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(yīng)用的強迫風(fēng)冷離相母線熱平衡計算技術(shù)，使得該設(shè)備一直長期依賴進口。該研究從工程應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)定合理邊界條件，建立數(shù)學(xué)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(yīng)用于工程實際。

關(guān)鍵詞：核電 強迫風(fēng)冷 熱平衡計算 電磁仿真 離相母線 過熱 數(shù)學(xué)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(shù)研究及應(yīng)用，而國內(nèi)僅近幾年隨著核電建設(shè)的大力發(fā)展，才開始進行該技術(shù)的工程應(yīng)用研究，但尚無實際的工程應(yīng)用經(jīng)驗。

由于國內(nèi)廠家一直不能獨立承擔強迫風(fēng)冷IPB的設(shè)計，也無法進行IPB關(guān)鍵部分強迫風(fēng)冷系統(tǒng)的選型設(shè)計，致使該設(shè)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(fēng)冷熱平衡計算軟件國產(chǎn)化的瓶頸，徹底實現(xiàn)強迫風(fēng)冷母線設(shè)計及設(shè)備全套國產(chǎn)化，意義重大。

該研究以工程應(yīng)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(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)積累的國內(nèi)外核電工程項目設(shè)計、安裝調(diào)試及運行經(jīng)驗，合理設(shè)定邊界條件，選取關(guān)鍵參數(shù)，并以依傳熱學(xué)、電工學(xué)建立的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)，利用牛頓迭代法建立強迫風(fēng)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(xué)模型的解，據(jù)此可進行母線及風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)備（如風(fēng)機、熱交換器等關(guān)鍵部套）的選型計算及對已選型設(shè)備進行驗證。因此，該文將從數(shù)學(xué)模型建立、軟件編制、熱平衡軟件工程驗證、結(jié)論四個章節(jié)對強迫風(fēng)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(xué)建模

1.1 邊界條件假定

由于母線導(dǎo)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(dǎo)熱現(xiàn)象；導(dǎo)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(dǎo)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(fēng)冷封閉母線熱計算更加復(fù)雜，但對母線熱計算的結(jié)果影響并不大可忽略，在具體設(shè)計時可根據(jù)工程經(jīng)驗，合理選擇換熱系數(shù)等關(guān)鍵系數(shù)，同時通過適當?shù)脑O(shè)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(dǎo)熱現(xiàn)象；

（2）母線導(dǎo)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(dǎo)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(fēng)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(fēng)系統(tǒng)來分析其傳熱特點，并建立熱平衡方程。單風(fēng)系統(tǒng)封閉母線熱流圖如圖1所示[1]。

1.3 數(shù)學(xué)模型建立及其邊界條件

在假定邊界條件下，數(shù)學(xué)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(xué)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(fēng)冷系統(tǒng)（如風(fēng)機、電機及熱交換器）選型的重要依據(jù)。

就母線導(dǎo)體而言，母線導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)滿足下列方程式：

1.3.1 母線導(dǎo)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(fēng)冷系統(tǒng)選型計算

2.1 軟件開發(fā)平臺

強迫風(fēng)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(shè)計界面、編寫代碼、調(diào)試程序，直至把應(yīng)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(fēng)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(shè)計出應(yīng)用程序的界面，并為每個對象設(shè)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(fēng)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(dǎo)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(fēng)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(shè)計出應(yīng)用程序的界面，并為每個對象設(shè)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(shè)定區(qū)，第二部分是數(shù)據(jù)輸出區(qū)，第三部分屬于導(dǎo)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(chǔ)輸入數(shù)據(jù)，選定某些關(guān)鍵系數(shù)（如換流系數(shù)，阻力系數(shù)及輻射系數(shù)，導(dǎo)體黑度等），單相分段數(shù)為20段，程序運算結(jié)果如圖3。

從程序運算結(jié)果可知，導(dǎo)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(xué)模型及參數(shù)設(shè)置均較為合理，計算結(jié)果較為理想。

2.6 風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)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(fēng)面風(fēng)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(fēng)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(fēng)面風(fēng)速Vy（m/s）、水的流速ω（m/s）、析濕系數(shù)ξ有關(guān)。

空氣阻力△Hg（pa）的計算公式，與迎風(fēng)面風(fēng)速Vy有關(guān)。

水的阻力△h（pa）的計算公式，與水的流速ω有關(guān)。

2.6.2 風(fēng)機的選型計算

選擇風(fēng)機必須滿足下列幾個要求：

a.風(fēng)機風(fēng)壓必須大于整個風(fēng)道的阻力。

b.風(fēng)機風(fēng)量需大于風(fēng)冷系統(tǒng)所需要的風(fēng)量，整個風(fēng)道的阻力=（整個風(fēng)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(fēng)的阻力）。

c.根據(jù)系統(tǒng)選定的風(fēng)量、所需壓頭及已確定的風(fēng)機類型，再由通風(fēng)機性能曲線或性能參數(shù)選定風(fēng)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(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)大于系統(tǒng)計算的風(fēng)量和風(fēng)壓。

