“冷卻”三峽，守護大國重器

“一把老虎鉗、一把鋸子、幾把螺絲刀，我們的蒸發冷卻實驗室就是這樣干起來的。”

2011年12月15日15時，三峽電站28號機組順利完成72小時試運行。那天，75歲的中國工程院院士、中國科學院電工研究所（以下簡稱電工所）研究員顧國彪再次俯瞰三峽兩岸，50多年潛藏的情緒如奔騰的江水，傾瀉而下。

不同于采用空冷、水冷技術的國外傳統大型發電機組，28號機組是我國首臺、世界單機容量最大的大型蒸發冷卻機組，采用自主創新的“定子繞組常溫自循環蒸發冷卻”技術，標志著我國大型水電裝備研發走向國際領先。次年，蒸發冷卻機組27號也正式投產發電。

10余年來，三峽電站27號、28號兩臺70萬千瓦大型發電機的運行安如磐石，蒸發冷卻技術大幅提高了電機的安全可靠性和維護便捷性，打破了國外廠商在大型水電裝備領域的技術壟斷，并整體拉低了其投標價格。

最早開始鉆研蒸發冷卻技術時，顧國彪只有22歲，剛加入成立不久的電工所。“不做與國外重復的事情，要做一兩件超越國外的事。”這個一度被視為“很荒唐”的想法，成了他和團隊一輩子的信念。數十年來，他們一直在思考如何將蒸發冷卻技術應用到更廣闊的領域，不僅要滿足國家重大需求，還要在國民經濟主戰場發揮作用。

代號“601”

“更立西江石壁，截斷巫山云雨，高峽出平湖。”這是毛澤東主席1956年在武漢暢游長江時寫下的宏偉詩篇。

“高峽出平湖”的美好愿望，帶來了對三峽工程的熱議。1958年，中共中央下發關于三峽工程的第一個重要文件——《中共中央關于三峽水利樞紐和長江流域規劃的意見》，提出“從國家長遠的經濟發展和技術條件兩個方面考慮，三峽水利樞紐是需要修建而且可能修建的”。

中國工程院院士饒芳權回憶，當年論證三峽工程的可行性時，中國只做過6萬千瓦的水輪發電機組，但三峽這樣量級的水利工程項目的機組至少需要50萬千瓦，而當時世界最大的蘇聯古比雪夫水電站的單機容量也只有11.5萬千瓦。

為了突破大型水利工程電力設備領域關鍵技術，電工所應運而生。一次攻克大容量電機冷卻世界性難題的長征，就此開始。

“一把老虎鉗、一把鋸子、幾把螺絲刀，我們的蒸發冷卻實驗室就是這樣干起來的。”剛剛從清華大學電機系畢業的顧國彪，就是在這個關鍵時刻加入的電工所。

當時，國際大型水輪發電機主要采用空冷和定子繞組水內冷技術。電工所的科研人員曾參與水內冷技術的研究，逐漸認識到水內冷技術的優勢和缺點，這種技術最大的問題就是電氣安全問題。由于這類發電機的額定電壓一般高達2萬伏左右，一旦電機內部的水泄漏，會嚴重破壞絕緣性，造成重大安全生產事故，后果不堪設想。而隨著發電機容量的不斷增大，絕緣體增厚，發熱量也不斷提高，空冷這一外部冷卻方式越來越滿足不了需求。

中國工程院院士饒芳權回憶，當年論證三峽工程的可行性時，中國只做過6萬千瓦的水輪發電機組，但三峽這樣量級的水利工程項目的機組至少需要50萬千瓦，而當時世界最大的蘇聯古比雪夫水電站的單機容量也只有11.5萬千瓦。

怎么才能既保證工程安全可靠，又進一步提高冷卻效率？顧國彪將研究方向瞄準了當時發展前景尚不明朗的蒸發冷卻技術。

不同于空冷和水內冷的原理，蒸發冷卻是基于相變換熱原理的新型冷卻技術，通過絕緣性能良好的介質汽化潛熱帶走熱量。為了驗證這種想法，他們還買來一臺冰箱，不分晝夜地研究其中的冷凍機。

就這樣，他們很快研制出一臺15千瓦的壓縮制冷電機，證明了壓縮制冷在電機上應用的可行性。在后面的試驗中，他們漸漸發現，基于冰箱原理的壓縮制冷技術很難應用于大型電機，因為外部的壓縮制冷系統消耗功率較大，發電機外部必須包上很厚的隔熱層，這不僅會增加后期的維護成本，也會影響冷卻系統的可靠性。

