数据中心柴油发电机组的热管理系统

数据中心柴油发电机组的热管理系统

杨少慰，许乃强，田智会

（上海科泰电源股份有限公司，上海

201703）

摘要：柴油发电机组的热管理系统属于数据中心（IDC）机房能耗管理系统的创新型设计，是针对极寒环境气候条件下机组运

行而进行的设计，通过控制机组散热风扇的转速控制机房进风量，调节机房的温度，使柴油机能够始终保持在最适宜温度的工作环境下，使燃油燃烧得更加充分，有明显的节能减排效果。关键词：柴油发电机组；硅油离合器；节能中图分类号：TP39

文献标识码：A

文章编号：1009－9492(2019)05－0151－04

ThermalEnergyManagementSystemofIDCDieselGenerator

（ShanghaiCOOLTECHPowerCo.，Ltd.，Shanghai201712，China）

Abstract:ThermalenergymanagementsystemofIDCdieselgeneratorisanewcreativedesignforenergyconsumptionmanagement

YANGShao-wei，XUNai-qiang，TIANZhi-hui

systemofIDCbuildings，whichisforthedieselgeneratorbetterrunninginfrigidarea.Thesystemcanadjustthetemperatureofthesettemperatureenvironmentwithfullcombustionandhighenergy-savingandemission-reduction.Keywords:dieselgenerator；siliconoilclutch；energy-saving

roombycontrollingtherunningspeedofthefantocontroltheinletwindsotokeepthedieselgeneratorworkingintheadaptable

0引言

柴油发电机组正常的通风冷却是保证机组输出额定功率的必要条件。常规机组的冷却主要靠发动机前端的风扇对散热水箱进行冷却，它的风扇转速是保持不变的，风扇的通风量按柴油机最大散热量设计，其功耗约占发动机输出功率的5%左右。在北方冬天寒冷的环境中气温达到零下35℃，机组启动时散热风扇从机房外吸入大量冷空气，不利于机房的保温和发动机的暖机［1］。机房内温度的骤冷还会对一些设备造成的损坏，如对低温比较敏感的部件，机房内的水管，油管等［2］。

对一些大功率柴油发电机组有采用液力耦合器对散热风扇进行无级调速的应用案例。液力耦合器属于损耗功率的控制性调速设备，在运转过程中的功率损失会变成热量，所以它并不节能。而且其结构体积偏大，布置时对机组结构改变较大，配置成本也大。根据国家节能减排的政策，液力耦合器已经不适合目前市场使用。

针对柴油发电机组热管理的需求和以上的不足，设计了一种应用电控硅油风扇离合器自动控制柴油机风扇转速从而调整柴油机工作温度的风扇变速管理系统［3］。其主要优点有：精确控制水温，使水温在合理范围内；调整风扇

收稿日期：2018－11－20

的转速，减少风扇的功率消耗，降低油耗；降低传动系统的负荷，减少柴油机的机械磨损，可以提高风扇轴承、传动皮带等附件的使用寿命；降低机组噪音。

1内容介绍

1.1柴油发电机组热风管理系统

技术实施方案见图1。该系统包括柴油机的控制模块ECU、电控硅油风扇离合器和柴油发电机组散热风扇。所述柴油机控制模块ECU是柴油发电机组的柴油机电子控制器，它能采集柴油机运行的各项技术参数，控制柴油机的喷油和速度调节。所述电控硅油风扇离合器包括智能控制模块CPU、PWM信号驱动装置、驱动保护电路、电磁线圈和阀片。硅油离合器的智能控制模块CPU与柴油机的

图1柴油发电机组热风管理系统示意图

151研究与开发机电工程技术2019年第48卷第05期CPU再次通过PWM信号驱动器控制电磁线圈断开，控制销驱动阀片处于关闭状态，工作腔内的硅油在离心力的作油风扇离合器就是这样实现风扇转速与发动机速度的相联变化。

