Ontwerp van 110 kV prefab-kantonnement voor datacenter
Inleiding
Met de snelle ontwikkeling van technologieën zoals cloud computing en big data, en de versnelling van de doordringing van "Internet +" in verschillende sectoren, bloeit de digitale economie-industrie in belangrijke landen en regio's over de hele wereld. Het neemt een steeds belangrijkere plaats in in het dagelijks leven en de nationale economie in. Vooral onder de huidige impact van de COVID-19-pandemie wereldwijd, wordt de daling van de wereldwijde economie versterkt. Alleen de digitale economie heeft de trend gebroken en een sterke groei gehandhaafd.
GB 50174-2017 Ontwerpcode voor Datacenters geeft een specifieke definitie van datacenters. Een datacenter, als basisinfrastructuur gerelateerd aan gegevensbeheer en -opslag, kan verschillende soorten gegevensinformatie opslaan. Daarnaast ondersteunt het ook basale functies zoals gegevensberekening en -overdracht om aan de behoeften van massale gegevensbeheer te voldoen. De bouw van datacenters is een onvermijdelijke trend geworden.
In de datacenterindustrie staat het bekend als digitale onroerend goed, wat aanzienlijk verschilt van traditionele infrastructuurprojecten. Hier zijn enkele opvallende kenmerken van datacenters: hoge energieverbruik, hoge betrouwbaarheidsvereisten en een behoefte aan snelle bouwsnelheid. Het energieverbruik van datacenters is geconcentreerd, meestal geconfigureerd met 2N-redundantie. De enorme energieverbruikscapaciteit betekent dat parkniveau datacenterprojecten meestal gebruikersspecifieke 110 kV-transformatorstations configureren.
De bouw van 110 kV-transformatorstations heeft echter ook veel pijnpunten, die specifiek worden weerspiegeld in de volgende aspecten: de bouwcycli van traditionele 110 kV-transformatorstations in China nemen meestal 12-24 maanden in beslag, waarbij alle cycluswerkzaamheden zoals planning, locatiebepaling, peiling, ontwerp, projectregistratie, materiaalaankoop, "vier aansluitingen en één egaliseren" (toegang tot water, elektriciteit, wegen, en telecommunicatie en terreinegalisatie), bouw en installatie, afstelling, herstel van groen, en productieacceptatie worden betrokken. De lange bouwcycli kunnen niet aansluiten bij de behoefte aan snelle levering van datacenters; door klanten- en netwerkredenen is de datacenterindustrie in China grotendeels verspreid over de regio's Beijing-Tianjin-Hebei, de Yangtze Delta, en de Groot-Baygebied Guangdong-Hong Kong-Macau. Deze regio's zijn meestal relatief ontwikkelde steden met schaarse grondbronnen, en tijdens de projectplanning worden vaak beperkingen op locatieniveau aangetroffen; transformatorstations voor datacenters moeten ook flexibel aanpassen aan de capaciteitsveranderingen van datacenters.
Voor de pijnpunten in de bouw van datacentrums transformatorstations zijn prefab modulaire transformatorstations een belangrijke oplossingsrichting. Op basis van het modulaire ontwerpbeginsel hebben prefab transformatorstations voordelen qua flexibiliteit en betrouwbaarheid ten opzichte van traditionele transformatorstations in toepassing. Alle systemen in de prefab cabine worden in de fabriek geproduceerd, geïnstalleerd, bedraad, getest en vooraf samengesteld. Na voltooiing kunnen ze direct ter plaatse worden samengevoegd, waardoor hoge efficiëntie wordt bereikt, de constructiecomplexiteit wordt verminderd, en er een hoge mate van integratie is. Ze zijn geschikt voor verschillende transformatorstationconstructiescenario's en tonen duidelijke voordelen.
Dit artikel neemt het 110 kV transformatorstationbouwproject van Data Center No.1 als voorbeeld, en geeft een gedetailleerde introductie van de toepassingsscenario's, proceslayoutontwerp, en prefabcabineprocesontwerp van prefabtransformatorstations in datacenters.
1. Projectoverzicht
Het Data Center No.1-project is gelegen in de stad Suzhou, provincie Jiangsu. Dit project is een renovatie van een oud fabrieksgebouw. Er zijn al 4 fabrieksgebouwen in het park, namelijk Gebouwen A, B, C en D. De hoofdbouwactiviteit deze keer bestaat uit de realisatie van de algemene renovatie van het park zonder de bestaande gebouwplanningsvoorwaarden te wijzigen en het bouwen van een betrouwbaar datacenterpark.
