蒸發冷卻技術的發展、應用和展望

顧國彪 阮 琳 劉斐輝 熊 斌

(中國科學院電工研究所 北京 100190)

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蒸發冷卻技術的發展、應用和展望

顧國彪 阮 琳 劉斐輝 熊 斌

(中國科學院電工研究所 北京 100190)

電氣裝備與電子設備的蒸發冷卻技術是擁有我國自主知識產權的創新技術，該技術從原理研究、中試驗證到產業化應用歷時50余年，在電工領域應用取得了諸多豐碩成果。該文重點介紹了該技術在水力發電、大科學研究裝置和電力電子器件領域應用的案例。鑒于其高效換熱、可靠運行和低功耗的技術特點，展望了蒸發冷卻技術未來在抽水蓄能、數據中心以及高壓直流輸電領域應用的廣闊前景。

蒸發冷卻技術 高效換熱 可靠運行 低功耗

0 引言

蒸發冷卻技術在電氣和電子裝備上的應用是我國自主研發的，理論研究和工業應用的技術水平在國內外均處于領先地位。它利用高絕緣性能、室溫沸點的冷卻介質通過相變換熱來傳遞熱量，以實現發熱部件的冷卻，是一種經濟高效的冷卻技術。中國科學院電工研究所基于我國電力建設的長遠需要，從20世紀50年代末起，首先開展了大型電機相變換熱冷卻技術的研究[1]。經自主創新，獨辟蹊徑形成了水輪發電機管道內冷自循環蒸發冷卻[2]、汽輪發電機浸泡自循環蒸發冷卻[3]、電力電子設備表貼式[4]和噴淋式[5]等多種冷卻結構。

蒸發冷卻技術體系的形成始于循環原理研究。首先開展了低溫強迫循環蒸發冷卻技術(如圖1a所示)應用于電機中的可行性探索：采用沸點較低的蒸發冷卻介質，由于冷卻介質沸騰后的飽和溫度低于二次冷卻工質溫度，系統需要消耗一定的外界動力以提供壓縮并克服系統阻力。其次開展了常溫強迫循環蒸發冷卻技術(如圖1b所示)的研究：采用沸點較高的冷卻介質，系統運行時，吸熱后的冷卻介質不需要經過壓縮升壓直接通過冷凝器冷凝完成循環，但系統中采用泵克服系統流動阻力。再次開展了常溫自循環蒸發冷卻技術(如圖1c所示)。利用沸點溫度較高的冷卻介質吸收的熱量做功，推動流體循環，無需外加動力，流動壓頭足以克服循環回路中的各種阻力損失[6]。

圖1 蒸發冷卻應用于水輪發電機的原理演變Fig.1 Principle evolution of evaporative cooling technology applied on hydro-generators

基于相變換熱和蒸汽動力循環的理論基礎，中科院電工研究所圍繞不同領域的應用，針對關鍵技術和關鍵工藝開展了長期深入的研究，包括多相流流動和傳熱的測量測試、冷卻介質的選型和測試平臺的建立、高效冷凝器的研制、密封檢測技術和循環系統設計技術等，突破了將相變換熱技術應用到電氣裝備和電子設備領域的理論計算、系統設計和關鍵工藝，為工業應用打下了堅實的基礎，并在研究過程中形成了不同層面的設計規范、標準和規程。

經過幾十年的研究和積累，我們已經將該技術成功應用于電氣裝備和電子設備領域，如發電機組(包括水輪發電機、汽輪發電機和風力發電機)、變頻器和超級計算機。

1 蒸發冷卻技術的應用

蒸發冷卻技術從20世紀70年代開始由實驗室走向工業應用，已取得了大量工程實踐的經驗。在水輪發電機領域的工業應用已有40年[7，8]，在汽輪發電機領域的工業應用也已有30余年[9，10]。蒸發冷卻技術還在電力驅動、低壓電器和電子設備等領域得以應用和拓展，包括磁選設備、超級計算機等，下面介紹幾種典型的成功應用領域。

1.1 水輪發電機領域

中科院電工研究所與國內制造廠家長期合作，1963～1964年，650 kW水輪發電機在玉淵潭實驗電站運行了兩年，并進行了1 000 kW超發實驗，為工業實驗機組的研發打下了基礎，其后又通過中試和擴大中試、產業化示范將蒸發冷卻技術長期成功應用于4種容量的6臺工業機組中。取得的標志性成果如下：

