Design av 110 kV förfabrikerad anläggning för datacenter
Introduktion
Med den snabba utvecklingen av teknologier som molnbaserade tjänster och stordata, samt den accelererande penetreringen av "Internet +" i olika branscher, blomstrar digital ekonomiindustrin i viktiga länder och regioner runt om i världen. Den tar en allt viktigare plats i dagligt liv och nationalekonomi. Särskilt under det nuvarande globala inflytandet av COVID-19-pandemin, där nedgången i världsekonomin förstärks, har endast den digitala ekonomin motat trenden och bibehållit en stark utvecklingsmoment.
GB 50174 - 2017 Designstandard för datacenter ger en specifik definition av datacenter. Ett datacenter, som ett grundläggande anläggning relaterat till datahantering och lagring, kan lagra olika typer av datainformation. Dessutom stödjer det grundläggande funktioner som databeräkning och överföring för att möta behoven av massiv datahantering. Uppbyggnaden av datacenter har blivit en oundviklig trend.
Inom datacenterindustrin kallas det för digital fastighet, vilket är ganska olikt traditionella infrastrukturprojekt. Här följer flera framträdande karaktäristiska egenskaper hos datacenter: hög energiförbrukning, höga krav på tillförlitlighet och ett behov av snabb byggtid. Energiförbrukningen för datacenter är koncentrerad, vanligtvis konfigurerad med 2N-redundans. Den enorma energiförbrukningskapaciteten innebär att parknivådatacenterprojekt normalt konfigurerar användarspecifika 110 kV-omvandlingsstationer.
Byggandet av 110 kV-omvandlingsstationer har dock många smärtor, som specifikt återspeglas i följande aspekter: Byggcykeln för traditionella 110 kV-omvandlingsstationer i Kina brukar ta 12-24 månader, inklusive hela cykelns arbetsinnehåll som planering, lokalval, mätning, design, projektregistrering, materialinköp, "fyra anslutningar och en utjämning" (tillgång till vatten, el, vägar, telekommunikation och jordutjämning), bygg- och installation, justering, grön miljöåterställning och produktionsacceptans. Den långa byggcykeln kan inte matcha efterfrågan på snabb leverans av datacenter; p.g.a. kund- och nätverksanledningar är datacenterindustrin i Kina mest fördelad i Beijing-Tianjin-Hebei-regionen, Yangtze-delta och Guangdong-Hongkong-Macao-regionen. De flesta av dessa regioner är relativt utvecklade städer med knappa markresurser, och lokalbegränsningar uppkommer ofta vid projektplanering; datacenteromvandlingsstationer måste också anpassas till de flexibla kapacitetsändringarna för datacenter.
För smärtorna vid byggandet av datacenteromvandlingsstationer är förfabrikerade modulära omvandlingsstationer en viktig lösning. Baserat på modulärt designkoncept har förfabrikerade omvandlingsstationer fördelar med flexibilitet och tillförlitlighet jämfört med traditionella omvandlingsstationer i tillämpning. Alla system i förfabrikerade hytter produceras, installerade, kablad, justerade och förmonterade i fabriken. När de är färdiga kan de direkt monteras på plats, vilket ger hög effektivitet, minskar byggsvårigheter och har en hög grad av integration. De är lämpliga för olika omvandlingsstationsscenarier och visar uppenbara fördelar.
I detta artikel tas 110 kV-omvandlingsstationens byggnadsprojekt för Data Center No.1 som exempel, och ges en detaljerad introduktion till tillämpningsområden, processlayoutdesign och förfabrikerade hyttdesign för förfabrikerade omvandlingsstationer i datacenter.
1. Projektöversikt
Data Center No.1-projektet ligger i Suzhou City, provinsen Jiangsu. Detta projekt är en renovering av ett gammalt industrilokal. Det finns redan fyra lokaler i parken, nämligen A, B, C och D. Huvudinnehållet för denna gångs konstruktion är att realisera en helhetsrenovering av parken utan att ändra de befintliga byggnadsplaneringsvillkoren och bygga en tillförlitlig datacenterpark.
