Когда приходит время дизель-генераторных установок

Сколь бы успешно ваши источники бесперебойного питания (ИБП) ни сглаживали кратковременные «шероховатости» поступающего тока, с длительными отключениями они справиться не в состоянии. Системы бесперебойного гарантированного электропитания (СБГЭ) проектируются, как правило, таким образом, чтобы ИБП (точнее, их аккумуляторы) были способны «держать» нагрузку в течение 10-15 мин – этого времени более чем достаточно для того, чтобы дизель-генераторы, основной альтернативный источник электричества, начали работать в штатном режиме

При небольших мощностях нагрузки, когда к тому же обеспечение длительной автономной работы не требуется, можно, конечно, обойтись только аккумуляторами — без дизель-генераторов. Согласно исследованию, проведенному компанией APC by Schneider Electric, при мощности нагрузки 2 кВт использование одних лишь аккумуляторов экономически оправдано, когда время резервирования не превышает 1 ч 15 мин. Если мощность нагрузки возрастает до 6 кВт, граница обоснованности применения батарей снижается до уровня, при котором максимальное время автономной работы составляет 45 мин, а при увеличении мощности до 12 кВт — 15 мин. Объектам уровня ЦОД обычно требуется значительно больше 12 кВт, поэтому дизель-генераторы являются обязательным элементом их инженерной инфраструктуры.

Почему именно дизель? Для небольшой мощности — несколько кВт — более выгодным вариантом может оказаться бензиновый генератор: он дешевле, легче, проще в ремонте, меньше шумит и лучше заводится на морозе. Однако при мощности от 10 кВт и выше начинают сказываться такие факторы, как высокая надежность дизельных двигателей, большее время наработки на отказ, меньшее потребление топлива да и более низкая его цена. Эти особенности делают выбор в пользу дизель-генераторов фактически однозначным.

ПОЧТИ КАК В АВТОМОБИЛЕ

Два основных элемента дизель-генератора непосредственно отражены в его названии: это дизельный двигатель и электрический генератор. Однако если в обычных автомобилях для вращения ротора генератора используется ременный привод, то в дизель-генераторах первичный вал двигателя напрямую соединен с ротором генератора, который и преобразует механическую вращательную энергию в электрическую. Важным элементом этого устройства является регулятор скорости вращения вала двигателя, который отвечает за стабильность частоты переменного тока. Кроме того, генераторы обычно оснащаются автоматическими регуляторами напряжения (AVR), гарантирующими его стабильность (в установившемся режиме работы) на уровне 1,5% и даже лучше.

Все дизель-генераторные установки (ДГУ) можно разделить на две группы: предназначенные для работы в качестве основных источников энергоснабжения и применяемые в качестве резервных. Первый вариант востребован, если объект невозможно подключить к центральной сети энергоснабжения или когда использование автономного дизель-генератора оказывается выгоднее по экономическим соображениям (т.е. вырабатываемое им электричество дешевле того, что подается по электроцентрали). В подавляющем большинстве случаев ДГУ применяются как альтернативные источники энергии, которые задействуются при аварии на основной электросети или во время ее планового отключения.

Установки, спроектированные для резервного подключения, не следует эксплуатировать постоянно. Например, в ситуациях, когда ДГУ планируется использовать более 200 ч в год при разной нагрузке или более 25 ч в год при нагрузке 100%, эксперты компании Cummins рекомендуют выбирать продукты, предназначенные для применения в качестве основных источников электроснабжения. Более «мягкие» рекомендации ограничивают время работы резервной ДГУ 500 ч в год. Продолжительность функционирования основной ДГУ не лимитируется, однако время ее эксплуатации в состоянии перегрузки регламентируется. Согласно рекомендациям той же Cummins, 10%-ная перегрузка не может продолжаться более 1 ч в течение каждого 12-часового периода работы, однако в таком режиме оборудование не должно функционировать более 25 ч в год.

Назначение ДГУ обычно видно из маркировки. Например, присутствие в буквенно-цифровом коде, используемом для обозначения установок компании FG Wilson, литеры «Е» указывает на то, что данная модель предназначена для резервного электроснабжения, а литеры «P» — для установки в качестве основного источника электричества. Подобные обозначения применяют и другие производители, скажем, Cummins относит свою продукцию к типу «Е» или «Р» с аналогичными значениями букв.

