CN105116727A - 基于长垂直封闭母线机械通风量的优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于长垂直封闭母线机械通风量的优化控制方法，长垂直封闭母线内机械通风量V与IPB进出口的温差ΔT、热源强度q满足关系式：V＝a₁+a₂*ΔT+a₃*q+a₄*ΔT²+a₅*q²﹣a₆q*ΔT，其中：a₁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，a₆为第六系数。本发明通过数值计算和现场实测数据验证长垂直封闭母线(IPB)在满足热平衡和温度的要求下机械通风具有最佳通风量的结果。通过对机械通风量优化计算，既可保证温差要求，同时保证所选择的通风设备能耗最低，达到节能的目的。本发明提出的长垂直封闭母线的优化机械通风量控制方法的研究结果对于找到IPB竖井热平衡最佳机械通风量，在满足IPB运行环境的前提下达到节能减排具有重大意义。

Description

基于长垂直封闭母线机械通风量的优化控制方法

技术领域

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机械通风量的优化控制方法。

背景技术

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)在地下水电站中应用越来越广泛，以往主要的冷却方式依靠自然通风冷却。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。当自然通风不满足IPB热平衡要求时则需设机械通风。机械通风和自然热压相互作用，选择过小可能导致母线温差进一步加大，由于竖井热平衡所需的风量很大，选择过大，不仅耗能而且不现实，甚至可能超出工程设计能达到的上限。

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，按传统方式的温度分布计算和散热方式难以满足大型地下电站封闭母线的要求。以三峡地下电站700MW级长垂直大电流离相封闭母线为例，其额定电流达26kA，垂直高度80m，采用两机一洞的方式，是世界上已投运和在建工程中额定电流、额定容量最大的长垂直段大电流离相封闭母线，两机一洞的布置方式也是世界首创。三峡地下电站IPB发热量巨大，IPB在额定容量运行工况下散热量达到约1kW/m·相，IPB竖井内沿高度方向每米的发热量达6kW。如此大的发热量如不能及时排除，或发热量和散热量相平衡，则将使IPB在规定的温升限值内无法达到热平衡条件，导致IPB温度快速升高，并大大超过允许温度，不仅造成的IPB损耗加大，而且超出IPB的的耐热能力，严重影响母线的结构和电气绝缘性能，甚至导致IPB丧失工作性能，无法正常运行。

然而，强电流和特殊的布置方式使得该大型地下电站的IPB、和IPB竖井内的自然通风具有受限空间内强热源持续加热的特点，随着母线持续对竖井内空气加热作用造成热空气在竖井上部积聚，由于热压产生的自然对流不足以将热量带走，依靠自然对流的方式不能完全满足散热和温度分布的要求时，如何正确选择热平衡方式和最优通风量是亟待解决的问题。

发明内容

为了解决目前大型地下电站IPB依靠自然对流的方式不能完全满足散热要求，如何正确选择热平衡方式和最优通风量的问题，本发明提供一种能快速准确纠偏的基于长垂直封闭母线机械通风量的优化控制方法。

为实现上述目的，本发明所设计的基于长垂直封闭母线机械通风量的优化控制方法，其特殊之处在于，长垂直封闭母线内机械通风量V与IPB进出口的温差ΔT、热源强度q满足关系式：

V＝a₁+a₂*ΔT+a₃*q+a₄*ΔT²+a₅*q²+a₆q*ΔT

其中：a₁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，a₆为第六系数。

优选地，所述热源强度q的计算公式为：

q＝Q_S/[S_Q﹣π*(D_L ²/4)*n]

其中，Q_S为竖井高度方向发热量，S_Q为竖井有效散热截面积，D_L为母线外壳外径，n为竖井内母线组数。

优选地，当所述热源强度q的取值范围为60W/m³≤q＜120W/m³，所述第一系数a₁的值为1.4964，所述第二系数a₂的值为﹣0.06858，所述第三系数a₃的值为0.01763，所述第四系数a₄的值为0.0019，所述第五系数a₅的值为﹣5.7783×10^﹣5，所述第六系数a₆为﹣2.2053×10^﹣4。

