（中國科學院電工研究所）

　　一、前言：

　　隨著水輪發電機單機容量的不斷提高，電機的熱負荷也大幅增加，由此而引起的繞組溫升、溫差都在加劇。因此，降低電機繞組溫升及改善溫度分布的均勻性，對大型發電機的可靠運行是至關重要的。
水輪發電機定子水內冷技術，國際上已有40餘年曆史，使上述問題迎刃而解，但因其增加了泵循環純水供應及去離子係統，同時泄漏和氧化物堵塞造成事故的可能性等所帶來的不可靠性風險也同時加劇。
而蒸發冷卻方法利用冷卻介質相變換熱的物理過程帶走發熱部件的熱量。當其應用於水輪發電機時是一種內循環冷卻的方法，類似水內冷。但其循環原理和特殊介質的使用決定了蒸發冷卻技術的應用可完全消除水內冷技術所帶來的運行風險。

　　中科院電工所從1958年開始開展蒸發冷卻技術研究，在近50年的發展過程中，該技術已經經曆了幾輪的革新，從低溫強迫循環到常溫強迫循環最終到封閉自循環蒸發冷卻，無論是在工程實踐還是基礎理論研究方麵，我們已經積累了大量的經驗。長期的無故障運行已經證明蒸發冷卻係統易於安裝和維護，係統運行穩定而且具有很好的可靠性，這意味著蒸發冷卻技術在工程應用方麵已經走向成熟。它突出的可靠性使得這項技術在21世紀具有更強的競爭實力並能夠滿足綠色電力發展的需求。

　　三峽左岸14台發電機都采用定子繞組水內冷方式，現已投入商業運行，運行情況表明，采用定子繞組水內冷的方式單從冷卻能力，即降低繞組溫升來講，是成功的，但同時純水處理係統的存在以及水係統的密封防漏問題也給機組的維護帶來了很大的不便，甚至於有帶來毀壞性故障而造成大的經濟損失的可能。而蒸發冷卻技術最突出的優點就是在具有水內冷同等冷卻效果的基礎上，消除了由泄漏和氧化物堵塞造成事故的可能性，冷卻介質小的泄漏不影響運行，即使發生冷卻介質大的泄漏，也不會產生事故——可采用降負荷運行，待停機後再維修，減輕了機組維護的壓力。采用蒸發冷卻方式，可使得發電機運行獲得高的可靠性及好的維護性，從而獲得高的經濟性。
鑒
　　於科技部的支持和業主對蒸發冷卻技術的逐步深入了解，三峽地下廠房電站將有兩台機組采用蒸發冷卻技術，目前商務合同已經簽訂。

　　在三峽機組上的應用將使我們擁有成熟的800兆瓦量級水輪發電機的蒸發冷卻技術工業化應用經驗。放眼國家近10年的水電發展規劃，從2010年左右將開始不斷開工建設配套單機容量為百萬千萬級的水電站。在這種良好的開發形式下，以及我們已經積累的工程應用經驗和實踐，開展百萬千瓦級超大容量蒸發冷卻水輪發電機工業應用預研是非常必要和適時的。

　　金沙江烏東德水電站是金沙江下遊河段梯級開發的第一個梯級電站，總裝機為10台單機容量為100萬千瓦水輪發電機組，具有以發電為主，兼顧防洪和攔沙等綜合效益。目前，烏東德水電站正處於預可研階段。計劃2007年一季完成預可行性研究與可行性研究階段選壩工作；2009年前後完成可行性研究工作。綜觀國內外巨型水輪發電機組的現狀及發展趨勢，目前混流式水輪機容量基本在已有的700MW範圍內，但應用水頭有提高的趨勢（250m），國內外尚無1000MW級水輪發電機組的設計、製造和運行經驗，也尚未正式開展這方麵的研究。

　　而研究所作為科研的前沿陣地，提早開始著手工程應用研究無疑會為未來在類似烏東德電站百萬千瓦級水輪發電機上推廣蒸發冷卻技術的應用打下堅實的技術研究基礎，為工程應用提供原形參考依據，使我國自主創新的技術體現出工程應用的最先進性和最高水平。

