Коли приходить час ДГУ

При невеликих потужностях навантаження, коли до того ж забезпечення тривалої автономної роботи не потрібно, можна, звичайно, обійтися тільки акумуляторами - без дизель-генераторів. Згідно з дослідженням, проведеним компанією APC by Schneider Electric, при потужності навантаження 2 кВт використання одних лише акумуляторів економічно виправдано, коли час резервування не перевищує 1 год 15 хв. Якщо потужність навантаження зростає до 6 кВт, межа обгрунтованості застосування батарей знижується до рівня, при якому максимальний час автономної роботи становить 45 хв, а при збільшенні потужності до 12 кВт - 15 хв. Об'єктам рівня ЦОД зазвичай потрібно значно більше 12 кВт, тому дизель-генератори є обов'язковим елементом їх інженерної інфраструктури.

Чому саме дизель? Для невеликої потужності - кілька кВт - більш вигідним варіантом може виявитися бензиновий генератор: він дешевше, легше, простіше в ремонті, менше шумить і краще заводиться на морозі. Однак при потужності від 10 кВт і вище починають позначатися такі фактори, як висока надійність дизельних двигунів, більший час напрацювання на відмову, менше споживання палива та й нижча його ціна. Ці особливості роблять вибір на користь дизель-генераторів фактично однозначним.

МАЙЖЕ ЯК В АВТОМОБІЛІ

Два основних елементи дизель-генератора безпосередньо відображені в його назві: це дизельний двигун і електричний генератор. Однак якщо в звичайних автомобілях для обертання ротора генератора використовується ремінний привід, то в дизель-генераторах первинний вал двигуна безпосередньо з'єднаний з ротором генератора, який і перетворює механічну обертальну енергію в електричну. Важливим елементом цього пристрою є регулятор швидкості обертання валу двигуна, який відповідає за стабільність частоти змінного струму. Крім того, генератори зазвичай оснащуються автоматичними регуляторами напруги (AVR), що гарантують його стабільність (в усталеному режимі роботи) на рівні 1,5% і навіть краще.

Все дизель-генераторні установки (ДГУ) можна розділити на дві групи: призначені для роботи в якості основних джерел енергопостачання і приємним як резервні. Перший варіант затребуваний, якщо об'єкт неможливо підключити до центральної мережі енергопостачання або коли використання автономного дизель-генератора виявляється вигідніше з економічних міркувань (тобто виробляється їм електрику дешевше того, що подається по електроцентралі). У переважній більшості випадків ДГУ застосовуються як альтернативні джерела енергії, які задіюються при аварії на основний електромережі або під час її планового відключення.

Установки, спроектовані для резервного підключення, не слід експлуатувати постійно. Наприклад, в ситуаціях, коли ДГУ планується використовувати більше 200 год на рік при різному навантаженні або більше 25 г на рік при навантаженні 100%, експерти компанії Cummins рекомендують вибирати продукти, призначені для застосування в якості основних джерел електропостачання. Більш «м'які» рекомендації обмежують час роботи резервної ДГУ 500 ч в рік. Тривалість функціонування основний ДГУ не лімітуються, однак час її експлуатації в стані перевантаження регламентується. Згідно з рекомендаціями тієї ж Cummins, 10% -ва перевантаження не може тривати більше 1 ч протягом кожного 12-годинного періоду роботи, проте в такому режимі обладнання не повинно функціонувати більше 25 год на рік.

Призначення ДГУ зазвичай видно з маркування. Наприклад, присутність в буквено-цифровому коді, що використовується для позначення установок компанії FG Wilson, літери «Е» вказує на те, що дана модель призначена для резервного електропостачання, а літери «P» - для установки в якості основного джерела електрики. Подібні позначення застосовують і інші виробники, скажімо, Cummins відносить свою продукцію до типу «Е» або «Р» з аналогічними значеннями букв.