1)2臺10 MW高轉速蒸發冷卻水輪發電機。該項目得到了云南電力局的支持，在1983年及1984年先后安裝在云南大寨水電站，到目前為止已安全運行了31年。

2)50 MW蒸發冷卻水輪發電機于1991年安裝在陜西安康火石巖水電站，為國家“七五”重點工業試驗項目，到目前為止已安全運行了23年。且該機組在夏季豐水期經常超發電，為企業贏得了一定的經濟效益。

3)400 MW蒸發冷卻水輪發電機于1999年安裝在李家峽水電站，為國家“九五”重點科技攻關項目，到目前為止已安全運行了15年。蒸發冷卻技術在水輪發電機上應用的優勢已得到國際大電機領域的認可，在2000年于法國巴黎召開的國際大電網會議(GIGER’2000)上，400 MW蒸發冷卻水輪發電機(當時中國最大的水輪發電機組)被評為國際旋轉電機領域近年的四大進展之一。

4)700 MW蒸發冷卻水輪發電機分別于2011年12月和2012年7月在三峽右岸地下電站投入商業運行。該項目也是“十一五”國家科技支撐計劃項目的目標工程。三峽地下電站27、28號發電機的運行實驗結果顯示，發電機定子線圈溫度分布均勻，溫升低，負荷變動時溫度變化小，滿負荷運行時定子線棒溫度僅為57～62℃，鐵心溫度為57～60℃，發電機性能達到三峽精品工程水平和國際領先水平。蒸發冷卻三峽右岸地下電站機組的成功試運行，是產學研用結合的一次成功探索。

其中10 MW、50 MW和400 MW蒸發冷卻水輪發電機如圖2所示，三峽電站27#和28#蒸發冷卻水輪發電機如圖3所示。

圖2 10 MW、50 MW、400 MW蒸發冷卻水輪發電機組Fig.2 10 MW、50 MW、400 MW evaporative cooling hydro-generator group

圖3 三峽地下電站27#、28#發電機Fig.3 27，28# units in the three gorges hydro-generator station

1.2 大科學裝置領域

中國科學院蘭州近代物理研究所HIRFL-CSR是亞洲最大規模的重離子加速器系統。ECR離子源是加速器系統的源頭，為其提供所需的各種離子，是整個系統中的關鍵部件，其可靠穩定運行至關重要。離子源的背景工作磁場是由螺線管線圈勵磁產生的軸向磁場與六極永磁鐵產生的徑向磁場疊加而成。為了提高背景場強，可通過提高勵磁線圈的勵磁安匝數實現，由此帶來銅耗增加發熱嚴重，冷卻技術成為限制其發展的瓶頸。為了對線圈實現高效的冷卻，目前采用的是水內冷技術。水內冷技術效果好，但用在電磁裝備中的冷卻水是有特殊電特性和化學特性要求的，必須經過去離子凈化的過程，系統復雜；而且水路是采用多支路并聯，接頭、管道數量多，連接管路長，強迫循環系統阻力損失大，安裝復雜；由于水在線圈中流動需要依靠外動力，因此對結構件的強度要求高，造成裝置運行的可靠性降低。目前常導源冷卻水系統的流動壓頭為15～20 kgf，已經達到了水冷系統的極限。而超導源造價高，維護復雜。

中科院電工研究所自主創新的蒸發冷卻技術與近代物理研究所具有國家領先水平的ECR離子源技術相結合，提出了浸潤式常溫自循環蒸發冷卻ECR離子源一體化設計方案，研制出具有高性價比的高電荷態ECR離子源，經過現場測試，其高核態離子產額的部分指標超過了GTS(目前國際上最好的常導源)，為蒸發冷卻技術在大型加速器裝置上大規模應用奠定基礎[11,12]。

1.3 電力電子器件領域

供電系統小型化、大容量、高可靠性、高品質是世界電機界長期追求的目標。隨著電力電子技術的發展和控制技術的進步，針對高功率密度發電機，我們與合作單位聯合攻關，提出了多相整流裝置與電機本體合為一體，將發電機、整流裝置、變流裝置集成采用蒸發冷卻技術的設計方案，并完成了樣機的研制和測試，解決了高功率密度設備的冷卻、小型化、低噪音、可靠性等關鍵技術問題。與傳統的交直流分別供電的兩臺發電機相比，體積和重量減少40%以上，工程造價降低40%以上。