　　二、蒸發冷卻技術在水輪發電機上工業應用的現狀

　　2.1 原理已證實，設計依據充分

　　鑒於自循環蒸發冷卻技術推向大型發電機在國外至今無先例，因此對其原理正確性有必要從技術成熟角度首先加以說明。

　　自循環蒸發冷卻技術的原理是基於兩相流體力學和傳熱學，早在其他工程技術領域，如鍋爐、核反應堆和油氣管道輸送等獲得應用，電機蒸發冷卻技術雖源於此，但又因向邊緣發展，進入了前人從未涉及的與電機結構相吻合的細小管道內的兩相流動與傳熱的物理過程，經電工所四十餘年的努力，通過應用基礎研究和大量試驗研究，建立了用於電機設計的計算方法，在三輪工業機組上獲得驗證並在三峽左岸改造工程項目的方案研究中得以進一步的完善。

　　2.2 技術經濟上可行

　　蒸發冷卻水輪發電機自1983年第一台雲南大寨10兆瓦發電機運行以來，相繼投運了52.5兆瓦和大容量的400兆瓦發電機，運行時間最早的達20多年，通過長期運行考驗，機組運行可靠，各項性能指標達到預期的效果。雲南大寨10兆瓦蒸發冷卻發電機獲國家科技進步二等獎；小安康52.5兆瓦蒸發冷卻水輪發電機獲中科院科技進步一等獎；52.5兆瓦、400兆瓦蒸發冷卻水輪發電機獲國家科技進步二等獎。三台機組都經國家組織鑒定和驗收。

　　通過該技術幾十年的工程實踐，從蒸發冷卻技術應用於水輪發電機，到蒸發冷卻水輪發電機結構可靠性研究，再到結構優化定型，走過了該技術研製應用的全過程，為該技術的發展奠定了堅實的基礎。

　　2.3 工業實施的方便性

　　經機組運行證明，它對電機技術性能有重大的改進，繞組運行溫度水平低，沿繞組長及按定子圓周方向的溫度分布均勻，與定子鐵心溫差小，線棒截麵各點溫差小，從而使絕緣壽命大為延長，減少定子的熱變形與熱應力，且與水冷相比可以省去強迫循環泵及水處理係統。

　　當水輪發電機由水冷改為蒸發冷卻時，因回路屬低壓氣密性密封，承受壓力要求很低，製造及工藝簡化了，電站安裝更為簡易。

　　2.4 運行安全可靠性，維護簡便性

　　已被實踐證明，因采用的是絕緣和無腐蝕介質，即使有少量泄露也不影響機組的安全；由於沒有介質的外處理係統和壓力泵等，係統內運行壓力低，運行可靠、維護簡便，維護工作量小，維護成本低。
蒸發冷卻技術應用於水輪發電機具體的工業成果如下，機組照片見圖1：

　　雲南大寨水電廠的兩台10MW蒸發冷卻水輪發電機組分別於1983年和84年投運，安全運行至今 。

　　1992年安康火石岩電廠的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。

　　這些機組的特性如下：

　　a) 冷卻效果優於空冷；

　　b) 極大的消除了熱應力和應變，延長了絕緣的壽命，使得更換定子繞組的維護費用大大減少；

　　c) 作為一種內冷方式，蒸發冷卻具有水內冷的所有優點，同時由於自循環冷卻係統的工作壓力顯著低於水內冷，所以冷卻液泄漏的可能性大大減小.

　　d) 從循環原理來講，係統具有自調節能力。在每一個熱負荷下，循環流量和蒸汽品質會形成一個合適的匹配，從而保證定子線棒的溫度分布均勻。

　　e) 蒸發冷卻係統使水輪發電機具有過負荷和超發電能力。而且在過負荷的情況下，線棒溫度水平仍然能夠保證與額定運行狀態接近。

　　f) 冷卻介質具有很好的絕緣性，它具有滅火滅弧能力從而抑製電氣事故的發生和擴大。
g) 可靠性高，工業應用的實踐證明發電機從未因蒸發冷卻係統問題而導致故障停機。.


