蒸發冷卻技術的研究背景及成果

由于蒸發冷卻技術無以倫比的優越性，引起了各國科學家對蒸發冷卻技術研究 工作的關注 。
1國外的研究情況 美國、日本、英國、俄羅斯和加拿大等國相繼開展了將相變原理應用到大型發 電設備中的
研究，已取得一定的成果，這些研究成果只是處在一種試驗研究的階 段，至今沒有成熟產品 批量生產。國外對蒸發冷卻電機的一些主要研制成果如下 ：
1949年，荷蘭人**提出了“噴霧式蒸發外冷”技術，其電機結構為在 電機的端部裝有橫 向的細管，水霧直接落在繞組、鐵心和轉子表面上吸熱而汽化
，生成的水蒸汽在電機的另一 端冷凝，由泵送入儲液箱，再循環使用。這種冷卻 方式制造和使用都很不方便，且因水具有 導電性而對電機絕緣的要求嚴格，不適
合大型發電機冷卻的要求，僅在特種電機上使用。 1962年，蘇聯基輔工學院開始研究“直接膜狀蒸發冷卻”。這種冷卻系 統的基本原理是帶
有空心導體的定轉子繞組作為冷凍機中的蒸發器。他們在靜止 和旋轉條件下對一根空心導體 的蒸發內冷做了不少的原理試驗和理論分析。介質
采用氟里昂-12和氟里昂-22，整個系統 的運行溫度低于室溫。這種冷卻方式在 汽輪發電機上使用可使其單機容量比用氫冷時提高一 倍，且工作溫度低，溫度梯
度較小，熱損耗少。無化學腐蝕，無爆炸，燃燒等危險。但是， 這種冷卻系統中 冷凍的功率很大，循環系統復雜，操作維護不方便。尤其是在低溫下運行， 外層
要求保溫，否則會出現熱的逆流現象。即周圍環境的熱量向電機內部傳遞。 1969年，日本東芝電氣公司研究試驗了汽輪發電機的轉子強迫循環水蒸 發內冷系統。是在
一個相當于20萬kW級汽輪發電機轉子上進行的模型試驗，同時 還作了一系列單因素的專題模 擬試驗。其循環回路為：冷卻水從軸中小孔流向分
配環，在離心力的作用下，經配水環上的 噴嘴噴入較內層的繞組中，每層繞組有 溢流結構，冷卻水通過溢水孔逐步流入較外層繞組中 ，多余的水流入液體收集器
。有一個絕緣筒套在轉子周圍以防止水蒸汽進入定子。管內水蒸 汽流過調壓閥被 吸入冷凝器內，冷凝成液體再經泵重新循環工作。水蒸汽的溫度可通過調整 壓力
而改變。這種冷卻方式冷卻效果好，繞組溫度分布均勻，工作穩定，起動、停機方 便。 缺點是仍需很多外部管路和冷卻裝置，水對軸及絕緣材料等有腐蝕性，因此 *性差。
1970年，美國通用電氣公司在**大電網會議上發表的論文中提出了轉 子自循環蒸發冷卻 方案。整個轉子密封于不銹鋼套筒中。冷卻介質采用R-113、
R-114、RC-75等。發電機繞 組內充有低沸點、高絕緣的冷卻液體。發電機運行 時，冷卻液吸收熱量后蒸發汽化，經過冷 凝器又冷凝為液體，經過與繞組相連通
的外部回液管，重新返回繞組，形成自然循環。這種 自循環蒸發冷卻系統冷卻效 率高，結構簡單，操作維護方便，運行***，是一種很有發 展前途的冷卻方 案。
2國內的研究情況 *電工所在看到了水內冷技術優越性的同時，為了解決水內冷電機的 水系統故障 問
題，于1958年開始從事蒸發冷卻技術的研究。較早開展的是“低溫 冷凍強迫循環方式”。這 種冷卻方式使用沸點較低的介質，汽化后的飽和蒸汽溫
度低于二次冷卻介質溫度，**經過 壓縮，使其飽和蒸汽溫度**二次冷卻介質 溫度，才能進行熱交換，冷凝為液體，再次循環 使用。1958年在全國*一次三峽
科研工作會議上討論了如何研究采用**技術來設計制造三峽巨型發電機問題。 中科院電工所承擔了此項課題后，經過調研和試驗研究提出了利用氟里 昂作為介
質的自循環蒸發冷卻方式。這種冷卻方式利用電機結構的特點(例如：立式水輪發 電機的定子繞組)，以及液體汽化后密度發生變化而引起壓差變化，可以形成自然 循環。當
時，這在國內外是較早提出的。其原理如下：繞組空心導體內的冷卻液 體吸收了熱量，在常 溫下汽化，通道內形成氣液兩相的混合物，其混合密度小于
回液管中未受熱的液體密度。在 重力加速度作用下，兩管中的靜壓頭不同就產生 了壓差，這就是自循環的動力，稱為流動壓 頭。它是利用介質吸收的熱量做功，
推動流體循環，*外加動力。流動壓頭克服循環回路 中的各種阻力損失，保持 正常循環，壓頭與總阻力相平衡。隨著電機負荷的變化，損耗發生 變化，流體的
流量發生變化從而介質的流動速度發生相應的變化，流動壓頭和總阻力損失在 新 的條件下達到新的平衡，可以自動適應電機冷卻的需要。這個循環的原理同樣適用 于轉子
，由于離心加速度比重力加速度大很多，因此循環的動力也大很多，從而 使轉子實現多匝自 循環。電工所為了進一步研究蒸發冷卻原理和設計計算方法，
先后建立了“氣液兩相原理模 擬”，“定子模型”和“旋轉模型”等試驗室及相 應的試驗裝置，對管道內蒸發冷卻的基本 規律進行研究，獲得了大量的試驗數據
，為后來的工業應用積累了大量的試驗研究基礎。電 工所老一輩科學家經過40多 年的艱苦研究，從1萬kW的小機組到40MW的大型水輪發電機，已 積累了累計52臺年
總容量達570MVA的運行經驗，為我國大型電機冷卻方式尋找新的出路作出 了較大 的貢獻。目前，不論是在基礎試驗研究或是機組運行經驗上，在蒸發冷卻電機方面 ，
我國都處于世界良好地位。 *電工所與東方電機廠及上海電機廠等生產制造單位合作，先后將 蒸發冷卻技術
應用于汽輪發電機和水輪發電機上，取得了很好的工業應用效果。 主要的成果包括：1975年 與北京電力設備廠聯合研制了一臺1200kW全蒸發冷卻汽
輪發電機。1983年云南大寨水電廠的 兩臺10MW蒸發冷卻水輪發電機組*運行至 今。1992年與上海電機廠聯合研制的一臺50MW蒸
發冷汽輪發電機作調相機使用運 行至今。1992年安康火石巖電廠的525MW蒸發冷卻水輪發 電機運行至今。1999年
底投入運行的李家峽400MW蒸發冷卻水輪發電機已于2000年底通過國 家科技部的驗收。

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