劉海燕　張軍　林文生　呂杰　王貴成

摘 要：核電百萬千瓦級汽輪發(fā)電機組輸出電流大，運行可靠性要求高，所用離相封閉母線均采用強迫冷卻方式冷卻，以增強母線散熱效果，避免出現(xiàn)母線過熱問題。因國內(nèi)至今未能掌握可用于工程應用的強迫風冷離相母線熱平衡計算技術，使得該設備一直長期依賴進口。該研究從工程應用角度出發(fā)，設定合理邊界條件，建立數(shù)學模型，完成熱平衡計算程序編制，并通過仿真及國外工程數(shù)據(jù)進行驗證，證明該計算軟件完全可應用于工程實際。

關鍵詞：核電 強迫風冷 熱平衡計算 電磁仿真 離相母線 過熱 數(shù)學模型

中圖分類號：TM645 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0028-05

國際上，核電百萬千瓦機組所用離相封閉母線均采用強迫冷卻方式，早20世紀在六、七十年代國外就已經(jīng)開始強迫冷卻技術研究及應用，而國內(nèi)僅近幾年隨著核電建設的大力發(fā)展，才開始進行該技術的工程應用研究，但尚無實際的工程應用經(jīng)驗。

由于國內(nèi)廠家一直不能獨立承擔強迫風冷IPB的設計，也無法進行IPB關鍵部分強迫風冷系統(tǒng)的選型設計，致使該設備一直長期依賴進口。因此，如何推動國內(nèi)母線廠家突破強迫風冷熱平衡計算軟件國產(chǎn)化的瓶頸，徹底實現(xiàn)強迫風冷母線設計及設備全套國產(chǎn)化，意義重大。

該研究以工程應用為目的，聯(lián)合國內(nèi)知名母線廠家，在消化和吸收國外技術的基礎上，根據(jù)積累的國內(nèi)外核電工程項目設計、安裝調(diào)試及運行經(jīng)驗，合理設定邊界條件，選取關鍵參數(shù)，并以依傳熱學、電工學建立的數(shù)學模型為理論依據(jù)，利用牛頓迭代法建立強迫風冷離相母線的熱平衡方程組，通過C語言編制計算程序，求得方程組的解進而得出數(shù)學模型的解，據(jù)此可進行母線及風冷系統(tǒng)設備（如風機、熱交換器等關鍵部套）的選型計算及對已選型設備進行驗證。因此，該文將從數(shù)學模型建立、軟件編制、熱平衡軟件工程驗證、結論四個章節(jié)對強迫風冷離相母線的熱平衡計算軟件的研究及驗證進行詳細論述。

1 熱平衡計算邊界條件及數(shù)學建模

1.1 邊界條件假定

由于母線導體和外殼溫度沿長度變化，母線分段兩端面與相連接部分也存在溫度差，因此沿母線長度方向存在導熱現(xiàn)象；導體和外殼有一定的厚度，其內(nèi)外壁之間也存在溫度差，厚度方向同樣存在導熱現(xiàn)象；加之強制對流換熱系數(shù)沿母線長度方向也有變化。這些因素都使風冷封閉母線熱計算更加復雜，但對母線熱計算的結果影響并不大可忽略，在具體設計時可根據(jù)工程經(jīng)驗，合理選擇換熱系數(shù)等關鍵系數(shù)，同時通過適當?shù)脑O計裕度可消化吸收所忽略因素的潛在影響，因此可以假定：

（1）母線分段端面絕熱，沿母線長度方向不存在導熱現(xiàn)象；

（2）母線導體及外殼的內(nèi)外壁溫度相等；

（3）同一通道內(nèi)換熱系數(shù)是相同的，而不計沿長度變化的影響；

（4）母線導體只與同一段的外殼發(fā)生輻射換熱，而不與相鄰段的外殼產(chǎn)生輻射換熱。

1.2 強迫風冷離相封閉母線的傳熱分析

不同冷卻空氣系統(tǒng)傳熱計算原則相同，本文以目前國內(nèi)外最常用的全連離相封閉母線單風系統(tǒng)來分析其傳熱特點，并建立熱平衡方程。單風系統(tǒng)封閉母線熱流圖如圖1所示[1]。