Denna park hänvisar till klass A-datacenters standard i GB 50174 - 2017 Designstandard för datacenter och planerar att bygga en parknivådatacenter som kan bära mer än 100 000 högpresterande servrar. Parken behöver bygga en 110 kV-omvandlingsstation för att uppfylla parkens elkrav. Omvandlingsstationen introducerar två helt oberoende 110 kV-nätströmsförsörjningar, var och en med en kapacitet på 80 000 kVA, vilket bildar ett 2N-elströmsystem. Under normal drift överskrider belastningsgraden för varje linje inte 50% av dess fulla belastningskapacitet, dvs. 40 000 kVA. När en nätströmsförsörjning misslyckas kan den andra bära alla belastningar för datacentret.
Eftersom detta projekt är en renovering av industribyggnad, har de flesta markytorna i projektet redan tagits i anspråk av de färdigbyggda lokalen A, B, C och D, med relativt stora fysiska rymdbegränsningar. De huvudsakliga tillgängliga utomhusrymderna är det öppna området till vänster om lokal B och det öppna området mellan lokal B och lokal D. För det traditionella 110 kV-omvandlingsstationsschemat, när man installerar två huvomvandlare med en kapacitet på 80 000 kVA, krävs en rektangulär lokal med en längd på cirka 70 m och en bredd på 40 m. Den klara avståndet för lokal till vänster om lokal B är 30 m, och det klara avståndet för lokal mellan lokal B och lokal C är 50 m. Med hänsyn till brandskyddsavståndet mellan omvandlingsstationen och byggnaderna och kraven på parkens brandskyddsringsväg, är det svårt för båda platserna att uppfylla byggrumskraven för traditionella omvandlingsstationer.
Kunden för Data Center No.1-projektet är en internetföretag. Som ett basdataprojekt för denna kund kommer denna park att stödja ett stort antal kundens onlineaffärer och stora mängder dataöverföring, drift, lagring och bearbetning bakom affärerna. Kunden har höga krav på tillförlitligheten för detta datacenter och är tidspressad för leveransen.
När det gäller leveranstid, p.g.a. den snabba utvecklingen av kundens dataaffärer, har kunden en mycket brådskande efterfrågan på datacentret, och hela datacenterparken måste levereras inom 6 månader. När det gäller tillförlitlighet, kräver kunden att de två 110 kV-omvandlingsstationernas nätströmsförsörjningar, som är reserverade för varandra, ska vara helt oberoende från infart till utfart, och rutterna är mer än 10 m ifrån varandra. Huvudutrustning som GIS, omvandlare och 10 kV-brytare fördelas i olika fysiska rum för att undvika att en enskild olycka påverkar båda nätströmsförsörjningarna och därmed påverkar alla affärer i hela datacentret.
Eftersom 110 kV-omvandlingsstationens projekt för Data Center No.1 har rymdbegränsningar, tidspress och höga anpassningskrav, är det svårt för det traditionella omvandlingsstationsschemat att uppfylla projektets krav. Efter förhandling och diskussion med det lokala elnätbolaget bekräftades att detta projekt skulle anta formen av en förfabrikerad modulär 110 kV-omvandlingsstation.
2. Processlayoutdesign
2.1 Fysisk rymd
110 kV-omvandlingsstationens projekt för Data Center No.1 har totalt två inkommande strömlinjer, och strömförsörjningarna kommer från de upströms 220 kV-omvandlingsstationerna A och B. Både inkommandelinjerna för de två nätströmsförsörjningarna A och B går in i parken från söder genom underjordisk begravning. Med hänsyn till riktningen för externa nätströmlinjer och den nuvarande byggnadsituationen i parken, placeras 110 kV-omvandlingsstationen i sydvästra hörnet av parken. Planritningen av 110 kV-omvandlingsstationens plats visas i figur 1.