РАСЧЕТ МОЩНОСТИ

В маркировке любого дизель-генератора обязательно указывается его мощность. Корректное определение этой характеристики очень важно не только для оптимизации затрат на покупку ДГУ, но и потому, что наиболее эффективно и экономично дизель-генераторы работают в режимах, близких к номинальным. При уменьшении нагрузки возможно возникновение нежелательных явлений: неполное сгорание топлива, повышение нагара моторного масла, снижение температуры двигателя ниже оптимальной, что приводит к нестабильности в его работе, поэтому производители не рекомендуют эксплуатировать установки, когда уровень мощности опускается ниже 25-30% от номинальных значений. Перегружать ДГУ более чем на 30% тоже не стоит — это чревато существенным увеличением расхода топлива и повышением вероятности отказа оборудования.

Для расчета общей требуемой мощности ДГУ необходимо суммировать мощность всей нагрузки с учетом ее характера (активная, индуктивная или емкостная). Желательно учесть параметры окружающей среды (температура, относительная влажность, давление), в которой будет эксплуатироваться дизель-генератор. Скажем, известно, что в условиях пониженного давления (разреженный горный воздух) двигатели внутреннего сгорания теряют свою мощность. Число поправочных коэффициентов может быть очень большим, и их полный учет выходит за рамки данной статьи.

«СЛАДКАЯ ПАРОЧКА» — ДГУ + ИБП

Наиболее часто потребителями электроэнергии, вырабатываемой ДГУ, являются ИБП, которые очищают ее для подачи на критическую нагрузку . Вопрос о сопряжении ДГУ и ИБП очень важен, поскольку в зависимости от решения этой задачи мощность ДГУ приходится завышать в несколько раз. Последнее, согласитесь, куда серьезнее учета поправочных коэффициентов, связанных с изменением давления или влажности. В чем же дело?

ИБП характеризуется диапазоном входных характеристик (напряжение и частота), в котором он обеспечивает питанием нагрузку без обращения к аккумуляторным батареям. Как только характеристики электричества выходят за границы указанного диапазона, ИБП уже не может гарантировать требуемое качество и переходит на работу от батарей. Чем шире диапазон, тем реже задействуются батареи, что продлевает срок эксплуатации этого «чувствительного» и дорогостоящего элемента.

Предположим, ИБП справляется без помощи батарей при отклонениях напряжения и частоты 10%, а авария в центральной сети приводит к отключению электроснабжения. В этом случае нагрузка переводится на аккумуляторы ИБП, а автоматика инициирует запуск ДГУ, на которую и переключается все оборудование. Но при «набросе» нагрузки неизбежно понижаются выходное напряжение и частота дизель-генератора. Если «просадка» составит 15%, то характеристики тока выйдут за рамки определенного диапазона ИБП, после чего, согласно запрограммированному алгоритму работы, ИБП опять переведет нагрузку на свои аккумуляторы. Оказавшись в режиме холостого хода, генератор быстро восстанавливает номинальные напряжение и частоту. ИБП немедленно переключает нагрузку на генератор, тот опять «проседает» и далее все повторяется. Такие «качели» могут закончиться печально — полной разрядкой аккумуляторов и потерей нагрузки.

Решить проблему можно, выбрав ДГУ, мощность которого превышает мощность, необходимую для питания нагрузки в штатном режиме. Данный вариант увеличивает расходы, что мало кому понравится. Лучше, конечно, приобрести модели ИБП, в которых реализован плавный перевод нагрузки с аккумуляторов на внешний источник электроснабжения. Однако к необходимости завышения мощности ДГУ приводит не только «просадка» генератора при «набросе» нагрузки. Работа выпрямителя во входной цепи ИБП становится причиной искажения текущих по ней токов. Несинусоидальные токи вызывают потери мощности в генераторе, а значит, и уменьшение мощности, подаваемой на нагрузку (более того, они могут привести к аварийной остановке ДГУ). Как следствие, мощность ДГУ опять придется увеличить.

Коэффициент искажений во входной цепи ИБП во многом определяется схемотехникой выпрямителя. Наихудший вариант — 6-пульсный выпрямитель без фильтров, в этом случае коэффициент нелинейных искажений может достигать нескольких десятков процентов. Ситуация улучшается, если 6-пульсный выпрямитель дополняется фильтрами или используется 12-пульсный выпрямитель. Идеальный выбор — выпрямитель на IGBT-транзисторах — в этом случае искажения не превышают 3-5% и без применения фильтров. Собственно говоря, большинство новых моделей ИБП комплектуются выпрямителями на IGBT-транзисторах.