與發電機樣機配套使用的變流裝置中的高功率密度的IGBT是典型的電力電子器件，通過對其采用壁掛式蒸發冷卻技術，功率模塊安裝在冷卻箱體表面，器件的熱量傳至箱體內，使箱體內冷卻液由液態轉換為氣態，與箱體內的水冷管進行熱交換，這種冷卻方法可使大功率器件的殼溫控制在80℃以內，且冷卻結構簡單、體積小、低噪音，因冷卻液具有高絕緣性，運行安全可靠。冷卻介質溫度均勻、冷卻效率高，解決了高功率密度的大功率器件的冷卻問題[13,14]。蒸發冷卻變流裝置如圖4所示。

圖4 蒸發冷卻變流裝置Fig.4 Evaporative cooling convertor

2 蒸發冷卻技術的應用展望

2.1 抽水蓄能

隨著我國各電力系統的容量不斷增長，電力負荷的日變動量(峰谷差)也在不斷加大。一些水電裝機比例小的電網，只能采用既不經濟，速動性又不好的整開整停火電機組的方法彌補調峰容量的不足，許多大容量水電機組經常安排在空載附近旋轉備用。長期在低負荷運行對大型混流式水輪發電機組很不利。抽水蓄能機組可利用電網低谷時的電量揚水蓄能，到電網高峰時放水發電，起到了最佳的調峰填谷和事故備用作用，從而提高電網的可靠性、供電質量和經濟運行，抽水蓄能電站的建成對緩解系統調峰填谷能力的嚴重不足能起到極大作用。

抽水蓄能機組的轉速較高，因此定子外徑小，軸向高度高，導致定子溫升很不均勻。在負荷頻繁變化的狀態下，絕緣迅速老化、脫殼，絕緣壽命降低，則會影響電機運行的可靠性。采用空氣冷卻方式，電機參數的選用范圍較小，臨界轉速較難定位，設計時若調節不好，易造成運行不穩定的情況。采用蒸發冷卻技術后，電機定子溫升分布相當均勻，而且軸向高度高，更有利于自循環蒸發冷卻系統的循環，對冷卻效果起到更有利的作用，同時能夠解決絕緣和臨界轉速的問題。

抽水蓄能電站的建設和發展以及抽水蓄能電站單機裝機容量的不斷增大，為蒸發冷卻技術的應用提供了更為豐富的應用空間，除了抽水蓄能機組，對于燈泡貫流式水輪發電機組，風冷系統在結構設計以及運行維護上會有一定難度，密閉自循環蒸發冷卻系統則有很好的應用前景[15]。

2.2 數據中心

在數據業務需求的爆炸式增長及IT技術的迅速發展的共同推動下，數據中心在本世紀進入迅猛發展時期，與此同時數據中心的能耗問題也隨著其發展變得越來越不容忽視，其中數據中心的電能消耗是數據運營商主要能耗。

毋庸置疑，“節能”是“綠色數據中心”建設的第一要務。當前測量數據中心的能耗指標主要有電能使用效率(Power Usage Effectiveness，PUE)和數據中心基礎架構效率(Data Center Infrastructure Efficiency，DCIE)。其中：PUE=數據中心總設備能耗/IT設備能耗。PUE越接近1，表明能效水平越好。目前PUE已成為國際上較通行的數據中心電力使用效率的衡量指標。據統計，國際上先進機房的PUE值可達到1.7，而我國的PUE平均值則在2.5以上。特別是中小規模的機房，PUE值更高，測量數值普遍在3左右。這說明有大量的電能實際都被電源、制冷、散熱這些設備給消耗了，而用于IT設備的電能很少。所以降低數據中心的PUE值，構建綠色數據中心，已成為國內外數據中心建設的不可忽視的重要指標。

