基于長(zhǎng)垂直封閉母線自然熱壓的熱平衡溫差控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水利水電工程機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種基于長(zhǎng)垂直封閉母線自然 熱壓的熱平衡溫差控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大型地下電站長(zhǎng)垂直封閉母線溫度分布和散熱問(wèn)題是母線運(yùn)行安全的保障。隨 著國(guó)內(nèi)水電工程迅猛發(fā)展，長(zhǎng)垂直離相封閉母線（IPB)在地下水電站中的應(yīng)用也越來(lái)越廣 泛，但是對(duì)不同容量和垂直高度的IPB，沒(méi)有相關(guān)設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定。各地下水電站的 冷卻方式依靠自然通風(fēng)冷卻。例如彭水水電站、水布埡水電站，其封閉母線額定電流分別為 14kA、16kA、上述水電站長(zhǎng)垂直IPB均為一機(jī)一洞引出方式，分別采用自然通風(fēng)、強(qiáng)迫通風(fēng) 的方式滿足IPB熱平衡要求。隨著地下電站長(zhǎng)垂直封閉母線額定熱流量的增大以及布置方 式的復(fù)雜化，僅靠自然通風(fēng)是否仍然符合IPB的熱平衡要求需要進(jìn)行具體計(jì)算后判斷。
[0003] 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，離相封閉母線在額定工況運(yùn)行時(shí)應(yīng)滿足溫升要求，采用鋁材時(shí)，其 導(dǎo)體允許最高溫升為50K，外殼允許最高溫升為30K，環(huán)境溫度為40K。需特別指出的是，無(wú) 論是水平還是垂直布置的母線，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有給出母線沿長(zhǎng)度方向溫度差的規(guī)定。但根 據(jù)封閉母線的制造經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)母線沿長(zhǎng)度方向溫度差大于一定程度時(shí)，就會(huì)影響母線結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)。為了達(dá)到母線安全運(yùn)行要求，在母線各部位的外殼、導(dǎo)體溫度低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的同時(shí)還應(yīng) 相對(duì)均衡，尤其是長(zhǎng)垂直離相封閉母線，更是如此。然而目前關(guān)于自然熱壓條件下，對(duì)應(yīng)不 同熱源強(qiáng)度參數(shù)下母線在垂直段長(zhǎng)度方向上的溫度控制的研究屬于空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有給出母線沿長(zhǎng)度方向溫度差的規(guī)定，而在母線各部位 的外殼、導(dǎo)體溫度低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的同時(shí)還應(yīng)相對(duì)均衡的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于長(zhǎng)垂直 封閉母線自然熱壓的熱平衡溫差控制方法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于長(zhǎng)垂直封閉母線自然熱壓的熱平衡溫差控 制方法，其特殊之處在于，長(zhǎng)垂直封閉母線內(nèi)溫差A(yù)T與熱源強(qiáng)度q、母線垂直高度H滿足關(guān) 系式：
[0006] AT=a1+a2*H+a3*q+a4*H2+a5*q2
[0007] 其中％為第一系數(shù)，a2為第二系數(shù)，a3為第三系數(shù)，a4為第四系數(shù)，a5為第五系 數(shù)。
[0008] 優(yōu)選地，所述熱源強(qiáng)度q的計(jì)算公式為：
[0009] q=Qs/ [SQ-Jr*(DL2/4) *n]
[0010] 其中，Qs為豎井高度方向發(fā)熱量，SQ為豎井有效散熱截面積，D 母線外殼外徑， n為豎井內(nèi)母線組數(shù)。
