“冷卻”三峽，守護(hù)大國(guó)重器

“一把老虎鉗、一把鋸子、幾把螺絲刀，我們的蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)室就是這樣干起來(lái)的。”

2011年12月15日15時(shí)，三峽電站28號(hào)機(jī)組順利完成72小時(shí)試運(yùn)行。那天，75歲的中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院電工研究所（以下簡(jiǎn)稱電工所）研究員顧國(guó)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(shù)的國(guó)外傳統(tǒng)大型發(fā)電機(jī)組，28號(hào)機(jī)組是我國(guó)首臺(tái)、世界單機(jī)容量最大的大型蒸發(fā)冷卻機(jī)組，采用自主創(chuàng)新的“定子繞組常溫自循環(huán)蒸發(fā)冷卻”技術(shù)，標(biāo)志著我國(guó)大型水電裝備研發(fā)走向國(guó)際領(lǐng)先。次年，蒸發(fā)冷卻機(jī)組27號(hào)也正式投產(chǎn)發(fā)電。

10余年來(lái)，三峽電站27號(hào)、28號(hào)兩臺(tái)70萬(wàn)千瓦大型發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安如磐石，蒸發(fā)冷卻技術(shù)大幅提高了電機(jī)的安全可靠性和維護(hù)便捷性，打破了國(guó)外廠商在大型水電裝備領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，并整體拉低了其投標(biāo)價(jià)格。

最早開(kāi)始鉆研蒸發(fā)冷卻技術(shù)時(shí)，顧國(guó)彪只有22歲，剛加入成立不久的電工所?！安蛔雠c國(guó)外重復(fù)的事情，要做一兩件超越國(guó)外的事?！边@個(gè)一度被視為“很荒唐”的想法，成了他和團(tuán)隊(duì)一輩子的信念。數(shù)十年來(lái)，他們一直在思考如何將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域，不僅要滿足國(guó)家重大需求，還要在國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)揮作用。

代號(hào)“601”

“更立西江石壁，截?cái)辔咨皆朴?，高峽出平湖。”這是毛澤東主席1956年在武漢暢游長(zhǎng)江時(shí)寫(xiě)下的宏偉詩(shī)篇。

“高峽出平湖”的美好愿望，帶來(lái)了對(duì)三峽工程的熱議。1958年，中共中央下發(fā)關(guān)于三峽工程的第一個(gè)重要文件——《中共中央關(guān)于三峽水利樞紐和長(zhǎng)江流域規(guī)劃的意見(jiàn)》，提出“從國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)條件兩個(gè)方面考慮，三峽水利樞紐是需要修建而且可能修建的”。

中國(guó)工程院院士饒芳權(quán)回憶，當(dāng)年論證三峽工程的可行性時(shí)，中國(guó)只做過(guò)6萬(wàn)千瓦的水輪發(fā)電機(jī)組，但三峽這樣量級(jí)的水利工程項(xiàng)目的機(jī)組至少需要50萬(wàn)千瓦，而當(dāng)時(shí)世界最大的蘇聯(lián)古比雪夫水電站的單機(jī)容量也只有11.5萬(wàn)千瓦。

為了突破大型水利工程電力設(shè)備領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)，電工所應(yīng)運(yùn)而生。一次攻克大容量電機(jī)冷卻世界性難題的長(zhǎng)征，就此開(kāi)始。

“一把老虎鉗、一把鋸子、幾把螺絲刀，我們的蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)室就是這樣干起來(lái)的?！眲倓倧那迦A大學(xué)電機(jī)系畢業(yè)的顧國(guó)彪，就是在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻加入的電工所。