1.3 數(shù)學模型建立及其邊界條件

在假定邊界條件下，數(shù)學模型采用微分方法沿母線長度方向?qū)⒛妇€分成若干段，針對每一段建立熱平衡方程。熱平衡方程參數(shù)較多，但根據(jù)數(shù)學模型利用先進的計算機語言編制軟件，通過軟件進行熱平衡計算，所有段的理論溫度值會在幾秒鐘內(nèi)獲得，不僅方便母線選型計算，而且是風冷系統(tǒng)（如風機、電機及熱交換器）選型的重要依據(jù)。

就母線導體而言，母線導體的損耗Pm一部分以強制對流的方式傳給母線與外殼之間的空氣流，記為Qmdg，另一部分以輻射的方式傳給外殼內(nèi)表面，記為Qmf。就外殼而言，外殼除本身損耗Pk外，還接受母線導體輻射的能量Qmf和太陽輻射能量Pr，這些熱量一部分由外殼內(nèi)表面以強制對流的方式傳給母線與外殼之間的空氣流，記為Qkdg，一部分以自然對流的方式傳給周圍的空氣，記為Qkd，還有一部分以輻射的方式傳給母線外殼外部環(huán)境，記為Qkf。

在熱平衡的情況下，應滿足下列方程式：

1.3.1 母線導體熱平衡方程

1.3.2 母線外殼熱平衡方程

1.3.3 母線內(nèi)部空氣溫升計算

1.3.4 邊界條件

2 熱平衡計算及風冷系統(tǒng)選型計算

2.1 軟件開發(fā)平臺

強迫風冷熱平衡計算軟件的開發(fā)采用了C語言為編程提供集成開發(fā)環(huán)境，在這個環(huán)境中，編程者可設計界面、編寫代碼、調(diào)試程序，直至把應用程序編譯成可在Windows中運行的可執(zhí)行文件，并為它生成安裝程序。利用C編程語言的可視化界面，根據(jù)強迫風冷系統(tǒng)特性，直接在屏幕上“畫”出窗口、菜單、按鈕等不同類型的對象設計出應用程序的界面，并為每個對象設置屬性，再針對每一個對象編寫事件驅(qū)動代碼。

2.2 程序算法原理

程序的算法原理為牛頓迭代法，牛頓迭代法的核心是用線性函數(shù)近似非線性函數(shù)，逐步用線性方程的根近似非線性方程的根。

程序是建立在強迫風冷熱平衡方程組的前提下，利用牛頓迭代法通過給定的參數(shù)、假定變量的初始值及假定變量的線性方程，按給定的運算判定條件，對方程組中的未知變量進行循環(huán)迭代求解。

2.3 程序邏輯

令L為母線總長度，n為熱計算分段數(shù)， f為每分段的長度（f=L/n）。母線導體的直徑和管壁厚度分別記為Dm和Cm，外殼的直徑和厚度分別記為Dk和Ck。隨著母線長度的變化，分段建立熱平衡方程，而后逐段求解。分段示意圖如圖2。

2.4 運算界面編制

利用C語言的可視化界面，根據(jù)強迫風冷系統(tǒng)特性，直接在屏幕上“畫”出窗口、菜單、按鈕等不同類型的對象設計出應用程序的界面，并為每個對象設置屬性，再針對每一個對象編寫事件驅(qū)動代碼。endprint

軟件界面分為三部分，第一部分是參數(shù)設定區(qū)，第二部分是數(shù)據(jù)輸出區(qū)，第三部分屬于導體和外殼溫度分布趨勢圖顯示區(qū)。

2.5 程序運算

程序編制完成后，利用電磁仿真校驗及大量工程數(shù)據(jù)運算等方式，最終完善計算程序。下面是根據(jù)某項目母線工程數(shù)據(jù)作為基礎輸入數(shù)據(jù)，選定某些關鍵系數(shù)（如換流系數(shù)，阻力系數(shù)及輻射系數(shù)，導體黑度等），單相分段數(shù)為20段，程序運算結果如圖3。

從程序運算結果可知，導體最高溫度71.3 ℃小于標準GB8349-2000要求的90 ℃，溫升小于標準規(guī)定50 K，外殼溫度最高為62.9 ℃，小于標準要求的70 ℃，溫升值也小于標準要求的30 K，因此，可判斷該計算程序數(shù)學模型及參數(shù)設置均較為合理，計算結果較為理想。

