Podstawowe zasady dotyczące agregatów prądotwórczych zasilania rezerwowego do zastosowań IT (cz. 1)

Wszyscy pracownicy działów IT, którzy są odpowiedzialni za działanie urządzeń komputerowych, powinni przygotować centrum danych lub serwerownię na wypadek dłuższej przerwy w zasilaniu. Zrozumienie podstawowych funkcji i koncepcji systemu agregatu prądotwórczego zasilania rezerwowego zapewni solidne podstawy, które pozwolą pracownikom działów IT określać, instalować i obsługiwać obiekty o znaczeniu krytycznym. Ten dokument stanowi wprowadzenie do tematyki agregatów prądotwórczych zasilania rezerwowego i podsystemów zasilających urządzenia elektryczne o znaczeniu krytycznym w sytuacjach, kiedy zewnętrzna sieć elektryczna nie jest dostępna.

System agregatu prądotwórczego zasilania rezerwowego składa się z dwóch podstawowych podsystemów: (1) generatora, który jest zbudowany z napędu, prądnicy i regulatora; oraz (2) układu rozdzielczego, który zawiera automatyczny przełącznik źródeł zasilania (Automatic Transfer Switch — ATS) oraz powiązaną rozdzielnicę mocy i system dystrybucji. Na rysunku 1 pokazano typowy agregat prądotwórczy zasilania rezerwowego. Ten dokument przedstawia poszczególne podsystemy i ich podstawowe funkcje. Jest to jednak tylko wprowadzenie do większego zbioru dokumentów firmy APC omawiających bardziej zaawansowane tematy poświęcone systemom agregatów prądotwórczych. Czytelnicy zainteresowani tą problematyką mogą znaleźć tu odesłania do materiałów referencyjnych.

Inwestując w system agregatu prądotwórczego należy zdać sobie sprawę z korzyści technologicznych zapewnianych przez obecne systemy. W ciągu ostatnich 10–15 lat dokonano znacznego postępu w zakresie niezawodności i funkcjonalności takich systemów. Starsze systemy agregatów prądotwórczych można często modernizować, tak aby spełniały bieżące wymagania. W dokumencie White Paper 90 firmy APC „Essential Generator System Requirements for Next Generation Data Centers“ można znaleźć dalsze informacje na temat kluczowych wymagań wobec systemu agregatu prądotwórczego dla współczesnych obiektów o znaczeniu krytycznym.

Napęd: silnik spalinowy wewnętrznego spalania
Co to jest spalanie wewnętrzne? Silniki spalinowe wewnętrznego spalania napędzają większość współczesnych samochodów. Silnik tego typu odgrywał ogromną rolę w drugiej połowie 20. wieku i nic nie wskazuje, aby miało się to zmienić na początku nowego tysiąclecia. Mówiąc ogólnie, silnik spalinowy wewnętrznego spalania przekształca energię ze spalania paliwa w ruch mechaniczny przy użyciu wewnętrznych części ruchomych. Kiedy powietrze z zewnątrz zmiesza się z paliwem w silniku, ruchome części powodują zapalenie mieszanki paliwowej, wynikiem czego jest kontrolowana eksplozja wewnętrzna (spalanie) w otworach nazywanych cylindrami. Występuje wiele odmian silnika spalinowego wewnętrznego spalania, ale w systemach agregatów prądotwórczych zapasowych najczęściej stosowany jest silnik czterosuwowy. Jego nazwa pochodzi od czterech oddzielnych etapów cyklu spalania. Etapy te obejmują ssanie mieszanki paliwowopowietrznej, sprężanie mieszanki, spalanie lub wybuch i wydech. Silnik generatora jest zwykle nazywany źródłem napędu. Poniżej przedstawiono najważniejsze atrybuty źródła napędu.

Paliwo
W silnikach spalinowych używane są cztery główne rodzaje paliwa: olej napędowy, gaz ziemny, ropa naftowa i benzyna. Wybór jednego z tych typów paliwa jest zależny od takich zmiennych, jak możliwość przechowywania, koszt i dostępność.