Каково же рекомендуемое завышение мощности ДГУ над мощностью ИБП? Евгений Краснов, руководитель отдела сервиса компании «ТЭВ», считает, что при использовании ИБП с 6-пульсным выпрямителем без фильтров, мощность ДГУ должна быть в 2-2,5 раза больше входной мощности ИБП, если же ИБП имеет выпрямитель на IGBT-транзисторах — достаточно 10-20%-ного завышения. Владимир Белов, технический директор компании «Президент-Нева» Энергетический Центр«, допускает меньшие завышения: при использовании ИБП с 6-пульсным выпрямителем без фильтров — в 1,6-1,8 раза, для 6-пульсного выпрямителя с фильтрами или 12-пульсного выпрямителя — в 1,4-1,5 раза, для выпрямителя на IGBT-транзисторах — в 1,2-1,3 раза. Наконец, согласно документам, подготовленным разработчиками Cummins, вполне достаточно 40%-ного завышения для 6-пульсных выпрямителей и 15%-ного — для 6-пульсных, оснащенных фильтрами, и 12-пульсных.

Как видим, единства в этом вопросе нет, что еще раз указывает на сложность данной технической проблемы. Специалисты компании «Абитех» вообще не рекомендуют использовать ИБП с 6-пульсной тиристорной схемой выпрямления для работы с резервным генератором. Кроме того, Оксана Кузьмина, эксперт по системам резервного электроснабжения, не советует для этой цели устанавливать ИБП с входными пассивными фильтрами высших гармоник: во-первых, наличие таких фильтров приводит к большому емкостному току в момент подключения ИБП к ДГУ, что вызывает существенный динамический бросок выходного напряжения ДГУ, а во-вторых, они эффективны в довольно узкой зоне, близкой к точке номинальной работы ИБП.

ДГУ В ПАРАЛЛЕЛЬ

Типичная номинальная мощность одиночной системы ДГУ, используемой для резервирования электроснабжения ЦОД, составляет не более 2,5 МВА. Однако в случае необходимости повышения мощности многие специалисты рекомендуют объединять ДГУ в параллель уже начиная с 500 кВА. При этом в одном комплексе могут работать несколько десятков установок.

Плюсом организации параллельной системы ДГУ Евгений Краснов называет гибкость комплекса электропитания. Если нагрузка минимальна, то минимально и число задействованных в работе ДГУ (от одного генератора), а с ростом нагрузки ЦОД остальные ДГУ подключаются в автоматическом режиме. При этом увеличивается общий ресурс работы и надежность системы. Минусы в использовании комплекса параллельных ДГУ тоже имеются — это рост расходов на обслуживание, потребность в большей площади для размещения и увеличение числа инженерных систем для обеспечения работы ДГУ.

По мнению экспертов компании SDMO, параллельные системы наилучшим образом подходят для проектов, в которых величина нагрузки может изменяться в широких пределах. При продолжительной работе минимальная нагрузка потребителей, подключенных к генератору, не должна опускаться ниже 25% от его номинальной мощности, в противном случае возможны уже описанные выше негативные последствия. Параллельные комплексы позволяют избежать ситуаций, когда, например, неудачный запуск генератора приводит к серьезным проблемам в бизнес-процессах или к сбоям в производственном цикле. Кроме того, такие комплексы дают возможность осуществлять техническое обслуживание отдельных ДГУ, а оставшиеся генераторы продолжают обеспечивать нагрузку электропитанием.

При подобной схеме подключения ДГУ основной проблемой является управление и мониторинг агрегатов, входящих в состав комплекса. Решение данной задачи предполагает использование специализированных пультов управления, которые обеспечивают возможность локального и дистанционного управления установками. Подобные пульты с функциями синхронизации работы ДГУ предлагают большинство производителей.

Еще один вариант повышения общей мощности системы гарантированного электроснабжения ЦОД — организация независимых систем электропитания для разных групп потребителей. По мнению Оксаны Кузьминой, подобный вариант целесообразен, когда для питания нагрузки на объекте имеется несколько вводов от разных трансформаторных подстанций, в таком случае каждый ввод резервируется собственным ДГУ (или комплексом устройств, установленных в параллель).

ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ

Существует три основных варианта исполнения ДГУ. Первый — дизель-генератор в открытом исполнении (см. Рисунок 2), для установки которого необходимо специально оборудованное помещение, где требуется предусмотреть систему вентиляции и отвода выхлопных газов, отопительную систему (для поддержания температуры, подходящей для нормального запуска и работы ДГУ), а также другие инженерные подсистемы, включая средства автономного пожаротушения и пр. Очевидно, что такое помещение желательно предусмотреть еще на этапе проектирования ЦОД.

