Совместное использование и переход дизельных и газовых генераторных установок в центрах обработки данных.

Марчело Алгрейн, кандидат наук
Старший управляющий проектно-технического отдела
Подразделение по электроэнергии компании Caterpillar, Inc.

Октябрь 2016 г.

Введение

Энергетические потребности центров обработки данных (ЦОД) продолжают быстро расти. В прошлом ЦОД стремились размещать недалеко от недорогих и надежных источников электроснабжения. В настоящее время найти такие места сложнее и увеличивается потребность в поиске альтернативных решений, которые позволят в меньшей степени зависеть от электросети, особенно при высоком энергопотреблении.

Несмотря на то, что на многих ЦОД имеются достаточные мощности собственной выработки электроэнергии на своих дизельных резервных установках, эксплуатация этих установок в целях отказа от централизованного электроснабжения экономически не оправдана (эксплуатационные расходы чрезмерно велики из-за высокой стоимости топлива) и не допустима, учитывая текущие ограничения служб контроля над воздушной средой, лимитирующих ежегодное количество часов использования. Дизельные аварийные агрегаты предназначены исключительно для резервного питания ЦОД во время отключения электроэнергии сети.  

С другой стороны, производство электроэнергии на газе значительно снижает воздействие на окружающую среду и затраты на топливо по сравнению с использованием дизельного топлива. К тому же, некоторые электростанции предлагают финансовые стимулы за сокращение потребления во время перегрузки сети. В таких условиях для ЦОД становится экономически и экологически оправданным переход на использование газовых генераторных установок для комбинированного производства тепла и электроэнергии в обычное время, а не только в чрезвычайных ситуациях. Объем такой когенерации зависит от конкретных обстоятельств, но должен, как минимум, поддерживать некритические нагрузки питания всего ЦОД.

Само собой разумеется, что для отрасли, которая должна обладать максимальной устойчивостью, идея перехода с дизельного топлива на газ станет техническим скачком, который многим покажется слишком радикальным. В таком случае может стать предпочтительным постепенный пошаговый переход.  

Переход к использованию для выработки электроэнергии на ЦОД газа вместо дизельного топлива можно осуществить многими способами. Ниже приведено несколько вариантов. Следует учитывать, что даже решения, которые при обычных условиях не привлекательны, могут оказаться подходящими в особых случаях. 

Строительство пиковой электростанции на одной площадке с ЦОД

Первоначальным вариантом рассмотрения является система, нарушающая работу ЦОД в наименьшей степени. Пиковая установка будет вводиться в действие, когда потребуется сократить энергопотребление ЦОД. Принятие решения о том, будет ли установка обеспечивать дополнительную поддержку сети, возлагается на владельцев. Если установка должна служить в качестве дополнительного источника для энергосети, необходимо придерживаться электросетевых кодексов соответствующих стран, например IEEE 1547 в США. С другой стороны, если пиковая установка предназначена только для поддержки ЦОД, то электросетевые кодексы в большинстве случаев не будут применяться, что упрощает процесс установки, согласования подключения, а также обеспечивает снижение капитальных расходов.

Преобразование дизельных установок в работающие на двух видах топлива

Преобразование дизельных установок в работающие на двух видах топлива (дизельном и газовом) технически привлекательно. Это приведет к созданию генераторной установки, имеющей такое же время пуска, как у дизельного двигателя, но со стоимостью топлива, почти такой же, как для газового двигателя. К сожалению, в условиях современных нормативных требований установка должна соответствовать ограничениям по выбросам для дизельного двигателя, применяемого в основном режиме, поэтому может потребовать применения мощной и дорогостоящей системы последующей обработки выхлопных газов. 

Отработка некритических силовых нагрузок с применением газовых установок

Частично снять нагрузку на энергосистему со стороны ЦОД позволяет третий вариант. Как правило, некритическая нагрузка составляет меньше четверти общей нагрузки ЦОД. Если достаточно снять только ее, такое решение будет приемлемым. Кроме того, если на ЦОД удастся использовать часть тепла, вырабатываемого газовыми установками, с применением комбинированного решения по производству тепла и электроэнергии (когенерации), это будет способствовать повышению теплового КПД.

Замена дизельных установок газовыми установками большей мощности

Идеальным решением является прямая замена дизельных генераторных установок газовыми. Хотя и принято считать, что газовые установки не могут достигать такой же мощности, как дизельные, новейшие разработки в технологии газовых двигателей позволили значительно повысить их производительность и способность к восприятию нагрузки. 