用下通过回油孔返回储油腔，离合器又处于分离状态。硅

ECU通过集成控制电缆进行联结通信［4］，CPU读取柴油机

ECU的温度和转速等数据，进行优化计算，输出控制信

号，由PWM驱动器控制硅油离合器电磁线圈的吸合，从而驱动阀片的开闭角度，控制硅油进入工作腔油量，硅油离合器进行无级变速，最终实现风扇的速度调节和柴油发电机组热管理，从而达到自控和节能的目的。

柴油发电机组的热管理系统布置如图2所示。柴油发电机组由柴油机9，发电机12，散热水箱4，机座1及发电机组控制器13组成。柴油机驱动皮带轮2的通过皮带7带动从动轮6的转动；从而实现安装有电控硅油离合器风扇的转动；电控硅油风扇离合器3安装在风扇5的中间连接盘处。离合器智能控制控制模块CPU8通过集成控制电缆10与柴油机的ECU11进行连接；ECU传递的发动机温度和速度变化信号经硅油离合器控制器CPU运算后，由PWM驱动器对硅油离合器内部的电磁线圈吸合，并对阀最终实现风扇的速度变化和柴油发电机组热管理。片的开闭角度进行控制，从而控制硅油进入工作腔油量，

图3电控硅油离合器结构示意图

图4电控硅油离合器工作原理

图2柴油发电机组热管理布置图

1.2电控硅油离合器工作原理

电控硅油离合器工作原理［5］见图3~5。开机初始状态，柴油机温度较低时，离合器智能控制模块CPU通过PWM信号驱动器控制电磁线圈断开，控制销驱动阀片处于关闭状态，即阀片封闭储油腔的出油孔使硅油无法进入工作腔。主动盘壳体与离合器的从动体前盖无法通过硅油有效的啮合，此时离合器处于分离状态。当柴油机运行变热以后，离合器智能控制模块CPU通过PWM信号驱动器控制电磁线圈吸合，控制销驱动阀片打开储油腔出油孔，储油腔内的硅油进入工作腔并充满主动板和从动体之间的迷宫槽。由于硅油具有很大的粘度，故主动板能通过硅油与从动体啮合，驱动风扇高速旋转，空气温度越高，出油孔开度越大，风扇转速就越快。冷却系统有效冷却机组并使温度降低。当温度降至控制点时，离合器智能控制模块

图5

硅油离合器安装图片

离合器控制说明如下。

离合器工作原理：控制器检测到发动机冷却水等温度后，控制器给离合器发出转速命令，并通过PWM%方式进行控制。

PWM%控制原理：PWM%=高电平To/周期Tp×100%（如图6所示）。

即当PWM%=100%时，控制阀关闭，工作腔的硅油在离心力的作用下，通过回油孔硅油甩回储油腔，此时风扇怠速运转；

152杨少慰等：数据中心柴油发电机组的热管理系统研究与开发图6电控硅油离合器控制原理-ECU控制

当PWM%=0%时，控制阀开启，硅油通过进油孔进入工作腔，风扇全速运转；

当离合器响应无级变速时，PWM%值会时刻变化，以保证风扇速度满足散热要求并在该转速下稳定运转。

如图7所示，通过ECU监控不同散热器组件的温度值：水箱，中冷器，空调冷凝器，废气冷却器，机油冷却器，燃油冷却器，液压油等。

根据温度值与转速百分比的对应关系，ECU向离合器发出转速命令，通过PWM形式实现风扇转速控制。

霍顿硅油离合器采用失效保护措施：如果离合器断电，则全速运转。

图8

电控硅油离合器控制原理-Di控制器控制

1.3热管理系统的技术效果

柴油发电机组热管理系统的技术效果如表1所示。某型号柴油发电机组，额定输出功率2000kW，固定风扇转速1500r/min，风扇消耗柴油机功率75kW。改装柴油发电机组热管理系统，采用两组电控硅油风扇离合器+风扇+冷却水箱的热管理系统，配置的风扇+硅油离合器功耗34kW×2，为68kW，在全速运行时已经比原来节能10%。当冷机状态机组初始启动，离合器处于分离状态，风扇的转速只有350r/min，消耗功率2kW×2，节能效果非常明显，同时也使柴油机快速热机，减少机械磨损。在北方冬天的环境下可保持机房的温度。当发电机组不是运行在满负载状态时，柴油机的温度也会下降，这时风扇转速同步下降，风扇消耗功率下降。机组75%负载时，风扇转速下降为1270r/min，风扇消耗功率26kW×2；机组50%负载时，风扇转速下降为910r/min，风扇消声也相应下降，1米处噪声下降3～5分贝［6］。

