基于長垂直封閉母線機械通風量的優(yōu)化控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于水利水電工程機電技術領域，具體地指一種基于長垂直封閉母線機械 通風量的優(yōu)化控制方法。
【背景技術】
[0002] 大型地下電站長垂直封閉母線溫度分布和散熱問題是母線運行安全的保障。隨著 國內水電工程迅猛發(fā)展，長垂直離相封閉母線（IPB)在地下水電站中應用越來越廣泛，以 往主要的冷卻方式依靠自然通風冷卻。隨著地下電站長垂直封閉母線額定熱流量的增大以 及布置方式的復雜化，僅靠自然通風是否仍然符合IPB的熱平衡要求需要進行具體計算后 判斷。當自然通風不滿足IPB熱平衡要求時則需設機械通風。機械通風和自然熱壓相互作 用，選擇過小可能導致母線溫差進一步加大，由于豎井熱平衡所需的風量很大，選擇過大， 不僅耗能而且不現實，甚至可能超出工程設計能達到的上限。
[0003] 隨著地下電站長垂直封閉母線額定熱流量的增大以及布置方式的復雜化，按傳統(tǒng) 方式的溫度分布計算和散熱方式難以滿足大型地下電站封閉母線的要求。以三峽地下電站 700麗級長垂直大電流離相封閉母線為例，其額定電流達26kA，垂直高度80m，采用兩機一 洞的方式，是世界上已投運和在建工程中額定電流、額定容量最大的長垂直段大電流離相 封閉母線，兩機一洞的布置方式也是世界首創(chuàng)。三峽地下電站IPB發(fā)熱量巨大，IPB在額定 容量運行工況下散熱量達到約lkW/m ·相，IPB豎井內沿高度方向每米的發(fā)熱量達6kW。如 此大的發(fā)熱量如不能及時排除，或發(fā)熱量和散熱量相平衡，則將使IPB在規(guī)定的溫升限值 內無法達到熱平衡條件，導致IPB溫度快速升高，并大大超過允許溫度，不僅造成的IPB損 耗加大，而且超出IPB的的耐熱能力，嚴重影響母線的結構和電氣絕緣性能，甚至導致IPB 喪失工作性能，無法正常運行。
[0004] 然而，強電流和特殊的布置方式使得該大型地下電站的IPB、和IPB豎井內的自然 通風具有受限空間內強熱源持續(xù)加熱的特點，隨著母線持續(xù)對豎井內空氣加熱作用造成熱 空氣在豎井上部積聚，由于熱壓產生的自然對流不足以將熱量帶走，依靠自然對流的方式 不能完全滿足散熱和溫度分布的要求時，如何正確選擇熱平衡方式和最優(yōu)通風量是亟待解 決的問題。

【發(fā)明內容】

[0005] 為了解決目前大型地下電站IPB依靠自然對流的方式不能完全滿足散熱要求，如 何正確選擇熱平衡方式和最優(yōu)通風量的問題，本發(fā)明提供一種能快速準確糾偏的基于長垂 直封閉母線機械通風量的優(yōu)化控制方法。
[0006] 為實現上述目的，本發(fā)明所設計的基于長垂直封閉母線機械通風量的優(yōu)化控制方 法，其特殊之處在于，長垂直封閉母線內機械通風量V與IPB進出口的溫差△ T、熱源強度q 滿足關系式：
[0008] 其中叫為第一系數，a 2為第二系數，a 3為第三系數，a 4為第四系數，a 5為第五系 數，a6為第六系數。
[0009] 優(yōu)選地，所述熱源強度q的計算公式為：
[0011] 其中，Qs為豎井高度方向發(fā)熱量，Stj為豎井有效散熱截面積，D 母線外殼外徑， η為豎井內母線組數。
[0012] 優(yōu)選地，當所述熱源強度q的取值范圍為60W/m3彡q < 120W/m3,所述第一系數ai的值為1. 4964,所述第二系數a2的值為-0. 06858,所述第三系數a 3的值為0. 01763,所述 第四系數&4的值為0. 0019,所述第五系數a5的值為-5.7783X 10 _ 5,所述第六系數&6為 -2. 2053X 10' 4〇
