Как устроен дата-центр для майнинга на газопоршневой установке

Дата-центр для майнинга на газопоршневой установке — это автономный или частично автономный энергетический комплекс, в котором газ преобразуется в электроэнергию непосредственно рядом с вычислительной нагрузкой. Типовая схема выглядит так:

источник газа → газоподготовка → газопоршневая установка → распределение электроэнергии → группы ASIC → система охлаждения.

Все узлы объединяет автоматизированная система управления. Она контролирует параметры газа, состояние генераторов, доступную электрическую мощность, температуру оборудования и нагрузку ASIC. Если объем газа или мощность генерации снижаются, автоматика отключает часть майнеров, сохраняя устойчивую работу остальных модулей.

Для большинства B2B-проектов предпочтительна модульная архитектура: несколько газопоршневых установок, секционированное электроснабжение и отдельные группы ASIC. Такая схема позволяет вводить объект поэтапно, обслуживать генераторы без полной остановки дата-центра и изменять вычислительную нагрузку в зависимости от доступного объема газа.

Один крупный генератор может снизить начальные затраты, но создает единую точку отказа. Он подходит, если есть внешняя электрическая сеть, резервный источник энергии или заказчик допускает полную остановку объекта на время обслуживания.

Из каких систем состоит дата-центр на газопоршневой установке

Промышленный майнинговый дата-центр включает шесть основных систем:

1. источник и подготовку газа;

2. газопоршневую генерацию;

3. распределение электроэнергии;

4. вычислительные модули с ASIC;

5. охлаждение;

6. автоматизацию, связь и диспетчеризацию.

Газ поступает на объект из магистральной сети, локального месторождения или системы сбора попутного нефтяного газа. Перед подачей в двигатель его давление и состав должны соответствовать требованиям производителя газопоршневой установки.

После подготовки газ поступает в двигатель внутреннего сгорания. Двигатель вращает электрогенератор, который вырабатывает электроэнергию для ASIC и собственных нужд дата-центра. К собственным нуждам относятся вентиляция, насосы, автоматика, связь, освещение, газоподготовка и вспомогательное оборудование.

Электроэнергия от генераторов проходит через распределительные устройства, защитную аппаратуру и при необходимости трансформаторы. Затем она поступает в отдельные секции дата-центра. Каждая секция питает определенную группу ASIC, поэтому нагрузку можно подключать и отключать ступенчато.

Обязательными для любого объекта являются газоподготовка, генерация, электроснабжение, вычислительные модули, охлаждение и автоматика. Внешняя сеть, резервная газопоршневая установка и жидкостное охлаждение относятся к опциональным решениям: их необходимость зависит от допустимого времени простоя, климата и требований заказчика.

Как газопоршневая установка питает ASIC

Газопоршневая установка наиболее устойчиво работает при относительно постоянной нагрузке. ASIC подходят для этого режима, поскольку могут потреблять электроэнергию круглосуточно и формируют предсказуемый профиль потребления.

При этом расчетную мощность дата-центра нельзя принимать равной паспортной мощности генераторов. Часть энергии расходуется на собственные нужды, а часть должна оставаться в виде эксплуатационного резерва.

Расчетная мощность ASIC определяется по формуле:

доступная мощность генерации − собственные нужды − эксплуатационный резерв = допустимая нагрузка ASIC.

Например, если газопоршневая установка способна стабильно выдавать 2 МВт в фактических условиях площадки, всю эту мощность нельзя направлять на майнеры. Сначала необходимо вычесть потребление вентиляции, насосов, автоматики и других систем. Затем предусматривается запас на изменение характеристик газа, рост температуры воздуха и переходные режимы.

Эксплуатация генератора на предельной мощности без резерва повышает риск перегрузок. При снижении давления газа или росте нагрузки охлаждения автоматике придется аварийно отключать часть оборудования.

Для промышленного объекта предпочтительнее разделять нагрузку на независимые группы. Если одна газопоршневая установка останавливается, система отключает соответствующую группу ASIC, а остальные секции продолжают работать.

Как регулируется нагрузка при изменении объема газа

Мощность газопоршневой установки зависит не только от ее номинала, но и от давления, состава и теплотворной способности газа. Особенно заметны такие изменения на объектах, использующих попутный нефтяной газ.

