基于长垂直封闭母线自然热压的热平衡温差控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水利水电工程机电技术领域，具体地指一种基于长垂直封闭母线自然 热压的热平衡温差控制方法。
【背景技术】
[0002] 大型地下电站长垂直封闭母线温度分布和散热问题是母线运行安全的保障。随 着国内水电工程迅猛发展，长垂直离相封闭母线（IPB)在地下水电站中的应用也越来越广 泛，但是对不同容量和垂直高度的IPB，没有相关设计、制造标准或规定。各地下水电站的 冷却方式依靠自然通风冷却。例如彭水水电站、水布垭水电站，其封闭母线额定电流分别为 14kA、16kA、上述水电站长垂直IPB均为一机一洞引出方式，分别采用自然通风、强迫通风 的方式满足IPB热平衡要求。随着地下电站长垂直封闭母线额定热流量的增大以及布置方 式的复杂化，仅靠自然通风是否仍然符合IPB的热平衡要求需要进行具体计算后判断。
[0003] 根据国家标准，离相封闭母线在额定工况运行时应满足温升要求，采用铝材时，其 导体允许最高温升为50K，外壳允许最高温升为30K，环境温度为40K。需特别指出的是，无 论是水平还是垂直布置的母线，国家标准都没有给出母线沿长度方向温度差的规定。但根 据封闭母线的制造经验，当母线沿长度方向温度差大于一定程度时，就会影响母线结构设 计。为了达到母线安全运行要求，在母线各部位的外壳、导体温度低于国标规定的同时还应 相对均衡，尤其是长垂直离相封闭母线，更是如此。然而目前关于自然热压条件下，对应不 同热源强度参数下母线在垂直段长度方向上的温度控制的研究属于空白。
【发明内容】
[0004] 为了解决目前国家标准没有给出母线沿长度方向温度差的规定，而在母线各部位 的外壳、导体温度低于国标规定的同时还应相对均衡的问题，本发明提供一种基于长垂直 封闭母线自然热压的热平衡温差控制方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明所设计的基于长垂直封闭母线自然热压的热平衡温差控 制方法，其特殊之处在于，长垂直封闭母线内温差AT与热源强度q、母线垂直高度H满足关 系式：
[0006] AT=a1+a2*H+a3*q+a4*H2+a5*q2
[0007] 其中％为第一系数，a2为第二系数，a3为第三系数，a4为第四系数，a5为第五系 数。
[0008] 优选地，所述热源强度q的计算公式为：
[0009] q=Qs/ [SQ-Jr*(DL2/4) *n]
[0010] 其中，Qs为竖井高度方向发热量，SQ为竖井有效散热截面积，D 母线外壳外径， n为竖井内母线组数。
[0011] 优选地，当所述热源强度q的取值范围为150W/m3彡q< 260W/m3、母线垂直高度H 的取值范围为60m彡H< 100m时，所述第一系数ai的值为-8. 3399,所述第二系数a2的 值为0. 18336,所述第三系数a3的值为0. 4559,所述第四系数a4的值为6. 7559X10 - 4,所 述第五系数a5的值为7. 7898X10 _ 6。
[0012] 优选地，当所述热源强度q的取值范围为260W/m3彡q< 400W/m3、母线垂直高度H 的取值范围为60m彡H< 100m时，所述第一系数的值为14. 5349,所述第二系数a2的值 为0.01656,所述第三系数a3的值为0. 1521，所述第四系数a4的值为2. 9100X10 _ 4,所述 第五系数a5的值为-6. 3164X10 _ 6。
[0013] 优选地，当所述热源强度q的取值范围为75W/m3<q< 200W/m3、母线垂直高度H 的取值范围为l〇〇m彡H< 180m时，所述第一系数ai的值为-2. 9452,所述第二系数a2的 值为0. 08397,所述第三系数a3的值为0. 04767,所述第四系数a4的值为-2. 2651X10 _ 4,所述第五系数a5的值为2. 0157X10 _ 6。
[0014] 优选地，当所述热源强度q的取值范围为200W/m3彡q< 300W/m3、母线垂直高度H 的取值范围为l〇〇m彡H< 180m时，所述第一系数的值为15. 4622,所述第二系数a2的 值为0. 00572,所述第三系数a3的值为-0. 1769,所述第四系数a4的值为-0.01072X10 _ 4,所述第五系数a5的值为5. 8279X10 _ 6。
[0015] 本发明对大型地下电站强热流长垂直封闭母线自然通风条件下热平衡和温度分 布进行数值计算和现场实测对比研究，获得在强热源受限空间中的自然通风条件下温度分 布规律和特点，并分析竖井尺寸，热源强度、母线高度等因素对IPB温度分布的影响，并找 出对其温度分布起到关键控制性影响的参数和应对不同情况的散热策略。提出对应不同热 源强度参数下超高母线在垂直段长度方向上的温差控制值。
