大型電機蒸發冷卻技術發展之路

顧國彪

2011年12月15日和2012年7月4日，安裝在三峽地下電站的兩臺800兆瓦量級蒸發冷卻水輪發電機分別正式交付中國長江電力股份有限公司三峽電廠并網發電。這是我國自主創新的常溫自循環蒸發冷卻技術首次成功應用于世界最大容量等級的大型水輪發電機，標志著我國在大型電力裝備研發領域的自主創新無論是從技術上，還是從裝備容量上都超越了西門子和阿爾斯通等跨國公司。

蒸發冷卻技術研究始于上世紀50年代。當時，國際上主要采用水內冷技術，即將水經過去離子凈化處理后達到絕緣耐壓合格，然后用泵壓送進電機繞組的空芯導體內部，從而帶走導體熱量的冷卻方式。電工所的科研人員也曾參與過水內冷技術的研究，逐漸認識了水內冷技術的優勢及缺點，最大的問題是大型水輪發電機的電壓一般高達2萬伏左右，電機內部線圈及水冷的密封接頭太多，一旦發生泄漏，會嚴重破壞絕緣，造成重大安全生產事故。因此，從散熱原理出發，水內冷技術并不是理想的電機冷卻方式。

初期科研人員采用冰箱制冷的原理，即低溫（攝氏零度以下）蒸發冷卻技術，并在1958年底研制出一臺15千瓦的小型樣機。隨后的研究發現，基于冰箱原理的低溫強迫冷卻技術，很難用于大型電機上，主要是因為發電機必須在低于室溫下運行，電機外殼上需包上很厚的絕熱層，而且外部循環系統中要放置一臺大的壓縮制冷機，這樣不僅沒有降低發電機的總損耗，而且還把電機搞復雜了。

在進行了技術經濟論證分析后，科研人員提出利用熱力學中的兩相流原理，即利用液體和氣體的混合產生比重差從而產生自循環的原理，將制冷壓縮機改為液體循環泵或者索性取消，研制常溫下無泵自循環系統。這一提議引起了很大爭議，然而僅用了三個月的時間，在1959年底，科研人員就制作出一個立式可觀察繞組模型，利用“垂直高度”，將熱量轉化為“功”，產生自循環動力，替代了循環泵，形成了無需外界動力的“常溫自循環蒸發冷卻”系統。至此，蒸發冷卻技術完成了最基礎也是最關鍵的一步——原理性創新。

在1960-1968年的八年時間內，蒸發冷卻技術研究被迫回到試驗室。但依然有近10名科研人員在繼續蒸發冷卻基礎試驗研究，初步掌握了與電機結構結合的兩相流體的測量、散熱能力，并選擇了氟利昂11（R-11）作為冷卻介質。

1972年，出現了轉機。與良鄉發電設備廠共同制造的1200千瓦蒸發冷卻汽輪發電機在廠內進行廠內額定負載試驗后，并網運行一舉成功，獲得1978年全國科學大會獎。至此，自循環蒸發冷卻技術在水輪發電機和汽輪發電機上的結構方案都圓滿地完成了小型工業機組樣機試驗，為以后更大容量等級的蒸發冷卻機組打下了堅實的基礎。

電機蒸發冷卻是門多學科的技術，它涉及電機學、結構材料、流體傳熱傳質、高壓絕緣以及電化學介質等多種學科。我們總計投入200多人/年的工作量，在仿真設計、密封技術、絕緣管造型、冷卻介質選擇、極小的微量介質泄漏檢測以及設計理論與方法的突破、制造工藝等方面下了大量的功夫。我們這個團隊上上下下在困難中堅持下來，歷經50余年才使一項原創技術成功應用于世界大型水輪發電機上。

目前我們的團隊正在進一步完善設計技術和工藝平臺，壯大研發隊伍，注重在技術經濟性分析，規范化標準化和完善創新合作機制等方面建立更加完善的體系，以利于蒸發冷卻技術在超級計算機、汽輪發電機、磁分離裝置、特種電機及其他高功率密度的電氣電子設備等領域的推廣和應用。

團隊簡介：

中國科學院電工研究所電力設備新技術實驗室現有科研人員21人，其中中國工程院院士1人、研究員2人、副研究員和高級工程師9人；具有博士學位9人、碩士學位6人。人員專業涵蓋電機與電器、動力工程、工程熱物理、機械工程及自動化。