Aplikasi Penjana Diesel——Topik 1. Pusat Data

 

1. Komposisi Penggunaan Tenaga Pusat Data

2. Punca Pusat Data Terputus 

3. Sistem Agihan Kuasa Pusat Data

Sistem pengagihan kuasa pusat data menukar voltan tinggi kepada voltan sederhana, dan kemudian kepada voltan rendah untuk digunakan oleh peralatan IT. Pembekal utiliti membekalkan kuasa voltan tinggi (>100kV) atau voltan sederhana, yang memerlukan pencawang di tapak dan pengubah kuasa untuk menurunkannya kepada voltan sederhana (MV). Alat suis MV mengagihkan kuasa MV dengan selamat kepada pengubah lain, terletak berhampiran dewan data, yang mengurangkan voltan kepada voltan rendah (LV, cth, 415V). Dipasangkan dengan pengubah ini ialah penjana diesel, yang juga mengeluarkan pada 415V AC. 

Jika kuasa utiliti gagal, Suis Pemindahan Automatik (ATS) secara automatik menukar beban kepada penjana. Dari sudut ini, dua laluan kuasa muncul: satu ke peralatan IT dan satu lagi ke peralatan penyejukan. Laluan peralatan IT mula-mula mengalir melalui sistem UPS, yang disambungkan ke bank bateri biasanya menyediakan 5-10 minit masa penyimpanan - mencukupi untuk penjana dimulakan (dalam satu minit) dan mengelakkan gangguan sementara. Kuasa UPS biasanya dibekalkan terus kepada peralatan IT melalui Unit Agihan Kuasa (PDU).

Langkah terakhir melibatkan penghantaran kuasa ke cip melalui Unit Bekalan Kuasa (PSU) dan Modul Pengawal Selia Voltan (VRM).

4. Pecutan Kuasa Pengkomputeran CPU/GPU Memacu Permintaan Kuasa

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan pembangunan Kecerdasan Buatan (AI), pembelajaran mesin dan analisis data besar, permintaan untuk sumber pengkomputeran telah melonjak secara mendadak. Lelaran berterusan dalam teknologi CPU dan GPU telah mendorong peningkatan yang ketara dalam kuasa pengkomputeran. Contohnya:

Peningkatan Penggunaan Kuasa GPU:

Kuasa Reka Bentuk Terma (TDP) GPU generasi baharu (seperti NVIDIA A100, H100, dan siri Blackwell seterusnya) terus meningkat, meningkat daripada beberapa ratus watt kepada 700W, malah melebihi 1200W.

Ledakan Kuasa Pengkomputeran:

Memandangkan latihan dan inferens AI memerlukan keupayaan pengiraan yang sangat tinggi, bilangan GPU yang digunakan bagi setiap pusat data telah meningkat dengan mendadak, seterusnya meningkatkan permintaan kuasa keseluruhan.

5.1 Pusat Data Menggunakan Puluhan Penjana

Penjana dipadankan satu-sama-satu dengan pengubah voltan rendah untuk memastikan operasi pusat data semasa kegagalan kuasa huluan. Penjana, dengan output kuasa dipadankan dengan pengubah, dipasang di sebelah setiap pengubah voltan rendah. Penjana ini diaktifkan sekiranya berlaku kegagalan dalam pengubah atau sumber kuasa huluannya. Jika kegagalan kuasa utama berlaku, Suis Pemindahan Automatik (ATS) dalam suis voltan rendah secara automatik beralih kepada penjana (setiap penjana dalam kampus skala besar biasanya mempunyai penarafan kuasa 2-3 MW). Penjana 3MW tunggal mempunyai lebih daripada 4000 kuasa kuda. Dua puluh atau lebih penjana seperti itu biasanya ditemui dalam pusat data skala besar. Contohnya: Cummins Power menyediakan 45 set penjana diesel C2500D5A yang dilengkapi dengan enjin Cummins QSK60 untuk Pusat Data Pengkomputeran Awan Zhejiang dan 24 unit C2500D5A-10.5KV untuk projek Alibaba di Nantong.

