發電機組最優并機切換點研究

蔡樹國，賈 駿

（中國泰爾實驗室，北京 100091）

0 引 言

在數據中心供電設施設計中，UPS、開關電源等設備最高效率點大概在50%負載[1]。考慮到冗余和休眠要求，使用中能夠保證設備運行在最高效率區附近。發電機組在設計中也采用了相同思路，但配置和使用時往往只考慮容量問題，忽略了工作區間是否在發電機組的最高效率區，導致可能出現“高能低效”的結果。

同時，推進綠色數據中心的進程中重點關注了供配電中的主要基礎設備，卻忽略了備用發電部分的節能降耗。對于并聯發電機組，隨著負載的增加，機組并聯數量也會增加。目前，并機策略是自動檢測機組輸出功率大小，并根據負載率控制投入運行機組的數量，而該切換點的選取合理性會影響整個并聯系統的工作效率和可靠性。因此，需要根據機組特性研究發電機組最佳運行工況，這對數據中心提高效率、降低能耗具有重要作用。

1 發電機組最高效率區研究

研究發電機組最高效率區，歸根結底需要研究發動機的最高效率區，與此相關的是發動機性能特性中的負荷特性[2]。它是指當發動機轉速一定時，經濟性指標的燃油消耗量隨發動機負荷變化的關系。利用這一變化曲線（如圖1所示），可最全面地確定發動機在各種負荷時的經濟性。因此，對負荷可以在很大范圍內改變而轉速基本維持不變的固定式發動機（如發電機組用發動機）具有特殊意義。

圖1 發動機負荷特性曲線（定轉速）

根據圖1負荷特性曲線的特征，在低負載率時發動機油耗最大，但隨著負載率的增大，油耗逐漸減少直至最低點，繼續增大負荷，油耗又會開始上升，曲線呈現一條內凹拋物線形狀。因此，從曲線形狀可以分析哪一部分負荷區域是最經濟的，也是能夠保持發電機組最節能運行的區域。

2 發電機組最優并機切換點

多臺柴油發電機組并聯供電是一種節約成本、提高供電容量的措施。通過并聯可將幾臺發電機組并成一個電網，組成一個強大的儲備電力系統，提高系統的供電可靠性和供電質量，實現不間斷保障電力供應，延長發電機組的使用壽命。因此，數據中心一般采用多臺機組并聯供電方式，而不是一味增大單臺機組容量[3]。

并聯發電機組可以根據負載的大小決定并聯幾臺機組，從而達到節省柴油、降低發電機組成本的目的。特別是隨著經濟的不斷發展，能源越來越緊張，節省燃油已經變得相當重要。

以某型號發電機組為例，表1為其不同負載率下的燃油消耗率。

表1 發電機組燃油消耗率實測值

根據實測燃油消耗率繪制發電機組燃油消耗率與負載率關系圖，如圖2所示。由圖2可知，機組燃油消耗率呈先降后升趨勢，在80%負載率左右燃油消耗率最低。

通過燃油消耗率曲線獲取擬合公式，得到多項式：

根據式（1）探討多臺機組并機時負載率切換點。假設當n臺并機時負載率為η，總負載不變時切換至n+1并機時負載率為則兩者關系為[4]：

圖2 發電機組燃油消耗率與負載率關系

由式（1）和式（2）可知，在負載率為η時增加1臺機組并機，增加的燃油消耗率Δge為[4]：

根據式（3）得到不同負載率切換點和不同并機臺數時由于增加1臺機組導致的油耗增加量，如圖3所示。

由圖3可知，在接近85%負載率時，增加1臺機組產生的燃油消耗率增加量比單臺機組的燃油消耗率要低。因此，設置該負載率作為臨界點燃油經濟性較好，可實現節能降耗的目的。

發電機組長期低負荷運行和長期過高負荷運行都會有損機械結構[5]。在80%負載率附近運行既可以保證發電機組不超載運行，也能夠保證發電機組不會長期低負荷運行，從而延長柴油發電機組的使用壽命。同時，發電機組在80%負載率左右燃油消耗率最低，運行效率最高。

因此，對于該型號發電機組設置并聯切換點在80%～85%負載率，既可在較高的效率下運行，經濟性較好，也可保證留有適當的裕量。其他型號發電機組油耗特性基本符合該特性，依據此方法能夠計算出最優的并聯切換點。

3 結 論

本文對發電機組的燃油經濟性進行了研究，并根據數據中心實際運行過程中發電機組并機策略進行研究，獲取不同負載率切換點時的燃油經濟性，通過數據比對提出了并聯發電機組工作的最優切換點。

圖3 發電機組燃油消耗率增加與切換點關系