CN114715360A - 一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心及安装维护工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心及安装维护工艺，大型变电站组块与大数据中心分别位于同一位置的水上和水下，空间利用率高，不需额外的用海面积；且大数据中心结构全部直接与海水接触，自然温度低，并可直接取用海水对内部设备进行冷却，大数据中心运行所需要的电力可直接消纳接入海上变电站的部分或全部海上清洁电力能源，综合效益高。海底大数据中心可共享变电站组块中的给排水、暖通、控制、监测等辅助系统，耐压舱中仅放置核心IT设备、必要管线和水密设备，大幅降低PUE。

Description

一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心及安装维护 工艺

技术领域

本发明涉及一种依附于海上变电站的海底数据中心，适用于海洋工程领域。

背景技术

大数据中心(DC)是新基建的七大领域之一，是数字经济产业的核心支撑。海量数据的传递、加速、存储、计算、展示需要服务器群的不间断运行，能耗巨大，电力成本可达运维总支出的50％～60％。为了度量与评估大数据中心能源效率，业界提出了PUE(PowerUsage Effectiveness)指标，其值为数据中心总能耗与IT设备能耗的比，越小则说明能效水平越好。总能耗中，设备散热与冷却占据着重要份额，是降低PUE的核心问题。散热能耗受自然条件影响巨大，张北地区DC的PUE可低至1.13，而位于曼谷的DC则很难将PUE降至1.5以下。因此，现有的超大型数据中心一般均建于自然温度较低、电力供应充足且费用相对低廉的位置。例如，我国的国家大数据中心和腾讯公司的数据中心均位于地处山区且水电资源丰富的贵州贵安新区，阿里巴巴公司的大数据中心位于千岛湖地区并采用湖水制冷，Facebook公司在欧洲最大的数据中心位于北极圈内的瑞典吕勒奥。

当前已建成的DC全部位于陆地上，尚无商业化部署到海上的案例。微软公司于2016～2020年期间成功开展了Natick项目，初步探索了海底DC的可行性，基本思路是将DC的各个设备置于一个形似潜艇的封闭耐压圆柱壳舱体中沉放至海底，如图1所示；2020年11月，国际海洋油气工程巨头新加坡吉宝公司也提出了建设海上DC的构想。与陆上数据中心相比，部署到海洋环境中的DC具有以下优势：(1)避免占用陆地资源，建设、拆除的政策风险与成本较低；(2)低温海水可就地取用，可大幅降低制冷系统的能耗；(3)更加靠近沿海人口聚集区和全球互联网海底光缆的主干，可减少数据包延迟现象。尽管如此，受限于当前的技术手段，现有海上DC的概念设计仍然面临着巨大的成本挑战，因此暂时仍停留在小型化的探索性试验层面。

发明内容

以耐压舱作为海底数据中心的载体，实现从独立、小型化试验向大规模商业化应用跨越的前提，是建立具体的结构布置与型式方案，使之能够有效控制建设与运维成本，解决海底数据中心的安装就位、在役稳定、电力供应、管线连接、检修可达等一系列技术问题。为达成上述目的，本发明给出一种依附于海上变电站的海底数据中心的结构与工艺流程实现方案。

根据本发明的第一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心，其特征在于，其结构系统包括：变电站基础对上部组块的支撑点分为两列，相应地具有两个独立分片，两个独立分片采用与桩连接的导管架分片，分体的导管架分片之间相隔一定距离而形成槽空间，框架式耐压舱阵列设置在所述槽空间中，并供安装船舶进出并进行浮托、对接操作；

所述框架式耐压舱阵列包括钢结构固定框架和耐压舱阵列；所述固定框架与两个分体的导管架分片定位连接；在固定框架中设置耐压舱阵列，所述耐压舱阵列包括多列、多层并排放置的钢质耐压舱子列；视导管架分片的开槽宽度与结构所处水深设置耐压舱的直径与数量，其长度可大于组块与导管架在相同方向上的尺度；

