Progettazione di una sottostazione prefabbricata da 110 kV per data center
Introduzione
Con lo sviluppo rapido di tecnologie come il cloud computing e i big data, e la penetrazione accelerata dell'"Internet +" in vari settori, l'industria dell'economia digitale sta fiorendo in molti paesi e regioni del mondo. Occupa una posizione sempre più importante nella vita quotidiana e nell'economia nazionale. In particolare, sotto l'impatto attuale della pandemia di COVID-19 a livello globale, la tendenza al ribasso dell'economia mondiale si sta intensificando. Solo l'economia digitale ha invertito la tendenza e ha mantenuto un forte slancio di sviluppo.
GB 50174 - 2017 Norme di progettazione per i centri dati fornisce una definizione specifica dei centri dati. Un centro dati, come infrastruttura di base relativa alla gestione e allo storage dei dati, può archiviare varie tipologie di informazioni. Inoltre, supporta funzioni di base come il calcolo e la trasmissione dei dati per soddisfare le esigenze della gestione di grandi quantità di dati. La costruzione di centri dati è diventata una tendenza inevitabile.
Nell'industria dei centri dati, essi sono conosciuti come immobili digitali, molto diversi dai progetti di infrastrutture tradizionali. Ecco alcune caratteristiche prominenti dei centri dati: elevato consumo energetico, requisiti di alta affidabilità e la necessità di una rapida velocità di costruzione. Il consumo energetico dei centri dati è concentrato, generalmente configurato con ridondanza 2N. La grande capacità di consumo energetico significa che i progetti di centri dati a livello di parco solitamente configurano sottostazioni specifiche per l'utente a 110 kV.
Tuttavia, la costruzione di sottostazioni a 110 kV presenta anche molti punti critici, specificamente riflessi nei seguenti aspetti: il ciclo di costruzione delle sottostazioni a 110 kV tradizionali in Cina solitamente richiede 12-24 mesi, coinvolgendo contenuti di lavoro per tutto il ciclo come pianificazione, scelta del sito, rilevamento, progettazione, registrazione del progetto, acquisto di materiali, "quattro connessioni e un livellamento" (acqua, elettricità, strade, telecomunicazioni e livellamento del terreno), costruzione e installazione, collaudo, ripristino del verde e accettazione della produzione. Il lungo ciclo di costruzione non può essere allineato con la domanda di consegna rapida dei centri dati; a causa dei clienti e delle ragioni di rete, l'industria dei centri dati in Cina è distribuita principalmente nella regione Pechino-Tianjin-Hebei, nel Delta dello Yangtze e nell'Area della Grande Baia Guangdong-Hong Kong-Macao. La maggior parte di queste regioni sono città relativamente sviluppate con risorse di terra scarse, e spesso si incontrano problemi di limitazione del sito durante la pianificazione del progetto; le sottostazioni dei centri dati devono anche adattarsi ai cambiamenti flessibili della capacità dei centri dati.
Per i punti critici nella costruzione delle sottostazioni dei centri dati, le sottostazioni prefabbricate modulari sono una direzione di soluzione importante. Basandosi sul concetto di progettazione modulare, le sottostazioni prefabbricate hanno vantaggi di flessibilità e affidabilità rispetto alle sottostazioni tradizionali in applicazione. Tutti i sistemi all'interno della cabina prefabbricata vengono prodotti, installati, cablati, collaudati e pre-assemblati in fabbrica. Dopo il completamento, possono essere assemblati direttamente in loco, raggiungendo un'efficienza elevata, riducendo la difficoltà della costruzione e avendo un alto grado di integrazione. Sono adatti a diversi scenari di costruzione di sottostazioni e mostrano evidenti vantaggi.
Questo articolo prende come esempio il progetto di costruzione della sottostazione a 110 kV del Centro Dati No.1 e fornisce una dettagliata introduzione agli scenari di applicazione, alla progettazione del layout del processo e alla progettazione del processo della cabina prefabbricata nelle sottostazioni dei centri dati.
1. Panoramica del Progetto
Il progetto del Centro Dati No.1 si trova nella città di Suzhou, provincia di Jiangsu. Questo progetto è una ristrutturazione di un vecchio edificio industriale. Nel parco ci sono già 4 edifici industriali, ovvero gli edifici A, B, C e D. Il contenuto principale di questa costruzione è realizzare una ristrutturazione complessiva del parco senza modificare le condizioni di pianificazione esistenti degli edifici e costruire un parco di centri dati affidabile.
