Návrh 110 kV předvystavělé podstanice pro datové centrum

Úvod

S rychlým rozvojem technologií, jako je cloud computing a big data, a s akcelerací penetrace "Internetu +" do různých odvětví, se digitální ekonomika v hlavních zemích a regionech po celém světě rozmáhá. Zaujímá stále důležitější místo v každodenním životě a národní ekonomice. Zejména v současné době, kdy globální pandemie COVID-19 posiluje pokles světové ekonomiky, jen digitální ekonomika ubírá opačným směrem a udržuje silnou dynamiku rozvoje.

GB 50174 - 2017 Normy pro návrh datových center dávají specifickou definici datových center. Datové centrum, jako základní zařízení spojené s správou a uchováváním dat, může ukládat různé typy informací. Kromě toho podporuje základní funkce, jako jsou výpočet a přenos dat, aby splnilo potřeby správy obrovského množství dat. Výstavba datových center se stala nevyhnutelnou tendencí.

V průmyslu datových center se nazývá digitální nemovitost, což je velmi odlišné od tradičních infrastrukturních projektů. Zde jsou některé prominentní charakteristiky datových center: vysoká spotřeba energie, vysoké požadavky na spolehlivost a potřeba rychlé výstavby. Spotřeba energie datových center je koncentrovaná, obvykle s 2N redundancí. Obrovská kapacita spotřeby energie znamená, že parkové projekty datových center obvykle vybavují uživatelské specifické 110 kV transformátory.

Avšak výstavba 110 kV transformátorů má mnoho bolestných bodů, které se specificky projevují v následujících aspektech: Stavba tradičních 110 kV transformátorů v Číně obvykle trvá 12-24 měsíců, zahrnuje všechny fáze práce, jako je plánování, výběr lokality, průzkum, návrh, registrace projektu, zásobování materiály, "čtyři spojení a jedno vyrovnání" (přístup k vodě, elektřině, silnicím a telekomunikacím a vyrovnání plochy), stavba a instalace, ladění, obnova zeleně a přijetí výroby. Dlouhá doba výstavby nesplňuje požadavek na rychlé doručení datových center; kvůli zákaznickým a síťovým důvodům se čínský průmysl datových center nejvíce nachází v Pekingu-Tianjinu-Hebei, v deltě řeky Jang-c’-ťiang a v Velké báji Guandong-Hongkong-Macao. Většina těchto regionů jsou relativně rozvinuté města s omezenými pozemkovými zdroji, a při plánování projektu se často setkávají s problémy s omezením lokality; transformátory datových center také musí odpovídat flexibilní změně kapacity datových center.

Pro bolestné body výstavby transformátorů datových center jsou prefabricované modulární transformátory důležitým směrem řešení. Na základě modulárního návrhového konceptu mají prefabricované transformátory ve srovnání s tradičními transformátory v aplikaci výhody flexibility a spolehlivosti. Všechny systémy v prefabricované kabině jsou v továrně vyráběny, instalovány, zapojeny, laděny a předmontovány. Po dokončení lze kabinu přímo montovat na místě, dosahují vysoké efektivity, snižují obtížnost výstavby a mají vysokou stupeň integrace. Jsou vhodné pro různé scénáře výstavby transformátorů a ukazují zřetelné výhody.

Tento článek bere za příklad 110 kV transformátorový projekt Data Center No.1 a detailně popisuje scénáře použití, návrh procesního rozvržení a návrh procesu prefabricovaných kabin v transformátorových stanovištích datových center.

1. Přehled projektu

Projekt Data Center No.1 se nachází v městě Suzhou v provincii Jiangsu. Tento projekt je rekonstrukcí staré továrny. V areálu již existuje 4 budov, a to budovy A, B, C a D. Hlavním obsahem stavby tentokrát je realizace celkové rekonstrukce areálu bez změny stávajících podmínek plánování budov a vytvoření spolehlivého parku datových center.

Tento park se řídí standardem třídy A pro datové centrum podle GB 50174 - 2017 Normy pro návrh datových center a plánuje postavit parkové datové centrum, které může unést více než 100 000 vysokovýkonných serverů. Park potřebuje postavit 110 kV transformátor, aby splnil energetické požadavky parku. Transformátor zavede 2 úplně nezávislé 110 kV veřejné elektrické zdroje, každý s kapacitou 80 000 kVA, tvoří 2N systém zásobování. Za normálního provozu nepřesahuje zatížení každé linky 50 % její plné kapacity, tedy 40 000 kVA. Pokud selže jeden veřejný zdroj, druhý může nést všechny zatížení datového centra.