　　圖.1 工業機組照片


　　三、蒸發冷卻技術應用於大型、超大型機組的技術研究基礎

　　3.1 三種容量4台工業機組投運，積累了工業機組從設計、安裝、運行、維護的一整套完整的工程實施經驗；

兩相流動和傳熱的基礎理論研究和工程應用經驗總結；

原理研究實驗平台；

電機材料相容性試驗台;

兩相流基礎研究實驗台（兩相流阻測量，含氣率的測線測量實驗室）；

冷卻介質的腐蝕試驗和電試驗裝備；

工程應用的模型實驗平台；

李家峽400MW電機1:1線棒實驗模型；

針對三峽左岸水內冷改製為蒸發冷卻係統:建立了三套三峽水輪發電機定子線棒1:1模型實驗台(電工所內,東方電機股份有限公司以及哈爾濱大電機研究所)見圖2；

　　通過模型試驗，我們驗證了：

　　使用蒸發冷卻方法可以使額定容量為778MVA 的水輪發電機具有長期115%過負荷能力；

　　定子線棒的溫度（指的是線棒內銅導體的溫度）都在75℃以內,並且沒有過熱點；

　　彙流母線和跨接線采用自循環蒸發冷卻是可行的；

　　模型實驗台上選用測試的工業用電液分離接頭是非常可靠的.

仿真實驗室的初步建設及大型蒸發冷卻水輪發電機設計仿真平台的初步構建；
完成三峽左岸線棒蒸發冷卻係統的仿真計算以及三峽右岸地下廠房發電機優化係統的設計計算,提供了:

　　蒸發冷卻係統的流動特性參數；

　　蒸發冷卻定子線棒的極限熱負荷能力；

　　空心導線中冷卻介質的溫度分布及壓力分布；

　　銅導線壁麵溫度分布；

　　冷凝器不均勻分布對係統的影響。

　　仿真計算的結果顯示使用優化的空心導線尺寸可以使冷卻效果更好.仿真計算的結果與模型實驗的測試結果相對誤差在5%左右,仿真計算軟件的可靠性以及定子線棒1:1模型實驗台的模擬真實性得到了評審專家的一致認可。

　　3.6 國內外首次製定蒸發冷卻水輪發電機（發電/電動機）的規範及規程，本標準目前已經批準實施。標準中冷卻係統因是自主製定而具有創新性，使蒸發冷卻電機從設計、製造、運行、檢修維修均規範化、標準化，使之完整地供今後設計、製造、施工、運行、維修部應用，為產業化以及特大型機組的研製打下了良好的基礎。

　　3.7 近幾年科研隊伍的壯大，專業配套、研究和技術人員搭配適當、年齡結構較為合理的團隊。

電工所模型 東電模型 哈電模型
　　圖2 三峽定子線棒蒸發冷卻係統試驗平台

　　四，蒸發冷卻技術用於應用於百萬千瓦機組冷卻能力分析

　　下麵將以烏東德水電站為例，通過方案初擬、參數對比，從冷卻能力上來說明蒸發冷卻技術應用於百萬千瓦機組是可行的。

主要依據參數
依據長勘院所擬的參數：
額定容量（MVA）/
額定功率（MW） 額定電壓
（kV） 額定轉速
（r/min） 電機極數 功率因數
1111/1000 24 85.71 70 0.9
推出的初步設計參數及定子主要尺寸：
額定
電流
（A） 槽電流（A） 線負荷（A/Cm） 極對數 定子
槽數 定子內徑（m） 定子鐵心高度（m） 齒距（mm）
26730 10692 888 35 480 18.4 3.54 120
初擬烏東德百萬機組定子主要參數與三峽700兆瓦蒸發冷卻水輪發電機相關參數對比：
額定
容量（MVA） 槽電流
（A） 線負荷（A/Cm） 氣隙磁密 齒距（mm）
烏東德 1111 10692 888 0.703 120
三峽左岸ABB 778 9700 887 0.699 109.3
三峽左岸Siemens 778 9700 851 0.709 113.9
三峽右岸Alston 778 8083 864 0.707 93.7
對比評介

　　從電負荷方麵衡量，烏東德百萬千萬機組與三峽700兆瓦蒸發冷卻機組處於同一量級，且蒸發冷卻係統設計過程中又留有1.15倍的設計裕量，因此，兩機組雖然容量不同，但就冷卻係統而言，對三峽機組尤其是三峽地下電站優化的冷卻係統的設計，就已基本上滿足了烏東德機組冷卻的設計要求。在三峽冷卻係統設計的基礎上，適當優化定子線棒的空實導線搭配及空心導線內孔尺寸，加之定子鐵心高度增加10%左右，鑒於蒸發冷卻係統其自身的工作原理，烏東德百萬千萬機組采用定子繞組蒸發冷卻方式，從冷卻能力來講是完全可行的。