Questo parco si riferisce allo standard di classe A per i centri dati in GB 50174 - 2017 Norme di progettazione per i centri dati e prevede di costruire un centro dati a livello di parco in grado di ospitare oltre 100.000 server ad alte prestazioni. Il parco necessita di costruire una sottostazione a 110 kV per soddisfare i requisiti di alimentazione elettrica del parco. La sottostazione introduce 2 forniture di energia pubblica completamente indipendenti a 110 kV, ciascuna con una capacità di 80.000 kVA, formando un sistema di alimentazione 2N. Nelle condizioni di operazione normale, il tasso di carico di ogni linea non supera il 50% della sua capacità a pieno carico, cioè 40.000 kVA. Quando una fornitura di energia pubblica fallisce, l'altra può gestire tutti i carichi del centro dati.
Poiché questo progetto è una ristrutturazione di un edificio industriale, la maggior parte dello spazio terrestre del progetto è già occupata dagli edifici A, B, C e D completati, con limitazioni fisiche piuttosto ampie. Gli spazi esterni principali disponibili sono lo spazio aperto a sinistra dell'edificio B e lo spazio aperto tra l'edificio B e l'edificio D. Per lo schema tradizionale di sottostazione a 110 kV, quando si installano 2 trasformatori principali con una capacità di 80.000 kVA, è necessario un sito rettangolare con una lunghezza di circa 70 m e una larghezza di 40 m. La distanza libera del sito a sinistra dell'edificio B è di 30 m, e la distanza libera del sito tra l'edificio B e l'edificio C è di 50 m. Considerando la distanza antincendio tra la sottostazione e gli edifici e i requisiti del percorso di circolazione antincendio del parco, entrambi i siti riscontrano difficoltà a soddisfare i requisiti di spazio di costruzione delle sottostazioni tradizionali.
Il cliente del progetto del Centro Dati No.1 è un'azienda Internet. Come progetto di centro dati di tipo base per questo cliente, questo parco sosterrà una grande quantità di attività online del cliente e una grande quantità di trasmissione, operazione, archiviazione e elaborazione dei dati dietro le attività. Il cliente ha requisiti elevati sull'affidabilità di questo centro dati e ha un tempo di consegna stringente.
In termini di tempo di consegna, a causa dello sviluppo rapido delle attività di dati del cliente, il cliente ha una domanda urgente per il centro dati, e l'intero parco di centri dati deve essere consegnato entro 6 mesi. In termini di affidabilità, il cliente richiede che le due forniture di energia pubblica della sottostazione a 110 kV, che si fanno da backup a vicenda, siano completamente indipendenti dall'ingresso all'uscita, e i percorsi siano separati di più di 10 m. L'equipaggiamento principale come GIS, trasformatori e armadi di commutazione a 10 kV sono distribuiti in spazi fisici diversi per evitare che un singolo incidente influisca su entrambe le forniture di energia pubblica e quindi su tutte le attività dell'intero centro dati.
Poiché il progetto della sottostazione a 110 kV del Centro Dati No.1 ha limitazioni di spazio, vincoli temporali stretti e requisiti di personalizzazione elevati, la forma di sottostazione tradizionale è difficile da soddisfare. Dopo consultazioni e discussioni con la società locale di rete elettrica, è stato confermato che questo progetto adotterà la forma di una sottostazione prefabbricata modulare a 110 kV.
2. Progettazione del Layout del Processo
2.1 Spazio Fisico
Il progetto della sottostazione a 110 kV del Centro Dati No.1 ha un totale di 2 linee di ingresso di energia, e le forniture di energia provengono dalle forniture di energia pubblica delle sottostazioni a monte a 220 kV A e B rispettivamente. Entrambe le linee di ingresso delle due forniture di energia pubblica A e B entrano nel parco dal sud attraverso la sepoltura sotterranea. Considerando la direzione dei percorsi delle linee di energia pubblica esterne e la situazione attuale degli edifici nel parco, la sottostazione a 110 kV è posizionata nell'angolo sud-ovest del parco. Lo schema piantometrico della posizione della sottostazione a 110 kV è mostrato nella Figura 1.
