Rambler's Top100
 
 
Статьи ИКС № 10 2013
Михаил БАЛКАРОВ  14 октября 2013

Автономные генераторы в практике ЦОДов

Автономная генерации электроэнергии – это целый мир разнообразных вариантов, тонкостей, удачных и неудачных решений. Мы ограничимся практическими вопросами их работы применительно к нуждам ЦОДов – с традиционным акцентом на ошибки, допускавшиеся неоднократно при создании таких систем.

Михаил БАЛКАРОВ, технический эксперт, Emerson Network Power, ATD, CDCDPТипы резервных источников питания

Наиболее распространенные и всем известные – это, конечно, дизельные генераторы, либо сами по себе, либо являющиеся элементом динамических ИБП (Diesel Rotary Uninterruptible Power Supply, DRUPS). Далее речь пойдет только о них. Тем не менее следует упомянуть возможные альтернативы, которые с учетом местных условий могут оказаться весьма привлекательными для конкретных проектов.

Когенерация. Имеется в виду использование автономного источника питания в качестве основного, с утилизацией тепла установки. Утилизация для ЦОДов основана на применении абсорбционного чиллера, поскольку тепло само по себе нам не нужно.

Абсорбционные чиллеры имеют низкий КПД, обычно порядка 1 (в отличие от 3 и более у традиционных чиллеров), но в данном случае это не является препятствием к их использованию, поскольку для работы они расходуют не электроэнергию, а тепло охлаждения двигательной установки. Такие системы называются тригенерационными, но третий компонент – тепло – для ЦОДа, очевидно, не нужен.

На практике в таких системах в качестве источника энергии обычно используется природный газ. Необходимый аварийный запас топлива вполне может храниться на площадке в сжиженном виде (серийно выпускаются промышленные малотоннажные ожижители). Еще один вариант – использовать в качестве аварийного запаса пропан-бутановую смесь, имеющую при обычной температуре значительно меньшее давление по сравнению с магистральным метаном. Кроме того, такое топливо в случае необходимости можно подвозить на автозаправщиках.

Турбины. Это двигатели, работающие на практически любом жидком или газообразном топливе, причем даже не обязательно на том, под которое они спроектированы. Мощность современных моделей начинается с сотен киловатт, они имеют вполне сопоставимые с дизелями параметры наработки и стоимости.

Пожалуй, единственный принципиальный недостаток турбин – длительное время старта, оно составляет от единиц минут для маленьких устройств до десятков минут для машин большой мощности. К сожалению, и дизели с турбонаддувом имеют тот же недостаток, пусть и в меньшей степени.

Топливные элементы. Еще один вариант, вполне доступный промышленно. Компактные и бесшумные, они вполне находят свою нишу применения. Кроме того, и цена таких устройств с годами перестала быть заоблачной. Наиболее простой вариант – элементы, использующие водород. Увы, магистральный водородопровод – пока редкое явление в наших краях, так что работают они от батарей стандартных баллонов. Тем не менее эта технология сама по себе уже отработана до выпуска серийной продукции, комплектных шкафов.

Вполне рабочая альтернатива – элементы на природном газе. Обычно это высокотемпературные устройства с керамическими мембранами. Опыт работы с ними в мире также весьма обширен, и можно заказать вполне серийное изделие в диапазоне мощности от нескольких сотен киловатт до нескольких мегаватт.

Обосновывая использование топливных элементов, нужно учитывать, что каталитические мембраны являются расходным элементом и требуют регулярной замены. Срок их службы сильно зависит от качества топлива.

Классы ДГУ

Как правило, большинство производителей придерживается схемы классификации из стандарта ISO 8528-1 (см. таблицу). При этом зачастую конструкция машины совсем не меняется, просто меняется формальный номинал.