當(dāng)時(shí)，國(guó)際大型水輪發(fā)電機(jī)主要采用空冷和定子繞組水內(nèi)冷技術(shù)。電工所的科研人員曾參與水內(nèi)冷技術(shù)的研究，逐漸認(rèn)識(shí)到水內(nèi)冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，這種技術(shù)最大的問(wèn)題就是電氣安全問(wèn)題。由于這類發(fā)電機(jī)的額定電壓一般高達(dá)2萬(wàn)伏左右，一旦電機(jī)內(nèi)部的水泄漏，會(huì)嚴(yán)重破壞絕緣性，造成重大安全生產(chǎn)事故，后果不堪設(shè)想。而隨著發(fā)電機(jī)容量的不斷增大，絕緣體增厚，發(fā)熱量也不斷提高，空冷這一外部冷卻方式越來(lái)越滿足不了需求。

中國(guó)工程院院士饒芳權(quán)回憶，當(dāng)年論證三峽工程的可行性時(shí)，中國(guó)只做過(guò)6萬(wàn)千瓦的水輪發(fā)電機(jī)組，但三峽這樣量級(jí)的水利工程項(xiàng)目的機(jī)組至少需要50萬(wàn)千瓦，而當(dāng)時(shí)世界最大的蘇聯(lián)古比雪夫水電站的單機(jī)容量也只有11.5萬(wàn)千瓦。

怎么才能既保證工程安全可靠，又進(jìn)一步提高冷卻效率？顧國(guó)彪將研究方向瞄準(zhǔn)了當(dāng)時(shí)發(fā)展前景尚不明朗的蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

不同于空冷和水內(nèi)冷的原理，蒸發(fā)冷卻是基于相變換熱原理的新型冷卻技術(shù)，通過(guò)絕緣性能良好的介質(zhì)汽化潛熱帶走熱量。為了驗(yàn)證這種想法，他們還買來(lái)一臺(tái)冰箱，不分晝夜地研究其中的冷凍機(jī)。

就這樣，他們很快研制出一臺(tái)15千瓦的壓縮制冷電機(jī)，證明了壓縮制冷在電機(jī)上應(yīng)用的可行性。在后面的試驗(yàn)中，他們漸漸發(fā)現(xiàn)，基于冰箱原理的壓縮制冷技術(shù)很難應(yīng)用于大型電機(jī)，因?yàn)橥獠康膲嚎s制冷系統(tǒng)消耗功率較大，發(fā)電機(jī)外部必須包上很厚的隔熱層，這不僅會(huì)增加后期的維護(hù)成本，也會(huì)影響冷卻系統(tǒng)的可靠性。

在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證分析后，顧國(guó)彪另辟蹊徑，鉆研起熱力學(xué)中的熱功轉(zhuǎn)換問(wèn)題，并提出利用兩相流的自循環(huán)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，研制常溫下的無(wú)泵自循環(huán)系統(tǒng)。而這個(gè)只有23歲的年輕人的想法，讓不少人覺(jué)得有些“荒唐”。

所有質(zhì)疑都無(wú)法干擾顧國(guó)彪。他們僅用了3個(gè)月的時(shí)間，在1959年底制作出一個(gè)立式可觀察繞組模型，利用“垂直高度”將熱量轉(zhuǎn)化為“功”，從而產(chǎn)生自循環(huán)動(dòng)力，替代了循環(huán)泵，形成了無(wú)須外界動(dòng)力的“常溫自循環(huán)蒸發(fā)冷卻”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)冷卻技術(shù)最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的一步——原理性創(chuàng)新。

隨后，中國(guó)科學(xué)院主持召開(kāi)蒸發(fā)冷卻電機(jī)工業(yè)推廣會(huì)議，落實(shí)了蒸發(fā)冷卻實(shí)驗(yàn)電機(jī)的任務(wù)，正式定名“601任務(wù)”。

隨著電工所等單位聯(lián)合研制的650千瓦水輪發(fā)電機(jī)在北京玉淵潭電站試驗(yàn)成功，他們向著“三峽發(fā)電”的目標(biāo)又邁進(jìn)了一步。