La sottostazione prefabbricata è lunga 82 m, larga 17 m e ha una superficie totale di 1.400 m². Per una sottostazione tradizionale nelle stesse condizioni, questi tre parametri sono rispettivamente 70 m, 40 m e 2.800 m². Rispetto alla sottostazione tradizionale, la superficie è risparmiata di oltre il 50%, e il layout della sottostazione può essere determinato in base alle condizioni in loco, che è relativamente flessibile.
Figura 1 Schema piantometrico della posizione della sottostazione a 110 kV
2.2 Layout del Processo
La Figura 2 mostra lo schema di disposizione del processo della sottostazione a 110 kV. L'interno della sottostazione consiste in due cabine prefabbricate GIS (Apparecchiature combinate metalliche a isolamento a gas SF6), una cabina prefabbricata di equipaggiamento principale e due trasformatori a 110 kV all'aperto. La disposizione è organizzata in un modello lineare.
2.3 Routing dell'Energia
La sottostazione di questo progetto è fondamentalmente perfettamente simmetrica. Come si può vedere dalla Figura 2, prendendo come confine il muro antincendio al centro delle due cabine prefabbricate di equipaggiamento principale, a sinistra e a destra sono rispettivamente le cabine prefabbricate GIS, le cabine prefabbricate di equipaggiamento principale, i trasformatori a 110 kV e le cabine prefabbricate di condensatori per le forniture di energia A e B, e l'equipaggiamento per le forniture di energia A e B sono completamente indipendenti.
L'intera sottostazione è dotata di un muro di recinzione indipendente e opera indipendentemente dal parco del centro dati. Un ingresso indipendente fuori dal parco è impostato sul lato sud. Solo il personale specializzato è autorizzato a entrare nella sottostazione a 110 kV, e altri non hanno diritti di accesso, il che può garantire l'affidabilità dell'operazione della sottostazione.
La cabina GIS è una cabina prefabbricata a singolo strato. All'interno, è principalmente dotata di apparecchiature combinate GIS a 110 kV con corrente nominale di 2.000 A. Per ciascuna parte del progetto, l'esahexafluoruro di zolfo (SF6) è un importante mezzo di spegnimento dell'arco e può essere applicato in GIS. Strutturalmente, il GIS è principalmente diviso in diverse parti, inclusi trasformatori di tensione, parafulmini, interruttori e guaine, ecc. Queste parti devono essere correttamente connesse, e l'affidabilità di ciascun componente deve essere garantita per effettivamente realizzare la funzione complessiva [8].
Il trasformatore principale utilizza principalmente un trasformatore trifase a doppia bobina a raffreddamento a olio naturale, adottando il metodo di messa a terra YN, con un livello di tensione di [10,5 ± (2×2,5%/0,4)] kV, e il modello specifico è SZ11 - 80000/110.
La cabina di equipaggiamento principale ha una struttura a due livelli. Il primo livello è costituito da due cabine di armadi di uscita a 10 kV completamente indipendenti, separate da un muro antincendio, e rispettivamente dotate di armadi di commutazione a 10 kV e trasformatori di servizio della stazione corrispondenti alle forniture di energia A e B. Gli armadi di commutazione a 10 kV utilizzano armadi di commutazione rivestiti di metallo dotati di interruttori a vuoto. Per gli armadi di alimentazione, i condensatori e i trasformatori di servizio, la corrente nominale e la corrente di interruzione sono rispettivamente 1,25 kA e 25 kA; per le linee di ingresso, sono 3,15 kA e 31,5 kA. La capacità del trasformatore di servizio è selezionata come 100 kVA, utilizzando un trasformatore secco di tipo SC11, con una tensione di [110 ± (8×1,25%/10,5)] kV, un gruppo di connessione Dyn11, un'impedenza di tensione Uk = 4%, un involucro protettivo IP40 e una classe di efficienza energetica 2. Per migliorare l'affidabilità del sistema, ciascuna linea di ingresso a 110 kV corrisponde a due sezioni di busbar a 10 kV, il che può ridurre l'ambito di un incidente in caso di guasto.
Il secondo livello deve essere dotato di un trasformatore di terra, una cabina prefabbricata di condensatori, ecc. Un banco di condensatori è configurato nella cabina prefabbricata, con protezione differenziale impostata, e una capacità di 6.000 kVA deve essere raggiunta. Oltre alle parti menzionate sopra, in questo progetto viene selezionato un reattore a nucleo di ferro, con un tasso di reattività del 12%. Un dispositivo completo di resistenza di terra, con una resistenza di terra di 10 Ω e una capacità di 400 kVA. Il secondo livello ha anche una stanza secondaria. La stanza secondaria è specificatamente divisa in diverse parti, incluse sorveglianza video, armadi di contatori di energia, raccolta di energia elettrica, registrazione di guasti, controllo pubblico, telecomando, protezione relè, monitoraggio computerizzato, sistemi di controllo ausiliari intelligenti, sistemi di sincronizzazione temporale, ecc.