Den förfabrikerade omvandlingsstationen är 82 m lång, 17 m bred och har en total golvyta på 1 400 m2. För en traditionell omvandlingsstation under samma villkor är dessa tre parametrar 70 m, 40 m och 2 800 m2 respektive. Jämfört med den traditionella omvandlingsstationen sparas mer än 50% av golvytan, och omvandlingsstationslayouten kan fastställas enligt platsförhållandena, vilket är relativt flexibelt.
Figur 1 Ritning av 110 kV-omvandlingsstationens plats
2.2 Processlayout
Figur 2 visar processlayoutdiagrammet för 110 kV-omvandlingsstationen. Inuti omvandlingsstationen består det av två förfabrikerade GIS-hytter (SF6 Gasisolering Metallbevakade Brytare), en förfabrikerad huvudutrustningshytt och två utomhus 110 kV-omvandlare. Layouten är ordnad i en linjär form.
2.3 Strömfördelning
Omvandlingsstationen i detta projekt är i stort sett fullständigt symmetrisk. Som kan ses i figur 2, med brandväggen i mitten av de två förfabrikerade huvudutrustningshyttarna som gräns, finns till vänster och höger respektive förfabrikerade GIS-hytter, förfabrikerade huvudutrustningshytter, 110 kV-omvandlare och förfabrikerade kondensatorhytter för strömrutterna A och B, och utrustningen för strömrutterna A och B är helt oberoende.
Hela omvandlingsstationen är utrustad med en oberoende omgivningsmur och fungerar oberoende av datacenterparken. En oberoende ingång ur parken är placerad på södersidan. Endast yrkespersoner får komma in i 110 kV-omvandlingsstationen, och andra personer har inga åtkomsträttigheter, vilket kan säkerställa tillförlitligheten i omvandlingsstationens drift.
GIS-hyttan är en endelags förfabrikerad hytt. Inuti är den huvudsakligen utrustad med 110 kV GIS kombinerade elektriska apparater med en nominalström på 2 000 A. För varje del av designen är hexafluorid (SF6) ett viktigt bukgassmedel och kan tillämpas i GIS. Strukturellt delas GIS huvudsakligen in i flera delar, inklusive spänningsomvandlare, blixtfångare, brytare och busshus osv. Dessa delar behöver korrekt kopplas, och tillförlitligheten för varje komponent behöver garanteras för att effektivt uppnå den övergripande funktionen [8].
Huvudomvandlaren använder huvudsakligen en trefas dubbelvindings oljebadad själkvärmad omvandlare, med YN-jordningsmetod, med en spänningsnivå på [10.5 ± (2×2.5%/0.4)] kV, och det specifika modellen är SZ11 - 80000/110.
Huvudutrustningshytten har en tvålagsstruktur. Första lagen består av två helt oberoende 10 kV-utgångskabinhytter, separerade av en brandvägg, och utrustade med 10 kV-brytarhytter och stationsomvandlare motsvarande strömrutterna A och B. 10 kV-brytarhytter använder metallbeklädda brytarhytter utrustade med vakuumcirkuitbrytare. För matningshytter, kondensatorer och stationsomvandlare, deras nominalström och brytningsström är 1.25 kA och 25 kA respektive; för inkommandelinjer, de är 3.15 kA och 31.5 kA respektive. Kapaciteten för stationsomvandlaren väljs till 100 kVA, med en SC11-typ torrod omvandlare, med en spänning på [110 ± (8×1.25%/10.5)] kV, en kablagegrupp Dyn11, en impedansspänning Uk = 4%, en IP40-skyddsmantel och en energieffektivitetsklass 2. För att förbättra tillförlitligheten i systemet, motsvarar varje 110 kV-inkommandelinje två sektioner av 10 kV-mellanlinje, vilket kan minska omfattningen av ett fel vid en fel situation.