Если доступная мощность генерации снижается, дата-центр должен уменьшить потребление быстрее, чем сработает аварийная защита генератора. Для этого ASIC распределяют по управляемым секциям.

Типовой алгоритм работы выглядит так:

1. автоматика фиксирует снижение доступной мощности;

2. система определяет необходимый объем разгрузки;

3. отдельные группы ASIC отключаются или переводятся в менее энергоемкий режим;

4. нагрузка генератора возвращается в допустимый диапазон;

5. после восстановления генерации ASIC подключаются поэтапно.

При остановке одной газопоршневой установки не обязательно отключать весь дата-центр. В модульной архитектуре останавливается только привязанная к ней часть вычислительной нагрузки.

Управление обычно разделяют на три уровня. Локальная автоматика защищает двигатель и генератор. Энергетическая система распределяет мощность между секциями. Программное управление ASIC регулирует вычислительную нагрузку. Система майнинга при этом не должна вмешиваться в защитные функции электростанции.

Как размещаются и охлаждаются ASIC

ASIC обычно размещают в контейнерных или быстровозводимых модулях. На площадку поступает готовый блок со стойками, электрическим распределением, сетевой инфраструктурой и системой охлаждения.

Модульный формат позволяет вводить дата-центр очередями. Сначала запускаются газопоршневые установки и необходимое количество вычислительных контейнеров. При увеличении доступного объема газа к системе подключаются дополнительные генераторы и модули.

ASIC преобразуют практически всю потребляемую электроэнергию в тепло. Поэтому тепловая нагрузка дата-центра сопоставима с электрической мощностью вычислительного оборудования. Если ASIC потребляют 5 МВт, система охлаждения должна непрерывно отводить примерно такой же объем тепла с учетом дополнительного тепловыделения от блоков питания и электротехнических узлов.

Для большинства проектов с умеренным климатом и ограниченными сроками запуска рационально воздушное охлаждение. Оно проще в обслуживании и не требует насосных станций, теплообменников и контура теплоносителя.

Воздушная система должна разделять холодные и горячие потоки. Нагретый воздух нельзя допускать обратно на вход ASIC, иначе температура оборудования будет расти даже при достаточной производительности вентиляторов.

На промышленных площадках необходимо учитывать пыль, песок, масляный аэрозоль и другие загрязнения. Фильтры защищают оборудование, но создают сопротивление воздушному потоку. Поэтому площадь фильтрации и производительность вентиляторов рассчитывают совместно.

Жидкостное охлаждение целесообразно при высокой плотности мощности, жарком климате или использовании совместимых Hydro-моделей, например Bitmain Antminer S21+ Hydro, Bitmain Antminer S21e Hydro или Whatsminer M63S. Для такого оборудования требуется замкнутый контур теплоносителя, насосная группа, теплообменники, контроль качества жидкости и защита от утечек.

Нужна ли дата-центру внешняя электрическая сеть

Внешняя сеть не является обязательным элементом дата-центра на газопоршневой установке. Объект может работать полностью автономно, если генерация, автоматика и резервирование рассчитаны на изолированный режим.

Подключение к сети дает три практических преимущества:

• позволяет сохранить питание части инфраструктуры при остановке генераторов;

• упрощает проведение технического обслуживания;

• снижает требования к резервированию собственных нужд.

При этом резервировать электроэнергией всю вычислительную нагрузку обычно не требуется. ASIC можно безопасно отключить. Резервное питание необходимо прежде всего для автоматики, связи, пожарной сигнализации, освещения и систем, которые должны корректно завершить технологический процесс.

На автономных объектах для этих задач используют источник бесперебойного питания или отдельный генератор небольшой мощности.

Полноценная резервная газопоршневая установка нужна, если стоимость простоя вычислительного оборудования выше затрат на дополнительный энергоблок. В остальных случаях экономически рациональнее принимать временное снижение мощности во время регламентного обслуживания.

Какую архитектуру выбрать для промышленного проекта

Для большинства B2B-заказчиков оптимальна схема из нескольких газопоршневых установок и нескольких независимых майнинговых модулей. Каждый генератор или группа генераторов питают отдельную секцию ASIC, а центральная автоматика распределяет доступную мощность.

