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集裝箱柴油發(fā)電機組的設(shè)計原則和建議 |
摘要：所謂靜音型柴油發(fā)電機組顧名思義就是發(fā)出較小噪音的柴油發(fā)電機。它是把標準型的柴油發(fā)電機組本體，經(jīng)過產(chǎn)品優(yōu)化環(huán)節(jié)安裝在一個定制的戶外集裝箱之內(nèi)，同時應用子系統(tǒng)集成技術(shù)，把自動供油、供配電、應急照明、消音降噪、煙塵凈化、消防預警、以及并聯(lián)管控平臺等系統(tǒng)配套集成在集裝箱內(nèi)，使之成為一套可靠、高效、環(huán)保的模塊化備用電源平臺。低噪音發(fā)電機組主要應于需要柴油發(fā)電機供電而不想收到噪音干擾的場所，但是這種于特環(huán)境的靜音發(fā)電機價格，較普通發(fā)電機價格也高。康明斯公司在本文將集裝箱式柴油發(fā)電機組的設(shè)計原則和建議詳細介紹給大家，但愿能在用戶選擇柴發(fā)外罩時刻能給您帶來參考價值。
一、靜音箱式柴發(fā)標準和結(jié)構(gòu)特點
1、噪音要求
通過對柴油發(fā)電機的排氣噪音、進風與出風的噪音進行降噪處理達到低音的效果。一臺敞開式柴油發(fā)電機工作時音可到到110分貝左右，世界頂級的柴油發(fā)電機噪音于也不會低于95分貝。當人在噪音超過85分貝的場所健康就會受到影響。所以高于85分貝的靜音發(fā)電機就不能稱于靜音的，因此柴油發(fā)電機降噪的效果一定要低于85dB。
柴油發(fā)電機技術(shù)發(fā)展較快，各方面技術(shù)也較成熟，靜音柴油發(fā)電機的技術(shù)也不例外。柴油發(fā)電機降噪的方法也各顯神通。目的只有一個就是把柴油發(fā)電機的音降到最低。低于65分貝的靜音柴油發(fā)電機是我們大家共同奮斗的目標。就目前來講有經(jīng)驗的發(fā)電機廠家最好的降噪分貝在65分貝1米測距，次一點的成績在75分貝1米測距，這也是大部分柴油發(fā)電機廠家可以達到的降噪水平。
2、隔音結(jié)構(gòu)
由于靜音箱隔音指標要求高，靜音箱設(shè)計為三層隔振結(jié)構(gòu)型式、內(nèi)外兩扇隔音門，靜音箱內(nèi)外殼用 2-3mm厚優(yōu)質(zhì)冷軋電解鋼板與多層阻尼隔音材料復合而成，外表采用靜電噴涂，三層殼體間填有隔音板、阻尼板、環(huán)保吸音棉等材料，內(nèi)層有吸音模塊材料等，靜音箱門邊有密封膠墊，箱內(nèi)配有產(chǎn)品測試電纜接口等。集裝箱箱體外觀如圖1和圖2所示。
3、吸音、隔振結(jié)構(gòu)
（1）箱內(nèi)表面貼有50-300mm厚大波浪強力吸音棉，這種做法具有良好的吸音效果。
（2）靜音箱底部配有四個減振器，以減少外界振動聲源對隔音箱的影響。
4、靜音箱體材質(zhì)和配置
（1）采用懸浮結(jié)構(gòu)可有效降低固體噪聲的傳播，采用多層高分子復合板材制做，既能減輕箱體的重量又能有提高隔聲效果。
（2）箱體的內(nèi)外殼采用2-3mm的冷扎鋼板，經(jīng)過沖壓、焊接、酸洗、噴涂制作而成的，內(nèi)部采用3—6層的阻尼、隔聲、吸音材料制做而成的復合隔聲墻板。
（3）根據(jù)客戶的使用要求，厚度設(shè)計為150mm—500mm，門設(shè)計為單道和雙道隔聲吸音門。
（4）靜音箱內(nèi)部的配置，一個燈、一個插座、線孔及檢測產(chǎn)品放置臺面（這些配置都是根據(jù)客戶要求設(shè)置）。
（5）靜音箱的所用材料都是阻燃、無異味的環(huán)保材料。
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圖1 集裝箱式柴油發(fā)電機組總裝軸測圖（左） |
圖2 集裝箱式柴油發(fā)電機組總裝軸測圖（右） |