Wydech, emisje i hałas
Wydech systemu agregatu prądotwórczego stanowi poważny problem ze względu na zanieczyszczenie powietrza i hałas. Koncepcja tłumienia hałasu i wyprowadzania spalin przez kanały wentylacyjne może wydawać się prosta — w przeciwieństwie do kwestii środowiskowych i prawnych. EGSA (Electrical Generating Systems Association) to ogólnoświatowa organizacja, która zapewnia ogromną ilość informacji na temat spalin i innych kwestii związanych z użyciem agregatu prądotwórczego zasilania rezerwowego. Przepisy dotyczące ochrony środowiska, pozwoleń na budowę i okresu eksploatacji agregatu prądotwórczego różnią się znacząco zależnie od lokalizacji. Na przykład amerykańska federalna Agencja Ochrony Środowiska (Environmental Protection Agency — EPA) przyznała każdemu stanowi uprawnienia sądownicze oraz zapewniła swobodę działania w celu uzyskania wyznaczonego poziomu jakości powietrza, który ustanowiono na poziomie całego kraju. Również w innych krajach istnieją podobne ciała administracyjne, które ustanawiają limity emisji spalin przez generatory. Jeśli obiekt znajduje się w obszarze objętym ograniczeniami, podczas ubiegania się o pozwolenia może okazać się konieczne przedłożenie dokumentacji dotyczącej emisji spalin przez system generatora. Specjaliści branżowi zajmujący się tą tematyką mają zwykle doświadczenie w zakresie procesu zatwierdzenia w danej lokalizacji.

Kolejną kwestią podlegającą akceptacji przez organa administracyjne jest emisja hałasu. Lokalne rozporządzenia dotyczące emisji hałasu uwzględniają zwykle najwyższy poziom hałasu tła, jaki został zarejestrowany w ciągu 24 godzin. Tłumiki wydechowe są ogólnie klasyfikowane jako przemysłowe, mieszkaniowe lub krytyczne. Tłumiki znajdujące się w kategorii krytycznych zapewniają najwyższy poziom redukcji hałasu. Aby uniknąć konieczności modyfikowania projektu, poziom hałasu emitowanego przez system należy rozważyć przed dokonaniem zakupu. Uzyskane wartości powinny być zatwierdzone przez organy lokalne już na etapie planowania. Na ogólny poziom hałasu oraz postrzeganie hałasu przez mieszkańców okolicy wpływ mają również wibracje mechaniczne. Zastosowanie odpowiednich technik montażu i izolacji pozwoli zminimalizować ten problem.

Kolejną kwestią, którą należy rozważyć, jest estetyka agregatów prądotwórczych, która może wymagać akceptacji przez władze miejskie. Niektóre władze określają wymagania dotyczące położenia agregatu prądotwórczego. Może okazać się konieczne umieszczenie go w pomieszczeniu o ścianach wykonanych z betonu lub bloczków, które będą dopasowane do ogólnego wyglądu budynku. Dzięki takiemu rozwiązaniu agregat prądotwórczy zostanie ukryty, zachowując estetyczną neutralność w stosunku do otoczenia.

Wlot powietrza do silnika
Podczas projektowania pomieszczenia należy zapewnić dopływ chłodnego i czystego powietrza do silnika. Konieczne jest także dostarczanie takiego powietrza dla obsługi. Często wymaga to dużych otworów wentylacyjnych, a także dodatkowych wentylatorów. Należy również zabezpieczyć system przed deszczem, śniegiem i zanieczyszczeniami.

Chłodzenie
Większość źródeł napędów stosowanych w agregatach prądotwórczych jest chłodzona za pomocą chłodnicy, która działa w podobny sposób jak układ chłodzenia w samochodzie. Wentylator kieruje odpowiednią ilość powietrza na chłodnicę, aby utrzymać właściwą temperaturę silnika. Ciepło odlotowe jest odciągane od chłodnicy na zewnątrz poprzez przewody wentylacyjne o takim samym przekroju poprzecznym co powierzchnia czołowa chłodnicy. Wlot powietrza (ze szczelinami wentylacyjnymi skierowanymi w stronę pomieszczenia) jest zwykle o 25-50% większy od tych przewodów wentylacyjnych. W celu zapewnienia niezawodnego działania wymagana jest rygorystyczna konserwacja układu chłodzenia. Należy dokładnie sprawdzać przewody chłodziwa, poziom chłodziwa, działanie pompy wody i zabezpieczeń przed zamarzaniem.