5.2 Analisis Sensitiviti Saiz Pasaran Penjana Diesel (Dikira untuk Permintaan NVL72 Sahaja)

Kapasiti kuasa set penjana diesel boleh mencapai sehingga 2 kali ganda jumlah beban IT. Menurut CDCC, dalam satu kes pengubahsuaian pusat data, terdapat 1376 x 4kW kabinet pelayan dan 24 x 4kW kabinet rangkaian. Memandangkan faktor penggunaan 0.9, jumlah beban IT ialah 5040kW. Projek ini menggunakan 5+1 unit set penjana diesel luar voltan sederhana 1800kV. Kami perhatikan bahawa dalam kes ini, kuasa penjana diesel adalah lebih kurang dua kali ganda jumlah beban IT.

Menurut CDCC, harga biasa untuk jenama penjana diesel arus perdana dalam industri pusat data adalah lebih kurang: 2.5 juta RMB untuk 1800kW, 3.6 juta RMB untuk 2000kW, 5.5 juta RMB untuk 2200kW, dan 8.3 juta RMB untuk 2500kW (semuanya pada penarafan kuasa biasa).

Analisis sensitiviti mudah menunjukkan bahawa, dengan mengandaikan penggunaan penjana diesel 2000kW dan keperluan dua kali ganda jumlah beban IT, saiz pasaran untuk penjana diesel yang diperlukan untuk 25,000 rak GB200 NVL72 adalah kira-kira 10.8 bilion RMB.

5.3 Permintaan Kuasa IT Pusat Data

5.4 Landskap Kompetitif Penjana Diesel Pusat Data

Pengeluar luar negara menguasai industri set penjana diesel pusat data. Pusat data terutamanya menggunakan jenama import set penjana diesel, kebanyakannya produk daripada Cummins, Caterpillar, MTU, Mitsubishi, dll. Model yang biasa digunakan termasuk Cummins C2500D5A, Caterpillar 3516B dan siri MTU 4000. Antara jenama enjin diesel berkelajuan tinggi berkuasa tinggi arus perdana di pasaran, selain jenama import, kini terdapat jenama usaha sama seperti Yuchai MTU dan Chongqing Cummins. Jenama domestik seperti Yuchai, Weichai dan Pangu(Googol) sudah mempunyai beberapa kes aplikasi dalam pasaran pusat data.

5.5 Perbandingan Parameter: Penjana Diesel Domestik lwn Import

Perbezaan utama antara jenama import dan domestik terletak pada enjin itu sendiri. Pada masa ini, tidak banyak perbezaan dalam konfigurasi pakej dan teknologi pembungkusan.

Jadual1: Perbandingan Parameter Utama Set Penjana Diesel

kategori	Penerangan	Keperluan	Penjana Diesel Import	Penjana Diesel Domestik
Set Penjana Diesel	Kuasa Berterusan Pusat Data (Berdasarkan Kuasa DCP ISO-8528)	1800-2400kw	☆☆	☆☆
	Julat Ketinggian Tanpa Pengurangan Kapasiti	1500m	☆☆	☆☆☆
	Julat Suhu Ambien Tanpa Pengurangan Kapasiti	-10~40 ℃	☆☆	☆☆☆
	Saiz	Sama ada ia boleh disusun dalam bekas standard 40 kaki	☆☆☆	☆☆
	Berat (Berat Bersih)	-	☆☆☆	☆☆
	Penggunaan Bahan Api (Kadar Muatan 100%)	≤240g/kWj	☆☆☆	☆☆
	Masa dari Mula hingga Penubuhan Voltan	6s	☆☆☆	☆☆
	Masa dari Mula hingga 100% Muatan	60an	☆☆☆	☆☆
	Tahap Prestasi Menanggung Beban	G3	☆☆☆	☆☆☆
	Kapasiti Beban Sementara Di Bawah G3	0-50%	☆☆☆	☆☆☆
		Boleh memberikan kapasiti beban sementara serta-merta 0-X% (X>50)
	Sisihan Voltan Transien	100% langkah: ≤20%, 0-50% langkah: ≤15%	☆☆☆	☆☆☆
	Masa Pemulihan Voltan Transien	≤4s	☆☆☆	☆☆☆
	Sisihan Kekerapan Sementara	100% langkah: ≤10%, 0-50% langkah: ≤7%	☆☆☆	☆☆☆
	Masa Pemulihan Kekerapan Sementara	≤3s
	bising	≤110dB	☆☆☆	☆☆☆
	Getaran	Anjakan <0.72mm, Kelajuan Getaran <... (sebahagiannya dikaburkan)
	Kapasiti Beban Kapasitif	Kapasitif -0.9 hingga 1 Tiada Pengurangan Kapasiti	☆☆☆	☆☆☆

