Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 2 2018
Александр БАРСКОВ  05 сентября 2018

Пока крутится маховик…

Динамические ИБП сегодня претендуют на роль основного элемента систем бесперебойного гарантированного электропитания мега­ЦОДов. А некоторые их производители уже задумались о «захвате» объектов меньшей мощности.

Мы собрали и проанализировали аргументы поставщиков в пользу динамических систем. Сразу заметим, что сравнение «лоб в лоб» динамических ИБП и их статических «коллег» далеко не всегда корректно. Дело в том, что классический динамический ИБП – это, по сути, система бесперебойного гарантированного электропитания «все в одном». Защиту от кратковременных перебоев в подаче электричества в ней берет на себя маховик, а во время длительных перерывов подключается входящий в состав ДИБП дизель-генератор. Статический же ИБП (СИБП), укомплектованный аккумуляторными батареями (АКБ), отвечает только за бесперебойное снабжение нагрузки электричеством при кратковременных перебоях – как правило, АКБ способны «держать нагрузку» до 10 мин. Для гарантированного электроснабжения при длительных отключениях обычно устанавливают внешний дизель-генератор. И его надо всегда учитывать при сравнении ДИБП с СИБП.

  Проекты ДИБП в России и СНГ

Euro-Diesel: в России запущено в работу 15 установок ДИБП общей мощностью 22 МВА, шесть установок суммарной мощностью 12 МВА находятся в стадии монтажа (запуск – осенью 2018 г.).

Hitec: в России 109 установок общей мощностью 212 МВА. Одна установка в Казахстане.

Hitzinger: ДИБП установлены в четырех ЦОДах в России.

Piller: по состоянию на июнь 2018 г. в России и Казахстане работают 45 установок Piller (включая ДИБП ActivePower) общей мощностью 41,8 МВт.

Один из главных вопросов, возникающих при строительстве ЦОДа, связан с капитальными затратами. Согласно оценке Владислава Ротаня,  директора по развитию бизнеса и продажам компании Piller, CAPEX решений на базе ДИБП становится равным капзатратам на СИБП, начиная с мощности нагрузки бесперебойного электропитания 1,5 МВт – если сопоставлять равнозначные комплексы энергоцентра «под ключ». При больших мощностях ДИБП позволяет получить выигрыш в капитальных затратах.

«Ахиллесова пята» СИБП

Слабым местом традиционных статических ИБП являются используемые ими свинцово-кислотные АКБ. Эти элементы очень чувствительны к температурному режиму: оптимальной для них считается температура +20–25°С, а превышение рекомендованной температуры на 10°С сокращает срок службы АКБ примерно в два раза. Значит, батарейные помещения необходимо оснащать системами кондиционирования воздуха, что увеличивает расходы и PUE. А ДИБП не требуют кондиционирования, поскольку способны работать в температурном диапазоне 0–50°С.

Впрочем, сейчас в комплекте со статическими ИБП все активнее применяют литий-ионные АКБ, которые менее критичны к температурным условиям. Кроме того, они легче, компактнее, имеют более долгий срок службы, поддерживают большее число циклов разряда и более быстрый заряд. Пока они остаются дороже свинцово-кислотных батарей, но при расчете TCO все чаще выигрывают у традиционных решений. Более широкое использование литий-ионных АКБ может лишить сторонников ДИБП многих аргументов «против СИБП». Более того, по прогнозу экспертов Schneider Electric, уже к 2020 г. при определенных параметрах ЦОДа батареи могут полностью вытеснить дизель-генераторы.

Но сегодня на рынке все же доминируют свинцово-кислотные АКБ. Помимо температурной «чувствительности» у них немало других минусов. Например, медленный заряд, что может негативно сказаться на непрерывности электропитания в случае повторных отключений электроэнергии. «Аккумуляторные батареи восстанавливают заряд до 90% емкости в течение 6–12 ч. Это относится к случаям полного разряда батарей, что может произойти даже при кратковременных пропаданиях сети, когда выбираются бюджетные решения с временем резервирования нагрузки 5–10 мин. Время полного восстановления энергии на маховиках в ДИБП составляет всего 1–10 мин в зависимости от модели и конфигурации системы», – подчеркивает В. Ротань.