二、柴發(fā)進排風系統(tǒng)的設(shè)計
集裝箱式柴油發(fā)電機組進排風設(shè)計如圖3所示，其中頂部排風系統(tǒng)如圖4所示。
1、進風通道
（1）設(shè)置在發(fā)電機后端相同高度側(cè)，需要在滿足系統(tǒng)滿負載工作的燃燒、輻射空氣量以及風速、背壓等基本要求的同時，額外考慮到箱內(nèi)阻礙物體對空氣流向的影響。
（2）進風通道必須考慮在高氣壓環(huán)境下的消音降噪功能，高效消聲通道的設(shè)計建議使用高強度的沖孔鍍鋅板材一次成型壓制，消聲片厚度及間距以150-200mm為宜，消聲通道長度不宜超過1000mm。同時，需要提醒的是，任何沒有機械輔助進風的迷宮式通道設(shè)計都是應該避免的。
（3）如需在進風口處設(shè)置自動百葉，應對百葉角度以及進風通道面積放大適當倍數(shù)計算，控制百葉開啟的電動裝置應為直流型杠桿傳動機構(gòu)（冗余設(shè)置），確保百葉在8秒內(nèi)能夠快速全部打開，機組停止時延時關(guān)閉。同時由于功能性的區(qū)別，應該獨立設(shè)立防火閥，避免使用防火閥獨立作為自動百葉的應用。
（4）箱體內(nèi)進風通道內(nèi)，盡量不設(shè)置阻擋柴油發(fā)電機組進風的大型電氣設(shè)施，減少因環(huán)境溫度以及減震處理所造成的額外成本。
（5）如必須要在集裝箱柴油發(fā)電機組進風通道內(nèi)配置柴油發(fā)電機組的出口斷路器或控制柜時，斷路器柜距離發(fā)電機進風口水平方向不得小于800mm。
2、排風通道
（1）設(shè)置在發(fā)動機端相同高度處，如使用柴油機驅(qū)動的自帶散熱器，應選用50度環(huán)境溫度的散熱風扇及水箱。如選用遠置或分離水塔的設(shè)計，需配置有機械輔助排風風機（冗余設(shè)置）。
（2）同進風通道的描述，排風通道必須考慮在高氣壓環(huán)境下的消音降噪功能，高效消聲通道的設(shè)計建議使用高強度的沖孔鍍鋅板材一次成型壓制，消聲片厚度及間距以150-200mm為宜，消聲通道長度不宜超過1500mm。
（3）由于排風風速以及溫度的影響，如由于更高的低噪音需求或者排風舒適度的考慮，需在排風通道末端做物理的隔斷，阻擋物與散熱器的直線距離應不小于2000mm，且需保證排風通道出口的暢順。
提示：帶有空空中冷的柴發(fā)機組由于對環(huán)境要求較高，不適宜戶外箱式部署，應在柴發(fā)選型時盡量避免。如有切實需求，需做更加特別的技術(shù)規(guī)范要求。
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圖3 集裝箱柴油發(fā)電機組進風和降噪結(jié)構(gòu)圖 |
圖4 集裝箱柴發(fā)機組頂置排風示意圖 |
三、柴發(fā)排煙管路的設(shè)計
1、防水及支撐
排煙管路如需穿過集裝箱頂部時，需在集裝箱頂部出口處安裝防水、泄水結(jié)構(gòu)處理，同時集裝箱頂部應有與主體框架施工時一次成型，且預制有與主框架聯(lián)接的獨立承重梁及減震支撐件的設(shè)計。
2、排煙道
排煙管路不論箱體內(nèi)或箱體外的部署，都必須考慮排煙管路的隔熱以及防腐問題。建議選用高溫巖棉，隔熱纖維全程包裹處理后，外覆不低于6mm的SUS316不銹鋼或鋁板。上行彎頭部分，在曲線最低處設(shè)置開口式的排水口。
3、消音器
柴發(fā)機組增壓器排煙出口必須安裝波紋管后通過鋼性管路與消音器相連，2000千伏安以下的柴發(fā)機組可使用集裝箱體內(nèi)置一體式消聲器，消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所。此外，2000千伏安以上的柴發(fā)機組排煙管需獨立安裝消音器和顆粒捕集器，消音器和顆粒捕集器之間不得直接連接，尾氣裝置示例如圖6所示。