Рис. 1. Кривые изменения напряжения и частоты при увеличении нагрузки на 75%

На рис. 1 показаны изменения напряжения (слева) и частоты (справа) при увеличении нагрузки на 75%. Синяя кривая соответствует обычной газовой генераторной установке, красная кривая - новой газовой генераторной установке с динамическим откликом, а зеленая кривая - дизельной генераторной установке. Как показано на рис. 1, возможности восприятия нагрузки газового двигателя по новой технологии приближаются к уровню производительности дизельной установки в такой степени, что иногда становится осуществимой непосредственная замена дизельной установки газовой. Кроме того, оптимизация упорядочения нагрузки, линеаризация ступенчатых характеристик ИБП и уменьшение величины блочных нагрузок позволяет сформировать профиль нагрузки ЦОД так, чтобы он укладывался в рамки возможностей к восприятию нагрузки газовых генераторных установок следующего поколения. Тем самым ЦОД с энергоснабжением от газа воплощается в реальность.

Использование гибридной системы генерации с совместным применением газовых и дизельных установок 

Наконец, может быть предложено гибридное решение, в котором газовые и дизельные установки применяются в сочетании для компенсации потребности ЦОД в питании от сети общего пользования во время ее перегрузки. При этом производительность дизельной генераторной установки остается зарезервированной на случай возникновения аварийной ситуации. Это возможно благодаря тому, что установившаяся нагрузка ЦОД изменяется медленно, а потребность в обеспечении быстрого переходного отклика генераторной установки не столь велика. Сложности возникают, когда приходится переходить от одного источника питания к другому. Практика показывает, что дизельные генераторные установки способны надежно осуществлять такие переходы. И наоборот, обычные газовые установки еще не могут сравниться по своим переходным характеристикам с дизельными установками. Однако гибридная газово-дизельная система будет способна поддерживать требования к переходному отклику, а также предоставлять возможности неаварийной генерации для снижения нагрузки на энергосеть в периоды пикового потребления.

Проще всего можно реализовать дизельно-газовую гибридную систему энергоснабжения ЦОД с применением конфигурации с параллельной шиной, к которой подключены и газовые, и дизельные генераторные установки. По существу газовые и дизельные генераторные установки подсоединены к параллельной шине с общей нагрузкой. Поскольку газовые установки, как правило, имеют более низкую способность к восприятию нагрузки по сравнению с дизельными установками, было бы целесообразно эксплуатировать газовые установки в режиме базовой нагрузки, а дизельные - в режиме отслеживания нагрузки. Распределение нагрузок между газовыми и дизельными установками должно осуществляться с учетом желательного уровня неаварийной выработки электроэнергии, наряду с обеспечением достаточной устойчивости электрической шины к влиянию дизельных генераторных установок на целевое качество электроэнергии в аварийных условиях. Хотя соотношение между дизельными и газовыми установками может изменяться от случая к случаю, приемлемой начальной точкой может стать разбиение 50/50.

Для ЦОД с модульными проектами, в которых единственная генераторная установка применяется для питания ИТ-оборудования через ИБП, разработка гибридной конфигурации требует больших усилий по выбору компромисса. Как правило, в модульных системах предусмотрен определенный уровень избыточности генерации, N + 1 или N + 2 и т. д. Совершенствованию гибридной структуры способствует применение избыточных генераторных установок. На рис. 2 показана упрощенная контурная схема модульного ЦОД. Могут быть предусмотрены две различные возможности: 

1. Газовые генераторные установки используются для резервирования, а дизельные установки служат в качестве основных
2. Дизельные генераторные установки используются для резервирования, а газовые установки служат в качестве основных

В первом случае возможность сброса нагрузки сети составляет 1/N или 2/N в зависимости от степени избыточности. Это должна быть конфигурация с доминированием дизельных установок. Во втором случае применяется конфигурация с доминированием газовых установок, потенциально предоставляющих все необходимое питание для ЦОД. Предпочтительность каждого варианта зависит от намеченного уровня неаварийной самогенерации.

Рис. 2. Пример модульной конфигурации ЦОД

Приняв предположение, что газовые генераторные установки не обеспечивают полного соответствия переходному отклику дизельных установок в отношении восприятия нагрузки, рассмотрим, как эти потребности могут быть удовлетворены с помощью гибридной системы. В первом варианте, где избыточными являются газовые установки, эти генераторные установки могут использоваться для уменьшения нагрузки на энергосеть при неаварийных условиях. Газовые генераторные установки должны работать в режиме базовой нагрузки. В случае потери питания от сети запускаются дизельные установки и восстанавливают подачу питания на ИБП, как обычно, независимо от того, работают или не работают газовые установки. На тот редкий случай, когда одна из дизельных установок не запускается, должна быть предусмотрена газовая установка для замещения дизельной установки, но подключение ИБП к газовой генераторной установке должно быть замедлено с учетом возможности восприятия нагрузки газовой установкой. Иное решение состоит в том, что если несколько газовых установок способны заместить незапустившуюся дизельную установку, например в системе N + 2, то возможности восприятия нагрузки пары газовых установок позволят выдержать подключение ИБП.