РОЗРАХУНОК ПОТУЖНОСТІ

У маркуванні будь-якого дизель-генератора обов'язково вказується його потужність. Коректне визначення цієї характеристики дуже важливо не тільки для оптимізації витрат на покупку ДГУ, а й тому, що найбільш ефективно і економічно дизель-генератори працюють в режимах, близьких до номінальних. При зменшенні навантаження можливе виникнення небажаних явищ: неповне згоряння палива, підвищення нагару моторного масла, зниження температури двигуна нижче оптимальної, що призводить до нестабільності в його роботі, тому виробники не рекомендують експлуатувати установки, коли рівень потужності опускається нижче 25-30% від номінальних значень . Перевантажувати ДГУ більш ніж на 30% теж не варто - це може спричинити істотний збільшенням витрати палива і підвищенням ймовірності відмови обладнання.

Для розрахунку загальної необхідної потужності ДГУ необхідно підсумувати потужність всієї навантаження з урахуванням її характеру (активна, індуктивна або місткість). Бажано врахувати параметри навколишнього середовища (температура, відносна вологість, тиск), в якій буде експлуатуватися дизель-генератор. Скажімо, відомо, що в умовах зниженого тиску (розріджене гірське повітря) двигуни внутрішнього згоряння втрачають свою потужність. Число поправочних коефіцієнтів може бути дуже великим, і їх повний облік виходить за рамки даної статті.

«СОЛОДКА ПАРОЧКА» - ДГУ + ДБЖ

Найбільш часто споживачами електроенергії, що виробляється ДГУ, є ІБП, які очищають її для подачі на критичне навантаження (див. Малюнок 1 ). Питання про сполученні ДГУ і ДБЖ дуже важливий, оскільки в залежності від вирішення цього завдання потужність ДГУ доводиться завищувати в кілька разів. Останнє, погодьтеся, куди серйозніше обліку поправочних коефіцієнтів, пов'язаних зі зміною тиску або вологості. У чому ж справа?

ДБЖ характеризується діапазоном вхідних характеристик (напруга і частота), в якому він забезпечує харчуванням навантаження без звернення до акумуляторних батарей. Як тільки характеристики електрики виходять за межі вказаного діапазону, ДБЖ вже не може гарантувати необхідну якість і переходить на роботу від батарей. Чим ширше діапазон, тим рідше задіюються батареї, що продовжує термін експлуатації цього «чутливого» і дорогого елементу.

Припустимо, ІБП справляється без допомоги батарей при відхиленнях напруги і частоти 10%, а аварія в центральній мережі призводить до відключення електропостачання. В цьому випадку навантаження перекладається на акумулятори ИБП, а автоматика ініціює запуск ДГУ, на яку і переключається все обладнання. Але при «набиранні» навантаження неминуче знижуються вихідна напруга і частота дизель-генератора. Якщо «осідання» складе 15%, то характеристики струму вийдуть за рамки певного діапазону ДБЖ, після чого, відповідно до запрограмованому алгоритму роботи, ІБП знову переведе навантаження на свої акумулятори. Опинившись в режимі холостого ходу, генератор швидко відновлює номінальні напруга і частоту. ДБЖ негайно перемикає навантаження на генератор, той знову «просідає» і далі все повторюється. Такі «гойдалки» можуть закінчитися сумно - повної розрядкою акумуляторів і втратою навантаження.

Вирішити проблему можна, вибравши ДГУ, потужність якого перевищує потужність, необхідну для живлення навантаження в штатному режимі. Даний варіант збільшує витрати, що мало кому сподобається. Краще, звичайно, придбати моделі ДБЖ, в яких реалізований плавний переклад навантаження з акумуляторів на зовнішнє джерело електропостачання. Однак до необхідності завищення потужності ДГУ призводить не тільки «осідання» генератора при «набиранні» навантаження. Робота випрямляча у вхідному ланцюзі ДБЖ стає причиною спотворення поточних по ній струмів. Несинусоїдальні струми викликають втрати потужності в генераторі, а значить, і зменшення потужності, що подається на навантаження (більш того, вони можуть привести до аварійної зупинки ДГУ). Як наслідок, потужність ДГУ знову доведеться збільшити.