Надежность батарейных решений тоже далека от идеальной – по крайней мере об этом говорят поставщики ДИБП. Как отмечают эксперты компании Hitec, схема с батареями сложнее и содержит больше составных элементов, что снижает общую надежность схемы в целом. В. Ротань добавляет, что по сравнению с кинетическими накопителями АКБ обладают значительно более низким показателем MTBF (средним временем наработки на отказ). На практике это выражается в том, что уже через два-три года эксплуатации в батареях ИБП с АКБ выявляются неисправные элементы, требующие замены.

В большинстве ДИБП все главные элементы – 
синхронный генератор, накопитель и 
дизельный двигатель – собраны на одном валу

Поставщики ДИБП также критикуют системы на базе СИБП за большую занимаемую площадь. По данным Hitec, таким системам требуется на 40–60% больше места, чем решениям на базе ДИБП. Подобные цифры приводят и другие поставщики ДИБП. «Применение динамических дизель-роторных ИБП позволяет существенно (до 60%) уменьшить площадь, необходимую для энергоцентра. Этот эффект проявляется начиная с мощности 500 кВт, и выигрыш тем больше, чем выше мощность объекта», – делится своими данными В. Ротань.

А если мегаватт не нужен?

Как уже говорилось, даже по оценке самих поставщиков ДИБП, выбор в пользу их решений дает выигрыш по CAPEX при мощности 1,5 МВт и выше. А что для объектов меньшей мощности?

У динамических решений есть ряд важных свойств, которые делают их применение оправданным и на небольших объектах. Это высокая перегрузочная способность и возможность работы с нагрузками разного электрического характера. «ДИБП – универсальное устройство, оно используется не только в индустрии ЦОДов, но и в машиностроении, химическом производстве, фармацевтике, добыче и переработке энерго­носителей, – объясняет Александр Зайцев,  генеральный директор российского офиса компании Euro-Diesel. – В ряде проектов ДИБП невысокой мощности востребованы для защиты технологических линий, которые нельзя останавливать, пока идет рабочий процесс. В подобных проектах задействовать СИБП можно только с двух- или трехкратным увеличением мощности. Есть проекты, где СИБП со всей инфраструктурой и ДГУ просто невозможно разместить, здесь также выигрывают ДИБП невысокой мощности – за счет своей компактности».

Высокая перегрузочная способность обеспечивает лучшее поведение систем ДИБП при сценариях коротких замыканий (КЗ). В качестве примера В. Ротань приводит характеристики изделий Piller: они имеют возможность поставлять ток при КЗ до 16×Inom на стороне нагрузки, сохраняя при этом выходное напряжение в заданных пределах, скажем, не хуже –30%. В то же время, по его данным, установки СИБП, оснащенные IGBT-тран­зис­торами, способны обеспечивать поставку тока КЗ в нагрузку лишь до 5×Inom.

     ДИБП в одном из крупнейших российских коммерческих ЦОДов
 

За рубежом ДИБП небольшой мощности часто применяются не только на промышленных объектах, но и для защиты ответственной нагрузки в госпиталях и больницах (в частности, для поддержки системы электроснабжения реанимации и операционных блоков). Пример многолетнего успешного использования ДИБП на нецодовском объекте приводит Сергей Соколов, коммерческий директор компании АКСИ: ДИБП Hitzinger мощностью 150 кВА (именно с такой мощности начинается модельный ряд этого производителя) установлен в Тендерном комитете Правительства Москвы для поддержания системы электроснабжения, включая систему торгов. «Как показывают расчеты с учетом срока службы ДИБП по сравнению с классической схемой построения СБГЭ, экономический эффект от внедрения достигается даже на машинах небольшой мощности», – утверждает специалист АКСИ.