相邻两列耐压舱之间设有耐压、封闭的连接通道，与耐压舱通过连接结构连接实现人员与管路互通；同一列的耐压舱设置有多个连接接口，连接接口具有两种形式，一种对接面留有过人通道，另一种对接面为全封闭面，实际使用时根据位置选择部分连接接口与连接通道相连，其余部分的连接接口由密封法兰进行封闭；根据需求耐压舱本体之间可通过对接面法兰任意组合、拆分，具有陆上和海底都可正常运行的两栖工作模式；

框架式耐压舱阵列设置水密舱，通过调节压载水可实现框架式耐压舱阵列整体的上浮和下潜；

耐压舱的舱体内外部均设有监测点，对大数据中心进行长时间无间断的应力、位置及周围环境的监测和感知，及时发现结构的漏水、损坏、变形和海底生物附着情况；大数据中心用电由变电站直接提供，实现多能互补，数据传输光缆与变电站共用，与陆上控制中心相连。

耐压舱的无人监测控制与处理系统可位于变电站上部组块内。

不同层最外侧的耐压舱子列通过连接通道均与上部变电站组块连通，用于在必要的维护期间，供检修员进入整个阵列，耐压舱子列与上部变电站之间的连接通道内侧设置直梯便于人员上下，检修人员无需接触海水；耐压舱子列与上部变电站之间的连接通道设置气锁间，保证舱体内气压的恒定。

进一步地，耐压舱阵列在若干关键截面处与框架边缘进行焊接固定；耐压舱子列的舱体分为包含水密舱的组合舱体和不设置水密舱的设备舱体，设置水密舱的组合舱体内部横断面分为上、中、下三部分：上部为管廊通道，能够将电力、新风、冷却用海水输送至设备使用端；中部为可分隔的主舱室，容纳大数据中心服务器；下部为水密舱，通过调节压载水可实现耐压舱阵列整体的上浮和下潜；不设置水密长的设备舱体，同样分为三层，与组合舱体不同，该舱体下层同样布置大数据中心服务器。

布置大数据中心服务器的设备间内同时设有配套硬件的冗余设计和机械传动机构，满足在90％的可能发生的故障条件下，数据中心可以自主完成硬件更换、自我维护措施。

进一步地，所述固定框架与两个分体的导管架分片中的先装分片导管架之间有插入式第一导向定位结构，与两个分体的导管架分片中的后装分片导管架之间有插入式第二导向定位结构，第一导向定位结构和第二导向定位结构的结构互为相反。能够便于框架式耐压舱阵列的下沉安装和后装分片导管架与框架式耐压舱阵列的安装定位。

进一步地，所述耐压舱阵列中的一列耐压舱由若干个耐压舱单体，各耐压舱单体设置连接接口，耐压舱阵列中各耐压舱单体采用气锁间隔开，满足各功能子模块需求、实现人员与管路互通，并形成独立防火区域。

进一步地，耐压舱体外部均采用环保光滑涂层材料，该材料能够起到钢结构防腐、对海底生物及环境无害，并能减少耐压舱表面海洋生物附着。

根据本发明的第二个方面，本发明采用以下技术方案：

一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心的安装维护工艺，其特征在于，采用以下方法：

所述上部变电站组块为已实现商业化工程应用的多层钢结构桁架，其中容纳有实现主要输变电功能的高压电气一次设备及其配属的电气二次、暖通、给排水等功能保障系统，由于其总体重量和尺度较大，采用浮托法进行海上安装。