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圖5 柴油發(fā)電機消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 |
圖6 集裝箱柴油發(fā)電機組（加裝尾氣裝置）示意圖 |
四、出口斷路器與電氣連接的設(shè)計
1、出口斷路器
（1）通常的柴油發(fā)電機組電力輸出主端口設(shè)計，需要考慮機裝的塑殼斷路器（熱磁或固態(tài)式），目的在于中斷負載電流的額定容量以及分斷故障短路電流。
（2）如柴油發(fā)電機組本身設(shè)計已具備了過電流的保護功能，則可以使用機裝分離（塑殼）開關(guān)。
（3）如考慮到集裝箱柴油發(fā)電機組箱內(nèi)空間狹小，需要規(guī)劃獨立操作方艙或者采用外置斷路器的設(shè)計時，輸出電力電纜或母線可以與發(fā)電機輸出端子建立直接連接。
2、電力線輸出的隔震處理
（1）發(fā)電機輸出端子與出口斷路器柜之間的連接建議使用電纜上走線的方式，當使用鎧裝母線做連接時，發(fā)電機側(cè)必須為軟性連接且至少一個折彎，以允許三維方向的移動。
（2）軟連接部分，大規(guī)格硬電纜盡管柔性也很好，但彎曲能力可能不夠，盡量考慮使用多股的柔性電纜或軟銅帶做以連接。
（3）另需注意電纜/母線通過集裝箱體的出口處的防水處理。
3、控制電路的接線
連接至遠置控制設(shè)備和遠程指示器的交流和直流控制線必須與電力線分開，采用獨立的套管布線。以降低控制電路中的電路干擾。發(fā)電機組上的連接必須使用多芯導線和柔性管套。
4、附件分支電路
（1）集裝箱式柴油發(fā)電機組箱體內(nèi)，系統(tǒng)運行所需的所有附件設(shè)備，必須設(shè)置分支電路。
（2）附件分支電路上端電力來源比較多，這些電路經(jīng)由自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的負載端子排、發(fā)電機端子排或者蓄電池直流供電。相互連鎖關(guān)系比較復雜，需要做集中的收集與邏輯管理。
（3）附件包括：主控柜、輸油泵、電動百葉、照明、電磁閥、蓄電池充電器和冷卻液加熱器、電機加熱器以及空間加熱器等等。
五、燃油供給系統(tǒng)設(shè)計
在數(shù)據(jù)中心集裝箱柴油發(fā)電機組的供油系統(tǒng)設(shè)計中，除卻標準的備用柴發(fā)供油系統(tǒng)設(shè)計之外，需重點考慮以下幾點：
1、日用油箱的容量
一般來說，備用柴發(fā)機組的滿載耗油量約為0.26公升每千瓦時，比如1800KW備用柴發(fā)機組的滿載耗油量約為468公升，根據(jù)柴發(fā)機組的容量大小，集裝箱柴油發(fā)電機組對日用油箱的通常要求為最低2個小時，最高不超過8個小時，且需要滿足當?shù)叵酪?guī)例。
2、日用油箱的防護與安裝設(shè)計
（1）在集裝箱柴油發(fā)電機組箱體內(nèi)設(shè)置日用油箱，由于空間限制很難獨立設(shè)置油箱間，所以首要考慮的是日用油箱的本體防護與日后維護的便利，要求設(shè)計時考慮雙層壁的日用油箱。
（2）另外，日用油箱的擺放區(qū)間，與柴發(fā)設(shè)備擺放區(qū)間應設(shè)有物理圍堰分區(qū)，雙層保護的范圍內(nèi)通常可以設(shè)置日用油箱泄露的感測功能和聲光警報，以防止燃油泄露時在箱體內(nèi)蔓延。
（3）具體在日用油箱設(shè)計方面，除卻正常的燃油系統(tǒng)進回油管路、自動液位控制、與大型儲油罐的進油管路、快速卸油管路、排泄孔等傳統(tǒng)設(shè)計外；容易疏漏且需要著重提示的是：
① 帶百葉的箱體設(shè)計，日用油箱透氣孔需預制管路伸出箱體外；
② 箱體需要保留有人工加油或者清理、更換日用油箱的足夠空間與通道；