Если придерживаться методологии Tier от Uptime Institute, то начиная с уровня отказоустойчивости Tier III генераторы не должны иметь ограничений на время непрерывной работы. Соответственно для таких ЦОДов нужно выбирать либо PRP, нагруженные не более чем на 70%, либо COP-модели. Впрочем, всегда следует уточнять по материалам производителя, что он понимает под данными рейтингами, поскольку стандарт ISO 8528-1 уже не действует.

Конструкция генератора

Наиболее распространенный на сегодня дизайн – объединение на одном валу синхронного генератора с вспомогательным генератором, обеспечивающим для него ток ротора (рис. 1). Для выпрямления тока возбуждения для ротора основного генератора служат диоды, смонтированные на нем же.

Автоматический регулятор напряжения (AVR), управляя током статора вспомогательного генератора, тем самым обеспечивает требуемую стабильность выходного напряжения. Он питается от обмоток основного генератора. Это, в свою очередь, может создавать проблемы при наличии значительных нелинейных искажений в нагрузке и непосредственно при запуске. Потенциально возможна ситуация, когда остаточного магнитного поля в железе ротора просто не хватит для уверенного старта.

Кроме того, такой дизайн, как правило, не способен подавать ток при коротком замыкании. С одной стороны, это хорошо, поскольку защищает лучше любых предохранителей, с другой – не срабатывают те защитные устройства, которые могли бы восстановить нормальное энергоснабжение.

В наиболее продвинутом варианте (рис. 2) в схему, на тот же вал, добавляется еще один вспомогательный генератор на постоянных магнитах (PMG). Его назначение – непосредственное питание регулятора по цепи, развязанной с основным питанием. Разумеется, старт генератора при этом гарантирован.

Такая конструкция позволяет получить наибольшую стабильность выходного напряжения, что облегчает запуск мощных нагрузок, и наиболее устойчива к гармоническим искажениям. Кроме того, в нее, как правило, входят схемы поддержания достаточно большого тока при коротком замыкании (3 Ч Inom) в течение продолжительного времени.

Данный дизайн по очевидным причинам предпочтителен для применения в ЦОДах. Вполне возможно, что он даже не будет дороже прочих, поскольку в этом случае можно использовать менее мощный генератор.

Схемы подключения

Часть потребления электроэнергии идет на собственные нужды генератора – это питание контроллера, зарядного устройства стартерных батарей, системы контроля климата и нагревателей. Если для последней группы потребителей вполне естественно подключение на щит гарантированного питания, то контроллер и зарядное устройство лучше подключать к щиту бесперебойного питания. Это уменьшает влияние помех, которые могут вызвать зависание логики и, как следствие, в лучшем случае задержку запуска.

Отдельно стоит рассмотреть схемы для случая резервирования генераторов. Традиционно его рекомендуется реализовать как N+2, поскольку регламентные работы на установке могут занимать много времени и оставлять генераторы без резерва опасно. Кстати, по статистике, правильно обслуживаемый генератор имеет надежность запуска 99%. С одной стороны, это достаточно высокий уровень отказов, с другой – будучи уже запущенным, генератор работает намного надежнее городской сети.

По мнению автора, для больших ЦОДов наиболее правильный вариант, в силу его примитивности, – это «нарезка» нагрузки по мощности единичных генераторов и подхват ее резервными при отказе основного, как показано на рис. 3. В этой схеме изначально запускаются все генераторы. Если все основные (на рисунке слева) успешно запустились, то резерв (на рисунке справа) останавливается. Если же один из основных генераторов не запустился, то его дальнейший запуск блокируется, а его АВР берет питание от дизеля с резервной линии.

Параллельное подключение

На практике параллельное подключение требуется в следующих случаях:

  • обеспечение отказоустойчивости – это не самый лучший вариант, поскольку добавляются отказы в цепях управления и общая шина, разумеется, является единой точкой отказа. Кроме того, в общем случае растет время синхронизации генераторов;

  • многостадийное расширение системы;

  • согласование с нагрузкой – к примеру, обеспечение пусковых токов или энергоэффективности при недостаточной нагрузке.