以超級計算機為例：當前超級計算機主要采用傳統的空氣冷卻方式，雖然系統安全可靠，操作簡單，維護方便，但冷卻效率低。但當發熱量劇增時，空氣冷卻方式無法滿足冷卻要求，冷卻效果大大降低，設計人員往往不得不采用高壓風機增大冷卻風量。冷卻風量的增加能在一定程度上改善冷卻效果，但很難使主板上各種被冷卻體的溫度保持相對均勻，很難防止局部過熱，不能從根本上解決冷卻問題，而且使用高壓風機往往帶來巨大的噪音，并大大增加冷卻系統本身的能耗。傳統風冷機柜散熱能力10～15 kW。國內外多家研究機構均試圖努力將水冷系統應用到超級計算機中，但由于水冷系統需要復雜的純水處理裝置以及冷卻水泄漏會引發電氣故障等問題，使得其推廣受到了很大限制。水冷機柜散熱能力30～50 kW。

對于下一代超級計算機，IT設備計算密度及整機功耗進一步增加。采用蒸發冷卻技術，利用其相變換熱的熱工轉換過程，結合特定的冷卻結構設計，可實現微動力循環和自循環，因此可使數據中心的冷卻能耗降低40%以上，同時在冬季可利用廢熱循環解決配套設施(廠房、住宿、商業等)供熱，減少高達85%的碳排放[16，17]。目前蒸發冷卻技術在IT設備上的應用案例，如圖5所示。

圖5 蒸發冷卻技術在IT設備上應用案例Fig.5 Applications of evaporative cooling technology on IT equipment

2.3 高壓直流輸電設備

隨著近十年我國電網建設的高速發展，電力系統和城市電網規模不斷擴大。構建具備交直流優點的混合配電網是實現安全、可靠、高質量配電網的理想方案，也是未來配電網的發展方向之一。以柔性直流輸電為代表的大功率電力電子應用技術為交流配電網升級改造提供了新的技術手段。柔性直流輸電技術采用可關斷電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)構成的電壓源換流器，IGBT小型化高功率密度的發展趨勢使得蒸發冷卻技術在高壓直流輸電設備領域有很好的應用前景。IGBT采用蒸發冷卻技術后，能夠保證IGBT的殼溫控制在80℃以下，系統具有自調節自適應特點，此外溫度分布均勻，不會出現過熱區域，同時系統基本免維護，大大減少了維修費用。

3 結論

針對電氣與電子裝備冷卻的需要，中科院電工研究所基于相變換熱原理研發的蒸發冷卻技術，不僅能夠實現設備高效冷卻的目標，同時將散熱過程的能耗降至最低，確保設備長期安全、穩定、可靠運行，并提高設備的運行效率。蒸發冷卻技術的研究涉及電氣與電子工程、兩相流動與傳熱等學科的交叉，其基本理論和工程方法都具有極強的特殊性。隨著相關研究工作的不斷深入，研究團隊已逐步形成了較完整的技術理論體系和工程設計依據，并能夠為蒸發冷卻技術的工程應用提供理論指導和技術支撐。正是由于蒸發冷卻技術在高功率密度電氣與電子裝備冷卻上的技術優勢，近年來受到越來越多的關注，并成功應用于諸多重熱負荷的大型裝備，同時大量的工程應用也促進了蒸發冷卻技術理論研究的豐富，為蒸發冷卻技術的廣泛推廣打下基礎。

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Developments，Applications and Prospects of Evaporative Cooling Technology

GuGuobiaoRuanLinLiuFeihuiXiongBin

(Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China)

The evaporative cooling technology of electrical equipment and electronic appliance is China’s innovative technology with fully independent intellectual property rights.From theoretical exploration，pilotscale experiments，to industrial applications，this technology has been experiencing 50-years development and has made a lot of achievements in the field of electrical engineering applications.This paper emphasely introduces the applications of this technology in the field of hydraulic generation，large-scale scientific research appliance，and electronic equipment.In view of its characteristics of high-efficient heat-transfer，reliable operation，and low power consumption，it has broad application prospects in the field of pump-storage units，high-power density data centers，and high voltage DC transmission.

Evaporative cooling technology，high-efficient heat-transfer，reliable operation，low power consumption

2015-05-11 改稿日期2015-05-13

TM312

顧國彪 男，1936年生，研究員，中國工程院院士，博士生導師，研究方向為大型發電機新型蒸發冷卻技術的創新和產業化。

阮 琳 女，1976年生，研究員，博士生導師，研究方向為電氣與電子裝備蒸發冷卻技術的研發。(通信作者)