Jadual2: Perbandingan parameter utama enjin diesel, alternator dan komponen lain

kategori	Penerangan	Keperluan	Penjana Diesel Import	Penjana Diesel Domestik
Enjin Diesel	Kaedah Suntikan Bahan Api	Suntikan Elektronik atau Common Rail Tekanan Tinggi	☆☆	☆☆
	Kawalan Kelajuan Enjin	Kawalan Kelajuan Elektronik	☆☆☆	☆☆☆
	Suhu Persekitaran Radiator	40-45 ℃	☆☆	☆☆☆
	Kapasiti Bateri Pemula	Sekurang-kurangnya 6 Kali	☆☆☆	☆☆☆
	Pengecas	Pengecas Nadi	☆☆☆	☆☆
	Penyejuk Bahan Api	Konfigurasi Kilang	☆☆☆	☆☆
	Pemanas Air Silinder	9/12KW	☆☆	☆☆
Penjana	Minyak Enjin	Konfigurasi Kilang	☆☆☆	☆☆
	Bahan penyejuk	Konfigurasi Kilang	☆☆☆	☆☆
	Kaedah Pengujaan	PMG atau AREP	☆☆☆	☆☆☆
	AVR	Dilengkapi Kilang atau BASLER DECS150 (BASLER DECS150)	☆☆☆	☆☆☆
	Kelas Penebat	Tidak Lebih Rendah Daripada Kelas F	☆☆☆	☆☆☆
	Kelas Peningkatan Suhu	Tidak Lebih Rendah Daripada Kelas F	☆☆☆	☆☆☆
	galas	Galas Berganda	☆☆	☆☆☆
	Kecekapan	≥95%	☆☆☆	☆☆☆
	Penderia Suhu	Penggulungan RTD6, Galas RTD2	☆☆☆	☆☆☆
	Kelas Perlindungan	Tidak Lebih Rendah Daripada IP23	☆☆☆	☆☆☆
Gandingan dan Pengasing Getaran	Gandingan dan Pengasing Getaran	Gandingan Anjal Tinggi, Setara Flender. Pengasing, Dikonfigurasikan Kilang atau Setara dengan Flender.	☆☆☆	☆☆
Pengawal Selari	Model dan Fungsi Panel Kawalan	Dikonfigurasikan Kilang atau BASLER, DEIF dll. (BASLER, Setara Danfoss)	☆☆☆	☆☆
bekas	Saiz	40 kaki Standard atau Saiz Lain	☆☆	☆☆
	Tahap Kebisingan	75dB	☆☆	☆☆
	Berat (Termasuk Enjin Diesel dan Peralatan Padanan)	-	☆☆☆	☆☆

5.6 Pemilihan dan Penggunaan Set Penjana Diesel dalam Industri Pusat Data

Pemilihan Kuasa

Pemilihan kuasa mestilah berdasarkan keadaan operasi sebenar. Pemilihan kuasa set penjana diesel mempunyai kesan yang sangat ketara terhadap pelaburan pusat data dan jaminan bekalan kuasa. Pelanggan yang berbeza memilih kuasa set penjana yang sesuai berdasarkan keperluan yang berbeza, menawarkan fleksibiliti yang besar.

Sebagai piawaian penting untuk set penjana diesel, ISO 8528-1 dan GB/T 2820-1 mentakrifkan empat jenis penarafan kuasa set penjana diesel. Walau bagaimanapun, memandangkan penarafan kuasa yang ditentukan adalah berdasarkan empat keadaan operasi yang tidak sejajar sepenuhnya dengan profil beban pusat data, pemilik perlu memilih berdasarkan ciri-ciri pusat data.