Можно выделить три способа организации параллельной работы. Самый простой – с использованием контроллеров самих генераторов с опцией параллельной работы. Второй вариант, с внешним контроллером синхронизации, дает возможность применять расписания и учитывать фактическую нагрузку. Наконец, третий – с использованием  специализированного щита параллельной работы. Это вариант наиболее дорогой, но при этом и наиболее гибкий, в частности, он позволяет объединять генераторы разных производителей.

Чтобы реализовать Tier III или IV при параллельном подключении, щит синхронной работы, разумеется, также нужно дублировать, как показано на рис. 4. Сложнее всего в этом случае разобраться с сигнальными цепями, поскольку и их потребуется резервировать.

Имеет смысл напомнить о том, что генератор должен быть нагружен не менее чем на 30–40% от номинала, иначе при длительной работе возможны проблемы. Недостаточно прогреваются поршни и цилиндры, в результате происходит их коксование, способное привести к серьезным поломкам. Поэтому в проекте желательно предусматривать постоянный нагрузочный банк и контакторы его подключения.

Заземление и защита генератора

Крайне рекомендуется для отдельно стоящих генераторов устраивать собственное заземление, пусть и не низкоомное. Либо же, согласно Правилам устройства установок, нужно тянуть не менее двух проводящих элементов к контурному заземлению здания. Впрочем, для схем TN-C это обязательное требование, а не рекомендация. PEN-проводники должны заземляться у источника, которым в данном случае и является генератор.

Ну и, конечно, следует напомнить, что на этот счет рекомендуют Правила:

[1.7.158.] При питании стационарных электроприемников от автономных передвижных источников питания режим нейтрали источника питания и меры защиты должны соответствовать режиму нейтрали и мерам защиты, принятым для стационарных электроприемников.

Следует иметь в виду, что генераторы крайне чувствительны к перегрузкам. Поэтому для них, в виде исключения, основное назначение предохранителей, если их подбирать правильно, не защита линии, а защита самого генератора. Проблема заключается в том, что типичные характеристики защитных автоматов с термомагнитным механизмом не совпадают с перегрузочной способностью генератора. В итоге они, к примеру, не защищают от опасной небольшой перегрузки, но при этом срабатывают на стартовые токи, которые генератор вполне способен выдержать.

Оптимально, когда в контроллере генератора имеется функция защиты (она, естественно, совпадает по характеристикам с характеристиками генератора). Кроме того, в этом случае при коротком замыкании генератор может переходить в режим источника тока, что гарантирует срабатывание автоматических выключателей ниже по линии и тем самым повышает общую отказоустойчивость – поскольку после устранения замыкания возобновляется нормальный режим работы. При наличии такой функции автоматический выключатель на выходе генератора по сути становится обычным рубильником, и его характеристики уже неважны.

Кстати, когда автоматические предохранители срабатывают, их ни в коем случае нельзя сразу же включать снова, не убедившись, что причина срабатывания устранена. Поскольку обмотки генератора уже перегреты, а остывают они достаточно медленно, есть неплохой шанс их сжечь. Впрочем, это верно и для любых других электромеханических устройств.

Случаи из практики

Самая известная, классическая проблема – это, конечно, «танцы» с ИБП. При недостаточном запасе мощности какая-то нагрузка или сам ИБП включаются, просаживая напряжение и частоту, ИБП переходит на батареи. Далее цикл повторяется. Скорее всего, в этом случае придется устанавливать более мощный генератор – хотя можно попробовать изменить настройки генератора на большее напряжение и настройки ИБП на меньшую чувствительность. Впрочем, по мере увеличения числа моделей ИБП с плавным пуском и распространения транзисторных выпрямителей эта проблема постепенно отходит в область преданий.

Двигатель запускается и чудесным образом останавливается после подключения нагрузки, с невразумительными ошибками. Причин тому две – либо перегрузка генератора, что обычно все же маловероятно, либо попадание в зону отрицательного cos. Это, к примеру, может произойти при подключении входных фильтров крупного потребителя, который в данный момент не нагружен (в том числе, кстати, и при подключении напрямую к серверной нагрузке, которая находится в «спящем» состоянии). Ну а системы люминесцентного освещения или офисные компьютеры обеспечивают такие условия просто всегда.