Jelikož se jedná o rekonstrukci továrny, většina prostoru projektu je již zabrána dokončenými budovami A, B, C a D, s relativně velkými fyzickými omezeními prostoru. Hlavní dostupné venkovní prostory jsou volný prostor nalevo od budovy B a volný prostor mezi budovou B a D. Pro tradiční schéma 110 kV transformátoru, kdy se instalují 2 hlavní transformátory s kapacitou 80 000 kVA, je potřeba obdélníkové místo s délkou přibližně 70 m a šířkou 40 m. Volný prostor nalevo od budovy B má vzdálenost 30 m, a volný prostor mezi budovou B a C má vzdálenost 50 m. Zohlednění ohniskové vzdálenosti mezi transformátorem a budovami a požadavků ohniskové cesty parku, obě místa nesplňují požadavky na výstavbu prostoru pro tradiční transformátory.

Zákazníkem projektu Data Center No.1 je internetová společnost. Jako základní projekt datového centra pro tohoto zákazníka bude tento park podporovat velké množství online firem zákazníka a velké množství přenosu, operací, ukládání a zpracování dat za těmito firmami. Zákazník má vysoké požadavky na spolehlivost tohoto datového centra a je časově omezující.

Co se týče času doručení, kvůli rychlému rozvoji datového podnikání zákazníka má zákazník velmi naléhavý požadavek na datové centrum a celý park datových center musí být dodán do 6 měsíců. Co se týče spolehlivosti, zákazník požaduje, aby dva veřejné zdroje 110 kV transformátoru, které se navzájem zálohují, byly úplně nezávislé od příchozí linie až po odchozí linii, a trasy jsou více než 10 m od sebe. Hlavní zařízení, jako jsou GIS, transformátory a 10 kV vypínače, jsou distribuovány v různých fyzických prostorech, aby se předešlo situaci, kdy by jedna nehoda ovlivnila oba veřejné zdroje a tím všechny firmy celého datového centra.

Jelikož má projekt 110 kV transformátoru Data Center No.1 omezení prostoru, časové omezení a vysoké požadavky na individualizaci, je těžké splnit požadavky projektu tradiční formou transformátoru. Po konzultacích a diskusích s místní elektrizační společností bylo potvrzeno, že tento projekt bude používat formu prefabricovaného modulárního 110 kV transformátoru.

2. Návrh procesního rozvržení
2.1 Fyzický prostor

Projekt 110 kV transformátoru Data Center No.1 má celkem 2 příchozí linky, a zdroje energie pocházejí z veřejných zdrojů horní úrovně 220 kV transformátorů A a B. Oba příchozí linky veřejných zdrojů A a B vstupují do parku z jihu podzemním zakopáním. S ohledem na směr tras externích veřejných zdrojů a aktuální stav budov v parku je 110 kV transformátor umístěn v jihozápadním rohu parku. Schéma rozmístění 110 kV transformátoru je znázorněno na obrázku 1.

Prefabricovaný transformátor má délku 82 m, šířku 17 m a celkovou plochu 1 400 m². Pro tradiční transformátor pod stejnými podmínkami jsou tyto tři parametry 70 m, 40 m a 2 800 m² v daném pořadí. Ve srovnání s tradičním transformátorem je plocha ušetřena více než 50 %, a rozvržení transformátoru lze určit podle místních podmínek, což je relativně flexibilní.

Obrázek 1 Schéma rozmístění 110 kV transformátoru

2.2 Procesní rozvržení

Obrázek 2 ukazuje schéma procesního rozvržení 110 kV transformátoru. Uvnitř transformátoru se nachází dvě prefabricované kabiny GIS (SF6 plynově izolované kovové uzavřené vypínače), jedna prefabricovaná kabina hlavního zařízení a dva vnější 110 kV transformátory. Rozvržení je lineární.

2.3 Směrování energie

Transformátor tohoto projektu je téměř úplně symetrický. Jak je vidět z obrázku 2, s ohledem na protipožární zeď uprostřed dvou prefabricovaných kabin hlavního zařízení, nalevo a napravo jsou prefabricované kabiny GIS, prefabricované kabiny hlavního zařízení, 110 kV transformátory a prefabricované kabiny kondenzátorů pro zdroj A a zdroj B, a zařízení zdroje A a zdroje B jsou úplně nezávislá.

