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集装箱柴油发电机组的设计原则和建议 |
摘要：所谓静音型柴油发电机组顾名思义就是发出较小噪音的柴油发电机。它是把标准型的柴油发电机组本体，经过产品优化环节安装在一个定制的户外集装箱之内，同时应用子系统集成技术，把自动供油、供配电、应急照明、消音降噪、烟尘净化、消防预警、以及并联管控平台等系统配套集成在集装箱内，使之成为一套可靠、高效、环保的模块化备用电源平台。低噪音发电机组主要应于需要柴油发电机供电而不想收到噪音干扰的场所，但是这种于特环境的静音发电机价格，较普通发电机价格也高。康明斯公司在本文将集装箱式柴油发电机组的设计原则和建议详细介绍给大家，但愿能在用户选择柴发外罩时刻能给您带来参考价值。
一、静音箱式柴发标准和结构特点
1、噪音要求
通过对柴油发电机的排气噪音、进风与出风的噪音进行降噪处理达到低音的效果。一台敞开式柴油发电机工作时音可到到110分贝左右，世界顶级的柴油发电机噪音于也不会低于95分贝。当人在噪音超过85分贝的场所健康就会受到影响。所以高于85分贝的静音发电机就不能称于静音的，因此柴油发电机降噪的效果一定要低于85dB。
柴油发电机技术发展较快，各方面技术也较成熟，静音柴油发电机的技术也不例外。柴油发电机降噪的方法也各显神通。目的只有一个就是把柴油发电机的音降到最低。低于65分贝的静音柴油发电机是我们大家共同奋斗的目标。就目前来讲有经验的发电机厂家最好的降噪分贝在65分贝1米测距，次一点的成绩在75分贝1米测距，这也是大部分柴油发电机厂家可以达到的降噪水平。
2、隔音结构
由于静音箱隔音指标要求高，静音箱设计为三层隔振结构型式、内外两扇隔音门，静音箱内外壳用 2-3mm厚优质冷轧电解钢板与多层阻尼隔音材料复合而成，外表采用静电喷涂，三层壳体间填有隔音板、阻尼板、环保吸音棉等材料，内层有吸音模块材料等，静音箱门边有密封胶垫，箱内配有产品测试电缆接口等。集装箱箱体外观如图1和图2所示。
3、吸音、隔振结构
（1）箱内表面贴有50-300mm厚大波浪强力吸音棉，这种做法具有良好的吸音效果。
（2）静音箱底部配有四个减振器，以减少外界振动声源对隔音箱的影响。
4、静音箱体材质和配置
（1）采用悬浮结构可有效降低固体噪声的传播，采用多层高分子复合板材制做，既能减轻箱体的重量又能有提高隔声效果。
（2）箱体的内外壳采用2-3mm的冷扎钢板，经过冲压、焊接、酸洗、喷涂制作而成的，内部采用3—6层的阻尼、隔声、吸音材料制做而成的复合隔声墙板。
（3）根据客户的使用要求，厚度设计为150mm—500mm，门设计为单道和双道隔声吸音门。
（4）静音箱内部的配置，一个灯、一个插座、线孔及检测产品放置台面（这些配置都是根据客户要求设置）。
（5）静音箱的所用材料都是阻燃、无异味的环保材料。
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图1 集装箱式柴油发电机组总装轴测图（左） |
图2 集装箱式柴油发电机组总装轴测图（右） |
二、柴发进排风系统的设计
集装箱式柴油发电机组进排风设计如图3所示，其中顶部排风系统如图4所示。
1、进风通道
（1）设置在发电机后端相同高度侧，需要在满足系统满负载工作的燃烧、辐射空气量以及风速、背压等基本要求的同时，额外考虑到箱内阻碍物体对空气流向的影响。
（2）进风通道必须考虑在高气压环境下的消音降噪功能，高效消声通道的设计建议使用高强度的冲孔镀锌板材一次成型压制，消声片厚度及间距以150-200mm为宜，消声通道长度不宜超过1000mm。同时，需要提醒的是，任何没有机械辅助进风的迷宫式通道设计都是应该避免的。