2.6 風冷系統(tǒng)設備選型計算

2.6.1 空氣冷卻器的選型計算

空氣冷卻器的選型計算主要包含以下幾個方面：

a.計算空氣冷卻器進水溫度θc（℃）和出水θZ（℃），驗證是否滿足電廠工業(yè)用水的要求。

b.迎風面風速Vy及冷卻水流速ω的選擇計算。

c.空氣冷卻器主要參數(shù)：

迎風面積Fy（m2）

換熱面積F（m2）

介質(zhì)通過截面積FZ（m2）

傳熱系數(shù)k的計算公式，k值的大小與迎風面風速Vy（m/s）、水的流速ω（m/s）、析濕系數(shù)ξ有關。

空氣阻力△Hg（pa）的計算公式，與迎風面風速Vy有關。

水的阻力△h（pa）的計算公式，與水的流速ω有關。

2.6.2 風機的選型計算

選擇風機必須滿足下列幾個要求：

a.風機風壓必須大于整個風道的阻力。

b.風機風量需大于風冷系統(tǒng)所需要的風量，整個風道的阻力=（整個風冷母線的阻力+母線和冷卻器之間連接管道的阻力+冷卻器中風的阻力）。

c.根據(jù)系統(tǒng)選定的風量、所需壓頭及已確定的風機類型，再由通風機性能曲線或性能參數(shù)選定風機型號。

d.考慮到管道的泄露，及壓力損失計算的不夠精確，故選用風機的風量和風壓應大于系統(tǒng)計算的風量和風壓。

e.風機的功率，需重點考慮有效功率，即單位時間內(nèi)傳遞給空氣的能量。

3 熱平衡計算軟件工程驗證

由于強迫風冷型式試驗段不可能按照具體工程母線布置制作及安裝，而僅制作試驗段并按試驗段要求配置強迫風冷系統(tǒng)（該系統(tǒng)僅適用于試驗段），其母線布置及強迫風冷系統(tǒng)參數(shù)與具體工程參數(shù)差異較大，不能直接驗證具體工程熱平衡計算結果。因此，熱平衡計算軟件開發(fā)完成后，如何驗證是判斷其能否應用于工程實際的關鍵。但至今國內(nèi)外均沒有標準對此進行詳細規(guī)定，同時對于是否適用于工程實際，也無統(tǒng)一的判斷標準，本文針對軟件的特點及多個核電工程經(jīng)驗，提供以下幾種工程驗證方式。

3.1 電磁仿真計算驗證

在相同邊界條件及數(shù)學模型基礎上，進行電磁仿真計算，通過電磁場三維動態(tài)仿真分析，可以得到外殼及附近相關結構磁場、電流密度、損耗及溫度等分布數(shù)據(jù)，將計算結果與熱平衡計算結果進行比對，以此校驗熱平衡計算的準確性及合理性。

通過2.5節(jié)的仿真計算及熱平衡運算可知，該仿真軟件已經(jīng)與熱平衡計算程序進行了相互校驗，校驗結果為偏差2 ℃左右，綜合考慮計算、邊界條件及關鍵系數(shù)選取及網(wǎng)格劃分等誤差，該偏差在合理范圍內(nèi)，充分驗證了該熱平衡計算程序。

3.2 電廠運行數(shù)據(jù)驗證

電廠運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，無疑可以客觀反映設備運行狀態(tài)，利用該數(shù)據(jù)來校驗熱平衡計算程序的準確性，具有較大意義，以某核電在運機組監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算結果進行比對（見表1），熱平衡計算結果與運行數(shù)據(jù)誤差在2 ℃以內(nèi)，偏差在合理范圍，且導體溫度遠低于標準要求的90 ℃。根據(jù)工程經(jīng)驗，從經(jīng)濟性、可靠性等方面綜合考慮，可適當調(diào)整計算程序中的關鍵系數(shù)，或考慮較大的設計裕度進一步減小計算偏差。