Второй вариант — размещение ДГУ в шумоизолирующем кожухе, который к тому же должен защищать установку от дождя, снега, низкой температуры и других неблагоприятных природных воздействий. Наконец, третий вариант — ДГУ в контейнере (см. Рисунок 4), где содержится все необходимое оборудование и обеспечиваются условия, требуемые для работы генератора. Часто контейнерные электростанции устанавливаются на колесную базу, что значительно упрощает их доставку на объект. Контейнерный вариант оптимален, когда ЦОД размещается в реконструируемом здании, где нет свободного помещения для размещения дизельной установки.

«КЛЮЧ НА ПУСК»

Пожалуй, важнейший момент в «жизни» дизель-генератора — запуск. В аварийной ситуации дизель должен запуститься с первой попытки и максимально быстро выйти в штатный режим работы. Наибольшее распространение получила электрическая система запуска ДГУ, значительно реже применяется пневматическая, совсем редко — гидравлическая. Запуск ДГУ осуществляется автоматически — при исчезновении напряжения в сети и/или по внешнему сигналу (для проверки дизель-генератора всегда должна иметься возможность запуска вручную). На надежность запуска ДГУ влияют состояние его аккумуляторов, тщательность проведенного техобслуживания, качество топлива и масла.

Степень готовности ДГУ существенно повышается при подогреве охлаждающей жидкости, что является обязательным условием для поддержания агрегата в «горячем» резерве. «Данная функция необходима для того, чтобы двигатель генераторной установки одномоментно, в течение короткого промежутка времени, мог принять на себя 100%-ную нагрузку и выйти на свои номинальные параметры», — поясняет Евгений Краснов. Иногда, в зависимости от температурных условий, моторное масло и топливо подогревают.

Время запуска — если говорить о промежутке между отключением основной сети и сигналом на старт ДГУ (так называемая «задержка на старт») — является программируемым параметром и может составлять от одной секунды до нескольких часов. Оксана Кузьмина справедливо замечает, что если вся критическая нагрузка защищена ИБП, то нет необходимости запускать мощную ДГУ (или параллельную систему ДГУ) в ситуациях, когда продолжительность отключений сети составляет несколько секунд или даже минут.

Заявляемое производителями гарантированное время перехода ДГУ к работе в штатном режиме обычно составляет до 30 сек, в реальности оно значительно меньше и может ограничиваться 10-20 сек. «Если для электроснабжения СГЭ используется параллельная система ДГУ, время готовности к приему нагрузки увеличивается, так как на синхронизацию электростанций необходимо некоторое время», — подчеркивает специалист «Абитех».

Запас топлива во встроенном баке ДГУ обычно достаточен для работы при полной нагрузке в течение 6-10 ч. Если требуется большее время резервирования, то необходимо предусмотреть дополнительные топливные баки или хранилища топлива, оснащенные системой автоматической закачки топлива и системой автоматического долива масла в картер двигателя. Как правило, топливную систему проектируют для обеспечения автономной работы в течение 8-24 ч.

Как долго способен работать ДГУ в случае обеспечения бесперебойной подачи топлива? По словам Евгения Краснова, общее время резервирования от одной ДГУ составляет 250 ч, после чего необходимо провести техническое обслуживание оборудования (замена масла, фильтров, технических жидкостей и т.д.). Если несколько ДГУ работают параллельно, в помощь к ним подключается резервная установка, а одна из рабочих выводится на ТО.

Эксперты рекомендуют осуществлять тестовый запуск ДГУ один раз в месяц, хотя периодичность подобной проверки может быть скорректирована с учетом степени надежности основной сети электроснабжения (т. е. в зависимости от того, как часто ДГУ используется во время отключения центральной сети). Тестовый запуск может выполняться как в режиме холостого хода, так и с подключением нагрузки. Интервал между стандартным техническим обслуживанием обычно составляет 250 моточасов работы либо 6 месяцев — что наступит быстрее. Кроме того, раз в год рекомендуется менять дизельное топливо (а также периодически контролировать его качество на предмет наличия воды и загрязнений), один раз в два года заливается свежий антифриз.

ВСЕ БОЛЬШЕ АВТОМАТИКИ

Современные ДГУ — технические решения с высокой степенью автоматизации. Управляющий микропроцессорный контроллер обеспечивает автоматический запуск установки при потере сети и/или по внешнему сигналу, а также управление контакторами автоматов ввода резерва (АВР), с помощью которых осуществляется автоматическое переключение нагрузки с внешнего электропитания на питание от ДГУ. Кроме того, в число стандартных функций включены мониторинг состояния ДГУ (в том числе дистанционный — светодиодный, релейный или компьютерный), подача аварийных сигналов и отработка аварийных защитных остановов электростанции. Контроллеры ДГУ оснащаются большим числом программируемых цифровых входов и выходов для наилучшей адаптации к условиям работы конкретной СБГЭ.