Cummins Power menerajui industri dengan mencadangkan kuasa DCC (Data Center Continuous), penarafan bekalan kuasa berterusan yang sesuai untuk kegunaan pusat data, disesuaikan dengan ciri operasi pusat data. Ini memberikan nilai yang signifikan untuk pelaburan pusat data dan pengurusan operasi. Penarafan DCC diiktiraf oleh Uptime Institute dan boleh digunakan untuk pensijilan Uptime Tier III dan Tier IV.

Faktor Utama dalam Pemilihan Set Penjana

Enjin menyediakan kuasa yang diperlukan untuk set penjana diesel. Pemilihan enjin adalah bahagian paling kritikal dalam memilih set penjana.

Asas

Menyediakan kuasa yang mencukupi dan tindak balas dinamik kepada perubahan beban. Disebabkan oleh kerumitan mereka bentuk dan mengeluarkan enjin diesel berkapasiti besar, enjin daripada pengeluar berbeza boleh berbeza-beza dengan ketara. Keupayaan enjin untuk memberikan kuasa yang mencukupi adalah pertimbangan utama, diikuti dengan tindak balas dinamiknya terhadap perubahan beban, yang juga merupakan penunjuk teknikal yang penting.

Trend

Dengan kemajuan teknologi, trend utama dalam pembangunan enjin diesel adalah ke arah anjakan yang lebih kecil dan kuasa yang lebih tinggi. Pengilang sedang berusaha untuk meningkatkan ketumpatan kuasa enjin melalui pelbagai cara. Enjin diesel tradisional mempunyai ketumpatan kuasa yang sangat rendah; contohnya, enjin yang disedut secara semula jadi mempunyai output kuasa yang berkadar terus dengan anjakannya, tetapi model sedemikian sebahagian besarnya sudah usang di peringkat antarabangsa. Dengan perkembangan teknologi pengecasan turbo dan kematangan teknologi pembakaran bersih bertekanan tinggi, ketumpatan kuasa enjin diesel yang ditawarkan oleh pengeluar di seluruh dunia terus bertambah baik. Langkah-langkah untuk meningkatkan ketumpatan kuasa termasuk meningkatkan cas udara, meningkatkan kecekapan mekanikal dan meningkatkan kecekapan pembakaran.

Empat Faktor Utama untuk Memilih Set Penjana

1. Memenuhi kuasa keluaran yang diperlukan.

2. Mempunyai ciri dinamik yang baik: keupayaan untuk penerimaan beban penuh satu langkah.

3. Enjin suntikan bahan api elektronik (EFI) – Enjin EFI menawarkan ciri penerimaan beban yang unggul.

4. Mempunyai pengalaman permohonan yang terbukti dan sejumlah besar kes permohonan.

Beban Harmonik

Peralatan IT pusat data, beban UPS dan pemacu frekuensi berubah (VFD) untuk penyejuk mempamerkan ciri harmonik yang ketara. Jenis peralatan penerus yang berbeza juga mempunyai tandatangan harmonik yang berbeza. Beban harmonik boleh memberi kesan besar kepada kualiti kuasa sistem elektrik. Ia boleh menyebabkan pengendalian peralatan yang tidak normal, seperti terlalu panas motor dan transformer, bunyi dan getaran luar biasa, dan kabel terlalu panas. Oleh itu, kesan beban harmonik yang disambungkan mesti dinilai untuk mengelakkan keabnormalan sistem yang disebabkan oleh harmonik. Standard kebangsaan GB/T 14549 'Kualiti Kuasa - Harmonik dalam Rangkaian Bekalan Awam' menentukan had untuk herotan voltan harmonik yang dibenarkan pada pelbagai peringkat grid.

Menilai kesan harmonik memerlukan pemahaman kandungan arus harmonik (THDI) semua peralatan penghasil harmonik, dan kemudian mengira kadar herotan voltan harmonik yang ditimbulkannya dalam sistem berdasarkan galangan subtransient set penjana diesel siap sedia. Secara ringkasnya, apabila memilih set penjana diesel, selain mengesahkan kuasa enjin berdasarkan saiz beban, impak arus harmonik juga mesti dikira dengan mengambil kira magnitud beban harmonik.