На рис. 5 показаны типичные допустимые режимы в зависимости от cos нагрузки. Центральная область, сектор от 1 до 0,8 – это оптимальный режим. Крайние темные области – зона срабатывания защиты. Очевидно, что достаточно небольшой емкостной нагрузки, чтобы защита сработала. В остальной части диаграммы генератор способен работать, но это не оптимальный вариант из-за роста потерь и перегрева.

Далее идет целый набор проблем, которые являются следствием взаимной увязки АВР, генератора, логики управления и человеческого фактора. Один переключатель в неправильном положении – и все перестает работать. Причем практика показывает, что найти причину сразу не получается. Так что имеет смысл лишний раз напомнить банальнейшее правило: эксплуатационная документация, как и персонал, должны готовиться с самого начала проекта.

Еще одна классическая ситуация, с которой автору, правда, лично сталкиваться не приходилось. Группа параллельных генераторов запускается, и первые вышедшие на режим подключаются к нагрузке. Нагрузка начинает запускаться, и в какой то момент ее мощность оказывается больше, чем номинал доступных генераторов. Результат очевиден. Поэтому для группы можно рекомендовать блокировку подключения к нагрузке до прихода в синхронность минимально необходимого числа машин.

И в завершение – скорее курьезный случай, связанный с ИБП. Для уменьшения потерь и ИБП, и генератор, и сетевой трансформатор были выставлены на 415 В рабочего напряжения. Для уменьшения расходов в ИБП были применены линейки минимального размера, из 36 батарей по 12 В. Кто бы мог предположить, что при такой конфигурации допустимое снижение напряжения на входе ИБП – всего пара процентов? В маркетинговых материалах забыли об этом упомянуть. Так что любая попытка перейти на генератор, невзирая на плавный пуск и IGBT-выпрямитель, была изначально обречена на провал.

Эксплуатация ДГУ

Как и любое сложное техническое устройство, генератор требует постоянного осмотра и регулярного обслуживания. К хорошим практикам относится регулярный запуск с выжиганием полного объема бака. Это позволяет, во-первых, полноценно протестировать генератор и АВР, во-вторых, что гораздо важнее, прогнать смазку и топливо, а также израсходовать проблемное топливо. Обычно рекомендуется проводить эту процедуру не реже раза в месяц, полностью расходуя как минимум внутренний бак.

Обслуживание генератора предполагает, что проверки основных систем проводятся ежедневно; дополнительно к этому рекомендуется выполнять определенные операции еженедельно, ежемесячно и каждые полгода (подробно они перечислены во врезке «Процедуры обслуживания генератора»).

В процессе работы генератора регулярно проверяется состояние следующих систем:

  • выхлопной системы по всей длине – на утечку газов и перегрев;

  • топливной системы – на утечки топлива и механические повреждения;

  • системы охлаждения – в первую очередь температура жидкости, утечки;

  • системы смазки – в первую очередь давление, возможно, температура (уровень на работающей машине определить сложно);

  • батареи – напряжение заряда, температура и внешний вид контактов.

Следует также обращать внимание на появление посторонних шумов и стуков, нарушения в равномерности работы, дым.

Большинство проблем с генератором на начальном этапе легко разрешить, но если не сделать этого сразу, впоследствии они способны вызвать серьезные повреждения.

  

Автор надеется, что приведенная здесь информация будет полезной и для проектировщиков, и для тех, кто непосредственно занимается эксплуатацией. К сожалению, некоторые важные темы из-за ограниченного объема статьи остались незатронутыми: в их числе проблемы нелинейных искажений и выбора требуемых запасов мощности в зависимости от характера нагрузки, устройство систем хранения и подачи топлива, вопросы установки генератора.  икс

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!