Но вернемся к ЦОДам, где, к счастью, высокой перегрузочной способности, как правило, не требуется. Есть ли варианты ДИБП, которые способны конкурировать по стоимости со статическими ИБП при мощностях менее 1 МВт?

Оказывается, такие варианты есть: это гибридные решения, в которых используются не все элементы классического ДИБП. Скажем, в линейке продукции Piller подобное оборудование представлено ИБП серии CleanSource Active Power мощностью 225 и 625 кВт, в которых устройством накопления энергии является маховик (как в классических ДИБП), а выпрямитель и инвертор выполнены на базе IGBT-транзисторов (как в статических ИБП). Как утверждает В. Ротань, такие гибриды сравнимы по стоимости с СИБП для систем до 1 МВт. В России ИБП CleanSource ActivePower установлены, например, в ЦОДах «Яндекса» – всего 32 устройства CleanSource HD625.

ДИБП поэлементно

Практически все поставщики ДИБП предлагают варианты использования этих систем без отдельных элементов или, наоборот, отдельных элементов ДИБП с другими системами. Правда, мы не получили каких-либо данных об экономических преимуществах их применения на субмегаваттных объектах.

Так, у компании Hitec есть решение без дизельного двигателя – PowerKEM. Такие установки имеют мощность 400–2000 кВА и, как утверждают в Hitec, подходят для использования на небольших объектах, позволяя получить все преимущества больших машин. В компании также отмечают, что кинетический накопитель PowerKEM можно интегрировать в существующую систему электроснабжения. Решения без дизельного двигателя пока не очень распространены в России, но на мировом рынке данное оборудование пользуется популярностью.

Euro-Diesel тоже предлагает решение без дизельного двигателя: данная установка за счет накопления кинетической энергии может питать критическую нагрузку в течение нескольких секунд, которые требуются для переключения электрических вводов или запуска сторонней ДГУ. Однако, комментируя возможность использования такого решения, А. Зайцев делает ряд важных замечаний. В частности, он преду­преждает, что при набросе нагрузки на ДГУ при переходе с ДИБП (маховика) дизель-генератор может «завалиться» по частоте и/или «просесть» по напряжению, что повлечет обратный переход на ДИБП, в котором уже не останется запаса кинетической энергии, и может последовать полное отключение нагрузки. Важно также понимать, что бездизельный ДИБП «не несет ответственности» за пуск ДГУ, а если тот не запустится, то произойдет аварийное отключение нагрузки.

Некоторые особенности конструкции оборудования Hitzinger позволяют задействовать дизель-генератор и альтернатор в качестве аварийного источника электроснабжения при проведении технического обслуживания КИН-модуля (кинетического накопителя). Также в линейке продуктов Hitzinger имеются так называемый кондиционер питания, используемый совместно с газопоршневыми ДГУ, и система, разработанная для насосных станций, которая присоединяется к валу насосов.

Пожалуй, наибольшее число вариантов применения отдельных элементов ДИБП предлагает Piller. Выше уже упоминалась возможность использования маховика совместно с транзисторными выпрямителем и инвертором. Есть и обратный вариант: установки UBT+ позволяют в качестве устройств накопления энергии задействовать АКБ (можно и маховик). Они также предусматривают подключение дизельных двигателей в качестве внешних устройств. ДГУ может подключаться как со стороны сети («сверху», классический подход), так и «снизу» – на стороне нагрузки – в случае установки маховика. Для данного решения теоретически пригодна любая ДГУ, в том числе уже работающая на объекте заказчика.