Celý transformátor je vybaven samostatnou ohradní zdí a funguje samostatně od parku datového centra. Samostatný vchod z parku je umístěn na jižní straně. Do 110 kV transformátoru mohou vstoupit pouze odborníci, ostatní osoby nemají přístup, což může zajistit spolehlivost provozu transformátoru.

Kabina GIS je jednopatrová prefabricovaná kabina. Uvnitř je hlavně vybavena 110 kV GIS kombinovanými elektrickými zařízeními s nominálním proudem 2 000 A. Pro každou část návrhu je šestfluorid síry (SF6) důležitým středivem a lze ho použít v GIS. Strukturálně je GIS hlavně rozdělen na několik částí, včetně napěťových děličů, ochranných hromosvětlic, vypínačů a izolačních hrdel atd. Tyto části musí být správně spojeny, a spolehlivost každé komponenty musí být zajištěna, aby se efektivně dosáhlo celkové funkce [8].

Hlavní transformátor hlavně používá třífázový dvouvitevný olejově chlazený transformátor, používá zemnění YN, s napětím [10.5 ± (2×2.5%/0.4)] kV, a specifický model je SZ11 - 80000/110.

Kabina hlavního zařízení má dvoupodlažní strukturu. První patro se skládá ze dvou úplně nezávislých kabin 10 kV výstupních skříní, oddělených protipožární zdí, a jsou vybaveny 10 kV vypínači a transformátory stanice odpovídající zdroji A a zdroji B. 10 kV vypínače používají kovově obalené vypínače vybavené vakuumovými vypínači. Pro vývodní skříně, kondenzátory a transformátory stanice, jejich nominální proud a přerušovací proud jsou 1.25 kA a 25 kA v daném pořadí; pro příchozí linky jsou 3.15 kA a 31.5 kA v daném pořadí. Kapacita transformátoru stanice je vybrána 100 kVA, používá suchý transformátor typu SC11, s napětím [110 ± (8×1.25%/10.5)] kV, zapojení Dyn11, impedance napětí Uk = 4%, ochranná obálka IP40 a třída energetické účinnosti 2. Pro zlepšení spolehlivosti systému každému 110 kV příchozí lince odpovídají dvě části 10 kV sběrnice, což může snížit rozsah nehody v případě poruchy.

Druhé patro musí být vybaveno zemnícím transformátorem, prefabricovanou kabinou kondenzátorů atd. V prefabricované kabině je konfigurován kondenzátorový blok, s nastavenou diferenciální ochranou, a musí být dosažena kapacita 6 000 kVA. Kromě výše uvedených částí byl v tomto návrhu vybrán jádrové reaktor, s reaktančním poměrem 12 %. Úplný sadový přístroj malého zemnícího odporu, s zemnícím odporem 10 Ω a kapacitou 400 kVA. Druhé patro také má sekundární místnost. Sekundární místnost je specificky rozdělena na několik částí, včetně videomonitoringu, skříní elektroenergetických čítačů, shromažďování elektroenergie, záznamu poruch, veřejné měření a kontroly, vzdálené komunikace, relé ochrany, počítačového monitoringu, inteligentních pomocných kontrolních systémů, synchronizačních systémů atd.

2.3 Směrování energie

Pokud jde o směrování energie, 110 kV veřejné příchozí linky zdroje A a zdroje B vstupují z krátké strany šířky 17 m napravo. Dvě trasy vstupují paralelně, s vzdáleností více než 10 m, a jsou zavedeny do prefabricovaných kabin GIS odpovídajících zdroji A a zdroji B. Linky od GIS k transformátorům zdroje A a zdroje B, sběrnice od transformátorů k 10 kV vypínačům a vývodní linky 10 kV vypínačů jsou všechny nezávislé, a vzdálenost je více než 10 m.

2.4 Výhody návrhu procesního rozvržení

Hlavní zařízení projektu, včetně prefabricovaných kabin GIS, 110 kV transformátorů, prefabricovaných kabin hlavního zařízení atd., jsou úplně izolovány mezi zdrojem A a zdrojem B. Směrování energie zdroje A a zdroje B je úplně izolováno. Ve srovnání s tradičními transformátory zabírá méně prostoru, má vysokou stupeň individualizace, je flexibilní a efektivní, a může splnit požadavky na spolehlivost datových center.

