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模块化柴油发电机组集装箱体的定制要求 |
摘要：现代化高等级的大型数据中心，柴油发电机组意味着是最后一道用电保障，其在数据中心的应用具有单机容量大、电压等级高、台数众多的发展趋势。相对于传统的柴油机房占地空间大，建筑规划难度高的缺点，康明斯公司在本文中提出了室外型发电机组集装箱的模块化柴发的设计思路。集装箱式柴油发电机组是一种新兴的备用电源建设模式，将整个供电系统分为N+1若干个独立集装箱。各集装箱内柴油发电机的规格型号、功率负载、配置等均按照统一标准进行设计。并且随着电力需求的变化，可不断增加模块化集装箱发电机组，从而实现快速建设。
一、集装箱柴油发电机组的选用
近年来，随着客户需求的不断提高，对数据中心机房硬件方面的要求也越来越严格。其中，提供高度可靠的电力供应，成为必备条件之一。为做到这一点，数据中心通常都由两路独立市电供电，同时由UPS和柴油发电机组配合，为关键设备提供市电中断时的备用电源。其中UPS依靠备用电池组提供短时断电的后备保证，而较长时间的市电中断，则依靠柴油发电机组来提供电源。因此，柴油发电机组的正确选用，对数据中心的高可用性至关重要。针对上述应用特点，我们可以从设计阶段开始，就做出针对性的安排，以在经济合理的前提下，最大程度地提高其可靠性。
1、柴油发电机组额定容量的选择
在选择柴油发电机组容量时，首先需要确定的问题是发电机组的功率定义。按照国标GB/T2820(等效于ISO8528)，发电机组的功率定额分三种，即持续功率(COP)、基本功率(PRP)、限时运行功率(LTP)以及应急备用功率(ESP)。对集装箱式数据中心来说，通常都有两路市电供电，市电的可靠性非常高，所备柴油发电机组年运行时间不可能超过500h，因此，在确定发电机组功率定额时，应按限时运行功率来选择。
此外，由于空间有限，一般数据中心普遍采用室外集装箱式柴油发电机组作为应急电源的方式的趋势越来越明显。其主要构成分为柴油发电机组和集装箱外罩，分别如图1和图2所示。
2、 UPS对柴油发电机组的影响
柴油发电机组所带负载中，如果非线性负载小于其额定功率的25%时，可以不必特别考虑其影响。而内以数据中心内以UPS为主的非线性负载，已经占到了发电机组额定功率的40%甚至更高，因此在设计柴油发电机组时，必须充分考虑UPS的因素。UPS对柴油发电机组的影响主要体现在两方面：
（1）谐波
尽管现在的UPS在引入了输入滤波器后，已经很大程度上控制了谐波电流，但是在柴油发电机组供电时，因其容量远小于市电，相对而言存在比较大的内阻，当UPS整流器的谐波电流注入到同步发电机定于绕组中时，会使交流输出电压产生畸变。这种畸变严重时就可能影响柴油发电机组本身，如调压系统和/或控制系统的正常工作、定子线圈的过热等，也可能影响其后续设备如UPS的正常工作。
解决方案除了选用输入谐波电流小的UPS(如12脉冲整流或高频整流)外，在发电机组的选择上，可采取的相应措施包括：
① 发电机励磁系统采用永磁励磁，以保证调压器供电的稳定。采用永磁励磁，保证了调压器的电源与发电机负载无关，可以有效地避免因谐波电流对主磁场的扰动而对调压器的电源供应产生的不利影响。
② 调压器必须采用三相均方根(RMS)检测输出电压，必要时检测回路加隔离变压器或低通滤波器。由于谐波电流的存在，很显然单相检测可能导致调压器误调节。均方根(RMS)值也叫有效值，采用RMS检测，能有效地反应出总电流的发热能力，比其他检测方式如平均值等检测，能更准确地体现实际电流的效果。
③ 增大发电机容量。这是一种目前广泛采用的行之有效的解决柴油发电机组与UPS兼容问题的方法。增大容量的实质，是通过降低发电机的内阻，从而弱化谐波电流的不利影响。注意由于负载的有功功率并不增大，因此柴油机功率并不需要放大，而仅选用较大容量的发电机，即俗称的“小马拉大车”方式。
（2）容性负载输入特性
随着输入滤波器的应用，UPS输入功率因数提高，输入谐波电流失真度(THDD降低，这是一个很好的改进。但是，这种UPS在空载或轻载的时候，输入特性呈容性负载，且功率因数非常低，甚至接近于理想的容性负载负载，此时柴油发电机组的运行可能会产生问题。
尽管这种因UPS空载或低载时的容性负载特性而产生的问题并不必然发生，在设计时仍应尽可能的避免这种情况的发生。首先是在UPS的容量及使用方式选择上，应尽量避免使其工作在空载或低载状态；其次，在发电机组投入使用时，应考虑优先投入感性负载，如空调等，由于UPS可由蓄电池维持一段时间，这一点并不难做到。