Beban Kapasitif

Dalam sistem bekalan kuasa peralatan IT pusat data semasa, kehadiran beban kapasitif dalam peralatan elektrik menyebabkan ciri beban sistem menunjukkan operasi faktor kuasa terkemuka. Ini mengenakan keperluan pengurusan teknikal yang lebih tinggi pada sistem bekalan kuasa yang sepadan. Beban kapasitif menimbulkan dua bahaya ketara dalam sistem bekalan kuasa: voltan lampau resonan semasa beban ringan set penjana dan ketidakstabilan sistem yang berpotensi semasa beban penuh.

Sistem bekalan kuasa dengan tegas menghalang operasi pada faktor kuasa utama. Industri kuasa mempunyai peraturan yang jelas untuk pengurusan kuasa reaktif: ia memerlukan pengguna kuasa untuk menghalang aliran balik kuasa reaktif ke dalam grid, dan juga memerlukan penjana untuk mempunyai kapasiti tertentu untuk menyerap kuasa reaktif, untuk menggunakan kuasa reaktif yang dijana oleh grid itu sendiri.

Keupayaan Sistem Selari Pantas

Sistem kuasa sandaran untuk pusat data terutamanya terdiri daripada set penjana UPS dan diesel. UPS statik dengan bateri menyediakan bekalan kuasa tanpa gangguan ke pusat data, manakala set penjana diesel boleh terus menyediakan bekalan kuasa berterusan selepas sokongan kuasa ringkas daripada UPS. Penyelarasan antara mereka adalah sangat penting. Selain mempertimbangkan keserasian harmonik dan pemilihan kapasiti, penyelarasan masa juga harus dipertimbangkan. Jika set penjana diesel boleh dibawa dalam talian dengan cepat, ia boleh mengurangkan pelaburan dalam bateri UPS statik dengan ketara dan mengurangkan jejak yang diperlukan untuk bateri. Memandangkan bateri juga memerlukan penyelenggaraan dan penggantian yang kerap, memendekkan masa permulaan set penjana diesel dan masa ketersediaan kuasa adalah sangat bermakna.

Apabila beberapa set penjana diesel dimulakan, selari ke bar bas tidak dibenarkan tanpa penyegerakan apabila bar bas dinyahtenagakan. Modul Sensor Mula Pertama Kuasa Cummins secara automatik boleh mengesan unit pertama untuk mencapai keadaan terkadar selepas beberapa set penjana diesel dimulakan serentak, menyambungkannya ke bar bas sistem dan menghalang unit lain daripada ditutup. Selepas unit pertama berjaya disambungkan, unit lain menyegerak dan selari dengan busbar, mencapai masa selari sistem terpendek dan kebolehpercayaan penutupan yang optimum.

Tanpa mengira kaedah permulaan yang digunakan, melengkapkan tenaga bar bas dengan pantas oleh set penjana diesel dan mencapai selari adalah elemen yang paling kritikal.

Pembumian Titik Neutral Genset Voltan Tinggi

Dalam sistem set penjana diesel voltan tinggi, untuk mengurangkan bahaya arus kerosakan tanah fasa tunggal kepada peralatan sistem dan risiko kecederaan kepada kakitangan dari arka kerosakan, titik neutral set voltan tinggi dibumikan melalui rintangan kecil. Reka bentuk perintang pembumian mesti mempertimbangkan kedua-dua keperluan perlindungan sistem, memastikan peranti perlindungan tanah beroperasi semasa kerosakan tanah satu fasa, dan mengelakkan bahaya arus kerosakan tanah yang berlebihan. Biasanya, arus kerosakan tanah dikawal antara 100~1000A, dengan nilai biasa 400A. Terdapat beberapa kaedah untuk pembumian neutral: satu perintang seunit, perintang biasa untuk semua unit, atau rintangan kecil biasa melalui pengubah pembumian pada bar bas. Pilihan kaedah pembumian bergantung pada keadaan projek tertentu.