e.風(fēng)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(fēng)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(fēng)冷系統(tǒng)（該系統(tǒng)僅適用于試驗段），其母線布置及強迫風(fēng)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(jié)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(yīng)用于工程實際的關(guān)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(xué)模型基礎(chǔ)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(guān)結(jié)構(gòu)磁場、電流密度、損耗及溫度等分布數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果與熱平衡計算結(jié)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(jié)果為偏差2 ℃左右，綜合考慮計算、邊界條件及關(guān)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(shè)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(jié)果進行比對（見表1），熱平衡計算結(jié)果與運行數(shù)據(jù)誤差在2 ℃以內(nèi)，偏差在合理范圍，且導(dǎo)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(guān)鍵系數(shù)，或考慮較大的設(shè)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(jié)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(fēng)冷離相母線的廣泛應(yīng)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(fēng)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(shè)備選型計算，最終完成強迫風(fēng)冷母線設(shè)備的選型計算及詳細設(shè)計。但因風(fēng)冷母線在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，暫無廠家擁有成套風(fēng)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(shè)備本身，同時也可驗證設(shè)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(fēng)冷熱平衡計算程序及風(fēng)冷設(shè)備選型的合理性。同時，國內(nèi)核電技術(shù)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(shù)類型的設(shè)備，僅母線導(dǎo)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(yù)計近一兩年內(nèi)可通過溫升試驗方式驗證強迫風(fēng)冷熱平衡計算程序。

4 結(jié)語

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

（1）結(jié)合豐富的核電工程經(jīng)驗適當選取關(guān)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(xué)模型。

（2）完成工程應(yīng)用熱平衡計算軟件編制及運算。

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

（4）首次提出強迫風(fēng)冷熱平衡計算程序驗證方法，并依據(jù)多個核電工程建設(shè)及運營經(jīng)驗，利用國內(nèi)外成熟的強迫風(fēng)冷技術(shù)對熱平衡計算軟件進行了充分驗證，使得軟件具備工程應(yīng)用條件，打破強迫風(fēng)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(shù)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(shè)備的可靠性及工程應(yīng)用性，使得強迫風(fēng)冷母線設(shè)備設(shè)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(chǔ)與設(shè)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(shè)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(shù)，1980（9）.endprint

軟件界面分為三部分，第一部分是參數(shù)設(shè)定區(qū)，第二部分是數(shù)據(jù)輸出區(qū)，第三部分屬于導(dǎo)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(chǔ)輸入數(shù)據(jù)，選定某些關(guān)鍵系數(shù)（如換流系數(shù)，阻力系數(shù)及輻射系數(shù)，導(dǎo)體黑度等），單相分段數(shù)為20段，程序運算結(jié)果如圖3。

從程序運算結(jié)果可知，導(dǎo)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(xué)模型及參數(shù)設(shè)置均較為合理，計算結(jié)果較為理想。

2.6 風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)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(fēng)面風(fēng)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(fēng)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(fēng)面風(fēng)速Vy（m/s）、水的流速ω（m/s）、析濕系數(shù)ξ有關(guān)。

空氣阻力△Hg（pa）的計算公式，與迎風(fēng)面風(fēng)速Vy有關(guān)。

水的阻力△h（pa）的計算公式，與水的流速ω有關(guān)。

2.6.2 風(fēng)機的選型計算

選擇風(fēng)機必須滿足下列幾個要求：

a.風(fēng)機風(fēng)壓必須大于整個風(fēng)道的阻力。

b.風(fēng)機風(fēng)量需大于風(fēng)冷系統(tǒng)所需要的風(fēng)量，整個風(fēng)道的阻力=（整個風(fēng)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(fēng)的阻力）。

c.根據(jù)系統(tǒng)選定的風(fēng)量、所需壓頭及已確定的風(fēng)機類型，再由通風(fēng)機性能曲線或性能參數(shù)選定風(fēng)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(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)大于系統(tǒng)計算的風(fēng)量和風(fēng)壓。

e.風(fēng)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(fēng)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(fēng)冷系統(tǒng)（該系統(tǒng)僅適用于試驗段），其母線布置及強迫風(fēng)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(jié)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(yīng)用于工程實際的關(guān)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(xué)模型基礎(chǔ)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(guān)結(jié)構(gòu)磁場、電流密度、損耗及溫度等分布數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果與熱平衡計算結(jié)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(jié)果為偏差2 ℃左右，綜合考慮計算、邊界條件及關(guān)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(shè)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(jié)果進行比對（見表1），熱平衡計算結(jié)果與運行數(shù)據(jù)誤差在2 ℃以內(nèi)，偏差在合理范圍，且導(dǎo)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(guān)鍵系數(shù)，或考慮較大的設(shè)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(jié)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(fēng)冷離相母線的廣泛應(yīng)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(fēng)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(shè)備選型計算，最終完成強迫風(fēng)冷母線設(shè)備的選型計算及詳細設(shè)計。但因風(fēng)冷母線在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，暫無廠家擁有成套風(fēng)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(shè)備本身，同時也可驗證設(shè)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(fēng)冷熱平衡計算程序及風(fēng)冷設(shè)備選型的合理性。同時，國內(nèi)核電技術(shù)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(shù)類型的設(shè)備，僅母線導(dǎo)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(yù)計近一兩年內(nèi)可通過溫升試驗方式驗證強迫風(fēng)冷熱平衡計算程序。

