数据中心高压柴油发电机组异常振动研究

数据中心高压柴油发电机组异常振动研究

贾中,赵学政

郑州佛光发电设备股份有限公司 河南 郑州450000

摘要：数据中心机房柴油发电机组普遍为10kV高压机组，高压柴油发电机组可靠性要求大于99.995%，高于10kV城市用户平均供电可靠性要求。数据中心机房的柴油发电机组如果出现故障，就会造成供电中断，可能引起数据中心的瘫痪，造成巨大的经济损失。为保证其生存周期内的可靠运行，要求对柴油发电机组的各种显性和隐性故障采取具体的应对措施。本文主要分析数据中心高压柴油发电机组的异常振动。

关键词：数据中心；柴油发电机组；减振器；振动

引言

柴油发电机组是数据中心机房广泛采用的自备应急电源之一，为数据中心机房用电设备提供安全、稳定和可靠的应急电源保障。在市政突发断电事件时，数据中心的UPS或高压直流后备蓄电池进入放电模式，保持IT设备供电的连续性。与此同时，数据中心机房配置的柴油发电机组迅速启动、完成并机，向数据中心机房提供电力保障。柴油发电机组的安全可靠运行是数据中心机房在市政断电条件下稳定工作的可靠保障。

1、影响振动的主要因素

柴油机发电机振动受多种因素的影响，基本可以分为零件加工质量因素，零件设计精度因素及机组装配因素等。具体分为:(1)发动机自身质量问题。（2）发电机自身质量问题。（3）散热器自身质量问题。（4）机组装配问题。（5）底盘结构问题。（6）减振器的类型及布置问题。（7）消声器的安装问题。（8）发动机发电机及发动机水箱的连接问题等。

2、故障诊断

柴油发电机组是由柴油发动机、交流发电机、散热水箱、机组底盘、控制系统等部件组成，同时还包括加热器、蓄电池、排烟组件等附属安装零件。为了保障柴油发电机组能够满足用户长久稳定的使用需求，各零部件之间的连接必须牢固可靠。

异常振动的故障现象主要体现在以下几个方面：

(1)引起机组零部件金属和焊缝中疲劳破坏区的形成和扩大,从而使之发生裂纹, 甚至断裂损坏而报废;

(2)使机组各部分紧密连接部件松动,不仅会导致这些紧固件本身的断裂,而且加剧被其连接部分的振动,促使他们迅速损坏;

(3)加速机组转动部分的迅速磨擦,加大轴的剧烈摆动,可是轴与轴瓦的温度升高,使轴承烧毁,发电机转子的过大振动会增加滑环与电刷的磨损程度,并使电刷冒火花。

(4)尾水管中的水流脉动压力可使尾水管壁产生裂缝,严重的可使管路崩开，影响机组的正常运行;

(5)共振所引起的后果更为严重,如机组设备和厂房的共振可使整个设备和厂房毁坏。

针对柴油发电机组在额定转速下的异常振动现象，从柴油发电机组的构成上分析造成振动的原因主要有：1）装配问题，如轴承间隙、连接轴动平衡和对中、连接螺栓力矩大小、连接螺栓强度等；2）硬件结构问题，可能引起振动的机电类零部件、发电机轴承、连接轴、连接盘、底座、减振器等。但也不能排除两个或多个问题组合所造成。3）设计缺陷，在柴油机排烟口与排烟管路连接处缺少振动缓冲装置，在散热水箱排风框与导风罩连接处缺少过渡软接，在外循环柴油机进出水口与水管连接处缺少法兰软接等。

由于构成柴油发电机组的元器件数量较多，结构复杂，经过对飞轮轴和发电机连接套所用螺栓强度、连接轴是否动平衡、连接轴是否对中等问题研究后发现，异常振动现象产生的主要原因是由底座隔振器的振动引起。为了进一步分析柴油发电机组异常振动的原因，对机组减振器的压缩量进行了测试，同时参照国家标准GB/T2820.9—2002《往复式内燃机驱动的交流发电机组第9部分:机械振动的测量和评价》布置传感器进行振动和噪声测试，以标准振动和噪声限值来进行比照，对现有的减振器设计压缩量进行优化。

鉴于影响机组异常振动因素较多，对相关因素进行分析后全面验证优化。

3、减轻高压柴油发电机组振动的措施

发电机组主要由柴油机、发电机、机架底座、冷却系统、控制系统、电源、电池和减振系统组成，机房应急发电机组通常功率较大，通常有振动大，体积大，质量大的特点。因为减振器自身在工作室存在位移，越大质量的减振器实际的弹性位移越大，为防止其对水管的水箱连接管路造成影响，通常用底盘将整个发电机组做成一个整体，使用外置减振器来解决发电机组的异常振动问题。

3.1优化柴油发电机组隔振设计

隔振是通过将相应的机构或仪器安装在弹性装置的正确位置来隔离振动的主要措施。隔振主要通过阻尼来实现。

阻尼分为正阻尼及负阻尼。正阻尼旨在减少基于外围设备、机器等设备的振动。通常由设备和底座之间的床垫弹簧、软木、橡胶或阻尼元件的镗孔引起，以避免配件之间过度摩擦。隔离支承有助于减少支承上的不平衡，由此造成的干扰逐渐被称为正阻尼或主动阻尼。例如阻尼器、水泵、锤螺栓等。负阻尼是指在支撑振动产生振动的情况下，需要阻尼的物体与振动源之间的距离相对较宽，以便将外部振动引入系统，将系统安装在分离台上，促进系统与底座之间的距离，有效地防止或减少振动对机器的影响，并隔离轴承和力学。例如精密装置、车辆、环境运输包装和减振器，阻尼系数越低越好，因为负阻尼等于阻尼后机器设备的振幅除以库存测量的振幅。

