大型电机蒸发冷却技术发展之路

顾国彪

2011年12月15日和2012年7月4日，安装在三峡地下电站的两台800兆瓦量级蒸发冷却水轮发电机分别正式交付中国长江电力股份有限公司三峡电厂并网发电。这是我国自主创新的常温自循环蒸发冷却技术首次成功应用于世界最大容量等级的大型水轮发电机，标志着我国在大型电力装备研发领域的自主创新无论是从技术上，还是从装备容量上都超越了西门子和阿尔斯通等跨国公司。

蒸发冷却技术研究始于上世纪50年代。当时，国际上主要采用水内冷技术，即将水经过去离子净化处理后达到绝缘耐压合格，然后用泵压送进电机绕组的空芯导体内部，从而带走导体热量的冷却方式。电工所的科研人员也曾参与过水内冷技术的研究，逐渐认识了水内冷技术的优势及缺点，最大的问题是大型水轮发电机的电压一般高达2万伏左右，电机内部线圈及水冷的密封接头太多，一旦发生泄漏，会严重破坏绝缘，造成重大安全生产事故。因此，从散热原理出发，水内冷技术并不是理想的电机冷却方式。

初期科研人员采用冰箱制冷的原理，即低温（摄氏零度以下）蒸发冷却技术，并在1958年底研制出一台15千瓦的小型样机。随后的研究发现，基于冰箱原理的低温强迫冷却技术，很难用于大型电机上，主要是因为发电机必须在低于室温下运行，电机外壳上需包上很厚的绝热层，而且外部循环系统中要放置一台大的压缩制冷机，这样不仅没有降低发电机的总损耗，而且还把电机搞复杂了。

在进行了技术经济论证分析后，科研人员提出利用热力学中的两相流原理，即利用液体和气体的混合产生比重差从而产生自循环的原理，将制冷压缩机改为液体循环泵或者索性取消，研制常温下无泵自循环系统。这一提议引起了很大争议，然而仅用了三个月的时间，在1959年底，科研人員就制作出一个立式可观察绕组模型，利用“垂直高度”，将热量转化为“功”，产生自循环动力，替代了循环泵，形成了无需外界动力的“常温自循环蒸发冷却”系统。至此，蒸发冷却技术完成了最基础也是最关键的一步——原理性创新。

在1960-1968年的八年时间内，蒸发冷却技术研究被迫回到试验室。但依然有近10名科研人员在继续蒸发冷却基础试验研究，初步掌握了与电机结构结合的两相流体的测量、散热能力，并选择了氟利昂11（R-11）作为冷却介质。

1972年，出现了转机。与良乡发电设备厂共同制造的1200千瓦蒸发冷却汽轮发电机在厂内进行厂内额定负载试验后，并网运行一举成功，获得1978年全国科学大会奖。至此，自循环蒸发冷却技术在水轮发电机和汽轮发电机上的结构方案都圆满地完成了小型工业机组样机试验，为以后更大容量等级的蒸发冷却机组打下了坚实的基础。

电机蒸发冷却是门多学科的技术，它涉及电机学、结构材料、流体传热传质、高压绝缘以及电化学介质等多种学科。我们总计投入200多人/年的工作量，在仿真设计、密封技术、绝缘管造型、冷却介质选择、极小的微量介质泄漏检测以及设计理论与方法的突破、制造工艺等方面下了大量的功夫。我们这个团队上上下下在困难中坚持下来，历经50余年才使一项原创技术成功应用于世界大型水轮发电机上。

目前我们的团队正在进一步完善设计技术和工艺平台，壮大研发队伍，注重在技术经济性分析，规范化标准化和完善创新合作机制等方面建立更加完善的体系，以利于蒸发冷却技术在超级计算机、汽轮发电机、磁分离装置、特种电机及其他高功率密度的电气电子设备等领域的推广和应用。

团队简介：

中国科学院电工研究所电力设备新技术实验室现有科研人员21人，其中中国工程院院士1人、研究员2人、副研究员和高级工程师9人；具有博士学位9人、硕士学位6人。人员专业涵盖电机与电器、动力工程、工程热物理、机械工程及自动化。