优选地，当所述热源强度q的取值范围为120W/m³≤q＜240W/m³时，所述第一系数a₁的值为2.2413，所述第二系数a₂的值为﹣0.12938，所述第三系数a₃的值为﹣0.0059，所述第四系数a₄的值为0.0055，所述第五系数a₅的值为﹣6.6681×10^﹣6，所述第六系数a₆为﹣1.8144×10^﹣4。

优选地，当所述热源强度q的取值范围为240W/m³≤q＜360w/m³时，所述第一系数a₁的值为4.3681，所述第二系数a₂的值为﹣0.1353，所述第三系数a₃的值为﹣0.0121，所述第四系数a₄的值为0.0043，所述第五系数a₅的值为2.9583×10^﹣5，所述第六系数a₆为﹣9.8215×10^﹣5。

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。

对具有强热源的离相封闭母线竖井内的自然通风具有受限空间内强热源持续加热的特点，随着母线持续对竖井内空气加热作用造成热空气在竖井上部积聚，由于热压产生的自然对流不足以将热量带走，本发明提出大电流长垂直离相封闭母线自然通风和机械通风耦合作用的混合模式。

本发明通过数值计算和现场实测数据验证长垂直封闭母线在满足热平衡和温度的要求下机械通风具有最佳通风量的结果。找出不同通风量时离线封闭母线的温度变化规律，并进而发现母线在混合通风条件下的最优机械通风量。通过对混合通风量优化计算，既可保证温差要求，同时保证所选择的通风设备能耗最低，达到节能的目的。研究结果对于找到IPB竖井热平衡最佳机械通风量，在满足IPB运行环境的前提下达到节能减排具有重大意义。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

一、IPB竖井内的热平衡

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。

P_M＝Q_MF+Q_MD

P_M+P_K＝Q_KF+Q_KD

P_M为导体的功率损耗，W/(m相)；

Q_MF为IPB对外壳的辐射散热；

Q_MD为导体和外壳之间的对流传热；

P_K为导体、外壳的功率损耗，W/(m相)；

Q_KF为外壳的辐射散热；

Q_KD为外壳和壳外空气的对流散热。

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：

(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。

(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。

二、IPB竖井的物理模型

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。

三、IPB竖井的数学模型

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。

具体步骤包括：

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：

连续性方程： $\frac{\∂u_i}{\∂x_i}=0---\left(1\right)$

动量方程： $\frac{\∂u_i}{\∂t}+\frac{\∂\left(u_i{u}_j\right)}{\∂x_j}=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂x_i}+\frac{\∂}{\∂x_j}\[(v+v_t)\frac{\∂u_i}{\∂x_j}\]-g_i\mathrm{\β}(\stackrel{\‾}{T}-T_{\mathrm{\∞}})---\left(2\right)$

能量方程： $\frac{\∂T}{\∂t}+\frac{\∂\left(u_{j}T\right)}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\[\mathrm{\Γ}\frac{\∂T}{\∂x_j}\]+I---\left(3\right)$

式中：u_i：空气在垂直方向的平均速度分量；u_j：空气在水平方向的平均速度分量；x_i：垂直高度：t：时间；ρ：空气密度；p：压力；v：层流粘滞系数；v_t：紊流系数；g_i：垂直方向重力加速度；β：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；Γ：广义扩散系数；I：辐射强度；