Такая архитектура дает четыре преимущества:

• объект можно запускать и расширять поэтапно;

• обслуживание одной ГПУ не останавливает весь дата-центр;

• нагрузка регулируется при изменении объема газа;

• отказ одного контейнера или генератора не приводит к потере всей вычислительной мощности.

Один крупный генератор подходит для объекта с внешней сетью, резервным источником или допустимыми полными остановками. Его преимущество — потенциально меньшие капитальные затраты на единицу установленной мощности. Основной недостаток — потеря всей генерации при аварии или обслуживании.

Полное резервирование генерации выбирают для проектов, где требуется высокий коэффициент готовности. Оно повышает капитальные затраты и может оставлять часть оборудования незагруженной в штатном режиме.

Какие данные нужны до начала проектирования

Проект нельзя рассчитывать только по предполагаемой мощности генератора или доступному объему газа. Для выбора оборудования и архитектуры нужны фактические параметры площадки.

Минимальный набор исходных данных включает:

1. минимальный, средний и максимальный часовой объем газа;

2. компонентный состав и теплотворную способность;

3. давление, влажность и уровень загрязнений;

4. сезонные и технологические колебания подачи;

5. температуру и запыленность наружного воздуха;

6. допустимый уровень шума и требования к выбросам;

7. мощность ASIC и вспомогательных систем;

8. допустимую длительность простоя;

9. наличие внешней сети;

10. доступность сервиса и запасных частей для ГПУ;

11. требования к удаленной диспетчеризации.

Эти данные определяют не только мощность генераторов, но и число секций, тип охлаждения, необходимость резервной ГПУ и допустимую загрузку ASIC.

Срок окупаемости нельзя корректно рассчитать только по цене газа и номинальной мощности электростанции. В модель включают стоимость газоподготовки, генераторов, контейнеров, электрической инфраструктуры, охлаждения, обслуживания двигателей, расходных материалов, персонала и плановых простоев. Доходную часть рассчитывают с учетом количества ASIC, их энергоэффективности, режима работы и рыночных условий.

Для инвестиционного решения целесообразно рассматривать как минимум три сценария: базовый, консервативный и аварийный. В консервативном сценарии снижают доступную мощность и увеличивают простой. В аварийном оценивают остановку крупнейшего генератора или всей площадки.

Какие решения лучше не использовать

Основные риски возникают, когда генерацию, электрическую инфраструктуру и вычислительную часть рассчитывают независимо. Паспортная мощность ГПУ может не совпасть с мощностью, доступной для ASIC после вычета собственных нужд и эксплуатационного резерва.

Для промышленного дата-центра не следует:

• направлять на ASIC всю номинальную мощность генераторов;

• рассчитывать ГПУ без анализа фактического состава газа;

• подключать весь парк ASIC одной неуправляемой группой;

• использовать единственный генератор без оценки последствий его остановки;

• выбирать воздушное охлаждение без учета пыли и рециркуляции горячего воздуха;

• устанавливать Hydro-модели без полноценного жидкостного контура;

• оставлять автоматику и связь без резервного питания;

• строить финансовую модель без регламентных остановок и расходов на обслуживание.

Отдельно не рекомендуется выбирать число ASIC раньше, чем определена гарантированная доступная мощность. Иначе часть оборудования может постоянно простаивать либо генераторы будут работать на предельной нагрузке.

Вывод

Дата-центр для майнинга на газопоршневой установке состоит из узла газоподготовки, генераторов, электрического распределения, модулей с ASIC, системы охлаждения и центральной автоматики. Газ преобразуется в электроэнергию на площадке, после чего мощность распределяется между вычислительной нагрузкой и собственными нуждами.

Для большинства B2B-проектов предпочтительна модульная архитектура с несколькими газопоршневыми установками и независимыми группами ASIC. Она позволяет регулировать потребление при изменении объема газа и проводить обслуживание без полной остановки объекта.

Один крупный генератор оправдан при наличии внешнего резерва или допустимых простоях. Жидкостное охлаждение выбирают для жаркого климата, высокой плотности мощности и Hydro-оборудования. В остальных случаях воздушная модульная схема обычно проще и дешевле в реализации.