Дальнейшее повышение уровня автоматизации — одна из ключевых тенденций развития ДГУ. Оксана Кузьмина отмечает рост требований заказчиков к возможности адаптировать ДГУ под индивидуальные особенности конкретной СБГЭ. Режим работы резервной электростанции должен определяться не только наличием/отсутствием основной сети, но и получением внешних сигналов от различных систем мониторинга и управления заказчика. Растут и требования к системе мониторинга ДГУ: «Если раньше заказчик довольствовался светодиодной индикацией на панели управления электростанцией, то сегодня все чаще необходим компьютерный мониторинг и управление, в том числе — по локальной сети и Internet, а также GSM-мониторинг», — добавляет она.

Кроме того, эксперт «Абитех» фиксирует увеличение спроса на ДГУ большой единичной мощности и на параллельные системы ДГУ. Это объясняется как ростом мощности резервируемых систем, так и возрастающими требованиями к надежности электроснабжения оборудования.

В последние годы значительно ужесточились нормы в отношении выбросов отработанных газов, в связи с чем все ведущие производители дизельных двигателей усовершенствовали свои изделия либо разработали и внедрили в производство новые двигатели — экологичные, потребляющие меньше топлива и имеющие большую мощность. В результате, как отмечает Евгений Краснов, двигатели стали более сложными, высокотехнологичными, возросли требования к качеству применяемого топлива и масла, а также к уровню подготовки обслуживающего и ремонтного персонала.

Помимо экологии, остается актуальной проблема использования/утилизации выделяемого тепла при работе генераторных установок. «Как известно, КПД дизельного двигателя составляет примерно 25%, остальная энергия сжигаемого топлива выбрасывается „на ветер“, а это серьезные деньги, — говорит Евгений Краснов. — В современных системах энергоснабжения предусматривается возможность утилизации отработанных выхлопных газов и выделяемого тепла, в результате которой решаются задачи отопления помещений ЦОД, горячего водоснабжения и кондиционирования».

Владимир Белов полагает, что при мощностях свыше 500 кВт в СГБЭ ЦОД вместо пары ДГУ-ИБП выгоднее использовать так называемые динамические ИБП с приводом от дизельных двигателей. По его словам, это «более надежное, дешевое и экологически чистое решение».

Концепцию динамических ИБП активно продвигает бельгийская компания Euro-Diesel, выпускающая систему No-Break KS. В ее состав, помимо дизельного двигателя, входит электромагнитная муфта сцепления и специальный стато-генератор переменного тока, состоящий из синхронного генератора переменного тока и аккумулятора кинетической энергии. При наличии электропитания от внешней сети динамический ИБП работает в основном режиме, когда аккумулятор кинетической энергии, вращаясь, приводит в движение синхронный генератор, который питает потребителей «чистым» синусоидальным напряжением. При отключении внешнего питания динамический ИБП переходит в режим автономной работы, в таком случае замыкается электромагнитная муфта, запускается дизельный двигатель и за счет него продолжается вращение синхронного генератора, вырабатывающего электроэнергию.

КРИТЕРИИ ВЫБОРА

Итак, каковы же основные критерии выбора ДГУ для систем электропитания ЦОД? По мнению Оксаны Кузьминой, прежде всего следует обращать внимание на мощность и тип резервируемой нагрузки. Она напоминает, что в ЦОД обычно имеется оборудование с большими пусковыми токами — кондиционеры, чиллеры и т.п.; это обстоятельство, равно как возможные нелинейные искажения тока, вносимые в СБГЭ выпрямителями ИБП, необходимо обязательно учитывать.

Евгений Краснов выделяет такой критерий, как обеспечение простоты и надежности эксплуатации: ДГУ должны поддерживать дополнительные функции, которые позволили бы свести к минимуму участие человека в работе установок, тем самым исключая «человеческий фактор» и облегчая жизнь обслуживающему персоналу. А вот Игорь Берестюк, исполнительный директор компании Generent, главным при выборе и проектировании ДГУ считает доступность технической документации и наличие разрешительных документов.

Безусловно, при выборе ДГУ важны надежность технического решения, срок его поставки и, конечно, стоимость. Не стоит забывать о сопряжении ДГУ с другими системами и об интеграции в единую систему управления, наличие которой становится все более важным фактором для таких объектов, как современный ЦОД.