高原型數據中心高壓柴油發電機組方案設計

華 攸，陳傳勇

（泰豪電源技術有限公司，江西 南昌 330020）

0 引 言

近年來，政府的發展計劃中經常提到“新基建”概念，其中“新基建”七大領域中的大數據中心的建設便是重點領域，并且隨著數據中心行業的大力發展，將來在很多地區都將有很大的發展空間。我國地幅遼闊，海拔超過1 000 m的高原地區便占全國陸地的58%，并且高原地區地廣人稀，有較大的空間用于數據中心的建設，將來數據中心在高原地區建設有較大發展空間，但高原地區低壓、低溫、空氣稀薄等惡劣環境因素將導致機電設備實際使用條件和原設計條件產生較大差異，致使機電設備的性能和可靠性下降。因此，研究高原地區高壓柴油發電機組的設計對數據中心的建設具有重要意義。

柴油發電機組作為備用電源是保證數據中心正常運行至關重要的機電設備，而高壓機組具有電流小、線路損耗低、抗諧波能力強等特點，適用于大容量并機系統，廣泛應用于各種現代大型數據中心[1-3]。因此，本文分析了數據中心用高壓柴油發電機組的性能要求及高原地區對柴油發電機組的性能影響，并結合中國移動西藏拉薩數據中心2 000 kW機組實際工程項目，提出一系列解決方案，對高原地區數據中心高壓柴油發電機組的設計要點進行了介紹。

1 數據中心高壓柴油發電機組技術要求

1.1 數據中心高壓柴油發電機組技術參數要求

數據中心用高壓柴油發電機組技術參數見表1。

表1 數據中心用高壓柴油發電機組技術參數

1.2 高原對數據中心高壓柴油發電機組技術性能指標要求

數據中心中的重要負載類型主要是IT負載，而且數據中心建設在平均海拔3 600 m的高原地區，因此所選用的柴油發電機組應達到《特殊環境 高原對內燃機電站的要求》（GB/T 21426—2008）中規定的G3等級要求，本次設計的高原地區數據中心高壓柴油發電機組主要性能指標見表2。

表2 高原地區數據中心高壓柴油發電機組性能指標

2 高原地區對柴油發電機組的影響

高原地區海拔比較高，空氣比較稀薄導致含氧量少，氣壓降低，沸點降低。另外，高原地區接受太陽輻射多，日照時間長，晝夜溫差大，紫外線輻射強，還伴隨著干旱、沙塵風暴等惡劣氣候，對發電機組性能有較大影響。

（1）動力性能：高海拔地區的大氣壓隨著海拔的升高逐漸降低，大氣壓力下降導致柴油發動機燃燒室的充氣密度降低，導致燃燒不完全使燃燒過程惡化，從而使柴油發動機排放提升，進而使動力性能下降。

（2）啟動性能：隨著海拔升高，環境溫度也會逐漸降低，尤其在冬季以及晚上的時候。氣溫降低，蓄電池容量下降，放電率下降，導致發電機組在冷機狀態下無法正常啟動，大大降低了機組的可靠性。

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

（4）設備耐壓及老化：高原地區空氣稀薄，設備絕緣耐壓需要提高。空氣稀薄導致云層穿透力強，太陽輻射較平原地區強烈，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 高原地區數據中心高壓柴油發電機組方案設計

3.1 總體方案設計

本項目主要由4臺高壓發電機組組成，單臺發電機組主要由發動機（德國MTU進口發動機）、發電機（馬拉松MXH系列高壓發電機）、水箱、聯軸器、底盤、排氣系統、控制屏、高壓柜和蓄電池等組成。柴油發動機連接發電機，再通過減震器安裝在底盤上，其中發動機為原動機，通過燃燒柴油使曲軸旋轉帶動發電機發電，發電機組的運行狀態通過觸摸屏進行遠程集中監控。本項目機組整體布置圖如圖1所示。

圖1 機組整體布置圖

應急柴油發電機組的工作運行流程：自動模式下，當外部市電故障，通過外部提供失壓（遙控啟停）信號控制4臺機組同時啟動，發電電壓和頻率先達到額定值的機組出口開關先合閘，其他機組通過模塊調節發電電壓和頻率，與母排電壓達到同步后，出口開關依次自動同步合閘，當4臺機組并機成功后，通過外部控制饋線柜合閘帶負載運行，4臺機組可以根據外部負載的大小啟停機組。原理框圖如圖2所示。

圖2 系統原理框圖

3.2 機組高原功率計算方案

本項目選用的MTU發動機型號：16V4000G84F，水箱散熱器消耗功率：75 kW。

根據現場的海拔高度、進氣溫度、增壓空氣冷卻液溫度、進氣負壓、排氣背壓等參數通過MTU專用軟件計算降容后的功率修正值，發動機計算修正后功率見圖3。

圖3 MTU發動機修正說明

經查閱發電機數據單，發電機的效率：96.3%。

從圖4可以看出，最高環境溫度30 ℃時，功率降8%左右，故發電機計算修正后功率約2 000×92%≈1 840 kW。

圖4 馬拉松電機修正曲線

機組功率：P=(P修正-P散熱器)×η發電機效率=（1 990 kW-75 kW）×96.3%=1 844 kW，

根據比較結果，理論計算的機組輸出功率Pe≈1 840 kW。

3.3 預潤滑油泵間隔定時控制方案

由于在高海拔地區，氣溫低，發動機機體內機油流動性差，為了保證柴油發動機更好的運轉，減少摩擦阻力和磨損，減少發動機的功率損耗，同時在潤滑系統不斷循環帶走摩擦產生的熱量，需要通過預潤滑油泵給發動機泵機油用于發動機機體內部的預潤滑，這樣避免磨損可以延長發動機的使用壽命。