“做工程技術(shù)，要有敢想的精神，不要外國(guó)人講什么就信什么，滿足于國(guó)外的好東西。要敢于質(zhì)疑，相信我們能做得更好?！边@種深入骨髓的自信，讓顧國(guó)彪勇往直前，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不斷挑戰(zhàn)這件看似“不可能實(shí)現(xiàn)的事”。

這件事，貸款也要干

從1960年到1968年，蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究被迫回到實(shí)驗(yàn)室。但在這8年里，這支團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有停滯不前，而是繼續(xù)蒸發(fā)冷卻基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，并掌握了與電機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)合的兩相流體的測(cè)量、散熱能力。

1972年，新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)到來(lái)。他們與良鄉(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)行額定負(fù)載試驗(yàn)后，并網(wǎng)運(yùn)行一舉成功。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(yàn)，為更大容量等級(jí)的蒸發(fā)冷卻機(jī)組研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)70年代末80年代初，電工所與東方電機(jī)廠等開(kāi)展合作，但因?yàn)榱㈨?xiàng)進(jìn)度等原因，安裝運(yùn)行資金十分緊張，顧國(guó)彪想到了向國(guó)家貸款。

“這件事，貸款也要干！科學(xué)試驗(yàn)最終要為國(guó)民經(jīng)濟(jì)服務(wù)，一定要實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，才會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)真正的好處。”當(dāng)時(shí)很多人認(rèn)為工程應(yīng)用是企業(yè)的事，顧國(guó)彪的這一想法無(wú)疑是超前的。

憑著這股韌勁兒，顧國(guó)彪最終獲得了160萬(wàn)元的國(guó)家貸款。當(dāng)時(shí)電工所有幾百人，每年的研究經(jīng)費(fèi)和運(yùn)行經(jīng)費(fèi)不到100萬(wàn)元?！艾F(xiàn)在想來(lái)，我們的膽子真的很大，當(dāng)時(shí)工資才多少錢(qián)，我們居然想要貸款160萬(wàn)元。我大概是第一個(gè)用貸款方式籌集科研資金的人?！鳖檱?guó)彪感慨道。

有了這筆資金，兩臺(tái)1萬(wàn)千瓦的蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)組，終于落地云南省大寨水電站。這是我國(guó)自主研發(fā)的、投入工業(yè)應(yīng)用的首臺(tái)自循環(huán)蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)，因?yàn)闆](méi)有見(jiàn)過(guò)，就連資深的老工程師在首次啟動(dòng)時(shí)也倍感緊張。

最終，時(shí)間證明了蒸發(fā)冷卻技術(shù)的安全可靠。如今，這兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組已安全運(yùn)行40多年，先后獲得1987年中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、1988年國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

憑借大寨水電站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)團(tuán)隊(duì)又爭(zhēng)取到在陜西安康火石巖電站建設(shè)5萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)的項(xiàng)目。為了確保每個(gè)環(huán)節(jié)準(zhǔn)確無(wú)誤，整個(gè)團(tuán)隊(duì)在工地上一干就是12個(gè)小時(shí)，吃飯時(shí)就直接靠著墻。就連廠內(nèi)的工程建設(shè)者都認(rèn)不出來(lái)，這些灰頭土臉的“工友”竟是北京來(lái)的科學(xué)家。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)“安全高效”的形象使越來(lái)越多的項(xiàng)目主動(dòng)找上門(mén)，但這群科學(xué)家心里始終記著那個(gè)最大的夢(mèng)想——走向三峽工程。

五十余年，圓一個(gè)三峽夢(mèng)

1994年，三峽工程正式開(kāi)工。顧國(guó)彪向三峽工程建設(shè)委員會(huì)提出使用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的建議。

委員會(huì)專家提出了一個(gè)挑戰(zhàn)：“你們的技術(shù)我了解過(guò)，你們搞了一個(gè)5萬(wàn)千瓦的發(fā)電機(jī)，但我們這是70萬(wàn)千瓦的。如果你能在四五年內(nèi)完成40萬(wàn)到50萬(wàn)千瓦的電機(jī)，并且兩年之內(nèi)不出故障，我們就一定用?！?/p>