3.3 國外廠家工程數(shù)據(jù)驗證

隨著國內(nèi)核電項目的不斷增多，加之國外有經(jīng)驗廠家ALSTOM、Simelectro.SAS、及AZZ Calvert、意大利ALFA、美國GE等的積極參與，從而積累了大量的工程計算數(shù)據(jù)。通過多個工程項目國外廠家的計算數(shù)據(jù)與該熱平衡計算軟件運算結果進行比對，相對偏差仍可保證在2 ℃以內(nèi)，間接驗證了該軟件的合理性及工程適用性，并可進一步對熱平衡程序進行修正及完善。

3.4 樣機驗證的可行性

隨著國內(nèi)核電項目及大功率常規(guī)項目的迅速增多，強迫風冷離相母線的廣泛應用將成為今后的必然趨勢，巨大的市場前景，將促使母線企業(yè)進行強迫風冷母線的開發(fā)及制造。依據(jù)項目基本參數(shù)進行熱平衡計算及設備選型計算，最終完成強迫風冷母線設備的選型計算及詳細設計。但因風冷母線在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，暫無廠家擁有成套風冷母線的供貨經(jīng)驗，對于全新的產(chǎn)品，進行型式試驗是非常有必要的，不僅驗證設備本身，同時也可驗證設計計算的準確性。

依據(jù)標準GB8349-2000第8.2節(jié)對型式試驗的要求，經(jīng)分析除了溫升試驗外，其余試驗與自冷母線基本一致，可不用重新再做。而溫升試驗恰好可驗證強迫風冷熱平衡計算程序及風冷設備選型的合理性。同時，國內(nèi)核電技術主要有CPR1000、AP1000及EPR三種，電流從33000A至45000A。制造一套40000A左右電流的樣機進行溫升試驗，可涵蓋這幾種技術類型的設備，僅母線導體及外殼尺寸稍有差別。目前，國內(nèi)已有廠家開始進行該樣機的制造工作，預計近一兩年內(nèi)可通過溫升試驗方式驗證強迫風冷熱平衡計算程序。

4 結語

因溫度場的動態(tài)變化快，計算復雜，驗證困難，核電強迫風冷離相母線設備國產(chǎn)化核心計算即熱平衡計算，是整個母線設計的核心部分，是制約強迫風冷母線國產(chǎn)化的關鍵因素。本文首次以工程應用為出發(fā)點，全面的闡述了熱平衡設計技術開發(fā)及驗證方式：

（1）結合豐富的核電工程經(jīng)驗適當選取關鍵參數(shù)（如黑度、對流系數(shù)、阻力系數(shù)、輻射系數(shù)等），建立適用于工程的數(shù)學模型。

（2）完成工程應用熱平衡計算軟件編制及運算。

（3）基于熱平衡計算完成應用于工程實際的風冷系統(tǒng)設備選型計算，并提出設計要點，確定關鍵參數(shù)選取原則。

（4）首次提出強迫風冷熱平衡計算程序驗證方法，并依據(jù)多個核電工程建設及運營經(jīng)驗，利用國內(nèi)外成熟的強迫風冷技術對熱平衡計算軟件進行了充分驗證，使得軟件具備工程應用條件，打破強迫風冷熱平衡軟件始終停留在初步理論研究階段。

（5）分析國內(nèi)主要核電技術路線，提出模型樣機制造路線，將通過樣機型式試驗從根本上驗證設備的可靠性及工程應用性，使得強迫風冷母線設備設計及制造徹底國產(chǎn)化。

參考文獻

[1] 吳勵堅.大電流母線的理論基礎與設計[M].水利電出版社，1985.

[2] 孔慶東，羅敬安，林福本.大電流母線的設計制造及安裝[M].水利電力出版社，1988.