Dit park verwijst naar de Klasse A datacenterstandaard in GB 50174-2017 Ontwerpcode voor Datacenters en plant een parkniveaudatacenter te bouwen dat meer dan 100.000 high-performance servers kan dragen. Het park moet een 110 kV-transformatorstation bouwen om aan de energievoorzieningsbehoeften van het park te voldoen. Het transformatorstation introduceert 2 volledig onafhankelijke 110 kV-netenergievoorzieningen, elk met een capaciteit van 80.000 kVA, waardoor een 2N-energievoorzieningssysteem wordt gevormd. Tijdens normaal gebruik overstijgt de belastinggraad van elke lijn niet 50% van de volle capaciteit, dat wil zeggen 40.000 kVA. Wanneer een van de netenergievoorzieningen uitvalt, kan de andere alle belastingen van het datacenter dragen.
Aangezien dit project een fabrieksgebouwrenovatie is, is de meeste grondoppervlakte van het project al bezet door de voltooide Gebouwen A, B, C en D, met relatief grote fysieke ruimtelijke beperkingen. De belangrijkste beschikbare buitenruimtes zijn de open ruimte aan de linkerkant van Gebouw B en de open ruimte tussen Gebouw B en Gebouw D. Voor het traditionele 110 kV-transformatorstationplan, wanneer 2 hoofdtransformatoren met een capaciteit van 80.000 kVA worden geïnstalleerd, is een rechthoekig terrein nodig met een lengte van ongeveer 70 m en een breedte van 40 m. De vrije afstand van het terrein aan de linkerkant van Gebouw B is 30 m, en de vrije afstand van het terrein tussen Gebouw B en Gebouw C is 50 m. Met inachtneming van de brandweerverdedigingsafstand tussen het transformatorstation en de gebouwen en de eisen van het brandweeromlooppad in het park, is het moeilijk voor beide locaties om aan de bouwruimte-eisen van traditionele transformatorstations te voldoen.
De klant van het Data Center No.1-project is een internetbedrijf. Als een basisdatacenterproject voor deze klant zal dit park een groot aantal online activiteiten van de klant en een grote hoeveelheid gegevensoverdracht, -bewerking, -opslag en -verwerking achter de activiteiten ondersteunen. De klant heeft hoge eisen aan de betrouwbaarheid van dit datacenter en is gestrest op de levertijd.
Wat betreft de levertijd, gezien de snelle ontwikkeling van de gegevensactiviteiten van de klant, heeft de klant een zeer urgente behoefte aan het datacenter, en het gehele datacenterpark moet binnen 6 maanden worden geleverd. Wat betreft de betrouwbaarheid, vereist de klant dat de twee 110 kV-transformatorstationnetenergievoorzieningen, die elkaar back-uppen, volledig onafhankelijk zijn van de ingang tot de uitgang, en de routes zijn meer dan 10 m van elkaar verwijderd. De hoofdapparatuur zoals GIS, transformatoren en 10 kV-schakelkasten zijn verdeeld over verschillende fysieke ruimtes om te voorkomen dat een enkel ongeluk beide netenergievoorzieningen beïnvloedt en daarmee alle activiteiten van het gehele datacenter.
Aangezien het 110 kV-transformatorstationproject van Data Center No.1 beperkte ruimte, strakke tijdsbeperkingen en hoge aanpassingsvereisten heeft, is de traditionele transformatorstationvorm moeilijk om aan de projectvereisten te voldoen. Na overleg en discussie met het lokale elektriciteitsnetbedrijf, werd bevestigd dat dit project de vorm van een prefabmodulair 110 kV-transformatorstation zou aannemen.
2. Proceslayoutontwerp
2.1 Fysieke ruimte
Het 110 kV-transformatorstationproject van Data Center No.1 heeft in totaal 2 inkomende energielijnen, en de energievoorzieningen komen respectievelijk van de netenergievoorzieningen van de upstream 220 kV-transformatorstations A en B. Beide inkomende lijnen van de twee netenergievoorzieningen A en B komen vanuit het zuiden via ondergrondse begrafenis het park binnen. Met inachtneming van de richting van de externe netenergielijnroutes en de huidige gebouwsituatie in het park, wordt het 110 kV-transformatorstation in de zuidwesthoek van het park geplaatst. Het plattegrondschema van de locatie van het 110 kV-transformatorstation is weergegeven in figuur 1.
