1、設(shè)計(jì)規(guī)范要求和應(yīng)用難點(diǎn)
1.1 設(shè)計(jì)規(guī)范要求
關(guān)于柴油發(fā)電機(jī)的容量選型要求，在設(shè)計(jì)規(guī)范中主要有以下幾條：
GB51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中6.3.11當(dāng)UPS的輸入電源直接由自備柴油發(fā)電機(jī)組提供時(shí)，其與柴油發(fā)電機(jī)容量的配比不宜小于1:1.2。
GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中8.1.14后備柴油發(fā)電機(jī)組的性能等級(jí)不應(yīng)低于G3級(jí)；A級(jí)數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組應(yīng)連續(xù)和不限時(shí)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組的輸出功率應(yīng)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心最大平均負(fù)荷的需要。B級(jí)數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組的輸出功率可按限時(shí)500h運(yùn)行功率選擇。
再參考行業(yè)規(guī)范YD/T1818-2018《電信數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)》9.1.2.2規(guī)定：
T4等級(jí)數(shù)據(jù)機(jī)房備用發(fā)電機(jī)應(yīng)選擇YD/T2888-2015中持續(xù)功率的機(jī)組；
T3等級(jí)數(shù)據(jù)機(jī)房備用發(fā)電機(jī)應(yīng)選擇YD/T2888-2015中主用功率的機(jī)組；
T2等級(jí)及T1數(shù)據(jù)機(jī)房備用發(fā)電機(jī)應(yīng)選擇YD/T2888-2015中備用功率的機(jī)組；
可以看到在《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中只給出了柴油發(fā)電機(jī)組和UPS的配比，沒(méi)有給出柴油發(fā)電機(jī)組和數(shù)據(jù)中心機(jī)房整體負(fù)荷的配比，所以無(wú)法直接計(jì)算數(shù)據(jù)中心整體柴油發(fā)電機(jī)組功率。另外根據(jù)GB/T2820.1《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組 第一部分：用途、定額和性能》可知，同一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組有以下四種標(biāo)定功率：
表1 柴油發(fā)電機(jī)功率定義
以上四種功率之間的關(guān)系為：
持續(xù)功率(COP)＜基本功率(PRP)＜限時(shí)運(yùn)行功率(LTP)＜應(yīng)急備用功率(ESP)
1.2 柴油發(fā)電機(jī)選型應(yīng)用難點(diǎn)
查詢(xún)柴油發(fā)電機(jī)廠(chǎng)家的產(chǎn)品彩頁(yè)發(fā)現(xiàn)，不會(huì)同時(shí)標(biāo)明以上4種功率，大多數(shù)只給出主用功率和備用功率，對(duì)主用功率大多數(shù)標(biāo)PRP功率但經(jīng)常不說(shuō)明，對(duì)備用功率大多數(shù)標(biāo)ESP功率，個(gè)別也有標(biāo)LTP功率的。大多數(shù)廠(chǎng)家甚至不會(huì)直接給出COP功率。即使根據(jù)負(fù)載算出所需柴油發(fā)電機(jī)組容量，要再根據(jù)幾種不同的標(biāo)定功率來(lái)選柴油發(fā)電機(jī)組，也足以讓大多數(shù)用戶(hù)迷茫。
另外雖然《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了A/B級(jí)數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組的容量選擇要求，但在大多數(shù)實(shí)際項(xiàng)目中并不嚴(yán)格按此選擇。筆者曾調(diào)研過(guò)數(shù)十個(gè)數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機(jī)組選型，情況如下：
表2 筆者統(tǒng)計(jì)的部分?jǐn)?shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)選型情況