在進行技術經濟論證分析后，顧國彪另辟蹊徑，鉆研起熱力學中的熱功轉換問題，并提出利用兩相流的自循環原理，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，研制常溫下的無泵自循環系統。而這個只有23歲的年輕人的想法，讓不少人覺得有些“荒唐”。

所有質疑都無法干擾顧國彪。他們僅用了3個月的時間，在1959年底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”，從而產生自循環動力，替代了循環泵，形成了無須外界動力的“常溫自循環蒸發冷卻”系統，實現了蒸發冷卻技術最基礎和最關鍵的一步——原理性創新。

隨后，中國科學院主持召開蒸發冷卻電機工業推廣會議，落實了蒸發冷卻實驗電機的任務，正式定名“601任務”。

隨著電工所等單位聯合研制的650千瓦水輪發電機在北京玉淵潭電站試驗成功，他們向著“三峽發電”的目標又邁進了一步。

“做工程技術，要有敢想的精神，不要外國人講什么就信什么，滿足于國外的好東西。要敢于質疑，相信我們能做得更好。”這種深入骨髓的自信，讓顧國彪勇往直前，帶領團隊不斷挑戰這件看似“不可能實現的事”。

這件事，貸款也要干

從1960年到1968年，蒸發冷卻技術研究被迫回到實驗室。但在這8年里，這支團隊并沒有停滯不前，而是繼續蒸發冷卻基礎試驗研究，并掌握了與電機結構結合的兩相流體的測量、散熱能力。

1972年，新的轉折點到來。他們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額定負載試驗后，并網運行一舉成功。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，為更大容量等級的蒸發冷卻機組研制打下了堅實的基礎。

20世紀70年代末80年代初，電工所與東方電機廠等開展合作，但因為立項進度等原因，安裝運行資金十分緊張，顧國彪想到了向國家貸款。

“這件事，貸款也要干！科學試驗最終要為國民經濟服務，一定要實現工業應用，才會給國家帶來真正的好處。”當時很多人認為工程應用是企業的事，顧國彪的這一想法無疑是超前的。

憑著這股韌勁兒，顧國彪最終獲得了160萬元的國家貸款。當時電工所有幾百人，每年的研究經費和運行經費不到100萬元。“現在想來，我們的膽子真的很大，當時工資才多少錢，我們居然想要貸款160萬元。我大概是第一個用貸款方式籌集科研資金的人。”顧國彪感慨道。

有了這筆資金，兩臺1萬千瓦的蒸發冷卻水輪發電機組，終于落地云南省大寨水電站。這是我國自主研發的、投入工業應用的首臺自循環蒸發冷卻水輪發電機，因為沒有見過，就連資深的老工程師在首次啟動時也倍感緊張。

最終，時間證明了蒸發冷卻技術的安全可靠。如今，這兩臺發電機組已安全運行40多年，先后獲得1987年中國科學院科技進步獎一等獎、1988年國家科技進步獎二等獎。

憑借大寨水電站安全運行的基礎，蒸發冷卻技術團隊又爭取到在陜西安康火石巖電站建設5萬千瓦水輪發電機的項目。為了確保每個環節準確無誤，整個團隊在工地上一干就是12個小時，吃飯時就直接靠著墻。就連廠內的工程建設者都認不出來，這些灰頭土臉的“工友”竟是北京來的科學家。

蒸發冷卻技術“安全高效”的形象使越來越多的項目主動找上門，但這群科學家心里始終記著那個最大的夢想——走向三峽工程。

五十余年，圓一個三峽夢

1994年，三峽工程正式開工。顧國彪向三峽工程建設委員會提出使用蒸發冷卻技術的建議。

委員會專家提出了一個挑戰：“你們的技術我了解過，你們搞了一個5萬千瓦的發電機，但我們這是70萬千瓦的。如果你能在四五年內完成40萬到50萬千瓦的電機，并且兩年之內不出故障，我們就一定用。”

恰巧，青海李家峽水電站將啟動一個40萬千瓦的發電機，這是當時國內單機容量最大的水輪發電機組。

當時，李家峽發電機的1號機已經安裝，2號機和3號機正在生產，只有4號機有可能性。顧國彪寫了厚厚一疊關于李家峽水電站發電機應用定子繞組蒸發冷卻技術的建議書，僅材料復印費就花了3萬元 。憑借之前項目的良好聲譽，他們最終成功爭取到這個機會，并成為“九五”國家科技攻關計劃中的一項。

實際上，從5萬千瓦到40萬千瓦，對蒸發冷卻技術團隊而言是一個不小的挑戰，常規而言，還應該再研制20萬千瓦的機組，但這意味著又需要10年左右的時間，蒸發冷卻技術走向三峽將無法實現。

