蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展進步及現(xiàn)存技術(shù)難點

蒸發(fā)冷卻的原理

原理 電機以往所使用的冷卻方式(包括空冷、氫冷和水冷)從熱學(xué)原理上來講都是利 用介質(zhì)的比 熱吸熱從而帶走熱量。而蒸發(fā)冷卻從熱學(xué)原理上是利用流體沸騰時的 汽化潛熱帶走熱量。這 種利用流體沸騰時的汽化潛熱的冷卻方式就叫做“蒸發(fā)冷 卻”。由于流體的汽化潛熱要比流 體的比熱大很多，所以蒸發(fā)冷卻的冷卻效果更 為顯著。其中管道內(nèi)冷式蒸發(fā)冷卻的基本原理 是：當(dāng)電機繞組空心導(dǎo)體內(nèi)部通以 冷卻液體，液體進入導(dǎo)體后，吸收損耗產(chǎn)生的熱量，溫度 逐 漸升高。當(dāng)液體的溫 度達到壓力所對應(yīng)的飽和溫度時，就改變其物理狀態(tài)而沸騰汽化，帶走 熱量，冷 卻電機。定子自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)如圖1，它利用立式水輪機本身的結(jié)構(gòu)特點在存 在密 度差的情況下可以實現(xiàn)無泵自循環(huán)。

其原理是：當(dāng)空心導(dǎo)體內(nèi)的冷卻介質(zhì)吸 收空心導(dǎo)線損耗 所發(fā)散的熱量逐漸汽化形成汽液混合物，其密度低于回液管中的 單相液體密度，在重力加速 度的作用下產(chǎn)生流動壓頭，克服整個冷卻回路的阻力 損失，維持系統(tǒng)循環(huán)。

優(yōu)缺點 當(dāng)電機采用蒸發(fā)冷卻方式后，由于蒸發(fā)冷卻的冷卻效果顯著，使得整個電機的 溫升降低，電機的溫度分布均勻。特別是內(nèi)冷方式的使用極大地降低了定子繞組 溫升，從而降低繞組與鐵 心間的溫差，提高運行穩(wěn)定性等優(yōu)點。它的主要優(yōu)點表 現(xiàn)在以下幾個方面：1)蒸發(fā)冷卻繼 承了水內(nèi)冷的優(yōu)點，同時克服了水介質(zhì)的缺點 ，極大地提高了運行可靠性。2)蒸發(fā)冷卻方 式使用的介質(zhì)是沸點在50～60℃的氟 碳化合物，無毒，無污染，不腐蝕金屬。3)采用的介 質(zhì)具有很高的絕緣性，克服 了介質(zhì)導(dǎo)電的危險，同時介質(zhì)具有滅火和滅弧能力，能夠抑制其 他電氣事故的發(fā) 生。4)可以利用液相和氣液雙相的比重差實現(xiàn)無泵自循環(huán)。減小了泄漏點 ，不會 失去循環(huán)。5)蒸發(fā)冷卻的氣側(cè)壓力可以設(shè)計為運行時低于01MPa正壓，停機時成 負 壓，減小泄漏的可能性，克服了水冷方式水泄漏的本質(zhì)弱點。6)由于溫升分布 均勻，定子 線棒各部分的溫差較小(小于10℃)從而克服了定子線棒的熱變形問題 。7)由于蒸發(fā)冷卻介 質(zhì)的高絕緣性，使得對電機繞組本身絕緣的要求降低了，絕 緣費用降低而使電機經(jīng)濟性能有 所提高。蒸發(fā)冷卻技術(shù)唯一需要解決的問題是以 往蒸發(fā)冷卻所使用的氟利昂介質(zhì)中的cl元素 對大氣的臭氧層有破壞作用。但是這 并非本質(zhì)性的弱點，因為新型無污染的冷卻介質(zhì)研究已 取得進展，并已經(jīng)過了實 際機組的使用，可以替換。

