数据中心后备燃油供给系统的探讨

徐 飞，郑发秀，朱昕宇，冯 辉

（中移（杭州）信息技术有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

随着互联网、大数据、云存储以及5G等科学技术的飞速发展，ICT业务呈现爆发式增长。近些年，随着国家新基建概念的提出，数据中心的建设呈现爆发式增长。数据中心的快速发展，对供电不可用度的敏感度越来越高。目前，数据中心基础配套设施的图纸设计、建设施工以及运行维护日渐专业化，供配电系统及供冷系统的冗余和备份等也深入人心。然而，一些领域缺少系统化和标准化的设计建设方案，数据中心燃油供给系统就是其中之一。

结合当前行业现状，从源头设计、工程建设以及运行维护等多角度综合思考，设计建设了一个安全、稳定以及高效的数据中心发电机组燃油供给系统，为后续数据中心的运行维护打下了坚实基础，可确保及时有效地供给燃油，保障关键时刻发电机组供油不间断，数据中心设备供电不间断。

1 燃油供给系统组成

目前，数据中心机楼的供电基本架构一般由两路不同路的10 kV高压市电加柴油发电机组作为后备电源保障。柴油发电机是数据中心供电的最后一道保障，燃油供给系统是保障柴发机组及时稳定运行的关键环节。一个稳定、可靠的燃油供给系统，能在长时间停电情况下为发电机组提供及时有效的燃油，确保机房设备供电不间断。

燃油供给系统的主要设备包括储油罐、供油泵、回油泵、各种阀门、燃油过滤器、日用油箱、PLC控制柜、电源柜、传感器以及磁翻板液位计等。燃油供给系统主要由主体架构、自动控制以及供配电3大部分组成。主体架构为燃油系统的主要躯干，通过管道对储油罐、日用油箱以及发电机组进行合理连接，并在管道上加装油泵和阀门等各种控制装置，形成一个稳定、高效且安全的供油系统。自动控制系统是整个燃油供给系统的大脑中枢，包括各种传感器和信号监测，通过PLC利用既定的自动控制逻辑监测并控制整个燃油供给过程。供配电是系统中控制装置和PLC等用电设备的能量来源。

2 燃油供给系统架构

国内数据中心一般采用地埋式储油罐。国标《数据中心设计规范》中，直埋地下的卧式柴油储罐需满足建筑物和园区道路间的最小防火间距，柴油发电机的燃油存储量需满足相应等级数据中心的用油量，国标A级数据中心需满足12 h的后备用油量[1]。良好的设计方案是保证后备燃油存储长期稳定可靠的关键源头。结合数据中心的实际设计与建设，从主体架构、自控逻辑、监控以及供电配置等方面，对数据中心的燃油供给系统进行设计分析。

通过实践研究，需将2N双备份设计理念贯穿全系统每个设备节点。从储油罐、管道、日用油箱、供回油泵、PLC控制柜、地埋储油罐日常加油口以及日用油箱应急加油口，到PLC控制柜、油泵及电动阀等用电设备，均要以双备份思路进行规划建设[2]。

2.1 主体架构

燃油供给系统的主体架构包括储油罐、日用油箱、管道、供回油泵以及阀门等常见设备。燃油系统主体架构在设计图纸定稿后一锤定音，建设完成后的改造难度和成本巨大。因此，主体架构应以安全、稳定、可靠以及高效等为基础，在规划设计时重点考虑后续运行维护的便利性和经济性[3]。

主体架构2N双备份是对管道的合理设计。主要思路为两个相同容积的罐体，分别为数据中心一半数量柴油发电机所对应的日用油箱供油，从储油罐到每个日用油箱，设置两路供油管道，在两个储油罐间设置两路旁通管道形成互为备份，使供油管道和储油罐达到2N设计效果。主体架构设计框架如图1所示。