[3] 孔慶東.分相封閉母線發(fā)熱與散熱計算[J].電力技術，1980（9）.endprint

軟件界面分為三部分，第一部分是參數(shù)設定區(qū)，第二部分是數(shù)據(jù)輸出區(qū)，第三部分屬于導體和外殼溫度分布趨勢圖顯示區(qū)。

2.5 程序運算

程序編制完成后，利用電磁仿真校驗及大量工程數(shù)據(jù)運算等方式，最終完善計算程序。下面是根據(jù)某項目母線工程數(shù)據(jù)作為基礎輸入數(shù)據(jù)，選定某些關鍵系數(shù)（如換流系數(shù)，阻力系數(shù)及輻射系數(shù)，導體黑度等），單相分段數(shù)為20段，程序運算結果如圖3。

從程序運算結果可知，導體最高溫度71.3 ℃小于標準GB8349-2000要求的90 ℃，溫升小于標準規(guī)定50 K，外殼溫度最高為62.9 ℃，小于標準要求的70 ℃，溫升值也小于標準要求的30 K，因此，可判斷該計算程序數(shù)學模型及參數(shù)設置均較為合理，計算結果較為理想。

2.6 風冷系統(tǒng)設備選型計算

2.6.1 空氣冷卻器的選型計算

空氣冷卻器的選型計算主要包含以下幾個方面：

a.計算空氣冷卻器進水溫度θc（℃）和出水θZ（℃），驗證是否滿足電廠工業(yè)用水的要求。

b.迎風面風速Vy及冷卻水流速ω的選擇計算。

c.空氣冷卻器主要參數(shù)：

迎風面積Fy（m2）

換熱面積F（m2）

介質(zhì)通過截面積FZ（m2）

傳熱系數(shù)k的計算公式，k值的大小與迎風面風速Vy（m/s）、水的流速ω（m/s）、析濕系數(shù)ξ有關。

空氣阻力△Hg（pa）的計算公式，與迎風面風速Vy有關。

水的阻力△h（pa）的計算公式，與水的流速ω有關。

2.6.2 風機的選型計算

選擇風機必須滿足下列幾個要求：

a.風機風壓必須大于整個風道的阻力。

b.風機風量需大于風冷系統(tǒng)所需要的風量，整個風道的阻力=（整個風冷母線的阻力+母線和冷卻器之間連接管道的阻力+冷卻器中風的阻力）。

c.根據(jù)系統(tǒng)選定的風量、所需壓頭及已確定的風機類型，再由通風機性能曲線或性能參數(shù)選定風機型號。

d.考慮到管道的泄露，及壓力損失計算的不夠精確，故選用風機的風量和風壓應大于系統(tǒng)計算的風量和風壓。

e.風機的功率，需重點考慮有效功率，即單位時間內(nèi)傳遞給空氣的能量。

3 熱平衡計算軟件工程驗證

由于強迫風冷型式試驗段不可能按照具體工程母線布置制作及安裝，而僅制作試驗段并按試驗段要求配置強迫風冷系統(tǒng)（該系統(tǒng)僅適用于試驗段），其母線布置及強迫風冷系統(tǒng)參數(shù)與具體工程參數(shù)差異較大，不能直接驗證具體工程熱平衡計算結果。因此，熱平衡計算軟件開發(fā)完成后，如何驗證是判斷其能否應用于工程實際的關鍵。但至今國內(nèi)外均沒有標準對此進行詳細規(guī)定，同時對于是否適用于工程實際，也無統(tǒng)一的判斷標準，本文針對軟件的特點及多個核電工程經(jīng)驗，提供以下幾種工程驗證方式。

3.1 電磁仿真計算驗證

在相同邊界條件及數(shù)學模型基礎上，進行電磁仿真計算，通過電磁場三維動態(tài)仿真分析，可以得到外殼及附近相關結構磁場、電流密度、損耗及溫度等分布數(shù)據(jù)，將計算結果與熱平衡計算結果進行比對，以此校驗熱平衡計算的準確性及合理性。

通過2.5節(jié)的仿真計算及熱平衡運算可知，該仿真軟件已經(jīng)與熱平衡計算程序進行了相互校驗，校驗結果為偏差2 ℃左右，綜合考慮計算、邊界條件及關鍵系數(shù)選取及網(wǎng)格劃分等誤差，該偏差在合理范圍內(nèi)，充分驗證了該熱平衡計算程序。

3.2 電廠運行數(shù)據(jù)驗證

電廠運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，無疑可以客觀反映設備運行狀態(tài)，利用該數(shù)據(jù)來校驗熱平衡計算程序的準確性，具有較大意義，以某核電在運機組監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算結果進行比對（見表1），熱平衡計算結果與運行數(shù)據(jù)誤差在2 ℃以內(nèi)，偏差在合理范圍，且導體溫度遠低于標準要求的90 ℃。根據(jù)工程經(jīng)驗，從經(jīng)濟性、可靠性等方面綜合考慮，可適當調(diào)整計算程序中的關鍵系數(shù)，或考慮較大的設計裕度進一步減小計算偏差。