1.3 最新行業(yè)定義
面對(duì)以上難題，在2018年2月ISO發(fā)表新修訂的ISO8528-1《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組》專(zhuān)門(mén)為數(shù)據(jù)中心增加一個(gè)DCP功率定義：無(wú)運(yùn)行時(shí)間限制，為恒定或可變負(fù)載持續(xù)供電的最大功率DCP=100%PRP，大修時(shí)間DCP為8000小時(shí)，PRP為15000小時(shí)，以犧牲大修壽命的方式來(lái)補(bǔ)償柴油發(fā)電機(jī)組功率，降低柴油發(fā)電機(jī)投資成本。但因?yàn)閿?shù)據(jù)中心油機(jī)為備用運(yùn)行，所以仍然可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心使用20年。所以遵照以上定義數(shù)據(jù)中心按DCP(即PRP)功率選擇柴油發(fā)電機(jī)即可。
2、典型案例
筆者在兩年前曾遇到一個(gè)典型案例，某A級(jí)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)有300多個(gè)機(jī)柜，計(jì)算出IT總負(fù)荷為954kW，按2N架構(gòu)設(shè)計(jì)4臺(tái)600kVA高頻UPS帶IT負(fù)載，另有1臺(tái)300kVA高頻UPS帶空調(diào)末端和輔助設(shè)備負(fù)載242kW，2臺(tái)一體化冷水主機(jī)共230kW，其它負(fù)荷140kW，總負(fù)荷為1566kW，設(shè)計(jì)1臺(tái)1600kW柴油發(fā)電機(jī)。進(jìn)入施工階段后，第三方驗(yàn)證機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)功率可能不足。
首先與柴油發(fā)電機(jī)廠(chǎng)家核實(shí)得知，訂貨時(shí)的1600kW為應(yīng)急備用功率(ESP)，基本功率(PRP)僅為1470kW。即使按1600kW的基本功率(PRP)計(jì)算，容量也不夠。因?yàn)樵谇捌谠O(shè)計(jì)方?jīng)]有與各方溝通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)容量問(wèn)題，沒(méi)有考慮UPS給電池充電功率還有空調(diào)動(dòng)力設(shè)備的啟動(dòng)電流，僅因?yàn)轭A(yù)算緊張就按1600kW(剛剛滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心滿(mǎn)負(fù)荷)來(lái)選擇柴油發(fā)電機(jī)組。而在施工采購(gòu)階段，施工方為了節(jié)省成本又擅自將1600kW的基本功率改為ESP備用功率。好在此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組僅完成訂貨，尚未生產(chǎn)，亡羊補(bǔ)牢猶未為晚，所以又重新研究合適的柴油發(fā)電機(jī)功率。
3、分析計(jì)算和提示
3.1 計(jì)算方法
柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后必須優(yōu)先供電的是UPS和空調(diào)冷水機(jī)組，剩余140kW負(fù)荷可以推遲供電?？紤]到配電柜、密集母線(xiàn)、電纜的供電損耗，應(yīng)該按：柴油發(fā)電機(jī)組功率＞UPS最大輸入功率+空調(diào)冷水機(jī)組最大啟動(dòng)功率
3.2 UPS最大輸入功率
當(dāng)雙路市電停電UPS電池放電后，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)恢復(fù)供電切換時(shí)，UPS既要給后端負(fù)載供電又要給UPS充電，此時(shí)達(dá)到最大輸入功率。
此項(xiàng)目中采用某國(guó)際一線(xiàn)品牌600kVA和300kVA高頻UPS，輸入功率因數(shù)0.99，輸出功率因數(shù)0.9，雙變換效率96%，
UPS充電電流為電池容量的0.1C。600kVA的UPS后備15分鐘需要配4組40節(jié)12V250AH電池，電池組總?cè)萘?000AH，充電電流為100A，電池均充電壓為每節(jié)電池14.1V，40節(jié)電池串聯(lián)均充電壓為564V，充電效率按照95%計(jì)算，可以得出
同理可算出300kVA滿(mǎn)載且充電時(shí)最大輸入功率為310.9kW。
3.3 空調(diào)冷水機(jī)組最大啟動(dòng)功率