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图1 柴油发电机组主件构成图 |
图2 柴油发电机组集装箱剖视图 |
二、集装箱型柴发机组基本要求
按照功能划分，集装箱发电站可以根据用户要求添加的配置，大体可以分为柴油发电机组、油箱、控制系统、消音系统、消防系统、温控系统等。不同的系统，让康明斯公司在面对客户的不同需求时，可以游刃有余地给出不同的装配方案。内部结构如图3、图4所示。
1、柴发箱体的尺寸
（1）根据ISO668《系列1特种箱——类型、外部尺寸和额定值》可分为10’；20’；30’；40’标箱；同时对于不同发电机组的要求，结合公路，海运，铁路运输的特点，也可做成其它非标准运输规格的尺寸，如24’；43’；45’；48’；53’等。
（2）在柴油发电机集装箱箱体的定制过程中，需要特别申明的是，设计环节对模块化柴发能否实现设计功能是非常重要的，必须严格根据实际承载的柴油发电机组动载荷以及各产品组合的综合特性进行优化、量身订造，才能满足数据中心对模块化柴发可靠性、安全性、快速反应能力的需求。
（3）任何基于标准物流箱体基础上的结构改造，都会造成系统可靠性的降低以及后期运维隐患，是不能被接受的。
2、柴发箱体的材质
（1）箱体的承重件
选用Q345或16Mn等更强的结构件；对于箱体表面材料，选用B480(Cortena)耐腐蚀的全新板材，从原材料方面控制表面质量。
（2）箱体的表面油漆
选用耐盐碱的油漆同时适合于洗涤剂清理的聚胺脂双组份油漆；同时为了保证表面的美观性，选用高光、淡基色的油漆，其保光性及保色性能好，同时对于油漆的施工工艺要求为双层涂料高温一次成型，环境温度较高地区推荐使用防辐射等级95%以上的防紫外线涂料。
（3）箱体的内外部配件及活动件部分
如防溅罩、消声器外包裹、进排风百叶、铰链、螺栓等五金件选择防腐蚀的配件，一般为SUS316的配件，同时根据不同的结构，不锈钢的等级可以按需配置。
3、预制门窗和预留口
（1）柴油发电机集装箱箱体的两侧均需设置方便维护检修的门，预留电力输出等的线缆通道。外部最基本需要预制、预留的通道为：进排风消音室检修口，排烟消声器出口、日用油箱的进回油通道、集装箱箱体内的排污口、柴油发电机组的入水排水口、机油排放口、急停开关口、自带爬梯凹口、消防管道接口以及可以在室外观察到发电机组控制屏运行状态的透明窗口等等。
（2）所有箱体开口位置，均需要在主体框架施工时一次成型（电气接口需考虑防溅罩的设计），且预制有与主框架联接的独立钢结构支撑，保证箱体持久不变形。
（3）注意没有使用的预留口要用堵头等器件封堵起来，防止小动物进入箱体。
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图3 集装箱式柴油发电机组内部示意图（1） |
图4 集装箱式柴油发电机组内部示意图（2） |
三、柴发机组外罩箱体制作过程
众所周知，集装箱电站的出现是为了户外场所使用所服务的，风沙雨雪具有较高的酸碱性，长期在此作业的金属表面及易产生锈蚀，结合实际柴油发电机集装箱箱体可能出现的各种极端环境，我们的柴油发电机集装箱箱体表面以此为验收标准进行表面处理。表面处理流程如下：
原材料的表面打砂处理→原材料下料→根据设计进行焊接组框→框架部分的强度方面试验论证(样箱)→部件的二次打砂→表面油漆的处理（分内，外表面）→箱内的隔音装配→箱内外配件的装配→箱外的油漆修补→箱体外部的标贴粘贴→箱体整箱淋雨测试→箱内发电机组及配件的安装→合格出货
1、原材料表面的打砂处理
对于原材料打砂，需要满足原材料表面的粗糙度、板材表面的洁净度及打砂密度。
（1）原材料表面的粗糙度：
将板材表面打毛，使油漆喷涂后复盖在板材表面，增加油漆的附着力，使油漆不易脱落，一般要求表面粗糙度为45-65u；粗糙度测量用微分深度测量仪。
（2）板材表面的洁净度：
保证板材表面的清洁，以保证油漆的质量；经过表面打砂的板材需达到ISO 8501-1 Sa2.5。
（3）打砂密度：
保证油漆表在贩附着力，一般要求不低于80%，检验的标准为对比表。原材料打砂的目的是去除原材料表面的锈蚀，清理原材料的表面，使其洁净。
2、原材料下料，焊接
根据设计图纸要求进行下料焊接；具体的制作成品后的尺寸要求必须符合GB985《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》；GB/ZQ3680《焊缝外观质量》；ISO668《系列1集装箱——类型、外部尺寸和额定值》。
3、框架部分的强度方面试验论证
