華 攸，陳傳勇

（泰豪電源技術(shù)有限公司，江西 南昌 330020）

0 引 言

近年來(lái)，政府的發(fā)展計(jì)劃中經(jīng)常提到“新基建”概念，其中“新基建”七大領(lǐng)域中的大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)便是重點(diǎn)領(lǐng)域，并且隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)的大力發(fā)展，將來(lái)在很多地區(qū)都將有很大的發(fā)展空間。我國(guó)地幅遼闊，海拔超過(guò)1 000 m的高原地區(qū)便占全國(guó)陸地的58%，并且高原地區(qū)地廣人稀，有較大的空間用于數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，將來(lái)數(shù)據(jù)中心在高原地區(qū)建設(shè)有較大發(fā)展空間，但高原地區(qū)低壓、低溫、空氣稀薄等惡劣環(huán)境因素將導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備實(shí)際使用條件和原設(shè)計(jì)條件產(chǎn)生較大差異，致使機(jī)電設(shè)備的性能和可靠性下降。因此，研究高原地區(qū)高壓柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)具有重要意義。

柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源是保證數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行至關(guān)重要的機(jī)電設(shè)備，而高壓機(jī)組具有電流小、線(xiàn)路損耗低、抗諧波能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于大容量并機(jī)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代大型數(shù)據(jù)中心[1-3]。因此，本文分析了數(shù)據(jù)中心用高壓柴油發(fā)電機(jī)組的性能要求及高原地區(qū)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的性能影響，并結(jié)合中國(guó)移動(dòng)西藏拉薩數(shù)據(jù)中心2 000 kW機(jī)組實(shí)際工程項(xiàng)目，提出一系列解決方案，對(duì)高原地區(qū)數(shù)據(jù)中心高壓柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了介紹。

1 數(shù)據(jù)中心高壓柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)要求

1.1 數(shù)據(jù)中心高壓柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)要求

數(shù)據(jù)中心用高壓柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)中心用高壓柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

1.2 高原對(duì)數(shù)據(jù)中心高壓柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)性能指標(biāo)要求

數(shù)據(jù)中心中的重要負(fù)載類(lèi)型主要是IT負(fù)載，而且數(shù)據(jù)中心建設(shè)在平均海拔3 600 m的高原地區(qū)，因此所選用的柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)達(dá)到《特殊環(huán)境 高原對(duì)內(nèi)燃機(jī)電站的要求》（GB/T 21426—2008）中規(guī)定的G3等級(jí)要求，本次設(shè)計(jì)的高原地區(qū)數(shù)據(jù)中心高壓柴油發(fā)電機(jī)組主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 高原地區(qū)數(shù)據(jù)中心高壓柴油發(fā)電機(jī)組性能指標(biāo)

2 高原地區(qū)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的影響

高原地區(qū)海拔比較高，空氣比較稀薄導(dǎo)致含氧量少，氣壓降低，沸點(diǎn)降低。另外，高原地區(qū)接受太陽(yáng)輻射多，日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大，紫外線(xiàn)輻射強(qiáng)，還伴隨著干旱、沙塵風(fēng)暴等惡劣氣候，對(duì)發(fā)電機(jī)組性能有較大影響。

（1）動(dòng)力性能：高海拔地區(qū)的大氣壓隨著海拔的升高逐漸降低，大氣壓力下降導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的充氣密度降低，導(dǎo)致燃燒不完全使燃燒過(guò)程惡化，從而使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放提升，進(jìn)而使動(dòng)力性能下降。

（2）啟動(dòng)性能：隨著海拔升高，環(huán)境溫度也會(huì)逐漸降低，尤其在冬季以及晚上的時(shí)候。氣溫降低，蓄電池容量下降，放電率下降，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組在冷機(jī)狀態(tài)下無(wú)法正常啟動(dòng)，大大降低了機(jī)組的可靠性。

（3）冷卻、散熱性能：海拔升高，氣壓降低，冷卻液的沸點(diǎn)降低，將影響水箱的散熱能力，容易引起機(jī)組高水溫報(bào)警停機(jī)，影響機(jī)組帶負(fù)荷能力和可靠性。

（4）設(shè)備耐壓及老化：高原地區(qū)空氣稀薄，設(shè)備絕緣耐壓需要提高?？諝庀”?dǎo)致云層穿透力強(qiáng)，太陽(yáng)輻射較平原地區(qū)強(qiáng)烈，再加上晝夜溫差大，容易使橡膠管路及密封件老化失效[1]。

3 高原地區(qū)數(shù)據(jù)中心高壓柴油發(fā)電機(jī)組方案設(shè)計(jì)

