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HPC集群机房:柴油发电机组选配指南

时间:2023-11-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于柴油机在HPC集群机房的应用,在确定机组功率定额时,目前普遍按照常用功率来选择。

HPC集群机房:柴油发电机组选配指南

4.4.3.1 柴油发电机功率

功率是机组选型的核心内容,其原则是在投资最少的前提下,满足使用要求:柴油发电机组功率的定义比较复杂,因此首先应该明确各种功率的定义,分析机组的工况性质,确定功率条件;然后根据机组的现场条件和负载的特性,计算并修正所需要的机组输出功率

《IS0 8528-1:2005》中对功率定额种类2的规定如下:

(1)持续功率(COP)。

在商定的运行条件下并按照制造商的规定进行维护保养,发电机组以恒定负荷持续运行且每年运行时数不受限制的最大功率。

(2)基本功率(PRP)。

在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养,发电机组以可变负荷持续运行且每年运行时数不受限制的最大功率。24h运行周期内运行的平均功率输出(Ppp)应不超过PRP的70%,除非与RIC发动机制造商另有商定。在要求允许的平均功率输出Ppp较规定值高的应用场合,应使用持续功率COP。

(3)限时运行功率(LTP)。

在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养,发电机组每年运行时间可达500h的最大功率。按100%限时运行功率,每年运行的最长时间为500h。

(4)应急备用功率(ESP)。

在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养,在市电一旦中断或在实验条件下,发电机组以可变负荷运行且每年运行时间可达200h的最大功率。24h运行周期内允许的平均功率输出应该不超过70%ESP,除非与制造商另有商定。

该标准同时也对发电机组运行的现场条件做出规定:现场条件由用户确定,在现场条件未知且未另做规定的情况下,应采取下列额定现场条件。

(1)绝对大气压力为89.9kPa(或海拔高度为l000m)。

(2)环境温度为40℃。

(3)相对湿度为60%。

通常,柴油发电机组铭牌标称的输出功率分为备用功率(Standby Power)、常用功率(Prime Power)和连续功率(Consecution Power)。

(1)备用功率(Standby Power)定义为发电机组在规定的维修周期之间和规定的环境条件下能够连续运行300h,每年最多500工作小时的最大功率。等同于国标和ISO标准中的限时运行功率(LTP)。一般适用于通信、楼宇等负载变化较多的偶然应急工况。

(2)常用功率(Prime Power)定义为在规定的维修周期之间和规定的环境条件下,每年可能运行的时数不受限制的某一可变功率序列内存在的最大功率,等同于国标和ISO标准中的基本功率(PRP)。一般适用于厂矿、军队等负荷变化较小的经常运行工况。

(3)连续功率(Consecution Power)定义为在规定的维修周期之间和规定的环境条件下,每年可能运行的时间不受限制的某一恒定功率序列内存在的最大功率。等同于国标和ISO标准中的持续功率(COP),一般适用于作为电站或与市电并网使用等负载变化极小的连续运行工况。

对于柴油机在HPC集群机房的应用,在确定机组功率定额时,目前普遍按照常用功率来选择。

4.4.3.2 机组数量

由于HPC集群机房的重要性,各种工况下的供电设备应该考虑电气冗余。发电机组的配置也不例外,具体的做法是在配置柴油机系统时,按照N+1或者2N的原则来配置机组的数量。

机组并联使用是经常采用的一种方式。由于我国0.4kV的低压配电柜没有6300A以上的应用,并联运行的0.4kV发电机总容量不要超过3200kW。如果场地确实需要更大容量的柴油发电机组,建议采用l0kV的中压发电机组。

通常并联的逻辑控制有以下三种。

(1)第一种是接到断电信号以后,所有的机组都同时启动,同时运行,即无论负载多少,并联的N+1台柴油机始终同时在线运行。

(2)第二种是机组同时启动,然后根据负载的大小投入或者切除机组。

(3)第三种是接到断电信号后,只启动一台机组,然后根据负载大小,由系统决定是否需要启动其他机组并联运行。

对于HPC集群机房来说,一般建议利用第一种逻辑控制,即全部机组始终在线运行,好处是可以避免负载较快速地波动时频繁地投入/切出机组,并且由于多台机组同时运行使内阻减小可以弱化谐波的影响,有利于机组的稳定运行。第二种方式通常适用于负载变化缓慢的情况,可使燃油经济性较好。第三种方式可控制逻辑负载依次投入,适用于初始负载不大、负载增长模式同定的场所。