[0011] 優(yōu)選地，當(dāng)所述熱源強(qiáng)度q的取值范圍為150W/m3彡q< 260W/m3、母線垂直高度H 的取值范圍為60m彡H< 100m時(shí)，所述第一系數(shù)ai的值為-8. 3399,所述第二系數(shù)a2的 值為0. 18336,所述第三系數(shù)a3的值為0. 4559,所述第四系數(shù)a4的值為6. 7559X10 - 4,所 述第五系數(shù)a5的值為7. 7898X10 _ 6。
[0012] 優(yōu)選地，當(dāng)所述熱源強(qiáng)度q的取值范圍為260W/m3彡q< 400W/m3、母線垂直高度H 的取值范圍為60m彡H< 100m時(shí)，所述第一系數(shù)的值為14. 5349,所述第二系數(shù)a2的值 為0.01656,所述第三系數(shù)a3的值為0. 1521，所述第四系數(shù)a4的值為2. 9100X10 _ 4,所述 第五系數(shù)a5的值為-6. 3164X10 _ 6。
[0013] 優(yōu)選地，當(dāng)所述熱源強(qiáng)度q的取值范圍為75W/m3<q< 200W/m3、母線垂直高度H 的取值范圍為l〇〇m彡H< 180m時(shí)，所述第一系數(shù)ai的值為-2. 9452,所述第二系數(shù)a2的 值為0. 08397,所述第三系數(shù)a3的值為0. 04767,所述第四系數(shù)a4的值為-2. 2651X10 _ 4,所述第五系數(shù)a5的值為2. 0157X10 _ 6。
[0014] 優(yōu)選地，當(dāng)所述熱源強(qiáng)度q的取值范圍為200W/m3彡q< 300W/m3、母線垂直高度H 的取值范圍為l〇〇m彡H< 180m時(shí)，所述第一系數(shù)的值為15. 4622,所述第二系數(shù)a2的 值為0. 00572,所述第三系數(shù)a3的值為-0. 1769,所述第四系數(shù)a4的值為-0.01072X10 _ 4,所述第五系數(shù)a5的值為5. 8279X10 _ 6。
[0015] 本發(fā)明對(duì)大型地下電站強(qiáng)熱流長(zhǎng)垂直封閉母線自然通風(fēng)條件下熱平衡和溫度分 布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比研究，獲得在強(qiáng)熱源受限空間中的自然通風(fēng)條件下溫度分 布規(guī)律和特點(diǎn)，并分析豎井尺寸，熱源強(qiáng)度、母線高度等因素對(duì)IPB溫度分布的影響，并找 出對(duì)其溫度分布起到關(guān)鍵控制性影響的參數(shù)和應(yīng)對(duì)不同情況的散熱策略。提出對(duì)應(yīng)不同熱 源強(qiáng)度參數(shù)下超高母線在垂直段長(zhǎng)度方向上的溫差控制值。
[0016] 本發(fā)明根據(jù)離相封閉母線豎井內(nèi)的母線分布不同，在受限空間內(nèi)的不同位置母線 的局部溫度和沿垂直高度方向的溫度分布規(guī)律呈不同的變化特點(diǎn)，通過(guò)全三維的數(shù)值模 擬，給出不同運(yùn)行參數(shù)的條件下，分析大電流長(zhǎng)垂直離相封閉母線溫度場(chǎng)、不同位置單根母 線垂直溫度分布規(guī)律，進(jìn)出口溫差變化規(guī)律，進(jìn)而探索和認(rèn)識(shí)混合通風(fēng)模式下的大電流長(zhǎng) 垂直離相封閉母線豎井中的熱流和溫度分布性能，及其不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)其流動(dòng)與換熱的影 響規(guī)律。
[0017] 本發(fā)明針對(duì)大型電站長(zhǎng)垂直封閉母線的強(qiáng)熱流和布置的復(fù)雜性，采用計(jì)算流體力 學(xué)（computationalfluiddynamics,CFD)，根據(jù)不同IPB的熱源強(qiáng)度，不同的豎井高度等因 素詳細(xì)分析計(jì)算，找到系統(tǒng)性的IPB熱平衡規(guī)律，為工程中保證IPB溫差控制、正確選擇熱 平衡方式，保證IPB安全可靠運(yùn)行的溫度分布和先進(jìn)可靠的散熱方式提供指導(dǎo)。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0019] 1)IPB豎井內(nèi)的熱平衡
[0020] IPB導(dǎo)體的散熱是通過(guò)導(dǎo)體和外殼之間的熱輻射、殼內(nèi)空氣對(duì)流進(jìn)行的，外殼則主 要是通過(guò)熱輻射、殼外空氣的對(duì)流散熱。熱輻射由輻射系數(shù)（為常數(shù)）決定，在IPB垂直方 向上沒(méi)有差別，因此影響IPB在垂直方向上溫度分布的主要是IPB內(nèi)部和外部空氣的對(duì)流。