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要由4臺(tái)高壓發(fā)電機(jī)組組成，單臺(tái)發(fā)電機(jī)組主要由發(fā)動(dòng)機(jī)（德國(guó)MTU進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)）、發(fā)電機(jī)（馬拉松MXH系列高壓發(fā)電機(jī)）、水箱、聯(lián)軸器、底盤(pán)、排氣系統(tǒng)、控制屏、高壓柜和蓄電池等組成。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連接發(fā)電機(jī)，再通過(guò)減震器安裝在底盤(pán)上，其中發(fā)動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)燃燒柴油使曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)觸摸屏進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。本項(xiàng)目機(jī)組整體布置圖如圖1所示。

圖1 機(jī)組整體布置圖

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的工作運(yùn)行流程：自動(dòng)模式下，當(dāng)外部市電故障，通過(guò)外部提供失壓（遙控啟停）信號(hào)控制4臺(tái)機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)，發(fā)電電壓和頻率先達(dá)到額定值的機(jī)組出口開(kāi)關(guān)先合閘，其他機(jī)組通過(guò)模塊調(diào)節(jié)發(fā)電電壓和頻率，與母排電壓達(dá)到同步后，出口開(kāi)關(guān)依次自動(dòng)同步合閘，當(dāng)4臺(tái)機(jī)組并機(jī)成功后，通過(guò)外部控制饋線(xiàn)柜合閘帶負(fù)載運(yùn)行，4臺(tái)機(jī)組可以根據(jù)外部負(fù)載的大小啟停機(jī)組。原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

3.2 機(jī)組高原功率計(jì)算方案

本項(xiàng)目選用的MTU發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：16V4000G84F，水箱散熱器消耗功率：75 kW。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的海拔高度、進(jìn)氣溫度、增壓空氣冷卻液溫度、進(jìn)氣負(fù)壓、排氣背壓等參數(shù)通過(guò)MTU專(zhuān)用軟件計(jì)算降容后的功率修正值，發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算修正后功率見(jiàn)圖3。

圖3 MTU發(fā)動(dòng)機(jī)修正說(shuō)明

經(jīng)查閱發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)單，發(fā)電機(jī)的效率：96.3%。

從圖4可以看出，最高環(huán)境溫度30 ℃時(shí)，功率降8%左右，故發(fā)電機(jī)計(jì)算修正后功率約2 000×92%≈1 840 kW。

圖4 馬拉松電機(jī)修正曲線(xiàn)

機(jī)組功率：P=(P修正-P散熱器)×η發(fā)電機(jī)效率=（1 990 kW-75 kW）×96.3%=1 844 kW，

根據(jù)比較結(jié)果，理論計(jì)算的機(jī)組輸出功率Pe≈1 840 kW。

3.3 預(yù)潤(rùn)滑油泵間隔定時(shí)控制方案

由于在高海拔地區(qū)，氣溫低，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)機(jī)油流動(dòng)性差，為了保證柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更好的運(yùn)轉(zhuǎn)，減少摩擦阻力和磨損，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損耗，同時(shí)在潤(rùn)滑系統(tǒng)不斷循環(huán)帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，需要通過(guò)預(yù)潤(rùn)滑油泵給發(fā)動(dòng)機(jī)泵機(jī)油用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)部的預(yù)潤(rùn)滑，這樣避免磨損可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

由于本項(xiàng)目用于高原環(huán)境下的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，預(yù)潤(rùn)滑油泵是交流泵，只有外部市電失電的情況下才會(huì)啟用柴油發(fā)電機(jī)組，這就需要預(yù)潤(rùn)滑油泵在有外部交流電源的情況下間隔工作。本項(xiàng)目選用的MTU發(fā)動(dòng)機(jī)要求預(yù)潤(rùn)滑油泵每隔30 min間隔泵100 s柴油，可以通過(guò)模塊內(nèi)部PLC編程實(shí)現(xiàn)每隔30 min間隔控制預(yù)潤(rùn)滑油泵運(yùn)行100 s，方案如圖5所示。

圖5 間隔預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)時(shí)間與壓力曲線(xiàn)

3.4 高原環(huán)境機(jī)組啟動(dòng)方案

高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)的主要影響是高原環(huán)境中的高海拔空氣稀少，環(huán)境溫度低，無(wú)法達(dá)到理想的高溫高壓，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)霧化不良。燃料和空氣不足共同導(dǎo)致燃燒不良，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)性能差和冷啟動(dòng)困難。為解決高原啟動(dòng)困難問(wèn)題，項(xiàng)目采取以下措施：

（1）由于空氣稀薄密度低，從柴油機(jī)吸入的空氣量減少，含氧量低，導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒不充分。通過(guò)高原應(yīng)用的專(zhuān)用運(yùn)行軟件調(diào)整啟動(dòng)時(shí)的噴油量，在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)減少?lài)娪土?，達(dá)到合適的柴油與空氣比，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能；