4 結(jié)語

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

（1）結(jié)合豐富的核電工程經(jīng)驗適當選取關(guān)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(xué)模型。

（2）完成工程應(yīng)用熱平衡計算軟件編制及運算。

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

（4）首次提出強迫風(fēng)冷熱平衡計算程序驗證方法，并依據(jù)多個核電工程建設(shè)及運營經(jīng)驗，利用國內(nèi)外成熟的強迫風(fēng)冷技術(shù)對熱平衡計算軟件進行了充分驗證，使得軟件具備工程應(yīng)用條件，打破強迫風(fēng)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(shù)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(shè)備的可靠性及工程應(yīng)用性，使得強迫風(fēng)冷母線設(shè)備設(shè)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(chǔ)與設(shè)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(shè)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(shù)，1980（9）.endprint

軟件界面分為三部分，第一部分是參數(shù)設(shè)定區(qū)，第二部分是數(shù)據(jù)輸出區(qū)，第三部分屬于導(dǎo)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(chǔ)輸入數(shù)據(jù)，選定某些關(guān)鍵系數(shù)（如換流系數(shù)，阻力系數(shù)及輻射系數(shù)，導(dǎo)體黑度等），單相分段數(shù)為20段，程序運算結(jié)果如圖3。

從程序運算結(jié)果可知，導(dǎo)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(xué)模型及參數(shù)設(shè)置均較為合理，計算結(jié)果較為理想。

2.6 風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)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(fēng)面風(fēng)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(fēng)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(fēng)面風(fēng)速Vy（m/s）、水的流速ω（m/s）、析濕系數(shù)ξ有關(guān)。

空氣阻力△Hg（pa）的計算公式，與迎風(fēng)面風(fēng)速Vy有關(guān)。

水的阻力△h（pa）的計算公式，與水的流速ω有關(guān)。

2.6.2 風(fēng)機的選型計算

選擇風(fēng)機必須滿足下列幾個要求：

a.風(fēng)機風(fēng)壓必須大于整個風(fēng)道的阻力。

b.風(fēng)機風(fēng)量需大于風(fēng)冷系統(tǒng)所需要的風(fēng)量，整個風(fēng)道的阻力=（整個風(fēng)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(fēng)的阻力）。

c.根據(jù)系統(tǒng)選定的風(fēng)量、所需壓頭及已確定的風(fēng)機類型，再由通風(fēng)機性能曲線或性能參數(shù)選定風(fēng)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(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)大于系統(tǒng)計算的風(fēng)量和風(fēng)壓。

e.風(fēng)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(fēng)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(fēng)冷系統(tǒng)（該系統(tǒng)僅適用于試驗段），其母線布置及強迫風(fēng)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(jié)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(yīng)用于工程實際的關(guān)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(xué)模型基礎(chǔ)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(guān)結(jié)構(gòu)磁場、電流密度、損耗及溫度等分布數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果與熱平衡計算結(jié)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(jié)果為偏差2 ℃左右，綜合考慮計算、邊界條件及關(guān)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(shè)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(jié)果進行比對（見表1），熱平衡計算結(jié)果與運行數(shù)據(jù)誤差在2 ℃以內(nèi)，偏差在合理范圍，且導(dǎo)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(guān)鍵系數(shù)，或考慮較大的設(shè)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(jié)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(fēng)冷離相母線的廣泛應(yīng)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(fēng)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(shè)備選型計算，最終完成強迫風(fēng)冷母線設(shè)備的選型計算及詳細設(shè)計。但因風(fēng)冷母線在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，暫無廠家擁有成套風(fēng)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(shè)備本身，同時也可驗證設(shè)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(fēng)冷熱平衡計算程序及風(fēng)冷設(shè)備選型的合理性。同時，國內(nèi)核電技術(shù)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(shù)類型的設(shè)備，僅母線導(dǎo)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(yù)計近一兩年內(nèi)可通過溫升試驗方式驗證強迫風(fēng)冷熱平衡計算程序。

4 結(jié)語

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

（1）結(jié)合豐富的核電工程經(jīng)驗適當選取關(guān)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(xué)模型。

（2）完成工程應(yīng)用熱平衡計算軟件編制及運算。

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

（4）首次提出強迫風(fēng)冷熱平衡計算程序驗證方法，并依據(jù)多個核電工程建設(shè)及運營經(jīng)驗，利用國內(nèi)外成熟的強迫風(fēng)冷技術(shù)對熱平衡計算軟件進行了充分驗證，使得軟件具備工程應(yīng)用條件，打破強迫風(fēng)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(shù)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(shè)備的可靠性及工程應(yīng)用性，使得強迫風(fēng)冷母線設(shè)備設(shè)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(chǔ)與設(shè)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(shè)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(shù)，1980（9）.endprint