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u_i；

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u_i满足连续性方程；

4)将修正后的压力p和空气在垂直方向的平均速度分量u_i的值代入能量方程，求解实际温度T；

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。

其中，步骤1)的能量方程中，广义扩散系数Γ与普朗特数P_r与σ_T存在下述关系式：

Γ＝v/Pr+v_t/σ_T

式中：v：层流粘滞系数；v_t：紊流系数；σ_T：经验常数，取0.9～1；P_r：普朗特数。

普朗特数Pr可根据公式Pr＝c_pv/λ求出,式中：c_p为定压比热容，λ为导热系数。

地下电站IPB散热问题的本质实际是有以内热源的非等温紊流换热、对外热辐射综合作用下，在竖井受限空间内的空气的温度场、速度场达到相应平衡的过程。这种受限空间内的气流是由经过IPB外壳加热产生的浮升力为动力的自下而上的热气流作用。数值模拟模型采用考虑浮升力的K–ε双方程模型，壁面采用标准壁面函数法。应用SIMPLE算法求解离散控制方程，离散方程采用QUICK格式以防止伪扩散，采用了多表面辐射(S2S)模型进行辐射计算。

辐射强度I的计算模型为：

$\frac{dI(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{s})}{ds}+(a+{\mathrm{\σ}}_s)I(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{s})={\mathrm{an}}^2\frac{{\mathrm{\σT}}^4}{\mathrm{\π}}+\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_0^{4\mathrm{\π}}I(\stackrel{\→}{r},{\stackrel{\→}{s}}^{\′})\mathrm{\Φ}(\stackrel{\→}{s},{\stackrel{\→}{s}}^{\′}){\mathrm{d\Ω}}^{\′}$

式中：位置向量；s：垂直长度；方向向量；a：吸收系数；σ_s：散射系数；n：折射系数；σ：斯蒂芬﹣玻耳兹曼常数；T：实际温度；Φ：相位函数；Ω'：空间立体角。空间立体角Ω'、吸收系数a等参数是有模型结构和材料性质决定的。

四、IPB竖井的热平衡分析

在自然通风条件下，通过对多个大型地下电站的IPB温度分布进行计算分析得出，有的地下电站IPB表面温度和竖井内的温度逐渐升高，并在上半部出现最大值，而在出口段温度反而有所降低使得温度呈现两端低中间高的分布曲线，其温差在控制范围之内，且其规律并不呈现明显的“烟囱”效应；然而也有的地下电站IPB表面温度随着高度增加逐步提高，IPB竖井没温度也随着高度增加逐步升高，具有明显的“烟囱”效应。

当IPB竖井内热源强度q较低时，其IPB作为内热源产生的热压形成的自然通风换热能力可以满足热平衡要求，造成在出口段的热浮升力不足以克服IPB出口部位室外相对低温空气影响，在出口处产生强烈对流传热，大大降低出口段温度并同时影响IPB上部靠近出口的表面温度及竖井温度，使得IPB“烟囱”效应不明显。随着热源强度q增高，在有限的空间内产生的自然通风不足以带走IPB散发的热量，并随着高度的增加空气温度也逐渐升高，这进一步削弱了热交换能力造成IPB表面温度的逐渐升高，因此当IPB内的热源强度q的增加IPB进出口的温差效应逐步增加使得IPB“烟囱”效应逐步增加。

热源强度q的计算公式为：

q＝Q_S/[S_Q－π*(D_L ²/4)*n]

其中，Q_S为竖井高度方向发热量，S_Q为竖井有效散热截面积，D_L为母线外壳外径，n为竖井内母线组数。

通过大量的仿真工作和工程实测，掌握大容量长垂直封闭母线受限空间内热平衡机理及其各影响因素间制约关系，获得了自然通风下的温差△T和IPB内的热源强度q以及母线垂直高度H的多参数数据分段拟合关联式。

ΔT＝a₁+a₂*H+a₃*q+a₄*H²+a₅*q²

其中：a₁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。

当热源强度q的取值范围为150W/m³≤q＜260W/m³、母线垂直高度H的取值范围为60m≤H＜100m时，第一系数a₁的值为﹣8.3399，第二系数a₂的值为0.18336，第三系数a₃的值为0.4559，第四系数a₄的值为6.7559×10^﹣4，第五系数a₅的值为7.7898×10^﹣6。则ΔT＝﹣8.3399+0.18336H+0.4559q+(6.7559×10^﹣4)H²+(7.7898×10^﹣6)q²。