③ 主回路燃油輸送泵不能擺放在箱體內(nèi)，且可采用復式設(shè)計，以提高系統(tǒng)可靠性。
3、供油管路的材質(zhì)與設(shè)計
（1）由于集裝箱內(nèi)空間有限，油路系統(tǒng)預制完成后再行更換的難度很大，因此應該嚴格采用碳鋼（黑鐵）加厚材質(zhì)予以設(shè)計。
① 系統(tǒng)中不得使用鑄鐵、鋁制材料的管材與接頭，因為這些材料質(zhì)地疏松，會有漏油現(xiàn)象發(fā)生。
② 不得使用鍍鋅或者銅的材質(zhì)，是因為燃油中的硫化物與冷凝水綜合后產(chǎn)生的硫酸會腐蝕鍍鋅層造成油路堵塞，而銅也會發(fā)生分子結(jié)構(gòu)變化，使燃油變質(zhì)。
（2）考慮到數(shù)據(jù)中心通常使用的大功率電噴型柴發(fā)設(shè)備，設(shè)備運行時，回油流量比較大以及回油溫度高且日用油箱容量較小。建議在有大型儲油罐的設(shè)計時，柴發(fā)設(shè)備回油管路不在連接日用油箱，直接接入大型儲油罐。如在沒有大型儲油罐的設(shè)計時，則需考慮盡量加大日用油箱的容量或增加額外燃油冷卻器的設(shè)置。
六、柴發(fā)照明系統(tǒng)設(shè)計
在選擇燈具時，應選擇具有防爆、防潮、防塵等特殊性能的燈具，在極端惡劣的環(huán)境下也能正常使用，以保證燈具的高可靠性。同時，還應配置應急備用燈，以便在突然停電的情況下能夠及時進行照明，確保工作人員的生命財產(chǎn)安全。在燈具的安裝選擇上，應優(yōu)先考慮LED燈具，其節(jié)能環(huán)保、壽命長等優(yōu)點顯著。
1、照明的設(shè)計
集裝箱柴油發(fā)電機組箱內(nèi)應設(shè)置兩套交流與直流電源供電的防爆型照明系統(tǒng)，各布置于箱體縱向兩側(cè)的上端，線管應選用一次成型的鍍鋅管。
2、照明的邏輯控制
正常情況下照明系統(tǒng)選擇電源為自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的負載端子排，由市電供電。當市電停電瞬間，或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由直流電源照明系統(tǒng)供電，正常發(fā)電或者市電重新開始供電時，延時切換至交流電源照明系統(tǒng)繼續(xù)工作。
七、防火及消防系統(tǒng)設(shè)計
1、箱體內(nèi)填充物的防火材質(zhì)
集裝箱柴油發(fā)電機組箱體內(nèi)的各種材質(zhì)，均不應該采用易燃或者助燃物料，箱體隔音材料應選擇巖棉，用耐火纖維包裹后，以不低于6mm的的鍍鋅沖孔鋼板全面覆蓋。
2、消防的設(shè)計
箱體內(nèi)須配置消防裝置，包括儲油間的防爆型火災自動報警探頭、滅火裝置、防火閥、報警裝置等。具體在箱體進排風通道處內(nèi)部設(shè)置防火閥，防火閥關(guān)閉時能夠?qū)⑾潴w封閉起來，防止滅火氣體的泄漏。當箱體內(nèi)起火時，防火閥關(guān)閉，噴射滅火氣體，同時，開啟戶外聲光報警及遠程報警信號。
3、消防裝置
滅火裝置建議使用七氟丙烷，或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，預制柜式氣溶膠自動滅火裝置。同時，由于集裝箱的特殊結(jié)構(gòu)，消防系統(tǒng)的告警及操作溫度設(shè)置都需要適當提高。
七、箱體避震和固定設(shè)計
1、柔性連接
在集裝箱柴油發(fā)電機組箱體內(nèi)部，柴油發(fā)電機組的震動隨著工況的變化，是不可避免的。因此，所有部件與柴油發(fā)電機組的物理連接必須采用柔性連接，以吸引振動位移，避免造成損壞。
2、隔離措施