恰巧，青海李家峽水電站將啟動(dòng)一個(gè)40萬(wàn)千瓦的發(fā)電機(jī)，這是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的水輪發(fā)電機(jī)組。

當(dāng)時(shí)，李家峽發(fā)電機(jī)的1號(hào)機(jī)已經(jīng)安裝，2號(hào)機(jī)和3號(hào)機(jī)正在生產(chǎn)，只有4號(hào)機(jī)有可能性。顧國(guó)彪寫(xiě)了厚厚一疊關(guān)于李家峽水電站發(fā)電機(jī)應(yīng)用定子繞組蒸發(fā)冷卻技術(shù)的建議書(shū)，僅材料復(fù)印費(fèi)就花了3萬(wàn)元 。憑借之前項(xiàng)目的良好聲譽(yù)，他們最終成功爭(zhēng)取到這個(gè)機(jī)會(huì)，并成為“九五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃中的一項(xiàng)。

實(shí)際上，從5萬(wàn)千瓦到40萬(wàn)千瓦，對(duì)蒸發(fā)冷卻技術(shù)團(tuán)隊(duì)而言是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，常規(guī)而言，還應(yīng)該再研制20萬(wàn)千瓦的機(jī)組，但這意味著又需要10年左右的時(shí)間，蒸發(fā)冷卻技術(shù)走向三峽將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

“我當(dāng)時(shí)心里憋著一股氣，一定要把蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用到三峽工程中去！”顧國(guó)彪說(shuō)。

為了圓滿完成任務(wù)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)團(tuán)隊(duì)夜以繼日地奮戰(zhàn)在工程前線。1999年末，李家峽40萬(wàn)千瓦蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)終于研制成功。

顧國(guó)彪至今仍記得，李家峽水電站正式運(yùn)行那天，雖然身處壯美的國(guó)家森林公園，可根本無(wú)心欣賞風(fēng)景，直到項(xiàng)目宣告成功，才發(fā)覺(jué)自己“腿都發(fā)軟了”。

李家峽水電站40萬(wàn)千瓦蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)也在之后于法國(guó)巴黎召開(kāi)的國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議上，被評(píng)為旋轉(zhuǎn)電機(jī)領(lǐng)域四大進(jìn)展之一，還與安康5萬(wàn)千瓦蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)聯(lián)合獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

自此，我國(guó)在電機(jī)領(lǐng)域的國(guó)際地位開(kāi)始扭轉(zhuǎn)。

但前往三峽的路，仍不平坦。

據(jù)顧國(guó)彪回憶，對(duì)于這項(xiàng)國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，三峽工程建設(shè)委員會(huì)在4年左右的時(shí)間里，召開(kāi)了7次技術(shù)評(píng)審會(huì)，直到2008年才正式?jīng)Q定用于三峽地下電站28號(hào)和27號(hào)機(jī)組。

3年后，三峽地下電站28號(hào)、27號(hào)定子繞組蒸發(fā)冷卻機(jī)組相繼投入運(yùn)行。由電工所參與完成的“長(zhǎng)江三峽樞紐工程”榮獲2019年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

從最初的1萬(wàn)千瓦到5萬(wàn)千瓦、40萬(wàn)千瓦、70萬(wàn)千瓦，蒸發(fā)冷卻技術(shù)走向世界最大容量的水輪發(fā)電機(jī)，趕超國(guó)外，蒸發(fā)冷卻技術(shù)團(tuán)隊(duì)用了50多年。

至今，這些常年穩(wěn)定運(yùn)行，連定子線棒都沒(méi)有更換過(guò)的蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)，“安靜”得甚至讓水電站的一線維護(hù)新人都不知道工程背后還隱藏著中國(guó)的“獨(dú)門(mén)絕技”。