Pengudaraan Sistem

Untuk memastikan operasi stabil set penjana diesel, pengudaraan bilik enjin adalah penting. Bilik enjin mesti memastikan peredaran udara yang mencukupi untuk mengeluarkan haba, asap, dan gas ekzos yang dihasilkan oleh enjin, penjana, dan peralatan sampingan, dan untuk menyediakan udara pembakaran.

Kaedah penyejukan untuk set penjana dibahagikan kepada penyejukan berganding radiator dan penyejukan penukar haba jauh. Tanpa mengira kaedah, adalah penting untuk memastikan pengudaraan yang mencukupi di dalam bilik enjin supaya haba yang dijana oleh unit dapat dikeluarkan dengan segera, mengelakkan kerosakan unit akibat suhu tinggi. Salur keluar udara hendaklah diletakkan dengan betul untuk memastikan aliran udara dari hujung penjana melepasi enjin, membawa jauh sinaran haba dari permukaan enjin. Memenuhi kadar pengudaraan yang ditentukan oleh peralatan adalah kunci dalam reka bentuk pengudaraan. Mengira kadar pengudaraan yang diperlukan mesti mengambil kira rintangan yang dihasilkan oleh pelbagai bahagian saluran pengudaraan; nilai rintangan ini tidak boleh melebihi had yang ditentukan oleh peralatan.

Tangki Penyimpanan Bahan Api dan Sistem Bekalan Bahan Api

Kapasiti dan jenis tangki bahan api yang dilengkapi dengan unit ditentukan oleh spesifikasi teknikal produk dan juga mesti mematuhi kod keselamatan kebakaran kebangsaan berdasarkan lokasi pemasangan.

Tangki bahan api mesti diperbuat daripada plat keluli berkualiti tinggi, memerlukan rawatan perlindungan kakisan terkubur, dan dilengkapi dengan tolok aras. Setiap tangki bawah tanah harus mengandungi tolok aras apungan magnet berterusan yang mampu mengeluarkan isyarat 4-20mA kepada pengawal PLC.

Tangki hari mesti dilengkapi dengan penutup lurang, paip masuk bahan api, paip balik, paip longkang, paip limpahan, tolok aras, dsb. Ia mesti menggunakan tolok aras magnetik gred industri dengan penanda, ditanda dengan jelas dengan ketinggian bahan api, menampilkan paparan tempatan dan mampu memberikan isyarat 4-20mA jauh.

Dua pam pemindahan bahan api hendaklah dipasang. Setiap pam mesti mampu memindahkan minyak diesel ringan dengan kadar alir yang mencukupi untuk memastikan operasi beban penuh set penjana. Pam pemindahan bahan api hendaklah dibekalkan dengan semua aksesori yang diperlukan, termasuk penapis, injap sehala, dsb. Motor pam hendaklah reka bentuk kalis letupan, 3 fasa, 50Hz, dengan perlindungan lebihan beban.

Sistem kawalan mesti termasuk pemantauan untuk paras tangki bawah tanah dan paras tangki hari, injap solenoid kawalan dan pam pemindahan, dan menyediakan maklumat penggera yang sepadan. Ia hendaklah membenarkan isyarat Modbus-RS485 standard untuk penyepaduan dengan Sistem Pengurusan Bangunan (BMS).

Ujian Bank Beban Set Penjana Diesel

Ujian bank beban untuk set penjana diesel adalah sangat penting. Semasa penerimaan projek, ujian bank beban boleh mengesahkan sama ada unit boleh mencapai output kuasa beban penuh dan menyemak sama ada pengudaraan, ekzos, bekalan bahan api dan reka bentuk dan pemasangan sistem elektrik memenuhi keperluan reka bentuk. Pada masa yang sama, semasa penyelenggaraan rutin, ia menyediakan operasi yang dimuatkan untuk enjin, menghalang potensi isu seperti pembentukan karbon yang boleh disebabkan oleh operasi beban ringan yang berpanjangan, dengan itu memastikan operasi yang boleh dipercayai bagi set penjana.