柴油发电机组的热管理系统可以降低油耗、减少排放、延长发动机的使用寿命，有较好的经济效益和社会效益［7-8］。

表1

柴油发电机组热管理系统温度、功耗与风扇转速关系

数值145033.891145033.890145033.88912708826109019.18791013.3867258.5856005.8846005.8836005.8825004.1815004.1803502.0793502.0783502.0773502.076图7控制系统结构分布图

电控硅油离合器控制原理-Di控制器控制如图8所示。通过ECU监控不同散热器组件的温度值：水箱，中冷器，空调冷凝器，废气冷却器，机油冷却器，燃油冷却器，液压油等。

根据温度值与转速百分比的对应关系，Di控制器向离合器发出转速命令，通过PWM形式实现风扇转速控制。

霍顿硅油离合器采用失效保护措施：如果离合器断电，则全速运转。

耗功率13.3kW×2。随着风扇转速的下降，机组运行的噪

参数风扇转速/(rad·min-1)发动机冷却液温度/℃风扇及离合器功耗/kW153研究与开发机电工程技术2019年第48卷第05期风扇风量计算公式如下，第一行是风量，第二行是静压，第三行是功率。

例如，1150mm风扇在转速1450r/min转速下的风量是15.5m3/s，根据计算公式，当风扇转速为1430r/min时，风扇的风量=15.5×（1430/1450）=15.28m3/s。

从上面的例子也可以看出，风扇的转速降低20r/柴油发电机组热管理系统：电控硅油风扇去优化冷却

于北方寒冷气候；实现了节能环保，提高了机组使用寿命，且成本较低。参考文献：

［1］田智会，杨少慰，庄衍平，等.适用于极寒地域运行

及运输的箱式柴油发电机组［J］.机电工程技术，［2］徐余慧，魏海坤，方仕雄，等.低温低压环境下柴油

发电机测试系统设计［J］.电气自动化，2016，38（3）：85-87.

［3］罗尉丹，林浩.数据中心管理关键技术研究［J］.数

字技术与应用，2018，36（7）：97-98.

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机匹配研究［J］.汽车零部件，2014（8）：55-57.［5］赵荣林.硅油风扇离合器的正确使用及故障分析

［J］.内燃机，1996（5）：29-31.

［6］崔再铎.风冷式柴油发电机组降噪及散热研究［J］.

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［8］付显学.数据中心节能技术应用［J］.农村经济与科

技，2018，29（13）：298-300.2016，45（4）：107-109.

min，风量只减少0.22m3/s，对冷却性能的影响很小。系统有以下优点。

（1）改善燃油经济性，如图9和图10所示，电控硅油离合器能够根据发动机冷却需要响应不同的转速，减少不必要的功率消耗，节省燃油，降低排放。(电磁离合器是开关式，当离合器啮合时相当于直连风扇驱动)。

图9转速控制对比

第一作者简介：杨少慰，男，1970年生，上海人，硕士，工程师。研究领域：特殊用途的发电机组研发。

(编辑：麦丽菊)

图10省油量对比

（2）降低噪音，当风扇转速降低30%时，降低的风扇噪音为：

7.2dB@1m；

（3）更多的有效功率，提高机组效率。

（4）改善低温气候操作性能，精确感应发动机水温，同步控制风扇转速，有效控制机房温度。

（5）降低发动机排放，实现节能环保。（6）降低散热器堵塞，提高散热效果。

（7）降低传动系统的负荷，减少柴油机的机械磨损，可以提高风扇轴承、传动皮带等附件的使用寿命；硅油风扇离合器近乎无损，可靠性大幅提高。

（8）减少尘土等产生。5.8dB@3m。

2结束语

该柴油发电机热管理系统结构简单，安装方便，适用

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