（3）如需在进风口处设置自动百叶，应对百叶角度以及进风通道面积放大适当倍数计算，控制百叶开启的电动装置应为直流型杠杆传动机构（冗余设置），确保百叶在8秒内能够快速全部打开，机组停止时延时关闭。同时由于功能性的区别，应该独立设立防火阀，避免使用防火阀独立作为自动百叶的应用。
（4）箱体内进风通道内，尽量不设置阻挡柴油发电机组进风的大型电气设施，减少因环境温度以及减震处理所造成的额外成本。
（5）如必须要在集装箱柴油发电机组进风通道内配置柴油发电机组的出口断路器或控制柜时，断路器柜距离发电机进风口水平方向不得小于800mm。
2、排风通道
（1）设置在发动机端相同高度处，如使用柴油机驱动的自带散热器，应选用50度环境温度的散热风扇及水箱。如选用远置或分离水塔的设计，需配置有机械辅助排风风机（冗余设置）。
（2）同进风通道的描述，排风通道必须考虑在高气压环境下的消音降噪功能，高效消声通道的设计建议使用高强度的冲孔镀锌板材一次成型压制，消声片厚度及间距以150-200mm为宜，消声通道长度不宜超过1500mm。
（3）由于排风风速以及温度的影响，如由于更高的低噪音需求或者排风舒适度的考虑，需在排风通道末端做物理的隔断，阻挡物与散热器的直线距离应不小于2000mm，且需保证排风通道出口的畅顺。
提示：带有空空中冷的柴发机组由于对环境要求较高，不适宜户外箱式部署，应在柴发选型时尽量避免。如有切实需求，需做更加特别的技术规范要求。
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图3 集装箱柴油发电机组进风和降噪结构图 |
图4 集装箱柴发机组顶置排风示意图 |
三、柴发排烟管路的设计
1、防水及支撑
排烟管路如需穿过集装箱顶部时，需在集装箱顶部出口处安装防水、泄水结构处理，同时集装箱顶部应有与主体框架施工时一次成型，且预制有与主框架联接的独立承重梁及减震支撑件的设计。
2、排烟道
排烟管路不论箱体内或箱体外的部署，都必须考虑排烟管路的隔热以及防腐问题。建议选用高温岩棉，隔热纤维全程包裹处理后，外覆不低于6mm的SUS316不锈钢或铝板。上行弯头部分，在曲线最低处设置开口式的排水口。
3、消音器
柴发机组增压器排烟出口必须安装波纹管后通过钢性管路与消音器相连，2000千伏安以下的柴发机组可使用集装箱体内置一体式消声器，消声器内部结构如图5所。此外，2000千伏安以上的柴发机组排烟管需独立安装消音器和颗粒捕集器，消音器和颗粒捕集器之间不得直接连接，尾气装置示例如图6所示。
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图5 柴油发电机消声器内部结构示意图 |
图6 集装箱柴油发电机组（加装尾气装置）示意图 |
四、出口断路器与电气连接的设计
1、出口断路器
（1）通常的柴油发电机组电力输出主端口设计，需要考虑机装的塑壳断路器（热磁或固态式），目的在于中断负载电流的额定容量以及分断故障短路电流。
（2）如柴油发电机组本身设计已具备了过电流的保护功能，则可以使用机装分离（塑壳）开关。
（3）如考虑到集装箱柴油发电机组箱内空间狭小，需要规划独立操作方舱或者采用外置断路器的设计时，输出电力电缆或母线可以与发电机输出端子建立直接连接。
2、电力线输出的隔震处理
（1）发电机输出端子与出口断路器柜之间的连接建议使用电缆上走线的方式，当使用铠装母线做连接时，发电机侧必须为软性连接且至少一个折弯，以允许三维方向的移动。
（2）软连接部分，大规格硬电缆尽管柔性也很好，但弯曲能力可能不够，尽量考虑使用多股的柔性电缆或软铜带做以连接。
（3）另需注意电缆/母线通过集装箱体的出口处的防水处理。
3、控制电路的接线