　　五、蒸發冷卻技術應用於超大型機組的優勢

　　從我國水電資源的開發戰略來看, 我們知道三峽工程的開發對緩解電力緊缺和實現跨網電力傳輸起著重要作用。所以電機的可靠性尤為需要以確保電力供應的穩定和可靠性。
從可靠性、環保性以及發電機電壓等級的選擇三個方麵來分析，我們可以充滿信心的說蒸發冷卻技術應用於百萬千瓦水輪發電機是完全可行的，而且性能優越能夠適應21世紀綠色電力發展的需求。

　　1. 可靠性分析

　　1.1循環機理的可靠性

　　水輪發電機定子繞組截麵及定子繞組自循環（CLSC）蒸發冷卻係統的結構原理見圖1。

　　圖1 定子繞組截麵圖及冷卻係統的結構原理圖

　 冷卻係統的循環機理如下：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，其混合密度小於回液管中未受熱的液體密度。在重力作用下，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。它利用介質吸收的熱量做功，推動流體循環，無需外加動力。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動發生相應的變化，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。它是一個自適應的冷卻係統，該冷卻方式利用液相和氣液兩相的比重差實現無泵自循環，蒸發冷卻的氣側壓力可以設計為運行時不超過0.1Mpa正壓，停機時成負壓，減小泄漏的可能性。蒸發冷卻線棒中的介質蒸發量會隨著熱量增大而相應加大，有自調節能力，故電機繞組各部分之間溫差較小，所以不可能出現局部過熱點燒毀絕緣的事故。

　　1.2冷卻介質的安全可靠性

　　蒸發冷卻係統中冷卻介質的選擇是非常重要的，用於冷卻係統當中的介質應滿足如下要求：良好的絕緣性能；合適的蒸發溫度和較大的蒸發潛熱，以便與電機的運行溫度相匹配；流動性能好，即粘度要小，以利於減小流動阻力提高冷卻係統循環動力；化學穩定性要好，與各種電機材料（銅、鐵、絕緣等）接觸時穩定性好；安全無毒，不助燃。加之，我國在1992年8月10日正式加入修訂後的蒙特利協定,所以介質的環保性也是選擇介質的考核因素之一。根據上述要求，在蒸發冷卻發電機中選用的是新型環保氟碳化合物類冷卻介質,均是經勞保部門測定為化學穩定性好、無毒、無腐蝕性、不燃不爆，並具有高絕緣性能的介質。

　　1.3冷卻係統的可靠性

　　整個循環係統是一個密閉的無泵自循環係統，它具有自適應，自調節的能力。它無需借助外在的配套係統，也就同時減少了係統配套出現問題而影響可靠性的機會。冷卻係統的冷卻效果比空冷好得多，它極大地減小了熱變形問題從而提高了絕緣的壽命；冷卻係統使用的冷卻介質是具有高絕緣性能的，介質本身具有滅火、滅弧的能力。所以它就消除了水冷方式中由於水質不合格而引發的係統可靠性降低的問題。

　　1.4機組運行的可靠性

　　蒸發冷卻水輪發電機隻要在極限熱負荷以內工作，定子線棒的溫度（指線棒內銅導體的溫度）就始終保持在70℃ 左右，而且定子線棒的主絕緣上不承受溫降。這就杜絕了絕緣因為熱問題而產生的磨損，從而極大地提高了絕緣的壽命。這種冷卻方式使電機在長時間過負荷運行的情況下仍能維持合適的運行溫度，並且對絕緣沒有損傷，這是其它冷卻方式無法實現的。

　　在運行的過程中，具有良好絕緣性能的冷卻介質即使稍有泄漏也不會造成係統故障。介質的滅火、滅弧性能還能抑製電氣事故的擴大，從而提高可靠性。

　　安康一台50MW的水輪發電機，按照容量等級本該選擇空冷模式，但是它選擇了蒸發冷卻方式。即使在負荷變動的情況下，定子繞組的蒸發冷卻係統始終工作在60 ℃左右。11年後，這台電機的定子繞組始終如新，從根本上杜絕了因定子繞組絕緣損壞而引發事故的可能性，提高了機組的可靠性。而且，這台電機在最近幾年經常超發電實現了設備的最大利用率，取得了顯著的經濟效益。

