數(shù)據(jù)中心后備燃油供給系統(tǒng)的探討

徐 飛，鄭發(fā)秀，朱昕宇，馮 輝

（中移（杭州）信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)以及5G等科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，ICT業(yè)務(wù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。近些年，隨著國(guó)家新基建概念的提出，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，對(duì)供電不可用度的敏感度越來越高。目前，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)配套設(shè)施的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、建設(shè)施工以及運(yùn)行維護(hù)日漸專業(yè)化，供配電系統(tǒng)及供冷系統(tǒng)的冗余和備份等也深入人心。然而，一些領(lǐng)域缺少系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)建設(shè)方案，數(shù)據(jù)中心燃油供給系統(tǒng)就是其中之一。

結(jié)合當(dāng)前行業(yè)現(xiàn)狀，從源頭設(shè)計(jì)、工程建設(shè)以及運(yùn)行維護(hù)等多角度綜合思考，設(shè)計(jì)建設(shè)了一個(gè)安全、穩(wěn)定以及高效的數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組燃油供給系統(tǒng)，為后續(xù)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行維護(hù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，可確保及時(shí)有效地供給燃油，保障關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)電機(jī)組供油不間斷，數(shù)據(jù)中心設(shè)備供電不間斷。

1 燃油供給系統(tǒng)組成

目前，數(shù)據(jù)中心機(jī)樓的供電基本架構(gòu)一般由兩路不同路的10 kV高壓市電加柴油發(fā)電機(jī)組作為后備電源保障。柴油發(fā)電機(jī)是數(shù)據(jù)中心供電的最后一道保障，燃油供給系統(tǒng)是保障柴發(fā)機(jī)組及時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一個(gè)穩(wěn)定、可靠的燃油供給系統(tǒng)，能在長(zhǎng)時(shí)間停電情況下為發(fā)電機(jī)組提供及時(shí)有效的燃油，確保機(jī)房設(shè)備供電不間斷。

燃油供給系統(tǒng)的主要設(shè)備包括儲(chǔ)油罐、供油泵、回油泵、各種閥門、燃油過濾器、日用油箱、PLC控制柜、電源柜、傳感器以及磁翻板液位計(jì)等。燃油供給系統(tǒng)主要由主體架構(gòu)、自動(dòng)控制以及供配電3大部分組成。主體架構(gòu)為燃油系統(tǒng)的主要軀干，通過管道對(duì)儲(chǔ)油罐、日用油箱以及發(fā)電機(jī)組進(jìn)行合理連接，并在管道上加裝油泵和閥門等各種控制裝置，形成一個(gè)穩(wěn)定、高效且安全的供油系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)是整個(gè)燃油供給系統(tǒng)的大腦中樞，包括各種傳感器和信號(hào)監(jiān)測(cè)，通過PLC利用既定的自動(dòng)控制邏輯監(jiān)測(cè)并控制整個(gè)燃油供給過程。供配電是系統(tǒng)中控制裝置和PLC等用電設(shè)備的能量來源。

2 燃油供給系統(tǒng)架構(gòu)

國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心一般采用地埋式儲(chǔ)油罐。國(guó)標(biāo)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中，直埋地下的臥式柴油儲(chǔ)罐需滿足建筑物和園區(qū)道路間的最小防火間距，柴油發(fā)電機(jī)的燃油存儲(chǔ)量需滿足相應(yīng)等級(jí)數(shù)據(jù)中心的用油量，國(guó)標(biāo)A級(jí)數(shù)據(jù)中心需滿足12 h的后備用油量[1]。良好的設(shè)計(jì)方案是保證后備燃油存儲(chǔ)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵源頭。結(jié)合數(shù)據(jù)中心的實(shí)際設(shè)計(jì)與建設(shè)，從主體架構(gòu)、自控邏輯、監(jiān)控以及供電配置等方面，對(duì)數(shù)據(jù)中心的燃油供給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