Het prefabtransformatorstation is 82 m lang, 17 m breed en heeft een totale vloeroppervlakte van 1.400 m². Voor een traditioneel transformatorstation onder dezelfde omstandigheden zijn deze drie parameters respectievelijk 70 m, 40 m en 2.800 m². In vergelijking met het traditionele transformatorstation wordt de vloeroppervlakte met meer dan 50% bespaard, en kan de layout van het transformatorstation volgens de ter plaatse situatie worden bepaald, wat relatief flexibel is.
Figuur 1 Schematische weergave van de locatieplannen van het 110 kV-transformatorstation
2.2 Proceslayout
Figuur 2 toont het proceslayoutdiagram van het 110 kV-transformatorstation. Het interieur van het transformatorstation bestaat uit twee prefab GIS (SF6 Gas-Geïsoleerde Metalen Behuizing) cabines, één prefab hoofdapparatuurcabine, en twee buitentransformatoren van 110 kV. De indeling is lineair gerangschikt.
2.3 Energieomleiding
Het transformatorstation van dit project is in principe volledig symmetrisch. Zoals te zien is in Figuur 2, met de brandmuur in het midden van de twee prefab hoofdapparatuurcabines als grens, bevinden zich links en rechts respectievelijk de prefab GIS-cabines, prefab hoofdapparatuurcabines, 110 kV-transformatoren, en prefab condensatorcabines voor Route A en Route B energievoorzieningen, en de apparatuur van Route A en Route B zijn volledig onafhankelijk.
Het hele transformatorstation is uitgerust met een onafhankelijke omheining en werkt onafhankelijk van het datacenterpark. Er is een onafhankelijke ingang buiten het park aan de zuidkant ingesteld. Alleen professioneel personeel mag het 110 kV-transformatorstation betreden, en andere personen hebben geen toegangsrechten, wat de betrouwbaarheid van de operatie van het transformatorstation kan garanderen.
De GIS-cabine is een enkelvoudige laag prefab cabine. Binnenin is het voornamelijk uitgerust met 110 kV GIS-combinatieve apparatuur met een nominale stroom van 2.000 A. Voor elk deel van het ontwerp is hexafluoriden (SF6) een belangrijk boogblussend medium en kan worden toegepast in GIS. Structuurtechnisch is GIS voornamelijk verdeeld in verschillende delen, waaronder spanningstransformatoren, bliksemafleiders, circuitbrekers en bushingen, enz. Deze onderdelen moeten correct worden verbonden, en de betrouwbaarheid van elk component moet worden gegarandeerd om de overall functionaliteit effectief te realiseren [8].
De hoofdtransformator maakt voornamelijk gebruik van een driefase dubbelwikkeld oliegedrenkte zelfgekoelde transformator, met een YN-aardingmethode, met een spanningniveau van [10,5 ± (2×2,5%/0,4)] kV, en het specifieke model is SZ11-80000/110.
De hoofdapparatuurcabine heeft een tweelaags structuur. De eerste laag bestaat uit twee volledig onafhankelijke 10 kV-uitgangskastencabines, gescheiden door een brandmuur, en respectievelijk uitgerust met 10 kV-schakelkasten en stationsdiensttransformatoren die overeenkomen met de energievoorzieningen van Route A en Route B. De 10 kV-schakelkasten maken gebruik van metalen omhulde schakelkasten uitgerust met vacuümcircuitbrekers. Voor voederkasten, condensatoren en stationsdiensttransformatoren zijn hun nominale stroom en doorsnijdende stroom respectievelijk 1,25 kA en 25 kA; voor ingangen zijn ze 3,15 kA en 31,5 kA. De capaciteit van de stationsdiensttransformator wordt gekozen als 100 kVA, met een SC11-type droge transformator, met een spanning van [110 ± (8×1,25%/10,5)] kV, een verbindingsgroep van Dyn11, een impedantiespanning Uk = 4%, een IP40-beveiligingsomhulsel, en een energie-efficiëntieklasse van 2. Om de betrouwbaarheid van het systeem te verbeteren, correspondeert elke 110 kV-inkomende lijn met twee secties 10 kV-bussen, wat de omvang van een storing kan verminderen in geval van een fout.
