100%突减瞬态频率偏差%-7突加50%频率恢复时间S3稳态电压偏差%1电压不平衡度%12023年第2 期38与车辆移动电源表2性能指标参数表麦（续）技术参数单位性能指标备注+20100%突减瞬态电压偏差%-15突加50%电压恢复时间S4有功功率分配%+10（2 0%和10 0%标定定额之间）无功功率分配%+10（2 0%和10 0%标定定额之间）烟气林格曼黑度级11米处空载噪声dB(A)883电站设计方案3.1电站结构设计该电站集装箱箱体采用采用13米非标集装箱设计，设计时充分考虑了机组的进、排风要求，结构布局合理，具有防雨、整体噪音低的特点；同时需满足在低温-35环境下，箱内温度需大于等于10，确保机组正常启动。3.1.1集装箱结构布局设计集装箱箱体采用13米非标集装箱，其尺寸具体为130 0 0 mm3200mm3200mm(长宽高),箱内维护空间大、操作便利，箱体采用双层高密度岩棉装修，具有良好的保温效果。机组采用隔板将集装箱分成排风室和机组室，排风室中间布置有阵列式消声阵体，排风出口布置有电动百叶，能够有效防止雨水进入箱内，机组室中间布置有柴油发电机组。考虑到机组运行时，集装箱内部温度较高，散热器采用50 皮驱散热水箱。为保证机组启动的可靠性，机组蓄电池采用4个2 0 0 Ah免维护铅酸蓄电池。同时，考虑到在低温环境下机组需能快速启动，机组配备碳纤维加热器，配合集装箱装修保温，使箱内温度维持在10 以上，并配备强制循环水套加热器，使发动机冷却液的温度维持在32 以上。柴油机、发电机与公共底盘布置橡胶阻尼减震器，能有效缓冲机组运行时产生的振动。发电机组靠近电机侧设有控制柜，该控制柜立于底盘上，箱内开门操作。发电机后端设有接电阻柜。机组室内布置有大容量油箱和磁翻板液位计，同时油箱配备自动补油系统和手动补油系统，实现燃油不足时自动补油功能。机组室顶部布置有大型排气消音系统，排气消声器采用阻抗复合型结构设计，降噪通道采用迁回式布置，能有效降低排气噪声对环境的影响。为使机组更加绿色、环保，消声器后端设有尾气黑烟处理器，降低排气黑烟度。为方便机组正常维护，在靠近发动机处箱体两侧以及油箱旁设有检修门。检修门靠近机组空滤、排空阀，方便机组日常维护工作。同时为使机组能快速进出箱及就位，集装箱底板上设计有具有导向及定位功能的导轨，用于柴油发电机组进出箱，图1为机组外形图。图1机组外形图3.1.2箱体保温设计为使箱内温度在低温环境下保持在相对较高的温度，我们采用“双岩棉保温+碳纤维加热器供热”方式来实现。集装箱箱体四周采用双层高密度岩棉装修，岩棉密度150 kg/m，单层厚度50 mm。该岩棉具有吸音及保温绝热性能好、导热系数低（导热系数低至0.0 41W/mK)）等特点，既能起到良好的吸声效果，降低机组噪音，又能达到不错的保温性能，防止箱内热量流失。集装箱内部还设有碳纤维加热器，该加热器采用铝镁合金机身、碳纤维发热材质、远红外速热技术、M型双倍面积散热片，具有转化效率高（热转化效率9 9%）、升温快、节能、启动迅速、热度均匀、散热面积大等特点，并且该加热器采用智能温控系统，箱内达到设定温度后自动断电保温，加热器在停止工作后还可保持15-25分钟左右自身散热，实现节能保温，当温度与车辆39移动电源2023年第2 期低于设定温度后自动继续工作。此外，为提高极端天气下机组环境的适用性，我们将箱体中的电动百叶设置在固定式百叶后方，根据整体空间布置情况，固定式百叶总深度设置成至少40 0 mm，尽量让电动百叶远离箱外，电动百叶与固定式百叶之间预留150 mm间隙，且进排风固定式百叶片与竖直方向呈45向上夹角，防止雨水进入箱内。在发电机组未启机静止状态时，由于集装箱内采用碳纤维加热器供热以及高密度岩棉保温，箱内温度可维持在10 以上，且配有9 kW大功率温控式强制循环水套加热器用以加热发动机缸体水，缸体水在管路系统中循环可使机体升温，所以即使在极端天气下，发动机也能够正常启机。而在发动机启机后到正常运行状态下，为了避免极端天气情况下机组刚刚启机时，大量冷空气进入箱内而造成箱内温度急剧下降而影响机组正常运行，我们采用百叶片开启角度可调的电动百叶，刚开机时电动百叶开启一定角度但不全开，待机组完全热机且机组表面产生大量辐射热之后，电动百叶再完全开启，以保障机组启机后能够正常运行。在发电机组正常运行状态到停机静止状态时，为确保电动百叶能够顺利关闭，我们在电动百叶与固定式百叶之间预留150 mm间隙，即使进风端固定百叶内侧端面有少量结冰也不会影响电动百叶的关闭。并且，我们将进风电动百叶设置成延时关闭，即排风口处的百叶优先关闭，由于机组运行时排风温度至少达五六十度，所以排风通道不会因结冰影响电动百叶关闭。