通過實(shí)踐研究，需將2N雙備份設(shè)計(jì)理念貫穿全系統(tǒng)每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。從儲(chǔ)油罐、管道、日用油箱、供回油泵、PLC控制柜、地埋儲(chǔ)油罐日常加油口以及日用油箱應(yīng)急加油口，到PLC控制柜、油泵及電動(dòng)閥等用電設(shè)備，均要以雙備份思路進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)[2]。

2.1 主體架構(gòu)

燃油供給系統(tǒng)的主體架構(gòu)包括儲(chǔ)油罐、日用油箱、管道、供回油泵以及閥門等常見設(shè)備。燃油系統(tǒng)主體架構(gòu)在設(shè)計(jì)圖紙定稿后一錘定音，建設(shè)完成后的改造難度和成本巨大。因此，主體架構(gòu)應(yīng)以安全、穩(wěn)定、可靠以及高效等為基礎(chǔ)，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮后續(xù)運(yùn)行維護(hù)的便利性和經(jīng)濟(jì)性[3]。

主體架構(gòu)2N雙備份是對(duì)管道的合理設(shè)計(jì)。主要思路為兩個(gè)相同容積的罐體，分別為數(shù)據(jù)中心一半數(shù)量柴油發(fā)電機(jī)所對(duì)應(yīng)的日用油箱供油，從儲(chǔ)油罐到每個(gè)日用油箱，設(shè)置兩路供油管道，在兩個(gè)儲(chǔ)油罐間設(shè)置兩路旁通管道形成互為備份，使供油管道和儲(chǔ)油罐達(dá)到2N設(shè)計(jì)效果。主體架構(gòu)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 燃油供給系統(tǒng)主體架構(gòu)框圖

圖1中管道標(biāo)識(shí)及作用如下。1號(hào)為主加油管，主要用于日常加油車給地下儲(chǔ)油罐加油。2號(hào)為主回油管，日用油箱加油超過臨界值時(shí)，燃油從5號(hào)溢流管溢出匯流至主回油管。日常檢修、應(yīng)急情況時(shí)，通過8號(hào)快速回油管緊急回油匯流到主回油管直至地下儲(chǔ)油罐。3號(hào)為供油管，連至各個(gè)日用油箱加油主管道，與4號(hào)供油管互為備用。4號(hào)為供油管，連至各個(gè)日用油箱加油主管道，與3號(hào)供油管互為備用。5號(hào)為溢流管，當(dāng)日用油箱加油超過臨界值時(shí)，通過溢流管溢出匯流至2號(hào)主回油管。6號(hào)為油機(jī)回油管，油機(jī)啟動(dòng)發(fā)電時(shí)燃油循環(huán)回流至日用油箱。7號(hào)為連至油機(jī)加油管，油機(jī)啟動(dòng)發(fā)電，日用油箱提供燃油管道。8號(hào)為快速回油管，當(dāng)故障、檢修以及火災(zāi)等緊急情況時(shí)，通過回油泵快速把燃油抽回匯流到2號(hào)主回油管，直至地下儲(chǔ)油罐。9號(hào)為應(yīng)急加油管，當(dāng)?shù)叵聝?chǔ)油罐或儲(chǔ)油罐至日用油箱間的管道，全部故障或控制系統(tǒng)故障無法供油時(shí)，通過應(yīng)急加油管道燃油直接加到日用油箱。10號(hào)為旁通管，使供油管道和儲(chǔ)油罐形成互為備份，其中一個(gè)油罐故障時(shí)，通過切換閥門另一個(gè)油罐承擔(dān)起故障側(cè)油機(jī)的燃油供給，避免供油中斷。

2.2 儲(chǔ)油罐及相關(guān)器件

儲(chǔ)油罐罐體的建設(shè)一般根據(jù)國(guó)標(biāo)《小型立、臥式油罐圖集》要求，結(jié)合工程實(shí)際需求進(jìn)行深化設(shè)計(jì)[4]。地埋臥式儲(chǔ)油罐進(jìn)出管道及相關(guān)器件設(shè)計(jì)詳圖如圖2所示。