由于本項目用于高原環境下的數據中心項目，預潤滑油泵是交流泵，只有外部市電失電的情況下才會啟用柴油發電機組，這就需要預潤滑油泵在有外部交流電源的情況下間隔工作。本項目選用的MTU發動機要求預潤滑油泵每隔30 min間隔泵100 s柴油，可以通過模塊內部PLC編程實現每隔30 min間隔控制預潤滑油泵運行100 s，方案如圖5所示。

圖5 間隔預潤滑系統時間與壓力曲線

3.4 高原環境機組啟動方案

高原環境對柴油機的主要影響是高原環境中的高海拔空氣稀少，環境溫度低，無法達到理想的高溫高壓，導致發動機霧化不良。燃料和空氣不足共同導致燃燒不良，從而導致發動機點火啟動性能差和冷啟動困難。為解決高原啟動困難問題，項目采取以下措施：

（1）由于空氣稀薄密度低，從柴油機吸入的空氣量減少，含氧量低，導致柴油機燃燒不充分。通過高原應用的專用運行軟件調整啟動時的噴油量，在機組啟動時減少噴油量，達到合適的柴油與空氣比，從而提高發動機啟動性能；

（2）采用燃油加壓泵以提高發動機的啟動性能，降低啟動時的損耗及相應的熱負荷（因高原環境大氣壓不足，需要通過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，空氣充分結合，提升著火能力；

（3）改善柴油機冷啟動性能，柴油發電機組需加裝缸套水和中冷水加熱器，在啟動機組前，缸體內的冷卻液通過水套加熱器加熱，避免冷卻液由于溫度低而無法啟動柴油發電機組。

3.5 高原環境冷卻系統散熱方案

由于高原環境中冷空氣的風壓降低，空氣稀薄，可能降低柴油機的冷卻系統的散熱能力，因此本項目散熱系統采用散熱面積大的高原型水箱。高原水箱的設計需要考慮多方面的因素：散熱量、散熱器材料、進出口溫度差、進出口壓力損失、透氣管/補充水管、水位傳感器位置等。

改善發動機冷卻系統散熱。通過選用高強度全銅散熱器，散熱風扇葉片作適當調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。通過以上方式，可合理調節發動機熱平衡，讓發動機工作在最佳狀態。為了避免散熱器中的冷卻液在100 ℃以下蒸發，散熱器的加水口處的閥蓋的開啟壓力需根據海拔高度設計，以提高冷卻液的沸點，提高沸點可以減少水的流動，從而減少局部過熱和泵的汽蝕。

3.6 蓄電池的低溫冷啟動技術方案

由于低溫環境蓄電池容量下降，啟動困難，需要通過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，確保高原低溫環境機組的正常啟動，啟動電池容量計算如下。

由MTU柴油發動機16V4000G84F原產資料如圖6所示。

圖6 發動機原廠啟動馬達數據

由圖6可知，發動機的啟動馬達功率為15 kW，額定啟動電壓為DC 24 V；根據如下公式：

式中，Pe為啟動馬達功率Ue為啟動馬額定電壓；Ie為啟動馬達額定電流。

計算得出該發動機額定啟動電流約為Ie=Pe/Ue=15 000/24=625 A。考慮到柴油發動機處在最惡劣條件下的正常啟動，設定蓄電池供電電流為2.5倍額定啟動電流，即：I=2.5×Ie=625×2.5=1 562.5 A；提供的鉛酸免維護蓄電池：6-QW-200，該款電池的放電電流為1 000 A。

發電機組用高能納米蓄電池技術參數見表3。

表3 瓦爾塔蓄電池技術參數表

因此，選用4塊蓄電池兩兩串聯后再并聯的設計方案，該方案可提供24 V的電壓，2 000 A的電流（＞1 562.5 A），可充分滿足柴油發動機的正常啟動[4,5]。

4 結 論

此次研發設計的高原型數據中心用高壓柴油發電機組能夠在海拔高度≤3 600 m、環境溫度-20 ℃～+30 ℃、空氣相對濕度≤60%的環境下，為數據中心提供容量大、可靠性高、安全性好的高原型高壓柴油發電機組，滿足高原地區數據中心發展的需求。該機組采用科邁高級智能控制系統，可精密采集并顯示發動機的各種參數及完善的故障顯示保護等功能，大大提高了機組安全運行的可靠性。同時，可實現發電機組的自動開機/停機、快速并機、功率管理及負載分配等功能。

通過現場帶載測試，結果表明：該機組各項技術性能指標均達到或優于設計時要求的指標。