De tweede laag moet worden uitgerust met een aardingstransformator, een prefab condensatorcabine, enz. In de prefab cabine is een condensatorbank geconfigureerd, met differentiële drukbescherming ingesteld, en een capaciteit van 6.000 kVA moet worden bereikt. Naast de hierboven genoemde delen, is in dit ontwerp een ijzeren kernreactor gekozen, met een reactiewaarde van 12%. Een kleine aardingsweerstand compleet set apparaat, met een aardingsweerstand van 10 Ω en een capaciteit van 400 kVA. De tweede laag heeft ook een secundaire ruimte. De secundaire ruimte is specifiek verdeeld in verschillende delen, waaronder videobewaking, kilowatt-uur meterkasten, elektrische energie verzameling, foutregistratie, publieke meting en controle, afstandsbediening communicatie, relaisbescherming, computercontrole, intelligente hulpcontrolesystemen, tijdsynchronisatiesystemen, enz.
2.3 Energieomleiding
Wat betreft de energieroute, de 110 kV-netenergie inkomende lijnen van Route A en Route B komen allebei binnen vanaf de 17-m brede korte zijde rechts. De twee routes komen parallel binnen, met een afstand van meer dan 10 m, en worden respectievelijk ingevoerd in de prefab GIS-cabines die overeenkomen met Route A en Route B. De lijnen van GIS naar transformatoren voor Route A en Route B, de busbars van transformatoren naar 10 kV-schakelkasten, en de uitgaande lijnen van 10 kV-schakelkasten zijn allemaal onafhankelijk, en de afstand is meer dan 10 m.
2.4 Voordelen van het proceslayoutontwerp
De hoofdapparatuur van het project, inclusief prefab GIS-cabines, 110 kV-transformatoren, prefab hoofdapparatuurcabines, enz., zijn allemaal volledig geïsoleerd tussen Route A en Route B. De energieroute van Route A en Route B is volledig geïsoleerd. In vergelijking met traditionele transformatorstations neemt het minder ruimte in beslag, heeft een hoge mate van aanpassing, is flexibel en effectief, en kan aan de betrouwbaarheidsvereisten van datacenters voldoen.
3. Prefab cabine technologie
Dit project maakt gebruik van een volledig modulaire prefab methode voor het hele station. Ter plaatse zijn slechts hulpfaciliteiten zoals strookfunderingen en brandwanden nodig. De productie en verwerking van modulaire prefab cabines kunnen gelijktijdig met de civiele werken worden uitgevoerd, waardoor de hoeveelheid civiele werken aanzienlijk wordt verminderd. Het lost de problemen op van grote hoeveelheden civiele werken en lange bouwcycli in de traditionele transformatorstationbouwmethode, en voorkomt de situatie waarin de bouwtijd van het transformatorstation wordt beperkt door civiele projecten.
3.1 Cabine technologie
De prefab cabines worden in de fabriek geproduceerd en getest, waardoor een uitstekende productkwaliteit en een hoog standaardontwerpimplementatieniveau worden gegarandeerd, en de invloed van de kwaliteit van de ter plaatse constructie op de apparatuur wordt vermeden. Structuurtechnisch zijn de onderstelcomponenten van de kast lichaam verbonden door U-profiel, en de deuren en dekplaten zijn gelast met 2 mm dikke hoogwaardige koudgewalste platen. Het heeft een geïntegreerde structuur en is sterk tegen impact.
De kenmerken van de kast lichaam worden voornamelijk weerspiegeld in drie aspecten: corrosiebestendig, drielagen structuur, en afsluiting, wat de basisoperatievereisten kan voldoen en ervoor kan zorgen dat elk component een stabiele werkstatus behoudt. De buitenkant moet een beschermingsniveau van IP54 of hoger bereiken. De prefab cabines maken gebruik van een full-working-condition ontwerp en hebben ook goede windbestendigheid, seismische weerstand, en sneeuwbelastingweerstand om de veilige werking van de apparatuur te garanderen.
De apparatuur in de cabine is sterk geïntegreerd. Door het ontwerp van de cabinestructuur en de coördinatie van de verschillende interne systemen, voldoet de prefab cabine aan de behoeften van de apparatuurwerking. De cabine houdt rekening met zowel de primaire, secundaire, en communicatieapparatuur van het 110 kV-transformatorstation, als ook de hulpstelsels zoals milieubeperking, verlichting, noodverlichting, brandweer, en aarding.