作為顧國(guó)彪的博士生開(kāi)門(mén)大弟子，電工所電力設(shè)備新技術(shù)研究部主任阮琳說(shuō)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)工業(yè)應(yīng)用之前，我國(guó)大型水利工程電力設(shè)備領(lǐng)域幾乎采用的都是國(guó)外的技術(shù)。無(wú)論從裝備容量還是從技術(shù)指標(biāo)上，這兩臺(tái)采用了蒸發(fā)冷卻技術(shù)的三峽發(fā)電機(jī)都超越了一些跨國(guó)公司，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，“完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)確保機(jī)組更加穩(wěn)定、可靠運(yùn)行”。

完成服務(wù)三峽的使命后，蒸發(fā)冷卻技術(shù)團(tuán)隊(duì)又開(kāi)啟了新領(lǐng)域的“跨界”研究，尤其是向大科學(xué)儀器裝置和超級(jí)計(jì)算、云計(jì)算等方向進(jìn)軍。

2010年至2013年期間，電工所與中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所合作，正式將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于重離子加速器領(lǐng)域的ECR離子源。10余年來(lái)，集成一體化蒸發(fā)冷卻ECR離子源運(yùn)行穩(wěn)定，冷卻系統(tǒng)換熱效率和可靠性高，在常導(dǎo)源中，其功率密度和磁場(chǎng)參數(shù)均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，被譽(yù)為世界最好的常導(dǎo)源之一。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)還成為高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”的“降溫利器”，成功支撐“拉索”數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和在站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人值守”機(jī)房要求下的平穩(wěn)運(yùn)行。在關(guān)鍵指標(biāo)實(shí)測(cè)服務(wù)器機(jī)柜電能使用效率方面，“拉索”數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載消耗的能源比值（PUE）為1.03，如此低的數(shù)值成為高性能計(jì)算中心冷卻業(yè)內(nèi)難以超越的成績(jī)。

從2009年起，阮琳還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)持續(xù)探索蒸發(fā)冷卻技術(shù)在耗能巨大的超算領(lǐng)域上的應(yīng)用。如今，電工所電力設(shè)備新技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，在祖國(guó)大地的各類大型工程項(xiàng)目中落地開(kāi)花，新的技術(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)也在萌生。

在蒸發(fā)冷卻技術(shù)蜚聲國(guó)際之時(shí)，國(guó)外知名水電公司曾想高薪聘請(qǐng)顧國(guó)彪，但顧國(guó)彪婉拒了。蒸發(fā)冷卻技術(shù)團(tuán)隊(duì)第二代、第三代科研骨干也曾收到國(guó)外大型企業(yè)拋來(lái)的“橄欖枝”——只要出去，就能賺更多的錢(qián)，但這個(gè)只有20多人的小團(tuán)隊(duì)始終十分穩(wěn)定。科學(xué)家的“國(guó)界”，一直在他們心里。

是什么力量支撐著幾代人接續(xù)奮進(jìn)、支撐著幾十年的持續(xù)攻關(guān)，讓蒸發(fā)冷卻技術(shù)打破國(guó)外壟斷？又是什么力量，讓蒸發(fā)冷卻技術(shù)團(tuán)隊(duì)的精神傳承一以貫之，永不褪色？阮琳的答案是，“使命感永遠(yuǎn)在心，而且在某種程度上，我們都是理想主義者”。

現(xiàn)年88歲的顧國(guó)彪，依然牽掛著青年科學(xué)家的成長(zhǎng)。他希望電工所乃至中國(guó)科學(xué)院所有的年輕人，心系“國(guó)家事”，肩扛“國(guó)家責(zé)”，不斷創(chuàng)新，協(xié)力攻關(guān)，把越來(lái)越多的科研成果書(shū)寫(xiě)在祖國(guó)的江河和大地上。