3. Technologie prefabricovaných kabin

Tento projekt používá kompletní modulární prefabricovanou metodu. Na místě je třeba postavit pouze vedlejší zařízení, jako jsou pásová základna a protipožární zdi. Výroba a zpracování modulárních prefabricovaných kabin může probíhat současně s civilním inženýrstvím, což velmi snižuje objem civilního inženýrství. Řeší problémy s velkým množstvím civilního inženýrství a dlouhou dobu výstavby v tradičním módu výstavby transformátoru, a vyhýbá se situaci, kdy doba výstavby transformátoru je omezována civilními projekty.

3.1 Technologie kabin

Prefabricované kabiny jsou vyráběny a laděny v továrně, což zajišťuje exkluzivní kvalitu produktu a vysokou úroveň implementace návrhu, a vyhýbá se dopadu kvality stavby na místě na zařízení. Strukturně jsou komponenty rámu boxu spojeny profilovou kolejnicí, a dveře a horní části jsou svařeny z 2 mm tenké vysokokvalitní studené tažené plechové desky. Má integrovanou strukturu a silnou odolnost proti nárazu.

Charakteristiky boxu jsou hlavně odrazeny v třech aspektech: protikorozní, třívrstvá struktura a uzavření, což může splnit základní požadavky na provoz a zajišťuje, že každá komponenta udržuje stabilní pracovní stav. Vnější obal musí dosáhnout ochranné úrovně IP54 nebo vyšší. Prefabricované kabiny používají návrh pro všechny pracovní stavy a také mají dobré vlastnosti proti větru, otřesu a sněhovému zatížení, aby zajistily bezpečný provoz zařízení.

Zařízení uvnitř kabiny je vysoko integrováno. Skrze návrh struktury kabiny a koordinaci různých interních systémů, prefabricovaná kabina splňuje potřeby provozu zařízení. Kabina nejen zohledňuje primární, sekundární a komunikační zařízení 110 kV transformátoru, ale také zohledňuje pomocné systémy, jako jsou ovládání prostředí, osvětlení, nouzové osvětlení, protipožární opatření a zemnění.

3.2 Přeprava kabin

Kabina musí splňovat vysoké požadavky, hlavně týkající se odolnosti proti vlhkosti a uzavření, jinak nelze zaručit kvalitu provozu. S ohledem na omezení délek a šířek pro silniční přepravu v tomto projektu, délka každého přepravního jednotky je omezena na 14 m, šířka na 3.4 m a výška na 4.5 m. Prefabricované kabiny s většími rozměry jsou transportovány po částech, a jiné prefabricované kabiny s menšími rozměry jsou transportovány jako celek, což splňuje požadavky silniční přepravy. Pokud je místní místo dosaženo požadavků na montáž, lze ji převézt na místo pro další montáž.

3.3 Montáž na místě

Tento projekt používá modulární prefabricovanou metodu, s méně civilního inženýrství. Hlavní obsah civilního inženýrství zahrnuje dvě nově postavené základy hlavních transformátorů, čtyři protipožární zdi s délkou 10 m a výškou 6.5 m, dvě základy kabin GIS, jeden základ kabin hlavního zařízení, jednu 20 m³ havarijní nádrž na olej, 198 m dlouhou a 2.3 m vysokou dutou ohradní zeď, 14 nosníků hlavního transformátoru a 80 m dlouhý betonový kabelový kanál.

Prefabricované kabiny používají metodu "musí být provedena zkouška montáže v továrně, aby byla simulována skutečná situace + rozdělení přepravy na místě a pak spojení a instalace". Všechny moduly byly již v továrně zkoušeny, a problémy jsou včas objeveny, aniž by zanechaly problémy na místě, což zajišťuje dobu výstavby a kvalitu výstavby na místě. Místní zvedání a montáž mají krátký cyklus, a prakticky není žádné akumulace surovin.

Pro spojení velkých částí kabiny, je použita místní spojovací metoda "použití jeřábu k předběžnému umístění zařízení + postupné tlačení pomocí lanového bloku + přesné umístění pomocí polohovacího pinu". Aby bylo zajištěno, že spojení kabiny je "těsné", je zobrazena fotografie místního zvedání na obrázku 3.

Aby byly splněny požadavky na uzavření, jsou spojovací spoje racionálně navrženy, hlavně použitím návrhových metod těsnicích materiálů a mechanických struktur. Při spojování boxu jsou použity vodotěsné kliky a vodotěsné flanče. Po dokončení spojení je třeba přidat silnou vodotěsnou