二、蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究背景及成果 由于蒸發(fā)冷卻技術(shù)無以倫比的優(yōu)越性，引起了各國科學(xué)家對蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究 工作的關(guān)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(yīng)用到大型發(fā) 電設(shè)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(chǎn)品 批量生產(chǎn)。國外對蒸發(fā)冷卻電機的一些主要研制成果如下 ： 1949年，荷蘭人首先提出了“噴霧式蒸發(fā)外冷”技術(shù)，其電機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(huán)使用。這種冷卻 方式制造和使用都很不方便，且因水具有 導(dǎo)電性而對電機絕緣的要求嚴(yán)格，不適 合大型發(fā)電機冷卻的要求，僅在特種電機上使用。 1962年，蘇聯(lián)基輔工學(xué)院開始研究“直接膜狀蒸發(fā)冷卻”。這種冷卻系 統(tǒng)的基本原理是帶 有空心導(dǎo)體的定轉(zhuǎn)子繞組作為冷凍機中的蒸發(fā)器。他們在靜止 和旋轉(zhuǎn)條件下對一根空心導(dǎo)體 的蒸發(fā)內(nèi)冷做了不少的原理試驗和理論分析。介質(zhì) 采用氟里昂—12和氟里昂—22，整個系統(tǒng) 的運行溫度低于室溫。這種冷卻方式在 汽輪發(fā)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 度極小，熱損耗少。無化學(xué)腐蝕，無爆炸，燃燒等危險。但是， 這種冷卻系統(tǒng)中 冷凍的功率很大，循環(huán)系統(tǒng)復(fù)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(xiàn)熱的逆流現(xiàn)象。即周圍環(huán)境的熱量向電機內(nèi)部傳遞。 1969年，日本東芝電氣公司研究試驗了汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子強迫循環(huán)水蒸 發(fā)內(nèi)冷系統(tǒng)。是在 一個相當(dāng)于20萬kW級汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)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(huán)回路為：冷卻水從軸中小孔流向分 配環(huán)，在離心力的作用下，經(jīng)配水環(huán)上的 噴嘴噴入最內(nèi)層的繞組中，每層繞組有 溢流結(jié)構(gòu)，冷卻水通過溢水孔逐步流入最外層繞組中 ，多余的水流入液體收集器 。有一個絕緣筒套在轉(zhuǎn)子周圍以防止水蒸汽進入定子。管內(nèi)水蒸 汽流過調(diào)壓閥被 吸入冷凝器內(nèi)，冷凝成液體再經(jīng)泵重新循環(huán)工作。水蒸汽的溫度可通過調(diào)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(wěn)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 安全性差。 1970年，美國通用電氣公司在國際大電網(wǎng)會議上發(fā)表的論文中提出了轉(zhuǎn) 子自循環(huán)蒸發(fā)冷卻 方案。整個轉(zhuǎn)子密封于不銹鋼套筒中。冷卻介質(zhì)采用R—113、 R—114、RC—75等。發(fā)電機繞 組內(nèi)充有低沸點、高絕緣的冷卻液體。發(fā)電機運行 時，冷卻液吸收熱量后蒸發(fā)汽化，經(jīng)過冷 凝器又冷凝為液體，經(jīng)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(huán)。這種 自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻效 率高，結(jié)構(gòu)簡單，操作維護方便，運行安全可靠，是一種很有發(fā) 展前途的冷卻方 案。 2國內(nèi)的研究情況 中國科學(xué)院電工所在看到了水內(nèi)冷技術(shù)優(yōu)越性的同時，為了解決水內(nèi)冷電機的 水系統(tǒng)故障 問 題，于1958年開始從事蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究。最早開展的是“低溫 冷凍強迫循環(huán)方式”。這 種冷卻方式使用沸點較低的介質(zhì)，汽化后的飽和蒸汽溫 度低于二次冷卻介質(zhì)溫度，必須經(jīng)過 壓縮，使其飽和蒸汽溫度高于二次冷卻介質(zhì) 溫度，才能進行熱交換，冷凝為液體，再次循環(huán) 使用。1958年在全國第一次三峽 科研工作會議上討論了如何研究采用先進技術(shù)來設(shè)計制造三峽巨型發(fā)電機問題。 中科院電工所承擔(dān)了此項課題后，經(jīng)過調(diào)查和試驗研究提出了利用氟里 昂作為介 質(zhì)的自循環(huán)蒸發(fā)冷卻方式。這種冷卻方式利用電機結(jié)構(gòu)的特點(例如：立式水輪發(fā) 電機的定子繞組)，以及液體汽化后密度發(fā)生變化而引起壓差變化，可以形成自然 循環(huán)。當(dāng) 時，這在國內(nèi)外是最早提出的。其原理如下：繞組空心導(dǎo)體內(nèi)的冷卻液 體吸收了熱量，在常 溫下汽化，通道內(nèi)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(chǎn)生 了壓差，這就是自循環(huán)的動力，稱為流動壓 頭。它是利用介質(zhì)吸收的熱量做功， 推動流體循環(huán)，無需外加動力。流動壓頭克服循環(huán)回路 中的各種阻力損失，保持 正常循環(huán)，壓頭與總阻力相平衡。隨著電機負荷的變化，損耗發(fā)生 變化，流體的 流量發(fā)生變化從而介質(zhì)的流動速度發(fā)生相應(yīng)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(yīng)電機冷卻的需要。這個循環(huán)的原理同樣適用 于轉(zhuǎn)子 ，由于離心加速度比重力加速度大很多，因此循環(huán)的動力也大很多，從而 使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)多匝自 循環(huán)。電工所為了進一步研究蒸發(fā)冷卻原理和設(shè)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(zhuǎn)模型”等試驗室及相 應(yīng)的試驗裝置，對管道內(nèi)蒸發(fā)冷卻的基本 規(guī)律進行研究，獲得了大量的試驗數(shù)據(jù) ，為后來的工業(yè)應(yīng)用積累了大量的試驗研究基礎(chǔ)。電 工所老一輩科學(xué)家經(jīng)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(fā)電機，已 積累了累計52臺年 總?cè)萘窟_570MVA的運行經(jīng)驗，為我國大型電機冷卻方式尋找新的出路作出 了極大 的貢獻。目前，不論是在基礎(chǔ)試驗研究或是機組運行經(jīng)驗上，在蒸發(fā)冷卻電機方面 ， 我國都處于世界領(lǐng)先地位。 中國科學(xué)院電工所與東方電機廠及上海電機廠等生產(chǎn)制造單位合作，先后將 蒸發(fā)冷卻技術(shù) 應(yīng)用于汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機上，取得了很好的工業(yè)應(yīng)用效果。 主要的成果包括：1975年 與北京電力設(shè)備廠聯(lián)合研制了一臺1200kW全蒸發(fā)冷卻汽 輪發(fā)電機。1983年云南大寨水電廠的 兩臺10MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機組安全運行至 今。1992年與上海電機廠聯(lián)合研制的一臺50MW蒸 發(fā)冷汽輪發(fā)電機作調(diào)相機使用運 行至今。1992年安康火石巖電廠的525MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā) 電機運行至今。1999年 底投入運行的李家峽400MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機已于2000年底通過國 家科技部的驗收。