　　李家峽400MW蒸發冷卻水輪發電機投運近7年多，從沒有發生過因為冷卻係統故障而停機的事故，運行狀況一直比較穩定，而且能夠400MW滿負荷發電。而其它三台同等容量的空冷發電機都沒有帶過滿負荷發電，而且三台都不同程度的發生了鐵心熱變形的問題而導致停機檢修。

　　對於70萬千瓦以上的大容量發電機而言，定子鐵心和定子線棒銅溫最好是工作在70-80℃的溫度水平上，整個電機定轉子處於一個溫度彼此相當的平衡狀態下。但是如果用戶提出特殊需求要求更低的溫度，我們可以選擇並提供沸點溫度為40℃甚至更低的冷卻介質來取代HFC-4310，那就意味著定子線棒銅導體的溫度可以達到65℃以內。

　　2、環保性能分析

　　在替代原有介質CFC-113的幾種環保型新介質中，我們推薦使用HFC-4310. 這種介質作為工作介質可以完全避免其排放對臭氧層的破壞，是現階段性能最好的環保型介質，被國內外廣泛采用。HFC-4310是一種特殊的HFC類液體具有0的ODP 值和很低的GWP值。在多數應用環境下，它可以被用來替換現有的HCFC 和 PFC液體。它具有不然、化學穩定、熱穩定和低毒性的特點。當這種介質與電機當中所有類型材料相接觸時，它能夠滿足化學穩定性的要求而無腐蝕發生。

　　3、電壓等級的選擇

　　以長勘院初擬的參數來看，由於發電機額定電壓提高到24KV，使定子線棒主絕緣在20KV電機所采用的主絕緣基礎上，必須加厚。此時若采用空冷，因溫度梯度的增加，會影響絕緣壽命，並且線棒溫升水平將大為提高。雖然空冷方式的結構簡單，且運行經驗豐富，但綜合起來，會得不償失。由此可以說，采用內冷方式應是最佳的選擇。

　　蒸發冷卻屬於一種內冷方式，定子線棒的熱量全部由空心導線中的冷卻介質帶走，如果冷卻係統的設計與空冷係統配和良好的情況下，定子鐵心的熱量全部由空冷係統帶走，那麼空冷和內冷係統之間沒有熱量傳遞，則定子線棒的主絕緣上不需要承受溫降，所以厚度可以適當加厚，從而可以提高電壓等級，減輕輸變電係統開關部件的壓力，可靠性也相應提高。所以蒸發冷卻方式的選擇使得發電機電壓等級的選擇更具靈活性。

　　六、針對百萬千瓦機組應用還有待開展的研究專題

　　采用蒸發冷卻技術的相關研究和試驗內容
 線棒內部空實心導線線規的選取、配比；
 蒸發冷卻係統元件的布置；
 整機仿真研究和數值計算；
 真機線棒冷卻能力和相關參數的模擬試驗；
 與製造企業合作進行整機優化設計以及有關材料、冷卻介質的研發工作；
 銅環引線和主引線采用蒸發冷卻技術的研究、試驗和結構布置設計工作 ；
 轉子繞組溫度的在線檢測方案研究；


　　結語

　　百萬千瓦水電站發電機定子繞組采用蒸發冷卻技術是完全可行的。

　　在未來的20年，有很多超大型和抽水蓄能電站將要建立。其中，三峽總公司將在金沙江流域相繼開發4個超大型的水電站，總裝機容量達到38500MW， 整個工程每年的發電量將能夠達到1744 億千瓦時。其中烏東德和白鶴灘的單機容量是1000MW. 目前，烏東德和白鶴灘正在做可行性研究報告，蒸發冷卻技術作為備選冷卻方式之一，以其高可靠性和與水內冷相當的冷卻能力而具有較強的競爭優勢。在三峽1:1 蒸發冷卻定子線棒模型試驗和仿真計算的基礎上，我們為1000MW水輪發電機定子蒸發冷卻係統提出了優化設計方案。此外，電磁、熱和結構特性將會進行深入考慮從而使1000MW 蒸發冷卻水輪發電機的綜合性能達到最優。

　　越來越多的行業專家已經意識到，對於大型的水輪發電機應用傳統的冷卻方法很難滿足機組可靠性和安全性的要求，而安全可靠恰恰是蒸發冷卻技術的優勢。所以專家們認為蒸發冷卻技術在工程應用實踐中具有極大的推廣價值。