图1 燃油供给系统主体架构框图

图1中管道标识及作用如下。1号为主加油管，主要用于日常加油车给地下储油罐加油。2号为主回油管，日用油箱加油超过临界值时，燃油从5号溢流管溢出汇流至主回油管。日常检修、应急情况时，通过8号快速回油管紧急回油汇流到主回油管直至地下储油罐。3号为供油管，连至各个日用油箱加油主管道，与4号供油管互为备用。4号为供油管，连至各个日用油箱加油主管道，与3号供油管互为备用。5号为溢流管，当日用油箱加油超过临界值时，通过溢流管溢出汇流至2号主回油管。6号为油机回油管，油机启动发电时燃油循环回流至日用油箱。7号为连至油机加油管，油机启动发电，日用油箱提供燃油管道。8号为快速回油管，当故障、检修以及火灾等紧急情况时，通过回油泵快速把燃油抽回汇流到2号主回油管，直至地下储油罐。9号为应急加油管，当地下储油罐或储油罐至日用油箱间的管道，全部故障或控制系统故障无法供油时，通过应急加油管道燃油直接加到日用油箱。10号为旁通管，使供油管道和储油罐形成互为备份，其中一个油罐故障时，通过切换阀门另一个油罐承担起故障侧油机的燃油供给，避免供油中断。

2.2 储油罐及相关器件

储油罐罐体的建设一般根据国标《小型立、卧式油罐图集》要求，结合工程实际需求进行深化设计[4]。地埋卧式储油罐进出管道及相关器件设计详图如图2所示。

图2 地埋卧式储油罐进出管道及相关器件设计详图

图2中管道及相关器件标识及作用如下。1号为日常快速加油口，设置两个不同口径的常用加油口，便于日常不同容量燃油运输车的加油工作。主加油管在储油罐底部加一个弯头，防止后期加油时冲击底部沉淀物污染油品，从而损伤堵塞管道、阀门等器件。2号为燃油过滤器，加油过程中过滤杂质。3号为油表，计量加油量，便于运维工作。4号为阻火通气罩，防止外部火焰窜入罐体内或阻止火焰罐体内蔓延。5号为快速吸油口，快速及时地把地下储油罐内的燃油吸出，便于罐体的维护和维修，同时底部设计止回阀，防止吸出燃油回流。6号为液位计，采用投入式磁翻板或磁浮球液位计，实时计量地下储油罐内燃油量。7号为球阀，用于管道开通、切断。8号为止回阀，单向开通，防止燃油通过供油管倒流至储油罐。9号为油泵（潜油泵），需燃油补给时，启动油泵为燃油供给提供动力。10号为活动盖板，便于工作人员进出和日常保护操作井。

2.3 日用油箱及相关器件

日用油箱是连接储油罐和发电机组的关键储油容器，对燃油的平稳供给起关键作用，关系到燃油供给、日常维护以及应急抢修等。结合工程经验，日用油箱和期管道阀门设计如图3所示。

储油罐出来的2根双路供油管分别通过日用油箱上端、管道上加装球阀和电动阀组合装置进行控制，供油管末端加装过滤分流器。在日用油箱靠近顶部的位置，设置溢流装置通过溢流管与底部的快速回油管合并，在回油管上设计球阀和电动阀的组合装置，同时设置过滤器、小型回油泵、止回阀以及球阀，以便实现快速控制。在日用油箱的上下位置设置油机回油管和至油机得供油管，在管道上配置相应阀门用以开关控制。在日用油箱顶端设置应急快速加油管道，管道上加装波纹管、阀门、油表、过滤器以及相应的加油接口，以满足应急加油。同侧的每个日用油箱的应急加油管并接到主应急加油管道上。每个日用油箱上需设置液位控制装置，同时还需设置阻火通气罩。

图3 日用油箱相关管道、阀门设计详图

3 燃油自控系统

柴油发电机供回油自动控制系统，简称燃油自控系统（PLC），主要集中监测、控制与管理柴油发电机的燃油供给和回卸等状态。它的监控对象主要包括地埋储油罐、日用油箱、供油泵、回油泵、管路阀门、液位以及温度等。通过控制器和传感器等元器件，将设备的状态接入数据中心动环监控系统，进行实时监测、控制及运维管理。燃油自控系统拓补图如图4所示。

供油控制系统配置主备两台PLC柜，并互为热备用。正常情况下，主备PLC各自独立控制对应地下储油罐的供油泵，根据控制逻辑给日用油箱供油。当其中一台PLC故障时，另一台承担全部日用油箱的供油控制，实现供油控制系统的双保障。燃油自控系统的逻辑控制主要包括以下几个部分。

3.1 储油罐的控制

每个储油罐均应设置液位监控设施。它的液位传感器具备远传和本地显示功能，将探测到的液位信号及时有效地接入控制系统。控制系统根据储油罐中的液位传感器信号，设置高高液位、高液位、低液位以及低低液位4种柴油容量状态。以总容量为50 m3的储油罐为例，设置液位告警控制逻辑。