[0016] 本发明根据离相封闭母线竖井内的母线分布不同，在受限空间内的不同位置母线 的局部温度和沿垂直高度方向的温度分布规律呈不同的变化特点，通过全三维的数值模 拟，给出不同运行参数的条件下，分析大电流长垂直离相封闭母线温度场、不同位置单根母 线垂直温度分布规律，进出口温差变化规律，进而探索和认识混合通风模式下的大电流长 垂直离相封闭母线竖井中的热流和温度分布性能，及其不同运行参数对其流动与换热的影 响规律。
[0017] 本发明针对大型电站长垂直封闭母线的强热流和布置的复杂性，采用计算流体力 学（computationalfluiddynamics,CFD)，根据不同IPB的热源强度，不同的竖井高度等因 素详细分析计算，找到系统性的IPB热平衡规律，为工程中保证IPB温差控制、正确选择热 平衡方式，保证IPB安全可靠运行的温度分布和先进可靠的散热方式提供指导。
【具体实施方式】
[0018] 以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0019] 1)IPB竖井内的热平衡
[0020] IPB导体的散热是通过导体和外壳之间的热辐射、壳内空气对流进行的，外壳则主 要是通过热辐射、壳外空气的对流散热。热辐射由辐射系数（为常数）决定，在IPB垂直方 向上没有差别，因此影响IPB在垂直方向上温度分布的主要是IPB内部和外部空气的对流。
[0021] PM一Qmf+Qmd
[0022] PM+PK -Qkf+Qkd
[0023] PM为导体的功率损耗，WAm相）；
[0024] QMF为IPB对外壳的辐射散热；
[0025] QMD为导体和外壳之间的对流传热；
[0026] PK为导体、外壳的功率损耗，WAm相）；
[0027] QKF为外壳的辐射散热；
[0028] QKD为外壳和壳外空气的对流散热。
[0029] IPB本身的发热是由于导体和外壳的损耗造成的，导体和外壳直接存在对流、辐射 传热其机理较为复杂，因此需要模型进行以下简化：
[0030] (1)由于考虑到空气的热性能、黏度，因此考虑导体将100%热量传递给外壳，且 在导体的长度方向忽略导体本身和气体的损耗。
[0031] (2)在IPB垂直方向各段导体、壳体、洞壁只于本段物体发生热传导，各段之间无 热传导，忽略IPB导体、壳体材料的导热热阻。
[0032] 2)IPB竖井的物理模型
[0033] IPB及其竖井可简化为圆柱形发热体置于竖井形成的封闭空间中，形成一个具有 内热源的受限空间换热模型。
[0034] 3)IPB竖井的数学模型
[0035] 地下电站IPB的散热问题是一个复杂的热量传递过程，如果采用传统方法求解， 不仅公式复杂，而且需要对数学模型做出大量简化和假设，必然造成计算结果偏离实际。随 着计算机技术的发展，对于复杂情况下采用数值计算方法进行求解可以大幅度提高计算精 度。
[0036] 具体步骤包括：
[0037] 1)根据质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，对竖井空间内每一个点的 热平衡状况建立控制方程：
[0041] 式中：u1:空气在垂直方向的平均速度分量；uj:空气在水平方向的平均速度分量； xi:垂直高度：t:时间；P:空气密度；p:压力；v:层流粘滞系数；vt:紊流系数；gi:垂直方 向重力加速度；0 :空气热膨胀系数；T:竖井入口处和出口处平均温度；T" :环境温度；T: 实际温度；F:广义扩散系数；I:辐射强度；
[0042] 2)对压力p的值进行假设，求解动量方程中的空气在垂直方向的平均速度分量 屮；
[0043] 3)对假设的压力p的值进行修正，使得出的空气在垂直方向的平均速度分量^满 足连续性方程；
[0044] 4)将修正后的压力p和空气在垂直方向的平均速度分量Ul的值代入能量方程，求 解实际温度T;
[0045] 5)重复步骤1)~4)直至计算出竖井内每一个点的实际温度T。
[0046] 其中，步骤1)的能量方程中，广义扩散系数r与普朗特数匕与〇 T存在下述关系 式：
[0047] r=v/Pr+vt/ 〇T
[0048] 式中：v:层流粘滞系数；vt:紊流系数；〇T:经验常数，取0. 9~1;P^普朗特数。
[0049] 普朗特数Pr可根据公式Pr=cpv/A求出，式中：Cp为定压比热容，A为导热系 数。
[0050] 地下电站IPB散热问题的本质实际是有以内热源