3.2 Cabine transport
De cabine moet voldoen aan hoge eisen, voornamelijk betreffende vochtbestendigheid en afsluiting, anders kan de werkkwaliteit niet worden gegarandeerd. Met inachtneming van de beperkingen op lengte en breedte voor wegtransport in dit project, is de lengte van elke transporteenheid beperkt tot binnen 14 m, de breedte tot binnen 3,4 m, en de hoogte tot binnen 4,5 m. Prefab cabines met grotere afmetingen worden in secties vervoerd, en andere prefab cabines met relatief kleinere afmetingen worden als geheel vervoerd, voldoende aan de eisen van wegtransport. Als de site de assemblage-eisen heeft bereikt, kan het naar de site worden vervoerd voor de volgende stap assemblage.
3.3 Ter plaatse installatie
Dit project maakt gebruik van een modulaire prefab methode, met minder civiele werken. De belangrijkste civiele inhouden omvatten twee nieuwe groepen hoofdtransformatorfunderingen, vier brandwanden van 10 m lang en 6,5 m hoog, twee groepen GIS-cabinefunderingen, één groep hoofdapparatuurcabinefunderingen, één 20 m³ ongevalsolieput, een 198 m lange en 2,3 m hoge holle omheining, 14 hoofdtransformatorsteunen, en een 80 m lange gewapende betonkabeltrog.
De prefab cabines maken gebruik van een mode van "fabriek proefmontage moet worden uitgevoerd om de feitelijke werksituatie te simuleren + splitsing vervoer naar de site en vervolgens samenvoegen en installatie" ter plaatse. Alle modules zijn al in de fabriek proefgemonteerd, en problemen worden op tijd ontdekt zonder problemen op de site achter te laten, waardoor de bouwperiode en -kwaliteit ter plaatse worden gegarandeerd. De ter plaatse hijs- en assemblagecyclus is kort, en er is bijna geen ophoping van grondstoffen.
Voor de samenvoeging van grote cabinedelen, wordt de ter plaatse samenvoegingsprocedure "het gebruik van een kraan om de apparatuur in eerste instantie te positioneren + geleidelijk duwen met een kettingblok + nauwkeurig positioneren met een positiepin" toegepast. Om ervoor te zorgen dat de samenvoeging van de cabine "straattaai" is, wordt de foto van de ter plaatse hijs weergegeven in Figuur 3.
Om aan de afsluitingseisen te voldoen, zijn de samenvoegingverbindingen zorgvuldig ontworpen, voornamelijk met de ontwerpmethoden van afsluitingsmaterialen en mechanische structuren. Bij de kast lichaam samenvoeging worden waterdichte knopen en waterdichte flens gebruikt. Na de voltooiing van de samenvoeging moet sterke waterdichte lijm aan de verbindingposities worden toegevoegd, en vervolgens behandeld met een afsluitstrook. Ten slotte worden waterdichte knopen en schuimmaterialen in volgorde geïnstalleerd. Wanneer alle processen zijn voltooid en aan hoge kwaliteitseisen voldoen, kan afsluiting en waterdichtheid worden bereikt.
Na elke module op zijn plaats is, worden primaire en secundaire verbindingen uitgevoerd. De kabels in de modules en de verbindingkabels ertussen zijn al volledig geproduceerd en geïnstalleerd in de fabriek. Alleen de verbindingkabels en busbars tussen elke module moeten worden geïnstalleerd. Wanneer elke module in de fabriek wordt samengesteld, worden voorlopige joint testen en tests uitgevoerd, wat ook de ter plaatse test- en acceptatietijd kan verkorten.
Het 110 kV-transformatorstationbouwproject van Data Center No.1 begon begin december met het communiceren van het plan met het Suzhou elektriciteitsnet en het bevorderen van de voorbereidende procedures. Na het doorlopen van projectbesteding, apparatuuraankoop, fabriekproductie, ter plaatse apparatuurfunderingbouw, ter plaatse assemblage, apparatuurtesten, en energieopname-acceptatie, werd het officieel in gebruik genomen in begin juni. Het hele proces duurde minder dan 6 maanden, waarvan de tijd van projectbestedingsbepaling tot projectvoltooiing en energieopname-acceptatie ongeveer 100 dagen was, wat het project met de kortste bouwcycli van transformatorstations in het datacentergebied is. Daarom, in vergelijking met traditionele transformatorstations, wordt de bouwtijd aanzienlijk verkort.
Naast deze voordelen, door het gebruik van het modulaire ontwerpbeginsel, kan het in de toekomst indien nodig efficiënt worden geüpgraded, wat helpt bij het reduceren van de kosten van onderhoud en uitbreiding, dus het toont ook een breed ontwikkelingsperspectief.
4. Conclusie
Prefab transformatorstations hebben de pijnpunten van traditionele transformatorstations in het datacentergebied aangepakt.