当热源强度q的取值范围为260W/m³≤q＜400W/m³、母线垂直高度H的取值范围为60m≤H＜100m时，第一系数a₁的值为14.5349，第二系数a₂的值为0.01656，第三系数a₃的值为0.1521，第四系数a₄的值为2.9100×10^﹣4，第五系数a₅的值为﹣6.3164×10^﹣6。则ΔT＝14.5349+0.01656H+0.1521q+(2.9100×10^﹣4)H²－(6.3164×10^﹣6)q²。

当热源强度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100m≤H＜180m时，第一系数a₁的值为﹣2.9452，第二系数a₂的值为0.08397，第三系数a₃的值为0.04767，第四系数a₄的值为﹣2.2651×10^﹣4，第五系数a₅的值为2.0157×10^﹣6。则ΔT＝﹣2.9452+0.08397H+0.04767q－(2.2651×10^﹣4)H²+(2.0157×10^﹣6)*q²。

当热源强度q的取值范围为200W/m³≤q＜300W/m³、母线垂直高度H的取值范围为100m≤H＜180m时，第一系数a₁的值为15.4622，第二系数a₂的值为0.00572，第三系数a₃的值为﹣0.1769，第四系数a₄的值为﹣0.01072×10^﹣4，第五系数a₅的值为5.8279×10^﹣6。则ΔT＝15.4622+0.00572H－0.1769q－(0.01072×10^﹣4)H²+5.8279×10^﹣6)*q²。

自然通风条件下不同热源强度q、母线垂直高度H的母线温差控制值参考值见表1所示：

表1自然通风条件下母线温差控制值表

母线的导体和外壳温度应满足国家相关规范标准，而对于垂直段母线段来说，由于其散热能力远低于水平段，且存在高差引起的竖向温度差，为控制母线温度不超过国家规范规定，必须合理控制垂直段母线竖井的温差。

通过大型工程实践和数值仿真计算，提出上述系列关联式，用以判断和选择热平衡合理的控制方式，以保证长垂直母线在达到热平衡条件下具有合理的技术经济性能，自然及机械通风条件下母线温差控制值如表2所示。

表2自然及机械通风条件下母线温差控制值表

其中：N/代表自然通风方式下温差控制值，其它均为机械通风方式下温差控制值。

五、最优机械通风量的选择

当自然通风难以满足IPB竖井热环境的要求时，针对该类型热流封闭母线的形式，采取机械通风造成IPB竖井内强迫对流，提高空气与IPB外壳的换热系数，通过机械通风和自然通风的耦合作用，强化竖井内的换热能力。机械通风必然需要额外的通风设备提供空气流通的动力，因此也需要额外的电力消耗。如果通风设备选择过小，可能造成IPB内的换热不充分，选择通风设备过大则造成能耗过高，不利于节能减排。同时排风量的选择还需要和地下电站的整个通风系统结合考虑，否则造成地下电站风量平衡有问题，影响地下电站的通风空调效果。

在自然通风和机械通风耦合作用下，受到风机的驱动，母线竖井内的空气流速和对流换热增强，从而使得IPB表面温度和竖井内温差随着竖井内风速提高降低。在母线竖井内，由母线热流所产生的自然对流和由风机产生的机械流动相互增益作用。

值得注意的是，当机械通风风速达到一定程度后，上下端温差降低的幅度远远小于风速增长的幅度。因此，可以寻求一个较佳的的风速，使得满足温度要求的前提下，能够使得能耗较小。

通过大量的仿真工作和工程实测，掌握大容量长垂直封闭母线受限空间内热平衡机理及其各影响因素间制约关系，获得了长垂直封闭母线内机械通风量V与IPB进出口的温差ΔT、热源强度q满足关系式