1)上部变电站组块、导管架分片、框架式耐压舱阵列均在陆上建造，变电站组块与耐压舱中的设备均在陆地上完成调试与安装；

2)安装过程为：首先发运一片导管架基础，在海上就位后完成打桩操作；然后发运框架式耐压舱阵列，舱内排出压载水，湿拖至已安装好的导管架分片旁，注水下沉并由拖轮协助、控制插入已沉放就位的第一分片导管架导向定位结构内；接着发运第二片导管架，利用耐压舱阵列框架的另一侧导向定位结构，将第二分片导管架插尖导入阵列框架的套筒中实现精确定位，随后沉桩并焊接皇冠板；之后发运变电站组块，采用浮托法工艺与导管架进行对接安装；最后进行管线的敷设与连接，包括发电侧海缆向变电站组块的接入、组块与耐压舱之间各类管线的连通、送出海缆及光缆与组块及耐压舱的连接；

3)当存在大修或重新部署到其他位置等其他，导致海底大数据中心需要浮出水面或部署到其他位置时，先由水下机器人对框架式耐压舱阵列的边缘与导管架的连接处进行切割分离，然后由拖船牵引进行平移，最后排出压载水进行上浮(必要时再进行拖运)；

4)在海底大数据中心日常工作中，通过安装在结构不同部位的传感器和摄像头进行监测，并由水下机器人执行一般的结构运维工作；当海底大数据中心内部存在局部硬件损坏时，由内部传动机械设备进行自主更换。

本发明的有益效果是：

1)大型变电站组块与大数据中心分别位于同一位置的水上和水下，空间利用率高，不需额外的用海面积；且大数据中心结构全部直接与海水接触，自然温度低，并可直接取用海水对内部设备进行冷却。

2)目前已建的海上变电站均位于海上风电场中，大数据中心运行所需要的电力可直接消纳接入海上变电站的部分或全部海上清洁电力能源，综合效益高。

3)海底大数据中心可共享变电站组块中的给排水、暖通、控制、监测等辅助系统，耐压舱中仅放置核心IT设备、必要管线和水密设备，大幅降低PUE。

4)框架式耐压舱阵列的设置与安装工艺顺序规避了浮托法中大型导管架难以吊装或下水的难题，可以实现对后一片施工的导管架-桩基础结构的精确定位，降低浮托对接安装时的精度要求，进一步有利于提高组块安装时的可靠性。

5)耐压舱各功能分区独立，不存在相互干扰，安全性高。检修人员无需接触海水即可完成检修作业，运维简便舒适。

6)通过海水冷化的物理作用大幅度降低数据中心的用电量；同时由于距离人口聚集地近，可大幅减少网络延迟现象。

7)可减少陆地使用面积，并减少对陆上自然环境和景观的破坏程度，最大可能利用地球自循环生态，实现绿色数据中心解决方案。

附图说明

图1是本发明浮托安装立面示意图。

图2是耐压舱阵列俯视图，图2-1是导向套筒的示意图，图2-2是插尖牛腿的示意图。

图3是耐压舱阵列功能分区示意图。图3-1、3-2和3-3分别为图3的A-A、B-B和C-C剖视图。

图4是检修通道及耐压舱阵列三维示意图，图4-1和图4-2分别为图4的D-D和E-E剖视图。

图5是本发明施工安装示意图。

具体实施方式

为进一步说明本发明内容、特点与功效，下面结合附图对本发明进行详细描述说明。

(1)如图1所示，本实施例在浮托安装时由以下内容组成：分体式导管架(先装分片导管架11，后装分片导管架12)；精确安装导向结构(焊接于先装分片导管架11的导向套筒21，焊接于后装分片导管架22的插尖牛腿22)；耐压舱阵列结构3(固定框架31，焊接于固定框架31的插尖牛腿32，子列耐压舱33，标号33’表示上层耐压舱，耐压舱底座34，耐压舱间连接通道35，耐压舱与上部组块连接通道36，焊接于固定框架31的导向套筒37)；浮托船4；甲板支撑框架5(DSF)；上部组块6。所述上部组块6为海上变电站，在本发明中，将海上变电站的导管架分体为左右两侧的分体式导管架，在结构上，不仅满足海上变电站组块的支撑需要，同时便于耐压舱阵列结构3的安装定位(先装分片导管架11，后装分片导管架12及相应精确安装导向结构)，同时能够利用左右分体导管架之间的槽空间布置体积更大的耐压舱阵列结构3并同时起到保护作用。