В числе наиболее интересных объектов, на которых используются устройства UBT+, – ЦОДы NEXT DC (Австралия) и Telehouse (Германия). На них вариант включения ДГУ «снизу» реализован с применением конфигурации IP Bus (изолированно-параллельная шина). ЦОД NEXT DC с IP Bus был сертифицирован в сентябре 2017 г. по уровню Tier IV. При этом топология решения IP Bus предусматривает резервирование N + 1 (или N + 2), что обеспечивает более высокую энергоэффективность по сравнению со схемой 2N. Еще один интересный пример: реализация систем UBT+ и UBTD+ c АКБ, в том числе литий-ионными. В ноябре 2016 г. южнокорейский Hana Bank построил ЦОД с мощностью ИТ-нагрузки 8,5 МВт, установив в нем 10 устройств UBTD (1500 кВА) c литий-ионными АКБ в конфигурации IP Bus. Как утверждает представитель Piller, это первая в мире реализация ДИБП с литий-ионными батареями.

Когда приходит время менять подшипник

Приводя аргументы в пользу ДИБП, их поставщики подчеркивают, что срок капитального ремонта этого оборудования (в первую очередь замены подшипников) наступает только через 10 и более лет эксплуатации. За это время владельцам объектов со статическими ИБП приходится по несколько раз менять АКБ, что во многом объясняет преимущества ДИБП при расчете OPEX с горизонтом планирования более 10 лет.

    Замена подшипника на ДИБП 1 МВт через 12 лет эксплуатации
                                                       на ММВБ
 

Однако, по имеющимся у «ИКС-Медиа» данным, на практике замена подшипника может потребоваться и раньше. Как это обстоятельство комментируют поставщики?

Как нам сообщили в Hitec, в зависимости от условий эксплуатации и обслуживания замена подшипника может потребоваться как раньше, так и позже, чем через 10 лет. Системы мониторинга вибрации и температуры подшипников, которые входят в состав ДИБП Hitec, позволяют проводить ремонт, исходя из реального состояния подшипников, а не по наработке. По данным Hitec, стоимость капитального ремонта ДИБП сопоставима со стоимостью замены батарей при использовании статического ИБП.

В случае с ДИБП Euro-Diesel, как утверждают в компании, при своевременном выполнении регламентных работ срок в 10 лет выдерживается полностью. «Например, в лондонском дата-центре Global Switch поэтапно были установлены 26 ДИБП Euro-Diesel, часть из которых уже проработала более 10 лет. Заказчик ведет планирование по выводу ДИБП для капитального обслуживания, соответственно установки продолжают работать», – рассказывает А. Зайцев. При этом он отмечает, что затраты на такое обслуживание значительно ниже, чем расходы на замену парка аккумуляторных батарей СИБП эквивалентной мощности.

«Действительно, подшипники генератора меняются после 10 лет эксплуатации, но часто умалчивают о подшипниках КИН-модуля, замена которых производится после пяти-семи лет. У многих производителей замена этих подшипников совмещается с техобслуживанием КИН-модуля, поэтому они не раскрывают детали», – поясняет С. Соколов (АКСИ). По его утверждению, замена подшипников в устройствах серии NBDD компании Hitzinger (модели с маховиками мощностью от 150 до 1250 кВА) производится только после 10 и более лет эксплуатации.

     Кинетический накопитель (маховик) Piller PB60+,
        способный обес­печить автономное питание
                   нагрузки 1 МВт более 60 с
 

«Стоимость замены подшипников некритична по сравнению со стоимостью самого оборудования и складывается из двух основных частей: стоимости подшипников и стоимости нормо-часа, – продолжает специалист АКСИ. – У нашей компании есть опыт замены подшипников генератора ДИБП мощностью 1 МВА после почти 12-летней эксплуатации в России. Это непростая процедура, требующая участия квалифицированных обученных специалистов».