3.3 國外廠家工程數(shù)據(jù)驗證

隨著國內(nèi)核電項目的不斷增多，加之國外有經(jīng)驗廠家ALSTOM、Simelectro.SAS、及AZZ Calvert、意大利ALFA、美國GE等的積極參與，從而積累了大量的工程計算數(shù)據(jù)。通過多個工程項目國外廠家的計算數(shù)據(jù)與該熱平衡計算軟件運算結果進行比對，相對偏差仍可保證在2 ℃以內(nèi)，間接驗證了該軟件的合理性及工程適用性，并可進一步對熱平衡程序進行修正及完善。

3.4 樣機驗證的可行性

隨著國內(nèi)核電項目及大功率常規(guī)項目的迅速增多，強迫風冷離相母線的廣泛應用將成為今后的必然趨勢，巨大的市場前景，將促使母線企業(yè)進行強迫風冷母線的開發(fā)及制造。依據(jù)項目基本參數(shù)進行熱平衡計算及設備選型計算，最終完成強迫風冷母線設備的選型計算及詳細設計。但因風冷母線在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，暫無廠家擁有成套風冷母線的供貨經(jīng)驗，對于全新的產(chǎn)品，進行型式試驗是非常有必要的，不僅驗證設備本身，同時也可驗證設計計算的準確性。

依據(jù)標準GB8349-2000第8.2節(jié)對型式試驗的要求，經(jīng)分析除了溫升試驗外，其余試驗與自冷母線基本一致，可不用重新再做。而溫升試驗恰好可驗證強迫風冷熱平衡計算程序及風冷設備選型的合理性。同時，國內(nèi)核電技術主要有CPR1000、AP1000及EPR三種，電流從33000A至45000A。制造一套40000A左右電流的樣機進行溫升試驗，可涵蓋這幾種技術類型的設備，僅母線導體及外殼尺寸稍有差別。目前，國內(nèi)已有廠家開始進行該樣機的制造工作，預計近一兩年內(nèi)可通過溫升試驗方式驗證強迫風冷熱平衡計算程序。

4 結語

因溫度場的動態(tài)變化快，計算復雜，驗證困難，核電強迫風冷離相母線設備國產(chǎn)化核心計算即熱平衡計算，是整個母線設計的核心部分，是制約強迫風冷母線國產(chǎn)化的關鍵因素。本文首次以工程應用為出發(fā)點，全面的闡述了熱平衡設計技術開發(fā)及驗證方式：

（1）結合豐富的核電工程經(jīng)驗適當選取關鍵參數(shù)（如黑度、對流系數(shù)、阻力系數(shù)、輻射系數(shù)等），建立適用于工程的數(shù)學模型。

（2）完成工程應用熱平衡計算軟件編制及運算。

（3）基于熱平衡計算完成應用于工程實際的風冷系統(tǒng)設備選型計算，并提出設計要點，確定關鍵參數(shù)選取原則。

（4）首次提出強迫風冷熱平衡計算程序驗證方法，并依據(jù)多個核電工程建設及運營經(jīng)驗，利用國內(nèi)外成熟的強迫風冷技術對熱平衡計算軟件進行了充分驗證，使得軟件具備工程應用條件，打破強迫風冷熱平衡軟件始終停留在初步理論研究階段。

（5）分析國內(nèi)主要核電技術路線，提出模型樣機制造路線，將通過樣機型式試驗從根本上驗證設備的可靠性及工程應用性，使得強迫風冷母線設備設計及制造徹底國產(chǎn)化。

參考文獻

[1] 吳勵堅.大電流母線的理論基礎與設計[M].水利電出版社，1985.

[2] 孔慶東，羅敬安，林福本.大電流母線的設計制造及安裝[M].水利電力出版社，1988.

