發(fā)電機(jī)組最優(yōu)并機(jī)切換點研究

蔡樹國，賈 駿

（中國泰爾實驗室，北京 100091）

0 引 言

在數(shù)據(jù)中心供電設(shè)施設(shè)計中，UPS、開關(guān)電源等設(shè)備最高效率點大概在50%負(fù)載[1]?？紤]到冗余和休眠要求，使用中能夠保證設(shè)備運行在最高效率區(qū)附近。發(fā)電機(jī)組在設(shè)計中也采用了相同思路，但配置和使用時往往只考慮容量問題，忽略了工作區(qū)間是否在發(fā)電機(jī)組的最高效率區(qū)，導(dǎo)致可能出現(xiàn)“高能低效”的結(jié)果。

同時，推進(jìn)綠色數(shù)據(jù)中心的進(jìn)程中重點關(guān)注了供配電中的主要基礎(chǔ)設(shè)備，卻忽略了備用發(fā)電部分的節(jié)能降耗。對于并聯(lián)發(fā)電機(jī)組，隨著負(fù)載的增加，機(jī)組并聯(lián)數(shù)量也會增加。目前，并機(jī)策略是自動檢測機(jī)組輸出功率大小，并根據(jù)負(fù)載率控制投入運行機(jī)組的數(shù)量，而該切換點的選取合理性會影響整個并聯(lián)系統(tǒng)的工作效率和可靠性。因此，需要根據(jù)機(jī)組特性研究發(fā)電機(jī)組最佳運行工況，這對數(shù)據(jù)中心提高效率、降低能耗具有重要作用。

1 發(fā)電機(jī)組最高效率區(qū)研究

研究發(fā)電機(jī)組最高效率區(qū)，歸根結(jié)底需要研究發(fā)動機(jī)的最高效率區(qū)，與此相關(guān)的是發(fā)動機(jī)性能特性中的負(fù)荷特性[2]。它是指當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的燃油消耗量隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化的關(guān)系。利用這一變化曲線（如圖1所示），可最全面地確定發(fā)動機(jī)在各種負(fù)荷時的經(jīng)濟(jì)性。因此，對負(fù)荷可以在很大范圍內(nèi)改變而轉(zhuǎn)速基本維持不變的固定式發(fā)動機(jī)（如發(fā)電機(jī)組用發(fā)動機(jī)）具有特殊意義。

圖1 發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性曲線（定轉(zhuǎn)速）

根據(jù)圖1負(fù)荷特性曲線的特征，在低負(fù)載率時發(fā)動機(jī)油耗最大，但隨著負(fù)載率的增大，油耗逐漸減少直至最低點，繼續(xù)增大負(fù)荷，油耗又會開始上升，曲線呈現(xiàn)一條內(nèi)凹拋物線形狀。因此，從曲線形狀可以分析哪一部分負(fù)荷區(qū)域是最經(jīng)濟(jì)的，也是能夠保持發(fā)電機(jī)組最節(jié)能運行的區(qū)域。

2 發(fā)電機(jī)組最優(yōu)并機(jī)切換點

多臺柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)供電是一種節(jié)約成本、提高供電容量的措施。通過并聯(lián)可將幾臺發(fā)電機(jī)組并成一個電網(wǎng)，組成一個強(qiáng)大的儲備電力系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的供電可靠性和供電質(zhì)量，實現(xiàn)不間斷保障電力供應(yīng)，延長發(fā)電機(jī)組的使用壽命。因此，數(shù)據(jù)中心一般采用多臺機(jī)組并聯(lián)供電方式，而不是一味增大單臺機(jī)組容量[3]。

并聯(lián)發(fā)電機(jī)組可以根據(jù)負(fù)載的大小決定并聯(lián)幾臺機(jī)組，從而達(dá)到節(jié)省柴油、降低發(fā)電機(jī)組成本的目的。特別是隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源越來越緊張，節(jié)省燃油已經(jīng)變得相當(dāng)重要。

以某型號發(fā)電機(jī)組為例，表1為其不同負(fù)載率下的燃油消耗率。

表1 發(fā)電機(jī)組燃油消耗率實測值

根據(jù)實測燃油消耗率繪制發(fā)電機(jī)組燃油消耗率與負(fù)載率關(guān)系圖，如圖2所示。由圖2可知，機(jī)組燃油消耗率呈先降后升趨勢，在80%負(fù)載率左右燃油消耗率最低。

通過燃油消耗率曲線獲取擬合公式，得到多項式：

根據(jù)式（1）探討多臺機(jī)組并機(jī)時負(fù)載率切換點。假設(shè)當(dāng)n臺并機(jī)時負(fù)載率為η，總負(fù)載不變時切換至n+1并機(jī)時負(fù)載率為則兩者關(guān)系為[4]：

圖2 發(fā)電機(jī)組燃油消耗率與負(fù)載率關(guān)系

由式（1）和式（2）可知，在負(fù)載率為η時增加1臺機(jī)組并機(jī)，增加的燃油消耗率Δge為[4]：

根據(jù)式（3）得到不同負(fù)載率切換點和不同并機(jī)臺數(shù)時由于增加1臺機(jī)組導(dǎo)致的油耗增加量，如圖3所示。

由圖3可知，在接近85%負(fù)載率時，增加1臺機(jī)組產(chǎn)生的燃油消耗率增加量比單臺機(jī)組的燃油消耗率要低。因此，設(shè)置該負(fù)載率作為臨界點燃油經(jīng)濟(jì)性較好，可實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

發(fā)電機(jī)組長期低負(fù)荷運行和長期過高負(fù)荷運行都會有損機(jī)械結(jié)構(gòu)[5]。在80%負(fù)載率附近運行既可以保證發(fā)電機(jī)組不超載運行，也能夠保證發(fā)電機(jī)組不會長期低負(fù)荷運行，從而延長柴油發(fā)電機(jī)組的使用壽命。同時，發(fā)電機(jī)組在80%負(fù)載率左右燃油消耗率最低，運行效率最高。

因此，對于該型號發(fā)電機(jī)組設(shè)置并聯(lián)切換點在80%～85%負(fù)載率，既可在較高的效率下運行，經(jīng)濟(jì)性較好，也可保證留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?。其他型號發(fā)電機(jī)組油耗特性基本符合該特性，依據(jù)此方法能夠計算出最優(yōu)的并聯(lián)切換點。

3 結(jié) 論

本文對發(fā)電機(jī)組的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心實際運行過程中發(fā)電機(jī)組并機(jī)策略進(jìn)行研究，獲取不同負(fù)載率切換點時的燃油經(jīng)濟(jì)性，通過數(shù)據(jù)比對提出了并聯(lián)發(fā)電機(jī)組工作的最優(yōu)切換點。

圖3 發(fā)電機(jī)組燃油消耗率增加與切換點關(guān)系