[0021] PM一Qmf+Qmd
[0022] PM+PK -Qkf+Qkd
[0023] PM為導(dǎo)體的功率損耗，WAm相）；
[0024] QMF為IPB對(duì)外殼的輻射散熱；
[0025] QMD為導(dǎo)體和外殼之間的對(duì)流傳熱；
[0026] PK為導(dǎo)體、外殼的功率損耗，WAm相）；
[0027] QKF為外殼的輻射散熱；
[0028] QKD為外殼和殼外空氣的對(duì)流散熱。
[0029] IPB本身的發(fā)熱是由于導(dǎo)體和外殼的損耗造成的，導(dǎo)體和外殼直接存在對(duì)流、輻射 傳熱其機(jī)理較為復(fù)雜，因此需要模型進(jìn)行以下簡(jiǎn)化：
[0030] (1)由于考慮到空氣的熱性能、黏度，因此考慮導(dǎo)體將100%熱量傳遞給外殼，且 在導(dǎo)體的長(zhǎng)度方向忽略導(dǎo)體本身和氣體的損耗。
[0031] (2)在IPB垂直方向各段導(dǎo)體、殼體、洞壁只于本段物體發(fā)生熱傳導(dǎo)，各段之間無(wú) 熱傳導(dǎo)，忽略IPB導(dǎo)體、殼體材料的導(dǎo)熱熱阻。
[0032] 2)IPB豎井的物理模型
[0033] IPB及其豎井可簡(jiǎn)化為圓柱形發(fā)熱體置于豎井形成的封閉空間中，形成一個(gè)具有 內(nèi)熱源的受限空間換熱模型。
[0034] 3)IPB豎井的數(shù)學(xué)模型
[0035] 地下電站IPB的散熱問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的熱量傳遞過(guò)程，如果采用傳統(tǒng)方法求解， 不僅公式復(fù)雜，而且需要對(duì)數(shù)學(xué)模型做出大量簡(jiǎn)化和假設(shè)，必然造成計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際。隨 著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于復(fù)雜情況下采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行求解可以大幅度提高計(jì)算精 度。
[0036] 具體步驟包括：
[0037] 1)根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，對(duì)豎井空間內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)的 熱平衡狀況建立控制方程：
[0041] 式中：u1:空氣在垂直方向的平均速度分量；uj:空氣在水平方向的平均速度分量； xi:垂直高度：t:時(shí)間；P:空氣密度；p:壓力；v:層流粘滯系數(shù)；vt:紊流系數(shù)；gi:垂直方 向重力加速度；0 :空氣熱膨脹系數(shù)；T:豎井入口處和出口處平均溫度；T" :環(huán)境溫度；T: 實(shí)際溫度；F:廣義擴(kuò)散系數(shù)；I:輻射強(qiáng)度；
[0042] 2)對(duì)壓力p的值進(jìn)行假設(shè)，求解動(dòng)量方程中的空氣在垂直方向的平均速度分量 屮；
[0043] 3)對(duì)假設(shè)的壓力p的值進(jìn)行修正，使得出的空氣在垂直方向的平均速度分量^滿 足連續(xù)性方程；
[0044] 4)將修正后的壓力p和空氣在垂直方向的平均速度分量Ul的值代入能量方程，求 解實(shí)際溫度T;
[0045] 5)重復(fù)步驟1)~4)直至計(jì)算出豎井內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)的實(shí)際溫度T。
[0046] 其中，步驟1)的能量方程中，廣義擴(kuò)散系數(shù)r與普朗特?cái)?shù)匕與〇 T存在下述關(guān)系 式：
[0047] r=v/Pr+vt/ 〇T
[0048] 式中：v:層流粘滯系數(shù)；vt:紊流系數(shù)；〇T:經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0. 9~1;P^普朗特?cái)?shù)。
[0049] 普朗特?cái)?shù)Pr可根據(jù)公式Pr=cpv/A求出，式中：Cp為定壓比熱容，A為導(dǎo)熱系 數(shù)。
[0050] 地下電站IPB散熱問(wèn)題的本質(zhì)實(shí)際是有以內(nèi)熱源