2.3 Routing dell'Energia
In termini di routing dell'energia, le linee di ingresso di energia pubblica a 110 kV per le forniture A e B entrano entrambe dal lato corto largo 17 m sul lato destro. Le due linee entrano in parallelo, con uno spazio di più di 10 m, e vengono rispettivamente introdotte nelle cabine prefabbricate GIS corrispondenti alle forniture A e B. Le linee da GIS ai trasformatori per le forniture A e B, i busbar dai trasformatori agli armadi di commutazione a 10 kV e le linee di uscita degli armadi di commutazione a 10 kV sono tutte indipendenti, e lo spazio è di più di 10 m.
2.4 Vantaggi della Progettazione del Layout del Processo
L'equipaggiamento principale del progetto, inclusi le cabine prefabbricate GIS, i trasformatori a 110 kV, le cabine prefabbricate di equipaggiamento principale, ecc., sono completamente isolati tra le forniture A e B. Il routing dell'energia per le forniture A e B è completamente isolato. Rispetto alle sottostazioni tradizionali, occupa meno spazio, ha un alto grado di personalizzazione, è flessibile ed efficace, e può soddisfare i requisiti di affidabilità dei centri dati.
3. Tecnologia della Cabina Prefabbricata
Questo progetto adotta un metodo di prefabbricazione modulare per l'intera stazione. In loco, è necessario costruire solo infrastrutture ausiliarie come fondamenta a striscia e muri antincendio. La produzione e lavorazione delle cabine prefabbricate modulari possono essere eseguite contemporaneamente ai lavori civili, riducendo notevolmente la quantità di lavori civili. Risolve i problemi di grandi quantità di lavori civili e lunghi cicli di costruzione nel modo di costruzione tradizionale delle sottostazioni, e evita la situazione in cui il tempo di costruzione della sottostazione è limitato dai progetti civili.
3.1 Tecnologia della Cabina
Le cabine prefabbricate sono prodotte e collaudate in fabbrica, garantendo una qualità del prodotto squisita e un livello di implementazione del progetto di alto standard, e evitando l'impatto della qualità della costruzione in loco sull'equipaggiamento. Strutturalmente, i componenti del telaio inferiore della scatola sono collegati da profilati a U, e i pannelli delle porte e le coperture superiori sono saldati con lastre di lamiera freddo-laminata di alta qualità spesse 2 mm. Ha una struttura monolitica e una forte resistenza agli urti.
Le caratteristiche della scatola sono principalmente riflesse in tre aspetti: anticorrosione, struttura a tre strati e sigillatura, che possono soddisfare i requisiti di base di operazione e assicurare che ciascun componente mantenga uno stato di lavoro stabile. Il guscio esterno deve raggiungere un livello di protezione IP54 o superiore. Le cabine prefabbricate adottano un design a pieno regime e hanno anche buona resistenza al vento, al sisma e alla neve per garantire l'operazione sicura dell'equipaggiamento.
L'equipaggiamento all'interno della cabina è altamente integrato. Attraverso il design della struttura della cabina e la coordinazione di vari sistemi interni, la cabina prefabbricata soddisfa le esigenze di funzionamento dell'equipaggiamento. La cabina non solo tiene conto dell'equipaggiamento primario, secondario e di comunicazione della sottostazione a 110 kV, ma considera anche sistemi ausiliari come il controllo ambientale, l'illuminazione, l'illuminazione di emergenza, l'antincendio e la messa a terra.
3.2 Trasporto della Cabina
La cabina deve soddisfare requisiti elevati, riguardanti principalmente proprietà impermeabili e sigillanti, altrimenti non si può garantire la qualità dell'operazione. Considerando le limitazioni di lunghezza e larghezza per il trasporto su strada in questo progetto, la lunghezza di ciascuna unità di trasporto è limitata a 14 m, la larghezza a 3,4 m e l'altezza a 4,5 m. Le cabine prefabbricate di dimensioni maggiori vengono trasportate in sezioni, mentre altre cabine prefabbricate di dimensioni relativamente minori vengono trasportate integralmente, soddisfacendo i requisiti di trasporto su strada. Se il sito ha raggiunto i requisiti di assemblaggio, può essere trasportato sul sito per l'assemblaggio successivo.