[0013] 優(yōu)選地，當所述熱源強度q的取值范圍為120W/m3彡q < 240W/m 3時，所述第一系 數&1的值為2. 2413,所述第二系數a2的值為-0. 12938,所述第三系數a3的值為-0. 0059， 所述第四系數a4的值為0. 0055,所述第五系數a5的值為-6. 6681 X 10 _ 6,所述第六系數a6為-1. 8144ΧΚΓ 4。
[0014] 優(yōu)選地，當所述熱源強度q的取值范圍為240W/m3彡q < 360w/m 3時，所述第一系 數&1的值為4. 3681，所述第二系數a2的值為-0. 1353,所述第三系數a3的值為-0.0121， 所述第四系數a4的值為0. 0043,所述第五系數a5的值為2. 9583X10 _ 5,所述第六系數a6為-9· 8215ΧΚΓ 5〇
[0015] 本發(fā)明對大型地下電站強熱流長垂直封閉母線自然通風條件下熱平衡和溫度分 布進行數值計算和現場實測對比研究，獲得在強熱源受限空間中的自然通風條件下溫度分 布規(guī)律和特點，并分析豎井尺寸，熱源強度、母線高度等因素對IPB溫度分布的影響，并找 出對其溫度分布起到關鍵控制性影響的參數和應對不同情況的散熱策略。
[0016] 對具有強熱源的離相封閉母線豎井內的自然通風具有受限空間內強熱源持續(xù)加 熱的特點，隨著母線持續(xù)對豎井內空氣加熱作用造成熱空氣在豎井上部積聚，由于熱壓產 生的自然對流不足以將熱量帶走，本發(fā)明提出大電流長垂直離相封閉母線自然通風和機械 通風耦合作用的混合模式。
[0017] 本發(fā)明通過數值計算和現場實測數據驗證長垂直封閉母線在滿足熱平衡和溫度 的要求下機械通風具有最佳通風量的結果。找出不同通風量時離線封閉母線的溫度變化規(guī) 律，并進而發(fā)現母線在混合通風條件下的最優(yōu)機械通風量。通過對混合通風量優(yōu)化計算，既 可保證溫差要求，同時保證所選擇的通風設備能耗最低，達到節(jié)能的目的。研究結果對于找 到 IPB豎井熱平衡最佳機械通風量，在滿足IPB運行環(huán)境的前提下達到節(jié)能減排具有重大 意義。
【具體實施方式】
[0018] 以下結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0019] 一、IPB豎井內的熱平衡
[0020] IPB導體的散熱是通過導體和外殼之間的熱輻射、殼內空氣對流進行的，外殼則主 要是通過熱輻射、殼外空氣的對流散熱。熱輻射由輻射系數（為常數）決定，在IPB垂直方 向上沒有差別，因此影響IPB在垂直方向上溫度分布的主要是IPB內部和外部空氣的對流。
[0023] Pm為導體的功率損耗，W(m相）；
[0024] Qmf為IPB對外殼的輻射散熱；
[0025] Qmd為導體和外殼之間的對流傳熱；
[0026] Pk為導體、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流散熱。
[0029] IPB本身的發(fā)熱是由于導體和外殼的損耗造成的，導體和外殼直接存在對流、輻射 傳熱其機理較為復雜，因此需要模型進行以下簡化：
[0030] (1)由于考慮到空氣的熱性能、黏度，因此考慮導體將100%熱量傳遞給外殼，且 在導體的長度方向忽略導體本身和氣體的損耗。
[0031] (2)在IPB垂直方向各段導體、殼體、洞壁只于本段物體發(fā)生熱傳導，各段之間無 熱傳導，忽略IPB導體、殼體材料的導熱熱阻。
[0032] 二、IPB豎井的物理模型
[0033] IPB及其豎井可簡化為圓柱形發(fā)熱體置于豎井形成的封閉空間中，形成一個具有 內熱源的受限空間換熱模型。
[0034] 三、IPB豎井的數學模型
[0035] 地下電站IPB的散熱問題是一個復雜的熱量傳遞過程，如果采用傳統(tǒng)方法求解， 不僅公式復雜，而且需要對數學模型做出大量簡化和假設，必然造成計算結果偏離實際。隨 著計算機技術的發(fā)展，對于復雜情況下采用數值計算方法進行求解可以大幅度提高計算 精度。