Andra lagen behöver utrustas med en jordningsomvandlare, en förfabrikerad kondensatorhytt, etc. En kondensatorbank konfigureras i den förfabrikerade hytten, med differentialtrycksskydd inställt, och en kapacitet på 6 000 kVA behöver uppnås. Utöver de ovan nämnda delarna väljs en järnkärnreaktor i denna design, med en reaktansgrad på 12%. En liten jordningsmotståndsfullständig enhet, med en jordningsmotstånd på 10 Ω och en kapacitet på 400 kVA. Andra lagen har också en sekundärhytt. Sekundärhytten delas specifikt in i flera delar, inklusive videövervakning, kilowattimätarkabiner, elenerginsamling, felregistrering, offentlig mätning och kontroll, fjärrkontrollkommunikation, reläskydd, datorsurveillance, intelligenta hjälpkontrollsystem, tidssynkroniseringsystem, etc.
2.3 Strömfördelning
När det gäller strömfördelning, både 110 kV nätströmsinkommandelinjerna för strömrutterna A och B går in från den 17 m breda kortsidan till höger. De två rutternas inkommande linjer går parallellt, med ett avstånd på mer än 10 m, och introduceras respektive till de förfabrikerade GIS-hytterna motsvarande strömrutterna A och B. Linjerna från GIS till omvandlare för strömrutterna A och B, mellanlinjerna från omvandlare till 10 kV-brytarhytter, och 10 kV-brytarhytternas utgångslinjer är alla oberoende, och avståndet är mer än 10 m.
2.4 Fördelar med processlayoutdesign
Projektets huvudutrustning, inklusive förfabrikerade GIS-hytter, 110 kV-omvandlare, förfabrikerade huvudutrustningshytter, etc., är fullständigt isolerade mellan strömrutterna A och B. Strömfördelningen för strömrutterna A och B är fullständigt isolerad. Jämfört med traditionella omvandlingsstationer, tar det upp mindre utrymme, har en hög grad av anpassning, är flexibelt och effektivt, och kan uppfylla tillförlitlighetskraven för datacenter.
3. Teknik för förfabrikerade hytter
Detta projekt använder en hela-station fullmodulär förfabrikering. På plats krävs bara tillverkning av hjälpfaciliteter som bandgrund och brandväggar. Produktion och bearbetning av modulära förfabrikerade hytter kan samtidigt ske med civilt arbete, vilket drastiskt minskar mängden civilt arbete. Det löser problemen med stora mängder civilt arbete och långa byggtider i det traditionella omvandlingsstationens byggmodell, och undviker situationen där omvandlingsstationsbyggtiden begränsas av civilt arbete.
3.1 Hyttteknik
De förfabrikerade hytterna tillverkas och testas i fabriken, vilket garanterar exquisit produktkvalitet och en högstandards designimplementeringsnivå, och undviker påverkan av platsarbetskvalitet på utrustningen. Strukturellt är bottenramkomponenterna av lådan anslutna av U-formad stålprofil, och dörrpanelerna och taket är svetsade med 2 mm tjocka högkvalitativa kallvalsade plåtar. Den har en integral struktur och stark motståndskraft mot påverkan.
Karaktäristiska egenskaper hos lådan återspeglas huvudsakligen i tre aspekter: korrosionsskydd, trelagerstruktur och tätning, vilket kan uppfylla de grundläggande driftkraven och säkerställa att varje komponent håller en stabil driftstatus. Skrovet måste nå en skyddsnivå på IP54 eller högre. De förfabrikerade hytterna använder en fullarbetstillståndsdesign och har också god vind-, skaknings- och snölasteresistens för att säkerställa utrustningens säkra drift.
Utrustningen inuti hytten är högt integrerad. Genom design av hyttsstrukturen och samordning av olika interna system uppfyller den förfabrikerade hytten behoven av utrustningsdrift. Hytten tar inte bara hänsyn till primär, sekundär och kommunikationsutrustning för 110 kV-omvandlingsstation, utan tar också hänsyn till hjälp-system såsom miljökontroll, belysning, nödbelysning, brandskydd och jordning.