Коефіцієнт спотворень у вхідному ланцюзі ДБЖ багато в чому визначається схемотехнікою випрямляча. Найгірший варіант - 6-пульсної випрямляч без фільтрів, в цьому випадку коефіцієнт нелінійних спотворень може досягати декількох десятків відсотків. Ситуація поліпшується, якщо 6-пульсної випрямляч доповнюється фільтрами або використовується 12-пульсної випрямляч. Ідеальний вибір - випрямляч на IGBT-транзисторах - в цьому випадку спотворення не перевищують 3-5% і без застосування фільтрів. Власне кажучи, більшість нових моделей ДБЖ комплектуються випрямлячами на IGBT-транзисторах.

Яке ж рекомендований завищення потужності ДГУ над потужністю ДБЖ? Євген Краснов, керівник відділу сервісу компанії «ТеВ», вважає, що при використанні ДБЖ з 6-пульсної випрямлячем без фільтрів, потужність ДГУ повинна бути в 2-2,5 рази більше вхідної потужності ДБЖ, якщо ж ДБЖ має випрямляч на IGBT-транзисторах - достатньо 10-20% -ного завищення. Володимир Бєлов, технічний директор компанії «Президент-Нева» Енергетичний Центр », допускає менші завищення: при використанні ДБЖ з 6-пульсної випрямлячем без фільтрів - в 1,6-1,8 рази, для 6-пульсної випрямляча з фільтрами або 12- пульсної випрямляча - в 1,4-1,5 рази, для випрямляча на IGBT-транзисторах - в 1,2-1,3 рази. Нарешті, згідно з документами, підготовленим розробниками Cummins, цілком достатньо 40% -ного завищення для 6-пульсної випрямлячів і 15% -ного - для 6-пульсної, оснащених фільтрами, і 12-пульсної.

Як бачимо, єдності в цьому питанні немає, що ще раз вказує на складність даної технічної проблеми. Фахівці компанії «Абітех» взагалі не рекомендують використовувати ДБЖ з 6-пульсної тиристорної схемою випрямлення для роботи з резервним генератором. Крім того, Оксана Кузьміна, експерт по системам резервного електропостачання, не радить для цієї мети встановлювати ДБЖ з вхідними пасивними фільтрами вищих гармонік: по-перше, наявність таких фільтрів призводить до великого ємкісному току в момент підключення ДБЖ до ДГУ, що викликає істотний динамічний кидок вихідної напруги ДГУ, а по-друге, вони ефективні в досить вузькій зоні, близькій до точки номінальної роботи ДБЖ.

ДГУ В ПАРАЛЕЛЬ

Типова номінальна потужність одиночній системи ДГУ, використовуваної для резервування електропостачання ЦОД, становить не більше 2,5 МВА. Однак в разі необхідності підвищення потужності багато фахівців рекомендують об'єднувати ДГУ в паралель вже починаючи з 500 кВА. При цьому в одному комплексі можуть працювати кілька десятків установок.

Плюсом організації паралельної системи ДГУ Євген Краснов називає гнучкість комплексу електроживлення. Якщо навантаження мінімальне, то мінімально і число задіяних в роботі ДГУ (від одного генератора), а з ростом навантаження ЦОД інші ДГУ підключаються в автоматичному режимі. При цьому збільшується загальний ресурс роботи і надійність системи. Мінуси у використанні комплексу паралельних ДГУ теж є - це зростання витрат на обслуговування, потреба в більшій площі для розміщення і збільшення числа інженерних систем для забезпечення роботи ДГУ.

На думку експертів компанії SDMO, паралельні системи найкращим чином підходять для проектів, в яких величина навантаження може змінюватися в широких межах. При тривалій роботі мінімальне навантаження споживачів, підключених до генератора, не повинна опускатися нижче 25% від його номінальної потужності, в іншому випадку можливі вже описані вище негативні наслідки. Паралельні комплекси дозволяють уникнути ситуацій, коли, наприклад, невдалий запуск генератора приводить до серйозних проблем в бізнес-процесах або до збоїв у виробничому циклі. Крім того, такі комплекси дають можливість здійснювати технічне обслуговування окремих ДГУ, а що залишилися генератори продовжують забезпечувати навантаження електроживленням.