对于进风侧电动百叶，由于排风百叶优先关闭，而此时机组室内大量辐射热尚未流失，机组箱体进风口处温度也将得以改善，进风口处固定式百叶内侧以及电动百叶结冰现象将大大减小，进风口处电动百叶将得以正常关闭。3.2尾气黑烟净化器选型设计发动机燃烧过程中会产生不少颗粒物（PM），颗粒物（PM）经涡轮增压器排气端、消声器、排气管排放到大气中，会对周围的大气环境造成污染的排放物，造成了污染。为避免颗粒物（PM）对大气环境造成污染，我们采用DPF干式颗粒物捕集器进行尾气处理。该颗粒物捕集器具有空间体积小、安装便捷、运行安全、开机背压小及再生方式简单等特点，且具有一定的降噪消音效果。DPF干式颗粒物捕集器由箱体、金属载体、旁通管道及旁通阀等组成，可有效处理大功率柴油发动机尾气中的颗粒物。DPF干式颗粒物捕集器的箱体材质为SPHCt3.0，中间设置15个金属载体，单个金属载体规格2 9 3mm0155mm，箱体旁设置旁通管道，旁通管道上设有旁通阀。单个2 9 3mm0155mm规格金属载体的滤芯可处理发动机的排量为5-6 L，而查发动机技术参数得知，发动机排量为7 9.9 L，计算出需14-16 个金属载体，所以选用了15个金属载体，如图2 所示。福体棉烟进口烟出口图2黑烟净化结构示意图影响黑烟净化器效率和后期维护的因素主要有两点：滤芯的过滤物材质和滤芯的结构。滤芯的结构如图3所示，主要包括：滤芯两端的焊接方式和滤材的折波深度。金属滤芯采用钎焊工艺精工焊接而成，保障滤芯在使用过程中受高温高压气流冲击几乎不会变形；折波深度达到4.5-5厘米（常规是2-3厘米）。折波设备的水平影响了滤芯的折波深度，折波深度决定了滤芯的吸附能力。精助加酱站构不锈钢情工楼外加高温烧线，锅化滤芯强摩深度新扇站构大我发妆量图3滤芯结构示意图402023年第2 期与车辆移动电源滤芯过滤采用物理过滤的方式，当发动机排放的尾气中黑烟（碳颗粒物）在穿过净化器滤芯时，碳颗粒被拦截下来，从而达到对尾气的过滤，如图4所示。清洗可直接采用水冲洗金属滤芯，冲洗完可重复使用，无需更换。积碳拦截局部放大图排放的尾气在经过金属滤芯后，碳颗合金金属丝压成的金属毡粒被拦截在滤芯上。图4滤芯过滤原理图发动机尾气进入黑烟净化器箱体后，从滤芯表面进入合金金属滤芯，碳颗粒物被拦截在滤芯表面，过滤后的气体从滤芯单元中心流出，进入到后方气体导流槽，随后排出，达到发动机尾气中颗粒物的治理条件。经过处理后，排烟气流中烟气黑度达到林格曼黑度1级以下，烟气黑度符合国家排放标准5 3.3电站电控系统设计电站电控系统设计包仑双模块余控制设计、双PLC余控制设计、双CAN通讯穴余控制设计及油路系统自动控制及监控设计，并机系统采用双模块穴余控制设计及双PLC穴余控制设计方案，有效提高了机组供电的可靠性；采用双CAN通讯穴余控制设计，当机组出现通讯单点故障时，保证双路市电断电后，14台机组能够自动并机输出，保证供电的可靠性。此外，该电站采样油路系统自动控制及监控的方式，实现对整个电站配电系统的动态管理以及控制系统的可视化、智能化。3.3.1双模块穴余控制设计亢余控制器是一种热备份的应用，防止系统崩溃导致机组无法正常工作停机。当主控制器出现故障的时候，备份控制器可以无缝的接替主用控制器当前的工作状态，确保控制系统供电的高可靠性 。两套模块均能实现自动启动和自动并机，既可独立运行，且是在线余热备，在主控制系统故障后会自动切换到备用控制系统，两套均可实现自启动和自动并机功能，不会因一台并机控制器故障影响整体并机功能。其实现方式如图5所示：主用控制器备用控制器AGC242AGC242Siaos.relay1166Status.rolay2V2XDigttalinputs团团CotorCOBEOTReley20202*24WX图5控制器主备切换接线图3.3.2双PLC穴余控制设计并机主控系统PLC检测到市电失压信号时，经过PLC内部控制逻辑，将起机命令输出给遥控启/停中间继电器，发电机组控制器执行起机任务；当多台机组并机成功且输出柜合闸条件满足后，并机主控系统PLC执行输出柜合闸指令，实现电力输送至用户功能。在并机主控系统PLC1故障的情况下，如PLC1供电断路器跳闸、内部短路、通讯线中断等，工作人员需要去检修并解除并机主控PLC1系统的故障后，才能上电重新启动。在此情况下，柴油发电机组采用2 套并机主控PLC穴余控制。在2 套并机主控PLC穴余的情况下，柴油发电机组接收到市电失压信号时，不会因并机主控系统PLC1故障无法将起机指令输出至控制器，而是进行2 套并机主控PLC的自动切换，同时2 套并机主控PLC控制程序进行电气逻辑互锁。