圖2 地埋臥式儲(chǔ)油罐進(jìn)出管道及相關(guān)器件設(shè)計(jì)詳圖

圖2中管道及相關(guān)器件標(biāo)識(shí)及作用如下。1號(hào)為日常快速加油口，設(shè)置兩個(gè)不同口徑的常用加油口，便于日常不同容量燃油運(yùn)輸車的加油工作。主加油管在儲(chǔ)油罐底部加一個(gè)彎頭，防止后期加油時(shí)沖擊底部沉淀物污染油品，從而損傷堵塞管道、閥門等器件。2號(hào)為燃油過濾器，加油過程中過濾雜質(zhì)。3號(hào)為油表，計(jì)量加油量，便于運(yùn)維工作。4號(hào)為阻火通氣罩，防止外部火焰竄入罐體內(nèi)或阻止火焰罐體內(nèi)蔓延。5號(hào)為快速吸油口，快速及時(shí)地把地下儲(chǔ)油罐內(nèi)的燃油吸出，便于罐體的維護(hù)和維修，同時(shí)底部設(shè)計(jì)止回閥，防止吸出燃油回流。6號(hào)為液位計(jì)，采用投入式磁翻板或磁浮球液位計(jì)，實(shí)時(shí)計(jì)量地下儲(chǔ)油罐內(nèi)燃油量。7號(hào)為球閥，用于管道開通、切斷。8號(hào)為止回閥，單向開通，防止燃油通過供油管倒流至儲(chǔ)油罐。9號(hào)為油泵（潛油泵），需燃油補(bǔ)給時(shí)，啟動(dòng)油泵為燃油供給提供動(dòng)力。10號(hào)為活動(dòng)蓋板，便于工作人員進(jìn)出和日常保護(hù)操作井。

2.3 日用油箱及相關(guān)器件

日用油箱是連接儲(chǔ)油罐和發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵儲(chǔ)油容器，對(duì)燃油的平穩(wěn)供給起關(guān)鍵作用，關(guān)系到燃油供給、日常維護(hù)以及應(yīng)急搶修等。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，日用油箱和期管道閥門設(shè)計(jì)如圖3所示。

儲(chǔ)油罐出來的2根雙路供油管分別通過日用油箱上端、管道上加裝球閥和電動(dòng)閥組合裝置進(jìn)行控制，供油管末端加裝過濾分流器。在日用油箱靠近頂部的位置，設(shè)置溢流裝置通過溢流管與底部的快速回油管合并，在回油管上設(shè)計(jì)球閥和電動(dòng)閥的組合裝置，同時(shí)設(shè)置過濾器、小型回油泵、止回閥以及球閥，以便實(shí)現(xiàn)快速控制。在日用油箱的上下位置設(shè)置油機(jī)回油管和至油機(jī)得供油管，在管道上配置相應(yīng)閥門用以開關(guān)控制。在日用油箱頂端設(shè)置應(yīng)急快速加油管道，管道上加裝波紋管、閥門、油表、過濾器以及相應(yīng)的加油接口，以滿足應(yīng)急加油。同側(cè)的每個(gè)日用油箱的應(yīng)急加油管并接到主應(yīng)急加油管道上。每個(gè)日用油箱上需設(shè)置液位控制裝置，同時(shí)還需設(shè)置阻火通氣罩。

圖3 日用油箱相關(guān)管道、閥門設(shè)計(jì)詳圖

3 燃油自控系統(tǒng)

柴油發(fā)電機(jī)供回油自動(dòng)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱燃油自控系統(tǒng)（PLC），主要集中監(jiān)測(cè)、控制與管理柴油發(fā)電機(jī)的燃油供給和回卸等狀態(tài)。它的監(jiān)控對(duì)象主要包括地埋儲(chǔ)油罐、日用油箱、供油泵、回油泵、管路閥門、液位以及溫度等。通過控制器和傳感器等元器件，將設(shè)備的狀態(tài)接入數(shù)據(jù)中心動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制及運(yùn)維管理。燃油自控系統(tǒng)拓補(bǔ)圖如圖4所示。