3.3 Installazione in Loca
Questo progetto adotta un metodo di prefabbricazione modulare, con meno lavori civili. I contenuti principali dei lavori civili includono due gruppi di nuove fondamenta per i trasformatori principali, quattro muri antincendio lungo 10 m e alto 6,5 m, due gruppi di fondamenta per le cabine GIS, un gruppo di fondamenta per la cabina di equipaggiamento principale, una piscina di olio di emergenza da 20 m³, un muro di recinzione cavo lungo 198 m e alto 2,3 m, 14 supporti per i trasformatori principali e un canale di cavi in cemento armato lungo 80 m.
Le cabine prefabbricate adottano un metodo di "l'assemblaggio preliminare in fabbrica deve essere eseguito per simulare la situazione di operazione effettiva + trasporto diviso sul sito e poi incollaggio e installazione" in loco. Tutti i moduli sono stati assemblati preliminarmente in fabbrica, e i problemi sono stati scoperti tempestivamente senza lasciare problemi in loco, garantendo il periodo di costruzione in loco e la qualità della costruzione. L'issaggio e l'assemblaggio in loco hanno un ciclo breve, e non c'è quasi accumulo di materie prime.
Per l'operazione di incollaggio di parti di cabina di grandi dimensioni, viene adottato il processo di incollaggio in loco "utilizzare una gru per posizionare inizialmente l'equipaggiamento + spingere gradualmente con un argano a catena + posizionare accuratamente con un perno di posizionamento". Per garantire che l'incollaggio della cabina sia "perfettamente aderente", la foto dell'issaggio in loco è mostrata nella Figura 3.
Per soddisfare i requisiti di sigillatura, le giunture di incollaggio sono progettate in modo ragionevole, utilizzando principalmente i metodi di progettazione di materiali di sigillatura e strutture meccaniche. Nell'incollaggio della scatola, vengono utilizzati fibbie impermeabili e flange impermeabili. Dopo il completamento dell'incollaggio, è necessario aggiungere colla impermeabile potente alle posizioni delle giunture, e poi trattarle con una striscia di sigillatura. Infine, vengono installate in sequenza fibbie impermeabili e materiali schiumanti. Quando tutti i processi sono completati e soddisfano i requisiti di alta qualità, si può ottenere la sigillatura e l'impermeabilizzazione.
Dopo che ciascun modulo è in posizione, si procede alla costruzione di connessioni primarie e secondarie. I cavi all'interno dei moduli e i cavi di connessione tra di loro sono stati completamente prodotti e installati in fabbrica. Sono necessari solo i cavi di connessione e i barre di connessione tra ciascun modulo. Quando ciascun modulo è assemblato in fabbrica, sono state eseguite prove preliminari di regolazione congiunta e test, il che può anche ridurre il tempo di regolazione e accettazione in loco.
Il progetto di costruzione della sottostazione a 110 kV del Centro Dati No.1 ha iniziato a comunicare il piano con la rete elettrica di Suzhou e a promuovere le procedure preliminari all'inizio di dicembre. Dopo aver passato la gara d'appalto del progetto, l'acquisto dell'equipaggiamento, la produzione in fabbrica, la costruzione delle fondamenta dell'equipaggiamento in loco, l'assemblaggio in loco, la regolazione dell'equipaggiamento e l'accettazione dell'energia, è stato ufficialmente messo in servizio all'inizio di giugno. L'intero processo ha richiesto meno di 6 mesi, di cui il tempo dalla determinazione dell'appalto del progetto al completamento del progetto e all'accettazione dell'energia è stato di circa 100 giorni, che è il progetto con il ciclo di costruzione della sottostazione più breve nel campo dei centri dati. Quindi, rispetto alle sottostazioni tradizionali, il tempo di costruzione è notevolmente ridotto.
Oltre a questi vantaggi, grazie all'adozione del concetto di progettazione modulare, può essere efficientemente aggiornato quando necessario in futuro, il che contribuisce a ridurre i costi di manutenzione e espansione, quindi mostra anche ampie prospettive di sviluppo.
4. Conclusione
Le sottostazioni prefabbricate hanno affrontato i punti critici delle sottostazioni tradizionali nel campo dei centri dati.