在启机过程中，2 套并机主控PLC都故障的情况下，控制器才无法接收到并机主控系统发出的启机命令，柴油发电机机组起机失败。两套并机主控PLC的自动切换，减小柴油发电机组启动失败/电力输送失败故障停机的概率，提高供电系统稳定性 2 。2.3.3双CAN通讯余控制设计本项目配置丹控AGC242模块，模块有CANA和CANB两路CAN通讯，为了解决CAN通讯单点故障，需要CANA和CANB两路CAN通讯同时41与车辆移动电源2023年第2 期在线工作，实现任意一路CAN通讯出现故障，另外一路CAN通讯能够无缝接入如图6 所示，保证多台机组并机带负载的正常运行；要实现CAN通讯穴余，除了需要两路CAN的硬接线，由于CAN通讯距离不能超过2 0 0 米，需要通过增加光电转换器实现CAN正常通讯，同时需要刷写双CAN固件，才能实现CAN通讯允余 4。C1G2G7G8G13G14AGC242AC242AGC242AGC242ACC242AGC242LCANACANBCANACANBCANACANBCANACANBCANACANBCANACANB图6机组双CAN通讯链路图3.3.4油路系统控制及监控方案每台集装箱型柴油发电机组配置日用油箱，日用油箱设远程4-2 0 mA磁翻板液位计，通过光柱仪接收磁翻板液位计4-2 0 mA信号，同时输出开关量高高、高、低、低低液位报警信号，日用油箱设置A路和B路两个供油电动球阀，1个卸油电动球阀；14台机组日用油箱通过2 个油罐供油，每个油罐有A路和B路两个油泵；正常情况下是一层7 台机组任意一个日用油箱低液位时，优先打开A路供油电动球阀，同时联动1#油罐的A路供油泵工作，当A路供油电动球阀故障后，自动打开B路供油电动球阀，同时联动B路供油泵工作；二层7 台机组任意一个日用油箱低液位时，优先打开A路供油电动球阀，同时联动2#油罐的A路供油泵工作，当A路供油电动球阀故障后，自动打开B路供油电动球阀，同时联动B路供油泵工作；当1#油罐低液位时，通过PLC控制停止1#油罐的两个油泵工作，然后手动打开两个油罐的常闭球阀，确认常闭球阀手动打开后，将燃油系统主控柜上的油罐切换旋钮由1#油罐切换到2#油罐，此时PLC控制2#油罐的油泵给一层7 台机组日用油箱供油。机组布置于钢架平台上，可分两层布置，一层7台集装箱型柴油发电机组，二层7 台集装箱型柴油发电机组，图7 是14台机组的油路系统图。老区DN65DN65Db65DN65DN65DN65DN65DN65DN55DH55DN65DN65N80DNBODN65A(DNB5)DN65DN65PNG5DN65DN65DN&2ON65DN62DN65DNBUDNBODN8UDNBON8ODNBOR9(ONB8)DN65DN65DN65DN66DN65SA(DN65)图7机组油路系统图触摸屏具备油罐、日用油箱液位报警和显示功能，具备潜油泵、电动阀状态监测和警告功能，同时通过触摸屏可以在半自动状态强制控制油泵和电动球阀的启动和停止；另外燃油系统提供RS485通信接口和协议给动环监控系统，可在远端值班室实现所有监控 3，如图8 所示。油路主控系统N户&ABCD图：油路系统监控界面4结语此次研发设计的数据中心低温型穴余控制集装箱电站主要为低温区域数据中心提供安全、稳定、可靠的备用电源。经现场带载测试验证：该电站各项技术性能指标均达到或优于设计指标。研发设计本产品投入市场，可以为数据中心等用户提供具有保温功能、穴余控制功能以及动态智能控制功能的集装箱电站，解决内蒙古、哈尔滨等-35低温地域数据中心10.5kV备用电源供电问题，同时提高供电系统的稳定及可靠性，避免因应急缺电而影响数据中心运行。（上接第6 0 页）.-.-422023年第2 期与车辆移动电源参考文献：1 齐爽控制器双几余设计与实现J自动化技术.2 0 16，（0 2），6 9.2 戴斌数据中心柴油发电机组并机主控穴余监控系统的设计J】移动电源与车辆。2 0 2 2，53（0 2）2 2-2 6.3 陈剑.新能源发电的远程集中监控系统设计 J.电子技术2 0 2 2，51（11），2 9 6-2 9 7.4王海平双余CAN总线在船舶通信中的可靠性分析】中国新通信2 0 15，17（0 9），12 1.5江.浅谈柴油发动机尾气排放与控制技术 J.内燃机与配件：22），41-42.作者简介：汤明星（19 8 7 一），男，工程师，研究方向：柴油发电机组设计。