V＝a₁+a₂*ΔT+a₃*q+a₄*ΔT²+a₅*q²+a₆q*ΔT

其中：a₁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，a₆为第六系数。

当热源强度q的取值范围为60W/m³≤q＜120W/m³，第一系数a₁的值为1.4964，第二系数a₂的值为﹣0.06858，第三系数a₃的值为0.01763，第四系数a₄的值为0.0019，第五系数a₅的值为﹣5.7783×10^﹣5，第六系数a₆为﹣2.2053×10^﹣4。V＝1.4964－0.06858ΔT+0.01763q+0.0019ΔT²－(5.7783×10^﹣5)q²－(2.2053×10^﹣4)qΔT。

当热源强度q的取值范围为120W/m³≤q＜240W/m³时，第一系数a₁的值为2.2413，第二系数a₂的值为﹣0.12938，第三系数a₃的值为﹣0.0059，第四系数a₄的值为0.0055，第五系数a₅的值为﹣6.6681×10^﹣6，第六系数a₆为﹣1.8144×10^﹣4。V＝2.2413－0.12938ΔT－0.0059q+0.0055ΔT²－(6.6681×10^﹣6)q²－(1.8144×10^﹣4)qΔT。

当热源强度q的取值范围为240W/m³≤q＜360w/m³时，第一系数a₁的值为4.3681，第二系数a₂的值为﹣0.1353，第三系数a₃的值为﹣0.0121，第四系数a₄的值为0.0043，第五系数a₅的值为2.9583×10^﹣5，第六系数a₆为﹣9.8215×10^﹣5。V＝4.3681－0.1353ΔT－0.0121q+0.0043ΔT²+(2.9583×10^﹣5)q²－(9.8215×10^﹣5)qΔT。

长垂直封闭母线竖井内自然及机械通风混合通风调节下，根据IPB进出口的温差ΔT及热源强度q，机械通风的最优风速的计算表格如表3所示。

表3自然及机械通风条件下机械通风量控制表

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.基于长垂直封闭母线机械通风量的优化控制方法，其特征在于：长垂直封闭母线内机械通风量V与IPB进出口的温差ΔT、热源强度q满足关系式：

V＝a₁+a₂*ΔT+a₃*q+a₄*ΔT²+a₅*q²+a₆q*ΔT

其中：a₁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，a₆为第六系数。

2.根据权利要求1所述的基于长垂直封闭母线机械通风量的优化控制方法，其特征在于：所述热源强度q的计算公式为：

q＝Q_S/[S_Q﹣π*(D_L ²/4)*n]

其中，Q_S为竖井高度方向发热量，S_Q为竖井有效散热截面积，D_L为母线外壳外径，n为竖井内母线组数。

3.根据权利要求1或2所述的基于长垂直封闭母线机械通风量的优化控制方法，其特征在于：当所述热源强度q的取值范围为60W/m³≤q＜120W/m³，所述第一系数a₁的值为1.4964，所述第二系数a₂的值为﹣0.06858，所述第三系数a₃的值为0.01763，所述第四系数a₄的值为0.0019，所述第五系数a₅的值为﹣5.7783×10^﹣5，所述第六系数a₆为﹣2.2053×10^﹣4。

4.根据权利要求1或2所述的基于长垂直封闭母线机械通风量的优化控制方法，其特征在于：当所述热源强度q的取值范围为120W/m³≤q＜240W/m³时，所述第一系数a₁的值为2.2413，所述第二系数a₂的值为﹣0.12938，所述第三系数a₃的值为﹣0.0059，所述第四系数a₄的值为0.0055，所述第五系数a₅的值为﹣6.6681×10^﹣6，所述第六系数a₆为﹣1.8144×10^﹣4。

5.根据权利要求1或2所述的基于长垂直封闭母线机械通风量的优化控制方法，其特征在于：当所述热源强度q的取值范围为240W/m³≤q＜360w/m³时，所述第一系数a₁的值为4.3681，所述第二系数a₂的值为﹣0.1353，所述第三系数a₃的值为﹣0.0121，所述第四系数a₄的值为0.0043，所述第五系数a₅的值为2.9583×10^﹣5，所述第六系数a₆为﹣9.8215×10^﹣5。