[0036] 具體步驟包括：
[0037] 1)根據質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，對豎井空間內每一個點的 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；u j:空氣在水平方向的平均速度分量； Xi:垂直高度：t :時間；P :空氣密度；P :壓力；V :層流粘滯系數；v t:紊流系數；g i:垂直方 向重力加速度；β :空氣熱膨脹系數；T :豎井入口處和出口處平均溫度；T" :環(huán)境溫度；T : 實際溫度；r :廣義擴散系數；I:輻射強度；
[0042] 2)對壓力p的值進行假設，求解動量方程中的空氣在垂直方向的平均速度分量 U1;
[0043] 3)對假設的壓力p的值進行修正，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U1的值代入能量方程，求 解實際溫度T ;
[0045] 5)重復步驟1)~4)直至計算出豎井內每一個點的實際溫度T。
[0046] 其中，步驟1)的能量方程中，廣義擴散系數Γ與普朗特數匕與σ τ存在下述關系 式：
[0047] Γ = v/Pr+vt/ σ τ
[0048] 式中：ν :層流粘滯系數；vt:紊流系數；σ τ:經驗常數，取0. 9~I ;Ρ 普朗特數。
[0049] 普朗特數Pr可根據公式Pr = cpv/λ求出，式中：Cp為定壓比熱容，λ為導熱系 數。
[0050] 地下電站IPB散熱問題的本質實際是有以內熱源的非等溫紊流換熱、對外熱輻射 綜合作用下，在豎井受限空間內的空氣的溫度場、速度場達到相應平衡的過程。這種受限空 間內的氣流是由經過IPB外殼加熱產生的浮升力為動力的自下而上的熱氣流作用。數值模 擬模型采用考慮浮升力的K- ε雙方程模型，壁面采用標準壁面函數法。應用SIMPLE算法 求解離散控制方程，離散方程采用QUICK格式以防止偽擴散，采用了多表面輻射（S2S)模型 進行輻射計算。
[0051] 輻射強度I的計算模型為：
[0053] 式中：^位置向量；s :垂直長度；? :方向向量；a :吸收系數；〇 s:散射系數；n : 折射系數；σ :斯蒂芬-玻耳茲曼常數；T :實際溫度；Φ :相位函數；Ω' ：空間立體角?？臻g 立體角Ω'、吸收系數a等參數是有模型結構和材料性質決定的。
[0054] 四、IPB豎井的熱平衡分析
[0055] 在自然通風條件下，通過對多個大型地下電站的IPB溫度分布進行計算分析得 出，有的地下電站IPB表面溫度和豎井內的溫度逐漸升高，并在上半部出現最大值，而在出 口段溫度反而有所降低使得溫度呈現兩端低中間高的分布曲線，其溫差在控制范圍之內， 且其規(guī)律并不呈現明顯的"煙囪"效應；然而也有的地下電站IPB表面溫度隨著高度增加逐 步提高，IPB豎井沒溫度也隨著高度增加逐步升高，具有明顯的"煙囪"效應。
[0056] 當IPB豎井內熱源強度q較低時，其IPB作為內熱源產生的熱壓形成的自然通風 換熱能力可以滿足熱平衡要求，造成在出口段的熱浮升力不足以克服IPB出口部位室外相 對低溫空氣影響，在出口處產生強烈對流傳熱，大大降低出口段溫度并同時影響IPB上部 靠近出口的表面溫度及豎井溫度，使得IPB "煙囪"效應不明顯。隨著熱源強度q增高，在 有限的空間內產生的自然通風不足以帶走IPB散發(fā)的熱量，并隨著高度的增加空氣溫度也 逐漸升高，這進一步削弱了熱交換能力造成IPB表面溫度的逐漸升高，因此當IPB內的熱源 強度q的增加 IPB進出口的溫差效應逐步增加使得IPB "煙囪"效應逐步增加。
[0057] 熱源強度q的計算公式為：
[0058] q = Qs/[Sq- π *(D L2/4)*n]
[0059] 其