Design of Low Temperature Redundant Control Container PowerStation in Data CenterTANG Ming-xing,CHEN Chuan-yong(Tellhow Power Technology Co.,Ltd,Nanchang 330020,Jiangxi,China)Abstract:In order to meet the demand of the data center in the low temperature area for the standby power supply of thecontainer power station,the low temperature redundant control container power station in the data center is designed.The resultsshow that the thermal insulation design scheme in the container is adopted to ensure the smooth start of the unit under lowtemperature environment;The power station adopts dual module redundancy,dual PLC redundancy and dual CAN communicationredundancy,which meets the requirements for the reliability of emergency standby power supply in the data center;The oil systemadopts PLC automatic control and touch screen centralized monitoring to realize the visualization and intelligence of the entire powerstation oil system control.At the same time,the power station adopts the tail gas black smoke purification scheme to achieve that thesmoke blackness meets the national emission standards.Keywords:low temperature type,Redundancy control,Data center,Container power station压较高时，最好选用直径较粗的单股单芯硬铜线，短接触碰容易产生火花，还要注意安全操作。野外条件下，如何快速高效的排除故障，是装备维修保障人员不断努力的方向，这就要求我们平时不仅要积累经验，总结规律，还要能够举一反三，不断提高自身的维修保障能力。作者简介：丁朋（19 8 6-），男、安徽蒙城人，讲师、硕士研究生，主要从事发电与供电专业的教学与科研工作。Use Fly Wire skillfully to Troubleshoot Power StationDING Peng,ZHANG Ling,LI Wei,LIANGYu(Ordnance NCO academy,Army Engineering University of PLA,Wuhan430075,China)Abstract:In this paper,we introduce the application of fly wire in power station troubleshooting by case.Through describingthe fault phenomena,analyzing the cause of the problem,making diagnostic thinking and eliminating the fault,the advantages ofusing fly wire for the battlefield emergency repair of power station are demonstrated,and the needing attention are summarized,inorder to provide an idea for equipment maintenance support staff.Keywords:fly wire,power station malfunction,analysis and eliminate,battlefield emergency repair