其主要是模拟柴油发电机集装箱箱体在海运；铁路运输及车运输过程的具体情况，进行的强度方面的论证，具体要求参照ISO1496-1《系列1集装箱— 技术条件与试验方法》的标准要求进行测试。（附表5 系列一集装箱测试的方法）对柴油发电机集装箱箱体而言，需要通过海运运输，必须通过船级社对整套箱体进行论证合格后才可以进行交易及运输，对于内陆运输，没有明确强制要求，但对于柴油发电机集装箱箱体的可靠性以及安全性来说，必要的强度方面的测试环节还是必须的，下面就CSC国际船级社认证的试验方面及其所测试的内容进行解释如下：
（1）堆码试验：
主要为测试集装箱箱体上部可以容纳多少的重量，即箱子上面还可以堆放几层，主要是考虑角柱的强度，一般设计按上部可以堆放9层进行设计，即箱子上部还可以堆放8个重箱进行设计。
（2）顶吊试验：
主要为测试集装箱顶部角件与角柱的强度，模拟箱子起吊，确保其起吊安全。
（3）底吊试验：
主要为测试集装箱底部角件与箱子框架的强度，模拟箱子底部用角件作为支承，整体箱子的强度要求，确保箱子以4个角件支承时，箱子使用安全。
（4）侧壁，端壁试验：
测试墙板的强度，防止货物在运输过程中倾斜，货物碰到侧板，同时防止恶劣天气情况下，雨雪拍打墙板时保证其安全。
（5）纵向和横向钢性试验：
测试底角件及底架的强度，主要是模拟箱子在海上运输时，船在高浪的情况下，保证箱子可以与船固定一体，且安全的运输。
（6）纵向和横向栓固试验：
测试底角件及底架的强度，主要是模拟汽运的条件，在急刹车或急转弯时，保证箱子可以在底角件锁止的情况下，保证箱子不冲出或倾倒下车子。
（7）叉举试验：
测试底架叉车槽的强度，主要是针对有叉车的箱子，在重箱情况下用叉车装卸，保证其装卸安全。
（8）抓吊试验：
测试底架有抓槽的强度，主要是针对有抓叉的箱子，在重箱情况下用抓槽装卸，保证其装卸安全。
（9）箱顶试验：
测试顶板的强度，保证作业人员在顶部作业时保证作业人员的安全。
（10）爬梯强度测试：
确认梯子的强度，保证作业人员在上下梯子时保证其作业安全。
试验过程中，箱子的弹性变形及试验后箱子永久变形必须在要求范围以内。
4、集装箱体的二次打砂
柴油发电机集装箱箱体的二次打砂主要是针对后继焊接的焊缝及热影响区进行喷砂表面除焊接的氧化皮，焊烟等杂质，使表面符合喷漆前的要求。（具体要求同一次打砂要求）。
5、集装箱体表面的油漆处理
① 目的：
进行板材表面的防锈处理，防止箱体表面生锈面影响到箱体表面的美观。常规的符合柴油发电机集装箱箱体要求的油漆配比：富锌底漆：35u+环氧中层漆45u+聚胺脂面漆40u=120u；具体的油漆的要求可以根据客户要求与油漆供应商讨论油漆的具体配比，另外为了保证箱体表面的美观及光感性，相对面漆要求可以加厚处理。
② 油漆施工要求：
箱体油漆的施工必要条件是需要在相对封闭的空间内进行，内部需要有足够的照明设施；进出风送抽风装置以及暖风加热，施工房体内同时箱体油漆需要在6小时之内的时间完成，这在具体工厂施工方面都有相对应的操作工艺。
6、制造工艺影响因素
发电机组外罩一般采用标准集装箱进行改造，其半成品外观如图5所示，成品后外观如图6所示。影响到柴油发电机集装箱箱体表面质量主要问题如下：
（1）箱体表面的工艺质量：
箱体表面的做工质量需要在箱体制作过程中进行控制，这一点我们需要在制作过程中进行有效的控制。
（2）控制箱体表面不被锈蚀方案：
此点对于箱子的表面处理工作尤其重要，一方面需要合理的选材，根据柴油发电机集装箱箱体的使用环境，结合柴油发电机集装箱箱体运输的特点，首先需要考虑柴油发电机集装箱箱体表面的油漆；根据具体箱型布置的特点，对于箱体外部易进水部份选用不锈钢材料进行焊接；对于箱体常拆装五金件，采用SUS316的材质，以保证表面不因锈蚀而影响表面质量。
（3）方便处理箱体表面污渍：
这就需要在选择油漆进注意此点，需要选用方便清理的油漆。
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图5 集装箱改装焊接轴测图（半成品） |
图6 集装箱改装焊接轴测图（成品） |
总结：
以上所述，就是康明斯公司制作的集装箱发电站的方法和选型要求。除了可以在发电机组集装箱内部安装安保消防预警装置、液体泄露检测装置、防火阀、气溶胶自动灭火装置等全套消防装置，组成完整的消防系统，从预警到灭火都可以自动完成，将客户损失降到最低。此外，客户还可以选择为集装箱外部增加防火层，进一步增强集装箱的防火能力。如果您对集装箱柴油发电机组的装备方案有任何疑问或者需求，请随时联系康明斯销售部门，康明斯公司将为您提供专业的咨询和服务。
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