在选择和设计过程中，首先在确定系统固有频率后选择最佳阻尼器装置，然后计算阻尼系统相应重量和所需压缩弹簧的数量和刚度。对于高压柴油发电机组而言，可根据以下几个方面进行选择：

1.要选择包含较高的承载力、较高的强度和适当阻尼的减震器，不仅不那么僵硬，而且具有良好的耐用性和更稳定的性能；

2.要选择对室外温度、湿度等的影响较小的装置，不会在外部因素改变时对性能造成更大的影响；

3.选择轻便实用的材料；

4.选择酸、油、碱液等更易腐蚀的特性；

5.选择促进交换、生产和修复的便捷装置。

由于阻尼器数量种类繁多，并且每种阻尼器都有其自身的性能特征，因此根据不同的要求选择合适的阻尼器是明智的。

3.2优化柴油发电机组底座结构

柴油发动机与发电机主要通过盘片止口或联轴器进行连接，然后与机组底盘上的支架进行螺栓固定，当机组启动后，发动机通过传动轴带动发电机转子进行旋转运动，产生的振动通过之间传递到机组底盘上，如果机组底盘缺少减震措施，机组的振动就会直接影响到地基，造成地基的异常振动，长期以来会对地基造成损害，影响地基的平整性。

经过对底座分析后发现，底座存在强度不足及加工精度误差的现象。针对机组支腿强度不足的现象采用了补焊相应加强筋的方式给予修正。因为采用了焊接的方式进行加工，支腿的平面精度不足，根据实际的状况调整了机组的安装平面，经过调整后大大提高了底座平面的平行度，控制了高度差，降低了因结构问题导致的异常振动，同时，在高压柴油发电机组底盘下方增加阻尼隔振器，不仅降低了底盘振动对地基的影响，也减轻了噪音传播。

3.3其他降低机组异常振动的措施

3.31发动机排烟管的减振措施

柴油发动机的排烟口也是主要的振动源，当排烟口与排烟管路连接时，振动通过排烟口直接作用到排烟管路上，这时如果管路上未安装任何缓震装置，振动就会影响到排烟管路上连接法兰的紧固和密封，即便排烟法兰之间通过石棉垫连接，但是长时间的振动还是会造成石棉垫失效，影响机组的正常使用。所以，在排烟口处我们采用波纹管与管路相连接，这样，波纹管上的波纹就可以消耗一部分振动的能量，然后在主烟道通过具有一定伸缩量的伸缩节分段连接，把机组振动对排烟管路的影响有效降低，以达到用户的使用需求。

3.32机组散热水箱的减振措施

对于采用闭式水冷的柴油发电机组，发动机风扇吹过散热水箱散热框架，通过散热水箱与发动机连接的封闭循环水路进行散热，发动机的振动通过管路传递至水箱，如果水箱管路连接处不采取任何缓震措施，长时间的振动就会损害水箱的管路以及水箱内部的零件，还会造成水管漏水，影响发电机组的正常运行。为此，我们需要在散热水箱与发动机水路或气路连接处通过耐压耐高温的橡胶软管进行连接过渡，同时也要对水箱管路进行加固，增加一些抱箍或者支架对管路进行辅助固定，这样一来，既能保证水箱管路连接牢固不易崩开，还能减轻机组振动对管路造成的不良影响。

对于开式水冷的柴油发电机组，发动机与热交换器之间形成一个独立循环，热交换器与冷却塔或蓄水池之间形成一个独立循环，两种循环相互进行热量交换完成对机组的散热。这种情况下，我们在发动机管路与热交换器管路连接处，采用橡胶管软连接来减轻振动，在热交换器与外界水池连接的进出水口处，采用两头自带法兰的成型橡胶软接头连接，不但提高了减振效果，还方便管路的更换及维修。

4、改善高压柴油发电机组振动的意义

减振的目的就是控制干扰振动，将其不良影响控制在可接受的范围内。

低频振动和冲击可以影响精密测量、快速测量以及生产加工设备的准确性，重复性和生产效率。由于对产品精确度有更高的要求，所以必须增加生产加工设备、计量仪器和工程及研究设备的动态稳定性。力学的振动和冲击是广泛存在的。振动和冲击带来的问题可能是可忽略的或者是极具破坏性的，这一点取决于干扰振动的恶劣程度和设备的敏感度。

由低量地震干扰构成的振动环境在地球上普遍存在的，这种振动对于人来说是感觉不到的，但是却可以导致敏感设备在操作中产生问题。加上日常由卡车、走路、叉车、机械和通风暖通系统产生的振动，使得更多的设备受到了影响。源自机器或其他来源（声音的）的振动被传递到支撑结构上，从而导致了不利的环境和带来了有害的干扰振动。

为了使柴油发电机组能更加持久顺利的工作输出，减少工作过程中因结构设计缺陷造成的故障发生率，我们采取有效的减振措施显得十分必要。

结束语

经过分析数据中心高压柴油发电机组的振动特性，以及柴油发电机组的连接安装方式对机组各方面异常振动的影响，我们通过对柴油发电机组结构设计的优化及减振装置的优化，大大减小的发电机组的异常振动，将其控制在国标允许的范围内，不仅提高了机组的使用寿命，降低了事故发生概率，使其能更加满足用户的使用环境需求。

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