三、蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用前景

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國的各電力系統(tǒng)的 容量不斷增長 ，電力負荷的日變動量(峰谷差)也在不斷加大。一些水電裝機比例 小的電網(wǎng)，只能采用既不 經(jīng)濟，速動性又不好的整開整?；痣姍C組的方法彌補調(diào) 峰容量的不足。許多大容量水電機組 經(jīng)常安排在空載附近旋轉(zhuǎn)備用。眾所周知， 長期在低負荷運行對大型混流式水輪發(fā)電機組是 很不利的。抽水蓄能機組可以利 用電網(wǎng)低谷時的電量揚水蓄能，到電網(wǎng)高峰時放水發(fā)電，起 到最佳的調(diào)峰填谷和 事故備用作用，從而提高電網(wǎng)的可靠性、供電質(zhì)量和運行經(jīng)濟性。抽水 蓄能電站 的建成對緩解系統(tǒng)調(diào)峰填谷能力的嚴(yán)重不足起到了極大的作用。但由于抽水蓄能機 組的轉(zhuǎn)速比較高，所以定子外徑小，軸向高度高，導(dǎo)致定子溫升很不均勻。在負 荷頻繁變化 狀態(tài)下，絕緣迅速老化，脫殼，絕緣壽命降低，就會影響電機運行的 可靠性。采用空冷，電 機參數(shù)的選用范圍比較小，臨界轉(zhuǎn)速不好定位，設(shè)計時若 調(diào)節(jié)不好，容易造成運行不穩(wěn)定的 情況。采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)后電機定子溫升分布 相當(dāng)均勻，而且軸向高度更有利于自循環(huán)蒸 冷系統(tǒng)的循環(huán)，對冷卻效果起到了更 有利的作用。同時能夠解決絕緣和臨界轉(zhuǎn)速的問題。所 以抽水蓄能電站的建設(shè)和 發(fā)展為蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用開辟了廣闊的應(yīng)用前景。 聯(lián)合循環(huán)用大型火電機組由于其應(yīng)用環(huán)境的特殊性，要求電機結(jié)構(gòu)簡單，運行 安全可靠， 檢修維護量小。目前，大型汽發(fā)中使用的水氫和雙水內(nèi)冷等冷卻技術(shù) 由于氫氣的易爆性及水 的堵、漏問題而不能滿足上述要求。空氣冷卻用于聯(lián)合循 環(huán)用大型火電機組又會受到容量的 限制。蒸發(fā)冷卻技術(shù)的特點恰能解決上述矛盾 ，所以蒸發(fā)冷卻技術(shù)用于聯(lián)合循環(huán)用大型 火電機組也有很好的前景。