连接至远置控制设备和远程指示器的交流和直流控制线必须与电力线分开，采用独立的套管布线。以降低控制电路中的电路干扰。发电机组上的连接必须使用多芯导线和柔性管套。
4、附件分支电路
（1）集装箱式柴油发电机组箱体内，系统运行所需的所有附件设备，必须设置分支电路。
（2）附件分支电路上端电力来源比较多，这些电路经由自动转换开关的负载端子排、发电机端子排或者蓄电池直流供电。相互连锁关系比较复杂，需要做集中的收集与逻辑管理。
（3）附件包括：主控柜、输油泵、电动百叶、照明、电磁阀、蓄电池充电器和冷却液加热器、电机加热器以及空间加热器等等。
五、燃油供给系统设计
在数据中心集装箱柴油发电机组的供油系统设计中，除却标准的备用柴发供油系统设计之外，需重点考虑以下几点：
1、日用油箱的容量
一般来说，备用柴发机组的满载耗油量约为0.26公升每千瓦时，比如1800KW备用柴发机组的满载耗油量约为468公升，根据柴发机组的容量大小，集装箱柴油发电机组对日用油箱的通常要求为最低2个小时，最高不超过8个小时，且需要满足当地消防规例。
2、日用油箱的防护与安装设计
（1）在集装箱柴油发电机组箱体内设置日用油箱，由于空间限制很难独立设置油箱间，所以首要考虑的是日用油箱的本体防护与日后维护的便利，要求设计时考虑双层壁的日用油箱。
（2）另外，日用油箱的摆放区间，与柴发设备摆放区间应设有物理围堰分区，双层保护的范围内通常可以设置日用油箱泄露的感测功能和声光警报，以防止燃油泄露时在箱体内蔓延。
（3）具体在日用油箱设计方面，除却正常的燃油系统进回油管路、自动液位控制、与大型储油罐的进油管路、快速卸油管路、排泄孔等传统设计外；容易疏漏且需要着重提示的是：
① 带百叶的箱体设计，日用油箱透气孔需预制管路伸出箱体外；
② 箱体需要保留有人工加油或者清理、更换日用油箱的足够空间与通道；
③ 主回路燃油输送泵不能摆放在箱体内，且可采用复式设计，以提高系统可靠性。
3、供油管路的材质与设计
（1）由于集装箱内空间有限，油路系统预制完成后再行更换的难度很大，因此应该严格采用碳钢（黑铁）加厚材质予以设计。
① 系统中不得使用铸铁、铝制材料的管材与接头，因为这些材料质地疏松，会有漏油现象发生。
② 不得使用镀锌或者铜的材质，是因为燃油中的硫化物与冷凝水综合后产生的硫酸会腐蚀镀锌层造成油路堵塞，而铜也会发生分子结构变化，使燃油变质。
（2）考虑到数据中心通常使用的大功率电喷型柴发设备，设备运行时，回油流量比较大以及回油温度高且日用油箱容量较小。建议在有大型储油罐的设计时，柴发设备回油管路不在连接日用油箱，直接接入大型储油罐。如在没有大型储油罐的设计时，则需考虑尽量加大日用油箱的容量或增加额外燃油冷却器的设置。
六、柴发照明系统设计
在选择灯具时，应选择具有防爆、防潮、防尘等特殊性能的灯具，在极端恶劣的环境下也能正常使用，以保证灯具的高可靠性。同时，还应配置应急备用灯，以便在突然停电的情况下能够及时进行照明，确保工作人员的生命财产安全。在灯具的安装选择上，应优先考虑LED灯具，其节能环保、寿命长等优点显著。
1、照明的设计
集装箱柴油发电机组箱内应设置两套交流与直流电源供电的防爆型照明系统，各布置于箱体纵向两侧的上端，线管应选用一次成型的镀锌管。
2、照明的逻辑控制
正常情况下照明系统选择电源为自动转换开关的负载端子排，由市电供电。当市电停电瞬间，或系统出现故障时，由直流电源照明系统供电，正常发电或者市电重新开始供电时，延时切换至交流电源照明系统继续工作。
七、防火及消防系统设计
1、箱体内填充物的防火材质
集装箱柴油发电机组箱体内的各种材质，均不应该采用易燃或者助燃物料，箱体隔音材料应选择岩棉，用耐火纤维包裹后，以不低于6mm的的镀锌冲孔钢板全面覆盖。
2、消防的设计