“我當時心里憋著一股氣，一定要把蒸發冷卻技術應用到三峽工程中去！”顧國彪說。

為了圓滿完成任務，蒸發冷卻技術團隊夜以繼日地奮戰在工程前線。1999年末，李家峽40萬千瓦蒸發冷卻水輪發電機終于研制成功。

顧國彪至今仍記得，李家峽水電站正式運行那天，雖然身處壯美的國家森林公園，可根本無心欣賞風景，直到項目宣告成功，才發覺自己“腿都發軟了”。

李家峽水電站40萬千瓦蒸發冷卻水輪發電機也在之后于法國巴黎召開的國際大電網會議上，被評為旋轉電機領域四大進展之一，還與安康5萬千瓦蒸發冷卻水輪發電機聯合獲得國家科技進步獎二等獎。

自此，我國在電機領域的國際地位開始扭轉。

但前往三峽的路，仍不平坦。

據顧國彪回憶，對于這項國內自主研發的蒸發冷卻技術，三峽工程建設委員會在4年左右的時間里，召開了7次技術評審會，直到2008年才正式決定用于三峽地下電站28號和27號機組。

3年后，三峽地下電站28號、27號定子繞組蒸發冷卻機組相繼投入運行。由電工所參與完成的“長江三峽樞紐工程”榮獲2019年度國家科學技術進步獎特等獎。

從最初的1萬千瓦到5萬千瓦、40萬千瓦、70萬千瓦，蒸發冷卻技術走向世界最大容量的水輪發電機，趕超國外，蒸發冷卻技術團隊用了50多年。

至今，這些常年穩定運行，連定子線棒都沒有更換過的蒸發冷卻水輪發電機，“安靜”得甚至讓水電站的一線維護新人都不知道工程背后還隱藏著中國的“獨門絕技”。

作為顧國彪的博士生開門大弟子，電工所電力設備新技術研究部主任阮琳說，蒸發冷卻技術工業應用之前，我國大型水利工程電力設備領域幾乎采用的都是國外的技術。無論從裝備容量還是從技術指標上，這兩臺采用了蒸發冷卻技術的三峽發電機都超越了一些跨國公司，達到了國際領先水平，“完全自主知識產權的技術確保機組更加穩定、可靠運行”。

完成服務三峽的使命后，蒸發冷卻技術團隊又開啟了新領域的“跨界”研究，尤其是向大科學儀器裝置和超級計算、云計算等方向進軍。

2010年至2013年期間，電工所與中國科學院近代物理研究所合作，正式將蒸發冷卻技術應用于重離子加速器領域的ECR離子源。10余年來，集成一體化蒸發冷卻ECR離子源運行穩定，冷卻系統換熱效率和可靠性高，在常導源中，其功率密度和磁場參數均達到國際領先水平，被譽為世界最好的常導源之一。

蒸發冷卻技術還成為高海拔宇宙線觀測站“拉索”的“降溫利器”，成功支撐“拉索”數據采集系統和在站數據處理系統，真正實現了“無人值守”機房要求下的平穩運行。在關鍵指標實測服務器機柜電能使用效率方面，“拉索”數據中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源比值（PUE）為1.03，如此低的數值成為高性能計算中心冷卻業內難以超越的成績。

從2009年起，阮琳還帶領團隊持續探索蒸發冷卻技術在耗能巨大的超算領域上的應用。如今，電工所電力設備新技術實驗室的蒸發冷卻技術，在祖國大地的各類大型工程項目中落地開花，新的技術生長點也在萌生。

在蒸發冷卻技術蜚聲國際之時，國外知名水電公司曾想高薪聘請顧國彪，但顧國彪婉拒了。蒸發冷卻技術團隊第二代、第三代科研骨干也曾收到國外大型企業拋來的“橄欖枝”——只要出去，就能賺更多的錢，但這個只有20多人的小團隊始終十分穩定。科學家的“國界”，一直在他們心里。

是什么力量支撐著幾代人接續奮進、支撐著幾十年的持續攻關，讓蒸發冷卻技術打破國外壟斷？又是什么力量，讓蒸發冷卻技術團隊的精神傳承一以貫之，永不褪色？阮琳的答案是，“使命感永遠在心，而且在某種程度上，我們都是理想主義者”。

現年88歲的顧國彪，依然牽掛著青年科學家的成長。他希望電工所乃至中國科學院所有的年輕人，心系“國家事”，肩扛“國家責”，不斷創新，協力攻關，把越來越多的科研成果書寫在祖國的江河和大地上。