Говоря о замене подшипников в ДИБП, В. Ротань (Piller) обращает внимание на конструктивные особенности таких устройств. Большинство представленных на рынке ДИБП (производства Hitec, Euro-Diesel, Hitzinger) имеют горизонтальное расположение всех рабочих узлов системы (мотор-генератор, кинетический накопитель, дизельный двигатель на одном общем валу). В подобных системах подшипники испытывают двойную нагрузку: от вращения валов и от силы гравитационного воздействия массы роторов, которая направлена вниз. Кроме того, отвод тепла от внутренних подшипников в таких ИБП затруднен. Все это, считает В. Ротань, приводит к тому, что капитальный ремонт требуется уже через пять-шесть лет эксплуатации.

ДИБП Piller имеют принципиально иную конструкцию: кинетический накопитель связан с мотор-генератором электрической, а не механической связью – через тиристорный конвертор, – и имеет вертикальную конструкцию. Ротор маховика вращается на двух подшипниках, верхнем и нижнем. При этом подшипники работают в разгруженном режиме за счет управляемого электромагнитного компенсатора, установленного сверху. Например, в накопителе PB21 при массе ротора порядка 2,5 т на подшипники по вертикальной оси воздействует масса не более 50 кг. Все это обеспечивает ресурс работы подшипников 11–12 лет. На выполнение ремонта ДИБП такой конструкции требуется не более 6 ч, производится он непосредственно на объекте, а в качестве подъемного устройства используется только домкрат.

Развитие рынка и технологий

Развитие систем ДИБП, по мнению А. Зайцева, будет направлено на повышение эффективности, сокращение количества операций и времени обслуживания и исключение влияния человеческого фактора на работоспособность систем. Он приводит несколько примеров техни­ческих решений, уменьшающих влияние человеческого фактора. Так, у Euro-Diesel существуют решения с автоматической смазкой подшипников, при эксплуатации которых обслуживающий персонал контролирует уровень необходимой смазки в резервуаре и работу данной системы, но не осуществляет собственно смазку подшипников – это делает автоматика. Другой пример – использование бесщеточного возбуждения электрических машин системы ДИБП (щетки – дополнительный расходный материал). Нагрузку на службу эксплуатации снижает и применение необслуживаемого электромагнитного сцепления, простого и надежного элемента, который не требует столь пристального контроля и обслуживания, как механические аналоги.

        Панель управления ДИБП, установленного
          в одном из коммерческих ЦОД в Москве
 

Технологии и рынок ДИБП следуют за трендами рынка ЦОДов. А в области ЦОДостроения отчетливо проявляются такие тенденции, как повышение рабочей температуры воздуха в серверных залах и рост числа проектов создания мегаЦОДов (Hyper Scale DC) c одновременным повышением требований к сокращению капитальных затрат, повышению энергоэффективности и снижению вредного воздействия на окружающую среду. Как указывает В. Ротань, техника ДИБП в эти тенденции вписывается отлично: ДИБП без аккумуляторов способны работать при температурах до 50°С без кондиционирования, они дешевле, чем СИБП с АКБ (при мощностях от 1,5–2 МВт), имеют более высокий КПД даже при низких уровнях нагрузки (30–40%) и не требуют утилизации АКБ.

Еще одна важная тенденция индустрии ЦОДов – развитие пограничных вычислений (Edge Com­pu­ting). Как уже отмечалось, ДИБП более выгодны для мегаваттных проектов. Но гибридные системы, в которых маховики используются в качестве устройства накопления энергии, могут оказаться вполне востребованными и в небольших Edge-ЦОДах.

В целом, по оценкам «ИКС-Медиа», суммарная емкость ДИБП, уже установленных в ЦОДах в России, составляет порядка 300 МВт. Серьезным конкурентом таких ИБП являются набирающие популярность литий-ионные аккумуляторы. Кроме того, возможность оперативно перекинуть ИТ-нагрузку в другой ЦОД снижает потребность в долгосрочных системах резервного энергоснабжения (читай – ДГУ). Вместе с тем маховики выглядят перспективным средством сглаживания кратковременных перебоев электропитания. Поэтому гибридные системы ждет большое будущее, что показывают, в частности, инновационные системы электропитания в ЦОДах «Яндекса». 

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