各子结构的关系为：浮托安装前，先装分片导管架11和后装分片导管架12通过耐压舱阵列结构3实现定位、连接；浮托安装时，浮托船4、甲板支撑框架5(DSF)和上部组块6整体中的浮托船4和甲板支撑框架5(DSF)进入先装分片导管架11和后装分片导管架12间的槽口，改变浮托船4中的压载水，将甲板支撑框架5(DSF)和上部组块6缓慢下沉，通过先装分片导管架11和后装分片导管架12中的LMU接收器(桩腿对接耦合装置)实现上部组块6的荷载转移；切割甲板支撑框架5(DSF)和上部组块6之间的焊接连接，由导管架支撑所述上部组块6，浮托船4和甲板支撑框架5(DSF)结构撤出槽口，水下完成耐压舱与上部组块连接通道36的对接，最终完成本发明在位状态的安装。

(2)如图2、2-1、2-2所示，本实施例中的各层耐压舱均包含4个子列耐压舱，子列耐压舱间通过耐压舱间连接通道35固定连接，耐压舱底部设有均匀分布的耐压舱底座34，耐压舱底座34与固定框架31间通过焊接形成整体，靠近后装分片导管架12侧的子列耐压舱33设置4处与上部组块6相连的连接通道36。本实施例中的耐压舱阵列宽略小于先装分片导管架11和后装分片导管架12间的槽口间距，长大于导管架长度，上下两层可用于设备布置的面积可达7000m²。

本实施例中的耐压舱阵列结构左右各设置3组用于精确定位的导向结构。焊接于先装分片导管架11的导向套筒21与焊接于固定框架31的插尖牛腿32插接定位配合，焊接于后装分片导管架22的插尖牛腿22与焊接于固定框架31的导向套筒37插接定位配合，使得先装分片导管架11和后装分片导管架12与固定框架31形成刚性连接。牛腿插尖22余32结构相同，以下以牛腿插尖22为例说明结构：该结构由上牛腿板221、牛腿加劲板222、下牛腿板223及插尖224组成。安装施工时，将插尖224沿导向套筒21/37内侧导入，可大大降低分体式导管架的安装误差，利于浮托安装时主柱与LMU的顺利对接。

(3)如图3所示，子列耐压舱33有若干个圆柱形主体外形的单体耐压舱串联构成，本实施例中共10个独立功能区间(单体耐压舱)，10个单体串联成子列耐压舱33，每个单体耐压舱共用基础框架支撑结构，均设置连接通道接口，间隔的单体耐压舱的连接通道接口连接人员可通行的耐压舱间连接通道35，不同舱体对接后检修人员可通过该位置进出。其余的连接通道接口35’为封闭断面，封盖通过法兰固定连接封闭该接口，进而提高整体稳定性。

本实施例从南向北依次间隔布置具有压载水舱的单体耐压舱及纯设备单体耐压舱。具有压载水舱的单体耐压舱立面如图3-1所示，下层为压载水舱335，上层布置设备间及检修通道331，具有压载水舱的单体耐压舱的连接通道接口连接连接通道35，检修人员可由耐压舱间连接通道35进入子列耐压舱33中，利用检修通道331，检修人员可快速到达下一个独立耐压舱分区，也可通过防火门333进入上层设备间。压载水舱335与外界海水间通过海水提升设备337连通，浮运、下沉和检修上浮时，可通过海水提升设备337调节压载水来实现耐压舱阵列结构3的上浮与下沉。纯设备单体耐压舱立面如图3-2所示，上下两层均布置数据集成设备，为大数据中心的核心地带。耐压舱上层吊顶布置接线通道336，接线通道336根据功能内侧布置电缆、光缆等线路。设备房间内根据不同功能区块布置相应的控制及数据设备334，设备间设置履带式检修机械手338，其底座为履带，机械手可人为或自动控制，实现设备检修及更换。