此項(xiàng)目中2臺(tái)一體化冷水主機(jī)(內(nèi)含冷水主機(jī)和水泵、電動(dòng)閥等)，廠(chǎng)家提供的額定功率為每臺(tái)115kW，2臺(tái)共230kW，綜合啟動(dòng)電流為2.33倍，輸入功率因數(shù)按0.8。
按照分步啟動(dòng)計(jì)算的空調(diào)冷水機(jī)組最大啟動(dòng)有功功率=115kW×2.33+115kW=382.95kW。
3.4 匯總計(jì)算
因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)的輸出功率因數(shù)為0.8，所以只要輸出有功功率足夠，輸出無(wú)功功率和視在功率必然滿(mǎn)足要求。按照UPS單邊滿(mǎn)載加全部充電條件計(jì)算：
柴油發(fā)電機(jī)組功率＞UPS最大輸入功率+空調(diào)動(dòng)力和輔助設(shè)備最大啟動(dòng)功率=2×621.87kW+4×59.37kW+1×310.9kW+382.95kW=2175.07kW。
查詢(xún)主流柴油發(fā)電機(jī)廠(chǎng)家的產(chǎn)品手冊(cè)可知，1800kW之上是2000kW，2000kW之上是2200kW。也就是說(shuō)柴油發(fā)電機(jī)選型至少要2200kW，容量偏大。
考慮到UPS實(shí)際不是也不會(huì)滿(mǎn)載，可以將柴油發(fā)電機(jī)功率略微減小，按UPS計(jì)算負(fù)載配置：4臺(tái)2N配置的600kVA UPS最大輸入功率=+4臺(tái)UPS充電功率=1231.23kW；1臺(tái)300kVA UPS最大輸入功率=+UPS充電功率=281.77kW
所需柴油發(fā)電機(jī)組功率＞UPS實(shí)際最大輸入功率+空調(diào)冷水機(jī)組最大啟動(dòng)功率
=1231.23kW+281.77kW+382.95kW =1895.95kW，柴油發(fā)電機(jī)按1臺(tái)2000kW選型就足夠。
3.5 特別提示和建議
關(guān)于UPS與柴油發(fā)電機(jī)配比。十幾年前UPS還是工頻機(jī)為主，當(dāng)時(shí)UPS輸入功率因數(shù)較低，輸入電流諧波大，柴油發(fā)電機(jī)組容量需要在UPS基礎(chǔ)上放大1.5-2.5倍；但目前市場(chǎng)主流UPS已經(jīng)進(jìn)化到第四代高頻機(jī)為主，第三代高頻機(jī)正在淘汰中，少數(shù)第五代高頻機(jī)已經(jīng)上市，其輸入功率因數(shù)已經(jīng)高達(dá)0.99，輸入電流諧波＜3%(滿(mǎn)載)/＜5%(半載)。所以柴油發(fā)電機(jī)并不需要為UPS放大太多，當(dāng)采用滿(mǎn)足泰爾檢測(cè)I類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的高頻UPS時(shí)，按照設(shè)計(jì)規(guī)范的1:1.2進(jìn)行選型已經(jīng)足夠；選擇的高頻UPS性能稍差時(shí)，最多按1:1.3選型就可以。
反倒是空調(diào)動(dòng)力部分，因?yàn)橐愿行载?fù)載為主并且大量使用變頻器，輸入功率因數(shù)較低(在0.8左右)，輸入電流諧波更大(變頻器輸入諧波普遍在30%以上)，加上啟動(dòng)電流的影響，需要放大柴油發(fā)電機(jī)功率。但空調(diào)動(dòng)力部分可以設(shè)計(jì)分時(shí)分步啟動(dòng)，以減小對(duì)柴油發(fā)電機(jī)容量的要求。
4、總結(jié)
數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)容量計(jì)算和選擇的難點(diǎn)，首先是具體的功率計(jì)算，要參照UPS電池放電后柴油發(fā)電機(jī)剛剛恢復(fù)供電時(shí)的最大負(fù)載功率，而不能僅按照市電正常供電時(shí)的滿(mǎn)負(fù)荷功率。其次是柴油發(fā)電機(jī)標(biāo)稱(chēng)功率的選擇，已經(jīng)有明確的設(shè)計(jì)規(guī)范和功率定義可參考。筆者建議，對(duì)T4級(jí)數(shù)據(jù)中心還是應(yīng)按照持續(xù)功率(COP)進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)選型，對(duì)T3+和T3級(jí)數(shù)據(jù)中心按照DCP功率(即PRP功率)選型，對(duì)T2級(jí)及以下數(shù)據(jù)中心可以按照限時(shí)運(yùn)行功率(LTP)選型。但不建議按應(yīng)急備用功率(ESP)選型。最后選擇具體產(chǎn)品時(shí)，要注意柴油發(fā)電機(jī)標(biāo)定功率的準(zhǔn)確性，防止被中途偷換概念。
作者：楊毅哲