[3] 孔慶東.分相封閉母線發(fā)熱與散熱計算[J].電力技術，1980（9）.endprint

軟件界面分為三部分，第一部分是參數(shù)設定區(qū)，第二部分是數(shù)據(jù)輸出區(qū)，第三部分屬于導體和外殼溫度分布趨勢圖顯示區(qū)。

2.5 程序運算

程序編制完成后，利用電磁仿真校驗及大量工程數(shù)據(jù)運算等方式，最終完善計算程序。下面是根據(jù)某項目母線工程數(shù)據(jù)作為基礎輸入數(shù)據(jù)，選定某些關鍵系數(shù)（如換流系數(shù)，阻力系數(shù)及輻射系數(shù)，導體黑度等），單相分段數(shù)為20段，程序運算結果如圖3。

從程序運算結果可知，導體最高溫度71.3 ℃小于標準GB8349-2000要求的90 ℃，溫升小于標準規(guī)定50 K，外殼溫度最高為62.9 ℃，小于標準要求的70 ℃，溫升值也小于標準要求的30 K，因此，可判斷該計算程序數(shù)學模型及參數(shù)設置均較為合理，計算結果較為理想。

2.6 風冷系統(tǒng)設備選型計算

2.6.1 空氣冷卻器的選型計算

空氣冷卻器的選型計算主要包含以下幾個方面：

a.計算空氣冷卻器進水溫度θc（℃）和出水θZ（℃），驗證是否滿足電廠工業(yè)用水的要求。

b.迎風面風速Vy及冷卻水流速ω的選擇計算。

c.空氣冷卻器主要參數(shù)：

迎風面積Fy（m2）

換熱面積F（m2）

介質(zhì)通過截面積FZ（m2）

傳熱系數(shù)k的計算公式，k值的大小與迎風面風速Vy（m/s）、水的流速ω（m/s）、析濕系數(shù)ξ有關。

空氣阻力△Hg（pa）的計算公式，與迎風面風速Vy有關。

水的阻力△h（pa）的計算公式，與水的流速ω有關。

2.6.2 風機的選型計算

選擇風機必須滿足下列幾個要求：

a.風機風壓必須大于整個風道的阻力。

b.風機風量需大于風冷系統(tǒng)所需要的風量，整個風道的阻力=（整個風冷母線的阻力+母線和冷卻器之間連接管道的阻力+冷卻器中風的阻力）。

c.根據(jù)系統(tǒng)選定的風量、所需壓頭及已確定的風機類型，再由通風機性能曲線或性能參數(shù)選定風機型號。

d.考慮到管道的泄露，及壓力損失計算的不夠精確，故選用風機的風量和風壓應大于系統(tǒng)計算的風量和風壓。

e.風機的功率，需重點考慮有效功率，即單位時間內(nèi)傳遞給空氣的能量。

3 熱平衡計算軟件工程驗證

由于強迫風冷型式試驗段不可能按照具體工程母線布置制作及安裝，而僅制作試驗段并按試驗段要求配置強迫風冷系統(tǒng)（該系統(tǒng)僅適用于試驗段），其母線布置及強迫風冷系統(tǒng)參數(shù)與具體工程參數(shù)差異較大，不能直接驗證具體工程熱平衡計算結果。因此，熱平衡計算軟件開發(fā)完成后，如何驗證是判斷其能否應用于工程實際的關鍵。但至今國內(nèi)外均沒有標準對此進行詳細規(guī)定，同時對于是否適用于工程實際，也無統(tǒng)一的判斷標準，本文針對軟件的特點及多個核電工程經(jīng)驗，提供以下幾種工程驗證方式。

3.1 電磁仿真計算驗證

在相同邊界條件及數(shù)學模型基礎上，進行電磁仿真計算，通過電磁場三維動態(tài)仿真分析，可以得到外殼及附近相關結構磁場、電流密度、損耗及溫度等分布數(shù)據(jù)，將計算結果與熱平衡計算結果進行比對，以此校驗熱平衡計算的準確性及合理性。

通過2.5節(jié)的仿真計算及熱平衡運算可知，該仿真軟件已經(jīng)與熱平衡計算程序進行了相互校驗，校驗結果為偏差2 ℃左右，綜合考慮計算、邊界條件及關鍵系數(shù)選取及網(wǎng)格劃分等誤差，該偏差在合理范圍內(nèi)，充分驗證了該熱平衡計算程序。