3.2 Hytttransport
Hytten måste uppfylla höga krav, huvudsakligen involverande fukt- och tätningsegenskaper, annars kan driftkvaliteten inte garanteras. Med hänsyn till begränsningar för längd och bredd för vägtransport i detta projekt, begränsas längden för varje transportenhet till inom 14 m, bredden till inom 3.4 m, och höjden till inom 4.5 m. Förfabrikerade hytter med större dimensioner transporteras i sektioner, och andra förfabrikerade hytter med relativt mindre dimensioner transporteras i helhet, vilket uppfyller kraven för vägtransport. Om platsen har uppfyllt monteringskraven, kan den transporteras till platsen för nästa-stegsmontering.
3.3 Platsinstallation
Detta projekt använder en modulär förfabrikeringsmetod, med mindre civiltekniskt arbete. De huvudsakliga civiltekniska innehållet inkluderar två grupper nybyggda huvudomvandlarfundament, fyra brandväggar med en längd på 10 m och en höjd på 6.5 m, två grupper GIS-hyttfundament, en grupp huvudutrustningshyttfundament, en 20 m³ olycksolpool, en 198 m lång och 2.3 m hög tom omgivningsmur, 14 huvudomvandlarstöd, och en 80 m lång förstärkt betongkabelgräv.
De förfabrikerade hytterna använder en metod av "fabriksprovmontering måste göras för att simulera den faktiska driftsituationen + splittrad transport till platsen och sedan sammanslagning och installation" på plats. Alla moduler har provmonterats i fabriken, och problem identifieras i tid utan att lämna problem på plats, vilket garanterar platsbyggtiden och byggnadsstandarden. Platsupphängning och montering har en kort cykel, och det finns nästan ingen råmaterialackumulering.
För sammanslagningsoperationen av stora hytt-delar, används en platslig sammanslagningsprocess av "använda en kran för att först positionera utrustningen + gradvis skjuta med en kedja + precis positionera med en positionspinne". För att säkerställa att sammanslagningspunkten för hytten är "tät", visas platsupphängning i figur 3.
För att uppfylla tätningskraven, är sammanslagningskopplingarna rationellt utformade, främst genom att använda designmetoder för tätningsmaterial och mekaniska strukturer. I lådans sammanslagning används vattentäta spännen och vattentäta flanschar. När sammanslagningen är slutförd, behöver starkt vattentätt lim läggas till kopplingspositionerna, och sedan behandlas med en tätningsremsa. Slutligen installeras vattentäta spännen och skummaterial i tur och ordning. När alla processer är slutförda och uppfyller höga kvalitetskrav, kan täthet och vattentäthet uppnås.
Efter att varje modul är på plats, genomförs primär och sekundär anslutningskonstruktion. Kablarna inuti modulerna och anslutningskablarna mellan dem har helt tillverkats och installerats i fabriken. Endast anslutningskablarna och mellanlinjer mellan varje modul behöver installeras. När varje modul monteras i fabriken, har preliminär gemensam justering och test gjorts, vilket också kan förkorta platsjustering och acceptanstid.
110 kV-omvandlingsstationens byggnadsprojekt för Data Center No.1 började kommunicera planen med Suzhou's elnät och främja de förberedande procedurerna i början av december. Efter att ha passerat projektupphandling, utrustningsinköp, fabriksproduktion, platslig utrustningsfundamentkonstruktion, platslig montering, utrustningsjustering, och energi-inspektion, blev det officiellt satt i drift i början av juni. Hela processen tog mindre än 6 månader, där tiden från projektets beslut till projektets fullbordan och energi-inspektion var ungefär 100 dagar, vilket är det projekt med den kortaste omvandlingsstationsbyggtiden i datacenterfältet. Därför, jämfört med traditionella omvandlingsstationer, är byggtiden drastiskt minskad.
Utöver dessa fördelar, tack vare användningen av modulärt designkoncept, kan det effektivt uppgraderas när det behövs i framtiden, vilket bidrar till att minska kostnaderna för underhåll och expansion, så det visar också breda utvecklingsutsikter.
4. Slutsats
Förfabrikerade omvandlingsstationer har adresserat smärtorna för traditionella omvandlingsstationer inom datacenterfältet.
