大型電機蒸發(fā)冷卻技術發(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(fā)電。這是我國自主創(chuàng)新的常溫自循環(huán)蒸發(fā)冷卻技術首次成功應用于世界最大容量等級的大型水輪發(fā)電機，標志著我國在大型電力裝備研發(fā)領域的自主創(chuàng)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(fā)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(yōu)勢及缺點，最大的問題是大型水輪發(fā)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(fā)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(fā)，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(fā)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(fā)現(xiàn)，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(fā)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(huán)系統(tǒng)中要放置一臺大的壓縮制冷機，這樣不僅沒有降低發(fā)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(huán)的原理，將制冷壓縮機改為液體循環(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”，將熱量轉化為“功”，產生自循環(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)冷卻技術完成了最基礎也是最關鍵的一步——原理性創(chuàng)新。

在1960-1968年的八年時間內，蒸發(fā)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(xù)蒸發(fā)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(xiàn)了轉機。與良鄉(xiāng)發(fā)電設備廠共同制造的1200千瓦蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)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(huán)蒸發(fā)冷卻技術在水輪發(fā)電機和汽輪發(fā)電機上的結構方案都圓滿地完成了小型工業(yè)機組樣機試驗，為以后更大容量等級的蒸發(fā)冷卻機組打下了堅實的基礎。

電機蒸發(fā)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(chuàng)技術成功應用于世界大型水輪發(fā)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(fā)隊伍，注重在技術經濟性分析，規(guī)范化標準化和完善創(chuàng)新合作機制等方面建立更加完善的體系，以利于蒸發(fā)冷卻技術在超級計算機、汽輪發(fā)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(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；具有博士學位9人、碩士學位6人。人員專業(yè)涵蓋電機與電器、動力工程、工程熱物理、機械工程及自動化。