（2）采用燃油加壓泵以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能，降低啟動(dòng)時(shí)的損耗及相應(yīng)的熱負(fù)荷（因高原環(huán)境大氣壓不足，需要通過(guò)燃油加壓泵給低壓油路額外增加壓力，提高噴油壓力使燃油霧化效果提升，空氣充分結(jié)合，提升著火能力；

（3）改善柴油機(jī)冷啟動(dòng)性能，柴油發(fā)電機(jī)組需加裝缸套水和中冷水加熱器，在啟動(dòng)機(jī)組前，缸體內(nèi)的冷卻液通過(guò)水套加熱器加熱，避免冷卻液由于溫度低而無(wú)法啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。

3.5 高原環(huán)境冷卻系統(tǒng)散熱方案

由于高原環(huán)境中冷空氣的風(fēng)壓降低，空氣稀薄，可能降低柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)的散熱能力，因此本項(xiàng)目散熱系統(tǒng)采用散熱面積大的高原型水箱。高原水箱的設(shè)計(jì)需要考慮多方面的因素：散熱量、散熱器材料、進(jìn)出口溫度差、進(jìn)出口壓力損失、透氣管/補(bǔ)充水管、水位傳感器位置等。

改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱。通過(guò)選用高強(qiáng)度全銅散熱器，散熱風(fēng)扇葉片作適當(dāng)調(diào)整并增大散熱水箱的散熱面積從而使散熱能力提高。還可以增大水箱散熱器壓力蓋的壓力，提高冷卻液的沸點(diǎn)。通過(guò)以上方式，可合理調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡，讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)。為了避免散熱器中的冷卻液在100 ℃以下蒸發(fā)，散熱器的加水口處的閥蓋的開(kāi)啟壓力需根據(jù)海拔高度設(shè)計(jì)，以提高冷卻液的沸點(diǎn)，提高沸點(diǎn)可以減少水的流動(dòng)，從而減少局部過(guò)熱和泵的汽蝕。

3.6 蓄電池的低溫冷啟動(dòng)技術(shù)方案

由于低溫環(huán)境蓄電池容量下降，啟動(dòng)困難，需要通過(guò)選用合適容量的蓄電池、蓄電池加熱帶給蓄電池加熱的方式，確保高原低溫環(huán)境機(jī)組的正常啟動(dòng)，啟動(dòng)電池容量計(jì)算如下。

由MTU柴油發(fā)動(dòng)機(jī)16V4000G84F原產(chǎn)資料如圖6所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)原廠啟動(dòng)馬達(dá)數(shù)據(jù)

由圖6可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)馬達(dá)功率為15 kW，額定啟動(dòng)電壓為DC 24 V；根據(jù)如下公式：

式中，Pe為啟動(dòng)馬達(dá)功率Ue為啟動(dòng)馬額定電壓；Ie為啟動(dòng)馬達(dá)額定電流。

計(jì)算得出該發(fā)動(dòng)機(jī)額定啟動(dòng)電流約為Ie=Pe/Ue=15 000/24=625 A?？紤]到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)處在最?lèi)毫訔l件下的正常啟動(dòng)，設(shè)定蓄電池供電電流為2.5倍額定啟動(dòng)電流，即：I=2.5×Ie=625×2.5=1 562.5 A；提供的鉛酸免維護(hù)蓄電池：6-QW-200，該款電池的放電電流為1 000 A。

發(fā)電機(jī)組用高能納米蓄電池技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 瓦爾塔蓄電池技術(shù)參數(shù)表

因此，選用4塊蓄電池兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)的設(shè)計(jì)方案，該方案可提供24 V的電壓，2 000 A的電流（＞1 562.5 A），可充分滿(mǎn)足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)[4,5]。

4 結(jié) 論

此次研發(fā)設(shè)計(jì)的高原型數(shù)據(jù)中心用高壓柴油發(fā)電機(jī)組能夠在海拔高度≤3 600 m、環(huán)境溫度-20 ℃～+30 ℃、空氣相對(duì)濕度≤60%的環(huán)境下，為數(shù)據(jù)中心提供容量大、可靠性高、安全性好的高原型高壓柴油發(fā)電機(jī)組，滿(mǎn)足高原地區(qū)數(shù)據(jù)中心發(fā)展的需求。該機(jī)組采用科邁高級(jí)智能控制系統(tǒng)，可精密采集并顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)及完善的故障顯示保護(hù)等功能，大大提高了機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)開(kāi)機(jī)/停機(jī)、快速并機(jī)、功率管理及負(fù)載分配等功能。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)帶載測(cè)試，結(jié)果表明：該機(jī)組各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)時(shí)要求的指標(biāo)。