四、蒸發(fā)冷卻技術(shù)中仍然存在的問題

1電機理論及技術(shù)問題 當(dāng)電機采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，由于該技術(shù)的特殊性，將導(dǎo)致一系列電機理論及 技術(shù)問題。

●蒸發(fā)冷卻電機的電磁計算和冷卻計算：電機采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，結(jié)構(gòu)方面有一 定的特 點，所以應(yīng)該結(jié)合蒸冷電機的結(jié)構(gòu)及冷卻方式的特點，進行合理的電磁計 算和冷卻計算，提 供完整的電機初步設(shè)計方案。

●由于蒸發(fā)冷卻介質(zhì)具有良好的絕緣性，整個電機溫度分布均勻，溫升降低。尤其 是汽輪 發(fā)電機采用浸泡式蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，定子繞組本身的絕緣性能要求降低， 所以絕緣結(jié)構(gòu)應(yīng)該 進行相應(yīng)的改進；另外，轉(zhuǎn)子上采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，對軸系 剛性、柔性的影響需重新考查 。這些問題的研究都有待于在今后的工作中開展和 完善。

●電機內(nèi)熱場，應(yīng)力場及耦合問題一直是電機界的研究熱點。電機采用蒸發(fā)冷卻技 術(shù)后， 無論是電廠還是制造廠都迫切的想知道蒸發(fā)冷卻電機中的熱場及應(yīng)力場分 布情況。這就要求 我 們在今后的研究工作中不斷地提高計算手段，就上述問題給 出規(guī)范和較為準(zhǔn)確的計算結(jié)果。 2兩相流問題 蒸發(fā)冷卻電機中，就其蒸發(fā)冷卻技術(shù)本身而言所要研究的核心課題就是兩相流 問題。這其 中包括兩相流動和兩相傳熱問題。兩相流動和兩相傳熱問題的解決具 有極大的理論及實踐應(yīng) 用價值。但是兩相流動是一個非常復(fù)雜的過程，雖然它經(jīng) 常發(fā)生在許多工業(yè)設(shè)備中，如石油 和天然氣的輸送管道、化學(xué)工程中的反應(yīng)器和 蒸發(fā)器、鍋爐的受熱管、沸水原子能反應(yīng)堆以 及各種蒸發(fā)冷卻裝置上，然而對兩 相流動的規(guī)律性認識還相當(dāng)不完善，至今沒有一整套十分 通用的設(shè)計計算方法。 電機蒸發(fā)內(nèi)冷的繞組導(dǎo)體，通常采用矩形內(nèi)孔，定子繞組各部分處于 不同傾斜角 的位置上；轉(zhuǎn)子繞組又是處于離心力場的作用下。因此，靜止或旋轉(zhuǎn)條件下有關(guān) 矩形銅管通道內(nèi)的蒸發(fā)兩相流動，無論是從電機或從流動傳熱學(xué)科來說都是新的課 題，解決 起來也有相當(dāng)?shù)碾y度。 (1)兩相流動問題 在兩相流動中存在的主要問題是兩相壓降和管道過流斷面在氣液之間的分配。 由于壓降 和斷面分配都與流動狀態(tài)有關(guān)，所以流型流態(tài)也成了不可缺少的研究內(nèi) 容。在兩相流動中， 同時流動的兩相可能具有不同的幾何結(jié)構(gòu)，這些流動的幾何 結(jié)構(gòu)稱之為流型。在不同的流型 中，兩相的相對速度和流動的性質(zhì)會有較大的差 別。目前關(guān)于兩相流動的工程計算方法， 大多數(shù)不考慮流型之間的差別。但是， 對于不同的流型，壓降和兩相所占截面份額的計算公 式，顯然是不應(yīng)該相同的。 兩相壓降中包括兩相重力壓降、加速度壓降、及摩阻壓降。其中兩相摩阻壓降 在總壓降中 占有很大的比例(通常達到90以上)，所以對它的計算準(zhǔn)確性要求比較 高。兩相摩阻壓降的 計算方法甚多，都屬于半理論半經(jīng)驗公式，缺乏通用性，在 特定的兩相循環(huán)系統(tǒng)上使用時， 均需校核修正。