Smarowanie
Nowoczesne silniki czterosuwowe wykorzystują systemy filtrów pełnego przepływu pompujące olej smarowy przez zamontowane na zewnątrz filtry, aby zapobiec uszkodzeniu ruchomych części lub łożysk przez szkodliwe cząsteczki i zanieczyszczenia. Uzupełniające zbiorniki oleju pozwalają zachować właściwy poziom oleju, a zewnętrzne chłodnice oleju zapobiegają przerwaniu smarowania, które mogłoby zostać spowodowane wysokimi temperaturami.

Filtry powietrza i paliwa
Powietrze i paliwo to krytyczne czynniki dla niezawodnego działania źródła napędu. Należy więc postępować zgodnie z prawidłowym harmonogramem konserwacji. System wyposażony w podwójne, nadmiarowe przewody paliwowe i filtry stanowi znaczącą korzyść dla zastosowań o znaczeniu krytycznym, które musi cechować długi czas niezawodnego działania. Jest to spowodowane tym, że przewody paliwowe można oddzielić i wymienić podczas pracy silnika. Brak zapasowych filtrów i innych materiałów eksploatacyjnych może spowodować przestój.
Aktywne monitorowanie filtrów paliwa i powietrza odbywa się za pomocą wskaźników różnicy ciśnień. Wskaźniki te przedstawiają różnicę ciśnień w filtrze lub między dwoma przewodami paliwowymi w czasie pracy silnika. Po zastosowaniu do filtrów powietrza te proaktywne urządzenia monitorujące są nazywane wskaźnikami ograniczenia powietrza. Kiedy silnik agregatu działa, wskazują one w sposób wizualny konieczność wymiany suchego filtra powietrza wlotowego

Silnik rozruchowy
System rozruchowy to jeden z najważniejszych czynników zapewniających skuteczne użycie agregatu. Dla urządzeń o znaczeniu krytycznym często istnieje system zasilaczy UPS zapewniający kilka minut zasilania z akumulatorów, przez co ważny jest szybki rozruch. Minimalny czas na wykrycie problemu z zasilaniem, uruchomienie źródła napędu, osiągnięcie stabilnej częstotliwości wyjściowej i napięcia oraz połączenie z zasilanymi urządzeniami wynosi co najmniej 10 do 15 sekund. Jednakże wiele obecnie używanych systemów nie może zapewnić szybkiego i niezawodnego rozruchu ze względu na takie czynniki, jak nienaładowane lub odłączone akumulatory. Inne czynniki obejmują nieprawidłową konserwację i błąd ludzki. Skrupulatna konserwacja oraz właściwy projekt mają krytyczne znaczenia dla zapewnienia właściwej liczby poprawnych uruchomień systemu agregatu prądotwórczego.

Większość systemów agregatów prądotwórczych wykorzystuje silniki rozruchowe zasilane akumulatorem (podobnie jak w samochodach), ale w najcięższych źródłach napędu można spotkać również rozwiązania pneumatyczne i hydrauliczne. Najważniejszym elementem konwencjonalnego rozrusznika jest zdecydowanie układ akumulatora. Na przykład obecny w niektórych systemach alternator do ładowania akumulatora nie działa, aby zapobiec rozładowaniu nieużywanego akumulatora. Zapewnienie oddzielnego, automatycznego systemu ładowania ze zdalnym alarmem jest uważane za „najlepszą praktykę“. Akumulator powinien pozostawać we właściwej temperaturze i wolny od korozji.

Ogrzewanie akumulatora jest wykonywane za pomocą podgrzewacza, który utrzymuje właściwą temperaturę elektrolitu w akumulatorze kwasowym. W chłodnym klimacie pozwoli to znacząco zwiększyć napięcie rozruchowe dla silnika rozruchowego. Akumulatory mają określoną moc rozruchową CCA (Cold Cranking Amperes), która jest równa liczbie amperów dostępnych przez 30 sekund w temperaturze -17,8°C (0°F). Niezawodność akumulatora znacznie spada w temperaturze poniżej -17,8°C (0°F) lub powyżej 26,7°C (80°F).

Ogrzewacze bloku silnika również przyczyniają się do skuteczności rozruchów, redukując siły tarcia pokonywane przez silnik rozruchowy podczas pobudzania. Wiele badań dowiodło, że niepowodzenie rozruchu to wiodąca przyczyna awarii systemów agregatów prądotwórczych.

W następnej części artykułu opiszemy prądnicę.