При такій схемі підключення ДГУ основною проблемою є управління і моніторинг агрегатів, що входять до складу комплексу. Рішення даного завдання передбачає використання спеціалізованих пультів управління, які забезпечують можливість локального і дистанційного керування установками. Подібні пульти з функціями синхронізації роботи ДГУ пропонують більшість виробників.

Ще один варіант підвищення загальної потужності системи гарантованого електропостачання ЦОД - організація незалежних систем електроживлення для різних груп споживачів. На думку Оксани Кузьміної, подібний варіант доцільний, коли для живлення навантаження на об'єкті є кілька вводів від різних трансформаторних підстанцій, в такому випадку кожен введення резервується власним ДГУ (або комплексом пристроїв, встановлених в паралель).

ВАРІАНТИ ВИКОНАННЯ

Існує три основних варіанти виконання ДГУ. Перший - дизель-генератор в відкритому виконанні (див. Малюнок 2), для установки якого необхідно спеціально обладнане приміщення, де потрібно передбачити систему вентиляції і відведення вихлопних газів, опалювальну систему (для підтримки температури, придатної для нормального запуску і роботи ДГУ), а також інші інженерні підсистеми, включаючи кошти автономного пожежогасіння тощо. Очевидно, що таке приміщення бажано передбачити ще на етапі проектування ЦОД.

Другий варіант - розміщення ДГУ в шумоізолюючі кожусі (див. Малюнок 3), який до того ж має захищати установку від дощу, снігу, низької температури і інших несприятливих природних впливів. Нарешті, третій варіант - ДГУ в контейнері (див. Малюнок 4), де міститься все необхідне обладнання і забезпечуються умови, необхідні для роботи генератора. Часто контейнерні електростанції встановлюються на колісну базу, що значно спрощує їх доставку на об'єкт. Контейнерний варіант оптимальний, коли ЦОД розміщується в реконструйованому будинку, де немає вільного приміщення для розміщення дизельної установки.

За словами Оксани Кузьміної, для СГБЕ ЦОД найбільш часто застосовують генератори відкритого або контейнерного виконання. Пояснюється це, зокрема, великою потужністю (і габаритами) застосовуються на цих об'єктах ДГУ, в той час як стандартні шумозахисні всепогодні кожухи розраховані на потужність до 700 кВА. Крім того, високі вимоги до надійності простіше забезпечити в спеціалізованому приміщенні, обладнаному системами сигналізації і моніторингу, додаткової паливною системою, системою обігріву та т. П. Регламентне техобслуговування і поточний ремонт зручніше проводити саме в спеціальній дизельної кімнаті або в контейнері.

«КЛЮЧ НА ПУСК»

Мабуть, найважливіший момент в «життя» дизель-генератора - запуск. В аварійній ситуації дизель повинен запуститися з першої спроби і максимально швидко вийти в штатний режим роботи. Найбільшого поширення набула електрична система запуску ДГУ, значно рідше застосовується пневматична, зовсім рідко - гідравлічна. Запуск ДГУ здійснюється автоматично - при зникненні напруги в мережі і / або по зовнішньому сигналу (для перевірки дизель-генератора завжди повинна бути можливість запуску вручну). На надійність запуску ДГУ впливають стан його акумуляторів, ретельність проведеного техобслуговування, якість палива і масла.

Ступінь готовності ДГУ істотно підвищується при підігріві охолоджуючої рідини, що є обов'язковою умовою для підтримки агрегату в «гарячому» резерві. «Ця функція необхідна для того, щоб двигун генераторної установки одномоментно, протягом короткого проміжку часу, міг прийняти на себе 100% -ву навантаження і вийти на свої номінальні параметри», - пояснює Євген Краснов. Іноді, в залежності від температурних умов, моторне масло і паливо підігрівають.