3.2 電廠運行數(shù)據(jù)驗證

電廠運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，無疑可以客觀反映設備運行狀態(tài)，利用該數(shù)據(jù)來校驗熱平衡計算程序的準確性，具有較大意義，以某核電在運機組監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算結果進行比對（見表1），熱平衡計算結果與運行數(shù)據(jù)誤差在2 ℃以內(nèi)，偏差在合理范圍，且導體溫度遠低于標準要求的90 ℃。根據(jù)工程經(jīng)驗，從經(jīng)濟性、可靠性等方面綜合考慮，可適當調(diào)整計算程序中的關鍵系數(shù)，或考慮較大的設計裕度進一步減小計算偏差。

3.3 國外廠家工程數(shù)據(jù)驗證

隨著國內(nèi)核電項目的不斷增多，加之國外有經(jīng)驗廠家ALSTOM、Simelectro.SAS、及AZZ Calvert、意大利ALFA、美國GE等的積極參與，從而積累了大量的工程計算數(shù)據(jù)。通過多個工程項目國外廠家的計算數(shù)據(jù)與該熱平衡計算軟件運算結果進行比對，相對偏差仍可保證在2 ℃以內(nèi)，間接驗證了該軟件的合理性及工程適用性，并可進一步對熱平衡程序進行修正及完善。

3.4 樣機驗證的可行性

隨著國內(nèi)核電項目及大功率常規(guī)項目的迅速增多，強迫風冷離相母線的廣泛應用將成為今后的必然趨勢，巨大的市場前景，將促使母線企業(yè)進行強迫風冷母線的開發(fā)及制造。依據(jù)項目基本參數(shù)進行熱平衡計算及設備選型計算，最終完成強迫風冷母線設備的選型計算及詳細設計。但因風冷母線在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，暫無廠家擁有成套風冷母線的供貨經(jīng)驗，對于全新的產(chǎn)品，進行型式試驗是非常有必要的，不僅驗證設備本身，同時也可驗證設計計算的準確性。

依據(jù)標準GB8349-2000第8.2節(jié)對型式試驗的要求，經(jīng)分析除了溫升試驗外，其余試驗與自冷母線基本一致，可不用重新再做。而溫升試驗恰好可驗證強迫風冷熱平衡計算程序及風冷設備選型的合理性。同時，國內(nèi)核電技術主要有CPR1000、AP1000及EPR三種，電流從33000A至45000A。制造一套40000A左右電流的樣機進行溫升試驗，可涵蓋這幾種技術類型的設備，僅母線導體及外殼尺寸稍有差別。目前，國內(nèi)已有廠家開始進行該樣機的制造工作，預計近一兩年內(nèi)可通過溫升試驗方式驗證強迫風冷熱平衡計算程序。

4 結語

因溫度場的動態(tài)變化快，計算復雜，驗證困難，核電強迫風冷離相母線設備國產(chǎn)化核心計算即熱平衡計算，是整個母線設計的核心部分，是制約強迫風冷母線國產(chǎn)化的關鍵因素。本文首次以工程應用為出發(fā)點，全面的闡述了熱平衡設計技術開發(fā)及驗證方式：

（1）結合豐富的核電工程經(jīng)驗適當選取關鍵參數(shù)（如黑度、對流系數(shù)、阻力系數(shù)、輻射系數(shù)等），建立適用于工程的數(shù)學模型。

（2）完成工程應用熱平衡計算軟件編制及運算。

（3）基于熱平衡計算完成應用于工程實際的風冷系統(tǒng)設備選型計算，并提出設計要點，確定關鍵參數(shù)選取原則。

（4）首次提出強迫風冷熱平衡計算程序驗證方法，并依據(jù)多個核電工程建設及運營經(jīng)驗，利用國內(nèi)外成熟的強迫風冷技術對熱平衡計算軟件進行了充分驗證，使得軟件具備工程應用條件，打破強迫風冷熱平衡軟件始終停留在初步理論研究階段。

（5）分析國內(nèi)主要核電技術路線，提出模型樣機制造路線，將通過樣機型式試驗從根本上驗證設備的可靠性及工程應用性，使得強迫風冷母線設備設計及制造徹底國產(chǎn)化。

參考文獻

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