各独立功能区间通过气锁通道332连接，气锁通道332吊顶内同样设置接线通道336，气锁间339可以分隔不同单体耐压舱，保证独立防火区域及满足检修人员休息。

(4)如图4所示，本实施例耐压舱阵列结构3与上部组块6间的连接通道36由以下部分组成：位于后装分片导管架12内侧的导管架段通道361，焊接于耐压舱阵列结构3侧的耐压舱通道363以及连接导管架段通道361与耐压舱通道363的对接法兰362。

导管架段通道361通过连接钢管固定于后装分片导管架12内侧，连接通道呈L型，其截面如图4-1所示，内侧设置直梯364及电缆通道365；耐压舱通道363呈Z型布置从而连接上下层耐压舱，上下层转换通道截面如4-2所示，吊顶内同样设置365，分叉通道设置通道门366，直立段布置与导管架段通道361竖直段相同。对接法兰362位置同样设置与对接法兰332相同的气锁通道，安装就位后抽干海水便于检修作业。

通过连接通道36，可完成变电站电力输送及数据转存，是本发明的脐带。

(5)如图5所示，本实施例海上施工步骤为：

1)先装分片导管架11吊装就位沉放于指定地点，各主导管依次插桩，调平后完成先装分片导管架11的海上安装；

2)根据运输海域及环境荷载，借助海水提升设备337调节压载水舱335中的压载水，使耐压舱阵列结构3可以浮于海上，借助动力船舶，将耐压舱阵列结构3整体运输至指定海域；

3)借助海水提升设备337缓慢增加压载水舱335中的压载水，使耐压舱阵列结构3下沉，同时采用浮吊辅助调整其水平位置，将焊接于固定框架31的插尖牛腿32顺利导入先装分片导管架11的导向套筒21中，完成耐压舱阵列结构3的就位安装；

4)同样采用浮吊对后装分片导管架12进行吊装沉放，将后装分片导管架22的插尖牛腿22插尖导入焊接于固定框架31的导向套筒37中，完成后装分片导管架12的精确定位；潜水员在水下连接对接法兰362，并抽干气锁通道内的海水，完成连接通道36的安装对接；

5)如图1所示，搭载甲板支撑框架5(DSF)和上部组块6的浮托船4进入槽口，调节浮托船4的压载水，将上部组块6转移至先装分片导管架11，后装分片导管架12上，切割搭载甲板支撑框架5和上部组块6之间的连接，完成浮托对接；

6)撤离浮托船4、搭载甲板支撑框架5，修复施工过程中破坏的油漆，最终完成本实施例的海上施工

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心，其特征在于，其结构系统包括：变电站基础对上部组块的支撑点分为两列，相应地具有两个独立分片，两个独立分片采用与桩连接的导管架分片，分体的导管架分片之间相隔一定距离而形成槽空间，框架式耐压舱阵列设置在所述槽空间中，并供安装船舶进出并进行浮托、对接操作；

所述框架式耐压舱阵列包括钢结构固定框架和耐压舱阵列；所述固定框架与两个分体的导管架分片定位连接；在固定框架中设置耐压舱阵列，所述耐压舱阵列包括多列、多层并排放置的钢质耐压舱子列；

相邻两列耐压舱之间设有耐压、封闭的连接通道，与耐压舱通过连接结构连接实现人员与管路互通；同一列的耐压舱设置有多个连接接口，实际使用时根据位置选择部分连接接口与连接通道相连，其余部分的连接接口由密封法兰进行封闭；

框架式耐压舱阵列设置水密舱，通过调节压载水可实现框架式耐压舱阵列整体的上浮和下潜；

耐压舱的舱体内外部均设有监测点，对大数据中心进行长时间无间断的应力、位置及周围环境的监测和感知，及时发现结构的漏水、损坏、变形和海底生物附着情况；大数据中心用电由变电站直接提供，实现多能互补，数据传输光缆与变电站共用，与陆上控制中心相连。