Час запуску - якщо говорити про проміжок між відключенням основної мережі та сигналом на старт ДГУ (так звана «затримка на старт») - є програмованим параметром і може становити від однієї секунди до декількох годин. Оксана Кузьміна справедливо зауважує, що якщо вся критичне навантаження захищена ДБЖ, то немає необхідності запускати потужну ДГУ (або паралельну систему ДГУ) в ситуаціях, коли тривалість відключень мережі становить кілька секунд або навіть хвилин.

Заявляється виробника гарантованого годину переходу ДГУ до роботи в штатному режімі зазвічай становіть до 30 сек, в реальності воно значний менше и может обмежуватіся 10-20 сек. «Якщо для електропостачання СГЕ використовується паралельна система ДГУ, час готовності до прийому навантаження збільшується, так як на синхронізацію електростанцій потрібен певний час», - підкреслює фахівець «Абітех».

Запас палива у вбудованому баку ДГУ звичайно достатній для роботи при повному навантаженні протягом 6-10 ч. Якщо потрібно більше часу резервування, то необхідно передбачити додаткові паливні баки або сховища палива, оснащені системою автоматичної закачування палива і системою автоматичного доливання масла в картер двигуна. Як правило, паливну систему проектують для забезпечення автономної роботи протягом 8-24 год.

Як довго здатний працювати ДГУ в разі забезпечення безперебійної подачі палива? За словами Євгена Краснова, загальний час резервування від однієї ДГУ становить 250 ч, після чого необхідно провести технічне обслуговування обладнання (заміна масла, фільтрів, технічних рідин і т.д.). Якщо кілька ДГУ працюють паралельно, в допомогу до них підключається резервна установка, а одна з робочих виводиться на ТО.

Експерти рекомендують здійснювати тестовий запуск ДГУ один раз в місяць, хоча періодичність подібної перевірки може бути скоректована з урахуванням ступеня надійності основної мережі електропостачання (т. Е. В залежності від того, як часто ДГУ використовується під час відключення центральної мережі). Тестовий запуск може виконуватися як в режимі холостого ходу, так і з підключенням навантаження. Інтервал між стандартним технічним обслуговуванням зазвичай становить 250 мотогодин роботи або 6 місяців - що настане швидше. Крім того, раз на рік рекомендується міняти дизельне паливо (а також періодично контролювати його якість на предмет наявності води і забруднень), один раз в два роки заливається свіже антифриз.

ВСЕ БІЛЬШЕ АВТОМАТИКИ

Сучасні ДГУ - технічні рішення з високим ступенем автоматизації. Керуючий мікропроцесорний контролер забезпечує автоматичний запуск установки при втраті мережі і / або по зовнішньому сигналу, а також управління контакторами автоматів введення резерву (АВР), за допомогою яких здійснюється автоматичне перемикання навантаження з зовнішнього електроживлення на харчування від ДГУ. Крім того, в число стандартних функцій включені моніторинг стану ДГУ (в тому числі дистанційний - світлодіодний, релейний або комп'ютерний), подача сигналу тривоги і відпрацювання аварійних захисних зупинок електростанції. Контролери ДГУ оснащуються великим числом програмованих цифрових входів і виходів для кращої адаптації до умов роботи конкретної СБГЕ.

Подальше підвищення рівня автоматизації - одна з ключових тенденцій розвитку ДГУ. Оксана Кузьміна зазначає зростання вимог замовників до можливості адаптувати ДГУ під індивідуальні особливості конкретної СБГЕ. Режим роботи резервної електростанції повинен визначатися не тільки наявністю / відсутністю основної мережі, а й отриманням зовнішніх сигналів від різних систем моніторингу та управління замовника. Зростають і вимоги до системи моніторингу ДГУ: «Якщо раніше замовник задовольнявся світлодіодною індикацією на панелі управління електростанцією, то сьогодні все частіше необхідний комп'ютерний моніторинг і управління, в тому числі - по локальній мережі і Internet, а також GSM-моніторинг», - додає вона .