Во второй гибридной конфигурации, где избыточной генераторной установкой является дизельная, а основным топливом служит газ, имеется достаточная способность неаварийной генерации для покрытия всего энергопотребления ЦОД без передачи нагрузки на энергосеть. В этом случае все также является желательным оставаться подключенным к энергосети для повышения надежности источника энергоснабжения и достижения дополнительной избыточности. Предпочтительно, чтобы последовательность запуска осуществлялась во время подключения к энергосети и газовая генераторная установка могла увеличить выработку до уровня, при котором нагрузка ИТ-оборудования полностью ложится на газовую установку, а через соответствующий автоматический выключатель энергосети не протекает ток. В случае, если придется запустить газовую генераторную установку в отсутствии энергосети, резервная дизельная генераторная установка все еще будет обеспечивать необходимую надежность электрической шины для передачи нагрузки ИТ-оборудования на газовую установку. Этот процесс необходимо повторять последовательно до тех пор, пока все газовые установки не запустятся и не выйдут из состояния холодного пуска. Этот процесс позволит продлить время эксплуатации ИБП, особенно после подключения последнего устройства. Тем не менее, для ИБП на аккумуляторных батареях, в которых время разрядки составляет несколько минут, это не станет ограничением, поскольку индексация подключения генераторных установок по приоритетам позволит выровнять время работы ИБП на всех устройствах. Последний подход позволяет уменьшить на ЦОД потребление электроэнергии от энергосети до уровней, близких к нулю, в периоды перегрузки сети и позволит владельцам ЦОД капитализировать экономические инициативы, которые могут быть предоставлены энергокомпаниями.

Заключение

Подводя итог, отметим, что в настоящей статье рассмотрено несколько вариантов перехода ЦОД с дизельных генераторных установок на газовые. Степень осуществления такого перехода может изменяться от инкрементной до полной. Решение о том, какова должна быть эта степень, определяется главным образом потребностью в разгрузке сети в периоды высокой потребности в электроснабжении и экономическими стимулами по сокращению потребления центром обработки данных электроэнергии извне за счет когенерации. Современные тенденции указывают, что перегрузка энергосети будет и дальше возрастать в связи с выводом из эксплуатации устаревших электростанций, более широким распространением возобновляемых источников энергии и применением ресурсов с переменной мощностью. В отличие от рынка электрической энергии, на котором все больше проявляется неустойчивость, выработка электроэнергии с применением газа представляет собой гибкое, экологически и экономически оправданное решение для центров обработки данных. Стоимость природного газа является рекордно низкой, а его запасы велики. В исследовании1, подготовленном Министерством обороны США, сделан вывод о том, что надежность системы на природном газе достаточно велика, чтобы выдержать отключение от энергоснабжения на время от двух недель до трех месяцев. Практика показывает, что отключения от системы распределения природного газа происходят очень редко, а надежность выполнения контрактов фирмами превышает 99,999%. Иными словами, применение природного газа в качестве топлива является подходящим вариантом для центра обработки данных.

1Источники. Министерство обороны США: взаимозависимость системы выработки электроэнергии и системы на природном газе и влияние на энергобезопасность — 2013

О компании Caterpillar

Уже около 90 лет компания Caterpillar Inc. принимает деятельное участие в продвижении технического прогресса, способствуя положительным и устойчивым переменам по всему миру. Заказчики обращаются к Caterpillar за помощью в развитии инфраструктуры и работе с энергетическими и природными ресурсами. В 2015 г. объем реализации продукции компании Caterpillar составил 47,01 млрд долларов. Сегодня это признанный мировой лидер по производству строительного и горного оборудования, двигателей, работающих на природном газе и дизельном топливе, а также промышленных газовых турбин и дизель-электрических локомотивов. Компания осуществляет свою деятельность через три основных подразделения (Resource Industries, Construction Industries и Power Systems), а также обеспечивает финансирование и предоставление сопутствующих услуг через свое подразделение Financial Products. 

Для получения подробной информации посетите caterpillar.com. 

Electric Power Solutions Center: cat.com/powergeneration.

Electric Power Social Media: Social Media