箱体内须配置消防装置，包括储油间的防爆型火灾自动报警探头、灭火装置、防火阀、报警装置等。具体在箱体进排风通道处内部设置防火阀，防火阀关闭时能够将箱体封闭起来，防止灭火气体的泄漏。当箱体内起火时，防火阀关闭，喷射灭火气体，同时，开启户外声光报警及远程报警信号。
3、消防装置
灭火装置建议使用七氟丙烷，或根据结构设计，预制柜式气溶胶自动灭火装置。同时，由于集装箱的特殊结构，消防系统的告警及操作温度设置都需要适当提高。
七、箱体避震和固定设计
1、柔性连接
在集装箱柴油发电机组箱体内部，柴油发电机组的震动随着工况的变化，是不可避免的。因此，所有部件与柴油发电机组的物理连接必须采用柔性连接，以吸引振动位移，避免造成损坏。
2、隔离措施
需要隔离的部件包括：发动机排气系统、燃油管、电缆（电气连接部分已详细描述）柴油发电机组本体、通风管道（联机式散热器）、机械轴流风机（远置散热器）等。忽略这些物理连接和电气结点的隔离可能会导致集装箱体或者是发电机组零部件出现松脱与损坏，甚至造成箱体变形以及运行中的发电机组出现各种突发故障。
3、避震措施
在柴油发电机组本体的避震器件，由于发动机部分通常已安装有合成橡胶减震垫，基础底座首选使用高效钢制弹簧减震器，弹簧减震器需由底部的橡胶垫、减震器主体、固定螺栓、支撑弹簧、调节螺丝和螺钉螺母所组成，可以消除98%以上的柴发机组的震动。
（1）高效钢制弹簧减震器的安装位置需要考虑设备的重心，非对称布置。
（2）但需明确使用地脚螺栓（L或者J型），将高效钢制弹簧减震器牢牢固定在集装箱箱体底座预制的主要结构上。
（3）针对数据中心应用较多的大型柴发设备时，由于集装箱柴油发电机组箱体内高度空间受限，箱体内柴油发电机组本体可选用多层复合材料制作的隔离减震垫，同时在集装箱柴油发电机组箱外部安装上述高效钢制弹簧减震器，且与外部基础以锚固螺栓固定，依旧能满足在集装箱柴油发电机组的整体避震性能。
（4）高效钢制弹簧减震器的数量及规格，可根据减震器的额定承载重量与集装箱柴油发电机组箱体的总重量，选择相应规格的减震器及数量，不需要额外再考虑箱体的动载荷。
八、柴发的接地及防雷设计
1、直接接地
在低压集装箱柴油发电机组箱体内，柴发设备需要通过导线（接地电极导线）接地、而不是有一接入电阻直接与地（接地电极）连接。电极规范通常要求在所有带有接地导线（通常为中线）、连接相负载的低压系统中使用此接地方式。同时，如果发电机中线连接至市电接地中线上（通常在三级转换开关的中线端子上）则发电机中线不得在发电机上接地。
2、电阻式接地
中压的集装箱柴油发电机组箱体内，需考虑增加电阻式接地，接地电阻安装在发电机中性点到接地电极的路径中，配电系统中可使用三角形-Y型变压器，为相负载设备提供一个中性点。
3、箱体接地与防雷
（1）必须有满足要求的接地网敷设到集装箱附近，当没有现成的接地网时应当就地构建适当的独立接地装置。
（2）集装箱体须有不少于2处和接地网相连，要求接地电阻小于10欧姆，箱体内的附属电气设备也必须按照规范要求做好接地措施。
（3）同时，集装箱一般放置在室外，需要增加箱体防雷的设计。
总结：
集装箱柴油发电机组也称作模块化柴发，适合长期放置在户外使用，高集成，占地小，灵活配置。由于摒弃了传统的大机房建设环节，省去了建筑物内部的进排气和动载荷计算预留等传统规划难点，节省出大量的配套投资费用，有效的降低了数据中心一次性投资成本。同时工厂化的预制生产模式，减少了分期施工的不确定性，可以有效的控制采购风险，提高产品在可验证环境下的系统可靠性，是各类型绿色数据中心建设的良好选择。对于模块化柴发的产品规划与设计，请参考以下建议。
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