图4 燃油自控系统拓补图

当储油罐内柴油量达到高高液位，设定油量达到45 m3时监控中心出现油满溢出风险告警，同时现场设置声光报警。当储油罐内柴油量达到高液位，设定油量达到40 m3时（预留回油空间）柴油控制系统和现场声光提醒油罐已满，停止向储油罐补充柴油。当储油罐内柴油量达到低液位，设定油量距离油罐底部500 mm（可调整）时，柴油控制系统和现场声光提醒油量过少，向储油罐补充柴油，同时自动关闭该油罐的所有供油泵。当储油罐内柴油量达到低低液位，设定油量距离油罐底部300 mm（可调整）时，监控中心缺油告警和现场声光报警，储油罐已无柴油。

3.2 日用油箱的控制

每个日用油箱均应设置液位监控设施。它的液位传感器应具备远传和本地显示功能，将探测到的液位信号及时有效地接入自动控制系统。控制系统根据日用油箱中的液位传感器信号，设置高高液位、高液位、低液位以及低低液位4个柴油容量状态。以总容量为1 m3的日用油箱为例，设置液位告警控制逻辑。

当油量达到高高液位，设定到90%油箱容积时监控中心油满溢出告警和现场声光报警，回油泵打开，日用油箱柴油回卸到储油罐。当油量达到高液位，设定到80%油箱容积时关闭日用油箱对应的供油电磁阀。当油量达到低液位，设定到50%油箱容积时开启日用油箱对应的供油电磁阀，及时补油。当油量达到低低液位，设定到20%油箱容积时监控中心缺油告警和现场声光报警，提醒油量过低，立即补油。

3.3 油泵与电磁阀的控制

每个储油罐配置供油泵，与日用油箱上的供油电磁阀进行连锁设置。供油回路中任意一组日用油箱的电磁阀开启且确认阀门状态后，由自动控制系统发出指令，开启对应储油罐的供油泵。当检测到对应日用油箱的电磁阀都关闭时，对应供油泵停止运行。每个供油泵需具备现场和远程开启功能，它的故障与状态信号应实时纳入监控系统。日用油箱下方设计柴油泄漏探测装置，通过自控系统纳入动环监控。地埋储油罐内，柴油设置含水量探测装置，罐外设置泄漏探测装置，通过自控系统纳入动环监控，实时预警监测油品。

3.4 消防联动控制

控制系统设计远程或手动关闭，日用油箱至油机侧供油管上的紧急切断阀，紧急切断供油泵。每个日用油箱上设置一套回油阀和小型紧急回油泵，回油电磁阀与回油泵消防联动。当日用油箱间发生火灾报警时，消防系统将系统信号发送给油路控制系统，由油路控制系统实施控制，打开该日用油箱和相邻的房间，并开启回油电磁阀和小型紧急回油泵，快速回油直至地下储油罐。日用油箱气体灭火时由消防系统联动，关闭排风管道上的电动密闭阀。灭火结束后，手动开启电动密闭阀，且开启连锁相应的排风机。在发日用油箱间设置事故防爆排风机，风机与室内的油气浓度探测装置连锁，风机的室内外均设置手动开关。

4 供油系统配电架构

供油系统的电源配置由两路不间断的电源供电，常见的为2N架构的UPS电源。末端通过ATS切换装置给油泵、电动阀以及自动控制柜等供油系统的各个用电部件供电，使得全油路系统配电为主备双路保障，避免了供电故障风险，提高了供电安全等级。供油系统供电的安全性和可持续性，是柴油发电机组持续获得燃油的基本保障。很多数据中心建设过程中存在单路市电供电或单路不间断电源供电的情况，给后期运行和维护埋下了安全隐患。

5 结 论

数据中心建设过程中，燃油供给系统一般归属土建工程范畴，且涉及较多的隐蔽工程，罐体、油箱以及管道内都有燃油。运行使用后如果发现系统性问题隐患，改造难度大，涉及安全性要求高，需投入大量的人力物力，且往往无法到达预期效果。因此，燃油供给系统的建设应贯穿工程的全过程，在设计和建设时期应重点考量系统后期运行维护的稳定性、便利性、实用性以及安全性，确保发电机组能得到源源不断的燃油供应。