2.如权利要求1所述的一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心，其特征在于不同层最外侧的耐压舱子列均通过连接通道与上部变电站组块连通，用于在必要的维护期间，供检修员进入整个阵列，耐压舱子列与上部变电站之间的连接通道内侧设置直梯便于人员上下，检修人员无需接触海水；耐压舱子列与上部变电站之间的连接通道设置气锁间，保证耐压舱内气压的稳定。

3.如权利要求1所述的一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心，其特征在于耐压舱阵列在若干关键截面处与框架边缘进行焊接固定；耐压舱子列的舱体中分为包括水密舱的组合舱体和不设置水密舱的设备舱体，设置水密舱的组合舱体内部横断面分为上、中、下三部分：上部为管廊通道，能够将电力、新风、冷却用海水输送至设备使用端；中部为可分隔的主舱室，容纳大数据中心服务器；下部为水密舱，通过调节压载水可实现耐压舱阵列整体的上浮和下潜；

不设置水密舱的设备舱体，同样分为三层，与组合舱体不同，该舱体下层同样布置大数据中心服务器。

4.如权利要求1所述的一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心，其特征在于在设备间设置滚动机械臂，实现大数据中心服务器的简单维修和部件更换作业。

5.如权利要求1所述的一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心，其特征在于所述固定框架与两个分体的导管架分片中的先装分片导管架之间有插入式第一导向定位结构，与两个分体的导管架分片中的后装分片导管架之间有插入式第二导向定位结构，第一导向定位结构和第二导向定位结构的结构互为相反。

6.如权利要求1所述的一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心，其特征在于所述耐压舱阵列中的一列耐压舱由若干个耐压舱单体，各耐压舱单体设置连接接口，耐压舱阵列中各耐压舱单体通过连接通道中的气锁间隔开，形成各功能子模块、实现人员与管路互通的同时，均为独立防火区域。

7.如权利要求1所述的一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心，其特征在于耐压舱的无人监测控制与处理系统位于上部变电站组块内。

8.如权利要求1所述的一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心，其特征在于海底大数据中心共享变电站组块中的给排水、暖通、控制、监测等辅助系统。

9.一种依附于大型海上变电站的海底大数据中心的安装维护工艺，其特征在于，采用以下方法：

1)上部变电站组块、导管架分片、框架式耐压舱阵列均在陆上建造，变电站组块与耐压舱中的设备均在陆地上完成调试与安装；

2)安装过程为：首先发运一片导管架基础，在海上就位后完成打桩操作；然后发运框架式耐压舱阵列，舱内排出压载水，湿拖至已安装好的导管架分片旁，注水下沉并由拖轮协助、控制插入已沉放就位的第一分片导管架导向定位结构内；接着利用耐压舱阵列框架的另一侧导向定位结构，将第二分片导管架插尖导入阵列框架的套筒中实现精确定位，随后沉桩并焊接皇冠板；之后发运变电站组块，采用浮托法工艺与导管架进行对接安装；最后进行管线的敷设与连接，包括发电侧海缆向变电站组块的接入、组块与耐压舱之间各类管线的连通、送出海缆及光缆与组块及耐压舱的连接；

3)当存在大修或重新部署到其他位置等其他，导致海底大数据中心需要浮出水面或部署到其他位置时，先由水下机器人对框架式耐压舱阵列的边缘与导管架的连接处进行切割分离，然后由拖船牵引进行平移，最后排出压载水进行上浮；

4)在海底大数据中心日常工作中，通过安装在结构不同部位的传感器和摄像头进行监测，并由水下机器人执行一般的外部结构运维工作；当海底大数据中心内部存在局部硬件损坏时，由内部传动机械设备进行自主更换；海底大数据中心内部按照一定的安全系数具有冗余硬件备份系统。

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