Крім того, експерт «Абітех» фіксує збільшення попиту на ДГУ великої одиничної потужності і на паралельні системи ДГУ. Це пояснюється як зростанням потужності резервуються систем, так і зростаючими вимогами до надійності електропостачання обладнання.

В останні роки значно посилилися норми щодо викидів відпрацьованих газів, в зв'язку з чим всі провідні виробники дизельних двигунів вдосконалили свої вироби або розробили і впровадили у виробництво нові двигуни - екологічні, які споживають менше палива і мають велику потужність. В результаті, як зазначає Євген Краснов, двигуни стали більш складними, високотехнологічними, зросли вимоги до якості застосовуваного палива і масла, а також до рівня підготовки обслуговуючого і ремонтного персоналу.

Крім екології, залишається актуальною проблема використання / утилізації тепла, що виділяється при роботі генераторних установок. «Як відомо, ККД дизельного двигуна становить приблизно 25%, інша енергія палива, що спалюється викидається« на вітер », а це серйозні гроші, - каже Євген Краснов. - У сучасних системах енергопостачання передбачається можливість утилізації відпрацьованих вихлопних газів і тепла, що виділяється, в результаті якої вирішуються завдання опалення приміщень ЦОД, гарячого водопостачання та кондиціонування ».

Володимир Бєлов вважає, що при потужностях понад 500 кВт в СГБЕ ЦОД замість пари ДГУ-ІБП вигідніше використовувати так звані динамічні ДБЖ з приводом від дизельних двигунів. За його словами, це «більш надійне, дешеве і екологічно чисте рішення».

Концепцію динамічних ДБЖ активно просуває бельгійська компанія Euro-Diesel, що випускає систему No-Break KS. До її складу, крім дизельного двигуна, входить електромагнітна муфта зчеплення і спеціальний стато-генератор змінного струму, що складається з синхронного генератора змінного струму і акумулятора кінетичної енергії. При наявності електроживлення від зовнішньої мережі динамічний ДБЖ працює в основному режимі, коли акумулятор кінетичної енергії, обертаючись, призводить в рух синхронний генератор, який живить споживачів «чистим» синусоїдальною напругою. При відключенні зовнішнього живлення динамічний ДБЖ переходить в режим автономної роботи, в такому випадку замикається електромагнітна муфта, запускається дизельний двигун і за рахунок нього триває обертання синхронного генератора, який виробляє електроенергію.

КРИТЕРІЇ ВИБОРУ

Отже, які ж основні критерії вибору ДГУ для систем електроживлення ЦОД? На думку Оксани Кузьміної, перш за все слід звертати увагу на потужність і тип резервованій навантаження. Вона нагадує, що в ЦОД зазвичай є обладнання з великими пусковими струмами - кондиціонери, чиллери і т.п .; ця обставина, так само як можливі нелінійні спотворення струму, що вносяться до СБГЕ випрямлячами ДБЖ, необхідно обов'язково враховувати.

Євген Краснов виділяє такий критерій, як забезпечення простоти і надійності експлуатації: ДГУ повинні підтримувати додаткові функції, які дозволили б звести до мінімуму участь людини в роботі установок, тим самим виключаючи «людський фактор» і полегшуючи життя обслуговуючому персоналу. А ось Ігор Берестюк, виконавчий директор компанії Generent, головним при виборі і проектуванні ДГУ вважає доступність технічної документації і наявність дозвільних документів.

Безумовно, при виборі ДГУ важливі надійність технічного рішення, термін його поставки і, звичайно, вартість. Не варто забувати про сполученні ДГУ з іншими системами і про інтеграцію в єдину систему управління, наявність якої стає все більш важливим фактором для таких об'єктів, як сучасний ЦОД.

Олександр Барсков - провідний редактор «Журналу мережевих рішень / LAN». З ним можна зв'язати за адресою: [email protected] .

Малюнок 1. ДГУ в системі безперебійного гарантованого електроживлення (спрощена схема).