大型電機(jī)蒸發(fā)冷卻技術(shù)發(fā)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(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)分別正式交付中國長江電力股份有限公司三峽電廠并網(wǎng)發(fā)電。這是我國自主創(chuàng)新的常溫自循環(huán)蒸發(fā)冷卻技術(shù)首次成功應(yīng)用于世界最大容量等級的大型水輪發(fā)電機(jī)，標(biāo)志著我國在大型電力裝備研發(fā)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新無論是從技術(shù)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(fā)冷卻技術(shù)研究始于上世紀(jì)50年代。當(dāng)時，國際上主要采用水內(nèi)冷技術(shù)，即將水經(jīng)過去離子凈化處理后達(dá)到絕緣耐壓合格，然后用泵壓送進(jìn)電機(jī)繞組的空芯導(dǎo)體內(nèi)部，從而帶走導(dǎo)體熱量的冷卻方式。電工所的科研人員也曾參與過水內(nèi)冷技術(shù)的研究，逐漸認(rèn)識了水內(nèi)冷技術(shù)的優(yōu)勢及缺點，最大的問題是大型水輪發(fā)電機(jī)的電壓一般高達(dá)2萬伏左右，電機(jī)內(nèi)部線圈及水冷的密封接頭太多，一旦發(fā)生泄漏，會嚴(yán)重破壞絕緣，造成重大安全生產(chǎn)事故。因此，從散熱原理出發(fā)，水內(nèi)冷技術(shù)并不是理想的電機(jī)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(fā)冷卻技術(shù)，并在1958年底研制出一臺15千瓦的小型樣機(jī)。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，基于冰箱原理的低溫強(qiáng)迫冷卻技術(shù)，很難用于大型電機(jī)上，主要是因為發(fā)電機(jī)必須在低于室溫下運行，電機(jī)外殼上需包上很厚的絕熱層，而且外部循環(huán)系統(tǒng)中要放置一臺大的壓縮制冷機(jī)，這樣不僅沒有降低發(fā)電機(jī)的總損耗，而且還把電機(jī)搞復(fù)雜了。

在進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證分析后，科研人員提出利用熱力學(xué)中的兩相流原理，即利用液體和氣體的混合產(chǎn)生比重差從而產(chǎn)生自循環(huán)的原理，將制冷壓縮機(jī)改為液體循環(huán)泵或者索性取消，研制常溫下無泵自循環(huán)系統(tǒng)。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(zhuǎn)化為“功”，產(chǎn)生自循環(huán)動力，替代了循環(huán)泵，形成了無需外界動力的“常溫自循環(huán)蒸發(fā)冷卻”系統(tǒng)。至此，蒸發(fā)冷卻技術(shù)完成了最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的一步——原理性創(chuàng)新。

在1960-1968年的八年時間內(nèi)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究被迫回到試驗室。但依然有近10名科研人員在繼續(xù)蒸發(fā)冷卻基礎(chǔ)試驗研究，初步掌握了與電機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)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(zhì)。

1972年，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。與良鄉(xiāng)發(fā)電設(shè)備廠共同制造的1200千瓦蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機(jī)在廠內(nèi)進(jìn)行廠內(nèi)額定負(fù)載試驗后，并網(wǎng)運行一舉成功，獲得1978年全國科學(xué)大會獎。至此，自循環(huán)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)上的結(jié)構(gòu)方案都圓滿地完成了小型工業(yè)機(jī)組樣機(jī)試驗，為以后更大容量等級的蒸發(fā)冷卻機(jī)組打下了堅實的基礎(chǔ)。

電機(jī)蒸發(fā)冷卻是門多學(xué)科的技術(shù)，它涉及電機(jī)學(xué)、結(jié)構(gòu)材料、流體傳熱傳質(zhì)、高壓絕緣以及電化學(xué)介質(zhì)等多種學(xué)科。我們總計投入200多人/年的工作量，在仿真設(shè)計、密封技術(shù)、絕緣管造型、冷卻介質(zhì)選擇、極小的微量介質(zhì)泄漏檢測以及設(shè)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(tuán)隊上上下下在困難中堅持下來，歷經(jīng)50余年才使一項原創(chuàng)技術(shù)成功應(yīng)用于世界大型水輪發(fā)電機(jī)上。

目前我們的團(tuán)隊正在進(jìn)一步完善設(shè)計技術(shù)和工藝平臺，壯大研發(fā)隊伍，注重在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化和完善創(chuàng)新合作機(jī)制等方面建立更加完善的體系，以利于蒸發(fā)冷卻技術(shù)在超級計算機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)、磁分離裝置、特種電機(jī)及其他高功率密度的電氣電子設(shè)備等領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。

團(tuán)隊簡介：

中國科學(xué)院電工研究所電力設(shè)備新技術(shù)實驗室現(xiàn)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(xué)位9人、碩士學(xué)位6人。人員專業(yè)涵蓋電機(jī)與電器、動力工程、工程熱物理、機(jī)械工程及自動化。