供油控制系統(tǒng)配置主備兩臺(tái)PLC柜，并互為熱備用。正常情況下，主備PLC各自獨(dú)立控制對(duì)應(yīng)地下儲(chǔ)油罐的供油泵，根據(jù)控制邏輯給日用油箱供油。當(dāng)其中一臺(tái)PLC故障時(shí)，另一臺(tái)承擔(dān)全部日用油箱的供油控制，實(shí)現(xiàn)供油控制系統(tǒng)的雙保障。燃油自控系統(tǒng)的邏輯控制主要包括以下幾個(gè)部分。

3.1 儲(chǔ)油罐的控制

每個(gè)儲(chǔ)油罐均應(yīng)設(shè)置液位監(jiān)控設(shè)施。它的液位傳感器具備遠(yuǎn)傳和本地顯示功能，將探測(cè)到的液位信號(hào)及時(shí)有效地接入控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)油罐中的液位傳感器信號(hào)，設(shè)置高高液位、高液位、低液位以及低低液位4種柴油容量狀態(tài)。以總?cè)萘繛?0 m3的儲(chǔ)油罐為例，設(shè)置液位告警控制邏輯。

圖4 燃油自控系統(tǒng)拓補(bǔ)圖

當(dāng)儲(chǔ)油罐內(nèi)柴油量達(dá)到高高液位，設(shè)定油量達(dá)到45 m3時(shí)監(jiān)控中心出現(xiàn)油滿溢出風(fēng)險(xiǎn)告警，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置聲光報(bào)警。當(dāng)儲(chǔ)油罐內(nèi)柴油量達(dá)到高液位，設(shè)定油量達(dá)到40 m3時(shí)（預(yù)留回油空間）柴油控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)聲光提醒油罐已滿，停止向儲(chǔ)油罐補(bǔ)充柴油。當(dāng)儲(chǔ)油罐內(nèi)柴油量達(dá)到低液位，設(shè)定油量距離油罐底部500 mm（可調(diào)整）時(shí)，柴油控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)聲光提醒油量過少，向儲(chǔ)油罐補(bǔ)充柴油，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉該油罐的所有供油泵。當(dāng)儲(chǔ)油罐內(nèi)柴油量達(dá)到低低液位，設(shè)定油量距離油罐底部300 mm（可調(diào)整）時(shí)，監(jiān)控中心缺油告警和現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，儲(chǔ)油罐已無柴油。

3.2 日用油箱的控制

每個(gè)日用油箱均應(yīng)設(shè)置液位監(jiān)控設(shè)施。它的液位傳感器應(yīng)具備遠(yuǎn)傳和本地顯示功能，將探測(cè)到的液位信號(hào)及時(shí)有效地接入自動(dòng)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)日用油箱中的液位傳感器信號(hào)，設(shè)置高高液位、高液位、低液位以及低低液位4個(gè)柴油容量狀態(tài)。以總?cè)萘繛? m3的日用油箱為例，設(shè)置液位告警控制邏輯。

當(dāng)油量達(dá)到高高液位，設(shè)定到90%油箱容積時(shí)監(jiān)控中心油滿溢出告警和現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，回油泵打開，日用油箱柴油回卸到儲(chǔ)油罐。當(dāng)油量達(dá)到高液位，設(shè)定到80%油箱容積時(shí)關(guān)閉日用油箱對(duì)應(yīng)的供油電磁閥。當(dāng)油量達(dá)到低液位，設(shè)定到50%油箱容積時(shí)開啟日用油箱對(duì)應(yīng)的供油電磁閥，及時(shí)補(bǔ)油。當(dāng)油量達(dá)到低低液位，設(shè)定到20%油箱容積時(shí)監(jiān)控中心缺油告警和現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，提醒油量過低，立即補(bǔ)油。