針對我們目前所研究的水輪發(fā)電 機上蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用，兩相流阻壓降成 為需要特殊處理的問題，必須要針對 水輪發(fā)電機上垂直上升管的特定結(jié)構(gòu)特點選擇使用合適 的兩相流阻計算公式，并 利用試驗所取得的結(jié)果對公式進行定參，從而保證計算的精確性 。 在自循環(huán)系統(tǒng)中，混合密度的計算也非常關(guān)鍵，因為要確定流動壓頭，就必須 知道混合密 度。因為汽與液同時流動時，流速不同，存在滑差，所以混合密度的 計算非常困難。 氣占截面比在兩相流的研究中十分重要，因為它與兩相流態(tài)，兩相流阻和兩相 混合比重之 間有密切關(guān)系。對汽占截面比的計算大都采用的是在一定假設(shè)條件下 的半理論半經(jīng)驗公式。 要想獲得較為精確的計算公式，就必須根據(jù)具體對象，通 過試驗驗證來決定公式的可用性。 電工所為了研究汽占截面比，采用了一套試驗 裝置用X—射線法來測量它。目前我們的計算 是基于試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的。 (2)兩相傳熱的問題 圖 2 兩相流體傳熱的研究，如沸騰和凝結(jié)熱交換問題，一直受到熱工程界的重視。 因為它是一 種非常有效的傳熱方式。核反應(yīng)堆、火箭發(fā)動機、蒸汽鍋爐以及各種 各樣的蒸汽發(fā)生器 和冷凝器，都采用這種傳熱方式將大量的熱有效地傳遞出去。 但是由于兩相流的復(fù)雜性，兩 相傳熱也是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程。尤其是在電機內(nèi) 部，定子線棒內(nèi)兩相傳熱更為復(fù)雜，因為 運行中的電機是一個動態(tài)的系統(tǒng)，它的 損耗分布是隨著運行狀態(tài)變化的，損耗在電機內(nèi)的分 布本身就是一個很難確定的 問題，那么基于損耗分布的傳熱計算就更為復(fù)雜。蒸發(fā)冷卻定子 線棒是由空心導(dǎo) 線和實心導(dǎo)線排列組合構(gòu)成的(如圖2)。冷卻介質(zhì)在空心導(dǎo)線吸收損耗產(chǎn)生 的熱量 而汽化形成氣液兩相在空心導(dǎo)體中流動，兩相流體在空心導(dǎo)線內(nèi)就要與導(dǎo)線內(nèi)壁發(fā) 生 熱交換，特別是在沿程蒸發(fā)兩相段，空心導(dǎo)線內(nèi)兩相流中蒸汽的含量沿著流體 的流動方向不 斷變化，兩相流與空心導(dǎo)線內(nèi)壁的熱交換的成份和熱交換的形式都 在不斷變化，給兩相傳熱的計算帶來了極大的困難。同時由于兩相傳熱的參與使得 定子線棒的導(dǎo)熱也變得相當(dāng)復(fù)雜， 這其中涉及到空心導(dǎo)線內(nèi)兩相流體與空心導(dǎo)線 內(nèi)壁的熱交換，空心導(dǎo)線內(nèi)壁與外壁之間的導(dǎo) 熱，以及空心導(dǎo)線與實心導(dǎo)線之間 的導(dǎo)熱。要解決這些內(nèi)部傳熱問題只能在不失計算準(zhǔn)確性 的情況下，通過假設(shè)簡 化計算的復(fù)雜性，從而滿足在工程實際中的應(yīng)用。 六、總結(jié) 蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于大型發(fā)電機，無論是從其熱學(xué)原理上還是從冷卻系統(tǒng)運行 機制來講， 它都是一種冷卻效果極為顯著而且運行非常安全可靠的冷卻方式。19 99年底在青海李家峽水 電站投入運行的440MVA定子自循環(huán)蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機已 經(jīng)運行一年有余，電站反饋信息表 明，這臺機組運行非常穩(wěn)定，維護檢修量與其 他3臺采用空冷的機組相比非常少，運行安全 可靠。這一事實更加顯示出蒸發(fā)冷卻 技術(shù)的優(yōu)越性和極大的應(yīng)用前景。但是，蒸發(fā)冷卻技術(shù) 本身還有一些理論問題沒 有得到完善的解決，那么我們就必須遵循從理論研究到實踐檢驗再 回歸到理論研 究這樣一條科學(xué)研究的道路，使這項技術(shù)不斷完善，從而在今后的應(yīng)用中發(fā)揮 更 大的潛能，為我國的電力事業(yè)作出貢獻。