4.4.3.3 机组负荷计算

在HPC集群机房内,柴油发电机组主要为UPS、空调消防负荷和其他重要负载提供后备电源的保障。一般使用以下方式进行负荷计算。

(1)按照设备容量计算发电机容量。

P=k·KX·Pe/η(kW)(www.xing528.com)

式中,P为自备发电机组的功率(kW);

k为可靠系数,一般取1.1;

KX为需要系数(一般取0.85~0.95);

Pe为负荷总容量(kW);

η为发电机并联运行不均匀系统,一般取0.9,单台取1。

(2)根据最大单台电动机或成组电动机启动的需要计算发电机容量。

P=(Pe-Pm)/ηe+Pm·K·C·cosΦm(kW)

式中,Pm为启动容量最大的电动机或成组电动机的容量(kW);

Pe为负荷总容量(kW);

ηe为负衙计算效率,一般取0.85;

cosΦm为电动机的启动功率因素,一般取0.4;

K为电动机的启动电流倍数;

C为按照电动机启动方式确定的系数。全压启动C=1;Y/ΔC=0.67;自耦变压器启动,50%抽头C=0.25;65%抽头,C=0.42;80%抽头,C=0.64。

(3)按启动电动机时母线允许电压计算发电机容量。

P=Pn·K·C·X d(1/ΔE-1)(kW)

式中,Pn为造成母线压降最大的电动机或成组电动机的容量(kW);

K为电动机的启动电流倍数;

X d为发电机的暂态阻抗,一般取0.25;

ΔE为母线允许的瞬时电压降,有电梯时取0.20,无电梯时取0.25;

C为按照电动机启动方式确定的系数。全压启动C=1;Y/ΔC=0.67;自耦变压器启动,50%抽头C=0.25;65%抽头,C=0.42;80%抽头,C=0.64。

4.4.3.4 功率现场条件修正

在非额定现场条件和特殊负载的情况下,需要修正机组的额定功率

(1)环境温度的功率修正。

当环境温度过高时,空气密度降低,柴油机燃烧时的氧气量减少,燃烧效率降低,因而会降低柴油机的机械输出功率;同时发电机工作时需要冷空气对绕组进行冷却,温度过高会降低发电机的冷却效果,从而影响发电机的输出功率。各品牌柴油机和发电机的输出功率受环境影响的修正参数各不相同,实践中建议以各厂家的修正参数为准。通常,可按照环境温度超过40℃时每升高5℃,输出功率下降3%~4%来进行功率损失的计算。

(2)海拔高度的功率修正。

当海拔升高时,空气密度也会降低,同样影响柴油机和发电机的输出功率。不同品牌的柴油发电机组要按照厂家的功率修正曲线来计算降额后的实际功率。通常,可按照海拔高度超过1000m后每升高500m,输出功率下降4%~5%来进行功率损失的计算。值得一提的是,采用电子喷油的柴油机在高海拔和高温度的区域有挺低的功率降额。

(3)加自载的功率因素修正。

对于自然进气的机组而言,其最大允许的一次加载等于其使用功率。

采用涡轮增压技术后,发动机的功率有了明显的提高,但突加负载的能力却有所下降,当增压比越高时,突加负载的能力下降也越明显。当发动机处于空载时,增压压力很低(或者说处于非增压状态)。此时,在非增压状态突然要增加超过额定的负载很有可能会造成突加载荷失败,或者转速下降超过限制,或者回复时间较长,这都会影响机组性能。一般当有效压力在1MPa以下时,一次突加负载可达标定功率80%对机组影响不大;当有效压力达到1.5MPa时,突加负载只能达到标定功率的50%;当有效压力达到2MPa时,突加负载只能达到标定功率的40%。因此,HPC集群机房柴油机所负荷的UPS要求功率软启动,空调系统要求能够逐台启动。

实践中,对柴油发电机组功率修正影响最大的是HPC集群机房负载(UPS、空调)的特性。

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