3.3 油泵與電磁閥的控制

每個(gè)儲(chǔ)油罐配置供油泵，與日用油箱上的供油電磁閥進(jìn)行連鎖設(shè)置。供油回路中任意一組日用油箱的電磁閥開啟且確認(rèn)閥門狀態(tài)后，由自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，開啟對(duì)應(yīng)儲(chǔ)油罐的供油泵。當(dāng)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)日用油箱的電磁閥都關(guān)閉時(shí)，對(duì)應(yīng)供油泵停止運(yùn)行。每個(gè)供油泵需具備現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程開啟功能，它的故障與狀態(tài)信號(hào)應(yīng)實(shí)時(shí)納入監(jiān)控系統(tǒng)。日用油箱下方設(shè)計(jì)柴油泄漏探測(cè)裝置，通過自控系統(tǒng)納入動(dòng)環(huán)監(jiān)控。地埋儲(chǔ)油罐內(nèi)，柴油設(shè)置含水量探測(cè)裝置，罐外設(shè)置泄漏探測(cè)裝置，通過自控系統(tǒng)納入動(dòng)環(huán)監(jiān)控，實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)測(cè)油品。

3.4 消防聯(lián)動(dòng)控制

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程或手動(dòng)關(guān)閉，日用油箱至油機(jī)側(cè)供油管上的緊急切斷閥，緊急切斷供油泵。每個(gè)日用油箱上設(shè)置一套回油閥和小型緊急回油泵，回油電磁閥與回油泵消防聯(lián)動(dòng)。當(dāng)日用油箱間發(fā)生火災(zāi)報(bào)警時(shí)，消防系統(tǒng)將系統(tǒng)信號(hào)發(fā)送給油路控制系統(tǒng)，由油路控制系統(tǒng)實(shí)施控制，打開該日用油箱和相鄰的房間，并開啟回油電磁閥和小型緊急回油泵，快速回油直至地下儲(chǔ)油罐。日用油箱氣體滅火時(shí)由消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，關(guān)閉排風(fēng)管道上的電動(dòng)密閉閥。滅火結(jié)束后，手動(dòng)開啟電動(dòng)密閉閥，且開啟連鎖相應(yīng)的排風(fēng)機(jī)。在發(fā)日用油箱間設(shè)置事故防爆排風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)與室內(nèi)的油氣濃度探測(cè)裝置連鎖，風(fēng)機(jī)的室內(nèi)外均設(shè)置手動(dòng)開關(guān)。

4 供油系統(tǒng)配電架構(gòu)

供油系統(tǒng)的電源配置由兩路不間斷的電源供電，常見的為2N架構(gòu)的UPS電源。末端通過ATS切換裝置給油泵、電動(dòng)閥以及自動(dòng)控制柜等供油系統(tǒng)的各個(gè)用電部件供電，使得全油路系統(tǒng)配電為主備雙路保障，避免了供電故障風(fēng)險(xiǎn)，提高了供電安全等級(jí)。供油系統(tǒng)供電的安全性和可持續(xù)性，是柴油發(fā)電機(jī)組持續(xù)獲得燃油的基本保障。很多數(shù)據(jù)中心建設(shè)過程中存在單路市電供電或單路不間斷電源供電的情況，給后期運(yùn)行和維護(hù)埋下了安全隱患。

5 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心建設(shè)過程中，燃油供給系統(tǒng)一般歸屬土建工程范疇，且涉及較多的隱蔽工程，罐體、油箱以及管道內(nèi)都有燃油。運(yùn)行使用后如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性問題隱患，改造難度大，涉及安全性要求高，需投入大量的人力物力，且往往無法到達(dá)預(yù)期效果。因此，燃油供給系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)貫穿工程的全過程，在設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)期應(yīng)重點(diǎn)考量系統(tǒng)后期運(yùn)行維護(hù)的穩(wěn)定性、便利性、實(shí)用性以及安全性，確保發(fā)電機(jī)組能得到源源不斷的燃油供應(yīng)。