需要隔離的部件包括：發(fā)動機排氣系統(tǒng)、燃油管、電纜（電氣連接部分已詳細描述）柴油發(fā)電機組本體、通風管道（聯(lián)機式散熱器）、機械軸流風機（遠置散熱器）等。忽略這些物理連接和電氣結(jié)點的隔離可能會導致集裝箱體或者是發(fā)電機組零部件出現(xiàn)松脫與損壞，甚至造成箱體變形以及運行中的發(fā)電機組出現(xiàn)各種突發(fā)故障。
3、避震措施
在柴油發(fā)電機組本體的避震器件，由于發(fā)動機部分通常已安裝有合成橡膠減震墊，基礎(chǔ)底座首選使用高效鋼制彈簧減震器，彈簧減震器需由底部的橡膠墊、減震器主體、固定螺栓、支撐彈簧、調(diào)節(jié)螺絲和螺釘螺母所組成，可以消除98%以上的柴發(fā)機組的震動。
（1）高效鋼制彈簧減震器的安裝位置需要考慮設(shè)備的重心，非對稱布置。
（2）但需明確使用地腳螺栓（L或者J型），將高效鋼制彈簧減震器牢牢固定在集裝箱箱體底座預制的主要結(jié)構(gòu)上。
（3）針對數(shù)據(jù)中心應用較多的大型柴發(fā)設(shè)備時，由于集裝箱柴油發(fā)電機組箱體內(nèi)高度空間受限，箱體內(nèi)柴油發(fā)電機組本體可選用多層復合材料制作的隔離減震墊，同時在集裝箱柴油發(fā)電機組箱外部安裝上述高效鋼制彈簧減震器，且與外部基礎(chǔ)以錨固螺栓固定，依舊能滿足在集裝箱柴油發(fā)電機組的整體避震性能。
（4）高效鋼制彈簧減震器的數(shù)量及規(guī)格，可根據(jù)減震器的額定承載重量與集裝箱柴油發(fā)電機組箱體的總重量，選擇相應規(guī)格的減震器及數(shù)量，不需要額外再考慮箱體的動載荷。
八、柴發(fā)的接地及防雷設(shè)計
1、直接接地
在低壓集裝箱柴油發(fā)電機組箱體內(nèi)，柴發(fā)設(shè)備需要通過導線（接地電極導線）接地、而不是有一接入電阻直接與地（接地電極）連接。電極規(guī)范通常要求在所有帶有接地導線（通常為中線）、連接相負載的低壓系統(tǒng)中使用此接地方式。同時，如果發(fā)電機中線連接至市電接地中線上（通常在三級轉(zhuǎn)換開關(guān)的中線端子上）則發(fā)電機中線不得在發(fā)電機上接地。
2、電阻式接地
中壓的集裝箱柴油發(fā)電機組箱體內(nèi)，需考慮增加電阻式接地，接地電阻安裝在發(fā)電機中性點到接地電極的路徑中，配電系統(tǒng)中可使用三角形-Y型變壓器，為相負載設(shè)備提供一個中性點。
3、箱體接地與防雷
（1）必須有滿足要求的接地網(wǎng)敷設(shè)到集裝箱附近，當沒有現(xiàn)成的接地網(wǎng)時應當就地構(gòu)建適當?shù)莫毩⒔拥匮b置。
（2）集裝箱體須有不少于2處和接地網(wǎng)相連，要求接地電阻小于10歐姆，箱體內(nèi)的附屬電氣設(shè)備也必須按照規(guī)范要求做好接地措施。
（3）同時，集裝箱一般放置在室外，需要增加箱體防雷的設(shè)計。
總結(jié)：
集裝箱柴油發(fā)電機組也稱作模塊化柴發(fā)，適合長期放置在戶外使用，高集成，占地小，靈活配置。由于摒棄了傳統(tǒng)的大機房建設(shè)環(huán)節(jié)，省去了建筑物內(nèi)部的進排氣和動載荷計算預留等傳統(tǒng)規(guī)劃難點，節(jié)省出大量的配套投資費用，有效的降低了數(shù)據(jù)中心一次性投資成本。同時工廠化的預制生產(chǎn)模式，減少了分期施工的不確定性，可以有效的控制采購風險，提高產(chǎn)品在可驗證環(huán)境下的系統(tǒng)可靠性，是各類型綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的良好選擇。對于模塊化柴發(fā)的產(chǎn)品規(guī)劃與設(shè)計，請參考以下建議。
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