（中国科学院电工研究所）

　　一、前言：

　　随着水轮发电机单机容量的不断提高，电机的热负荷也大幅增加，由此而引起的绕组温升、温差都在加剧。因此，降低电机绕组温升及改善温度分布的均匀性，对大型发电机的可靠运行是至关重要的。
水轮发电机定子水内冷技术，国际上已有40余年历史，使上述问题迎刃而解，但因其增加了泵循环纯水供应及去离子系统，同时泄漏和氧化物堵塞造成事故的可能性等所带来的不可靠性风险也同时加剧。
而蒸发冷却方法利用冷却介质相变换热的物理过程带走发热部件的热量。当其应用于水轮发电机时是一种内循环冷却的方法，类似水内冷。但其循环原理和特殊介质的使用决定了蒸发冷却技术的应用可完全消除水内冷技术所带来的运行风险。

　　中科院电工所从1958年开始开展蒸发冷却技术研究，在近50年的发展过程中，该技术已经经历了几轮的革新，从低温强迫循环到常温强迫循环最终到封闭自循环蒸发冷却，无论是在工程实践还是基础理论研究方面，我们已经积累了大量的经验。长期的无故障运行已经证明蒸发冷却系统易于安装和维护，系统运行稳定而且具有很好的可靠性，这意味着蒸发冷却技术在工程应用方面已经走向成熟。它突出的可靠性使得这项技术在21世纪具有更强的竞争实力并能够满足绿色电力发展的需求。

　　三峡左岸14台发电机都采用定子绕组水内冷方式，现已投入商业运行，运行情况表明，采用定子绕组水内冷的方式单从冷却能力，即降低绕组温升来讲，是成功的，但同时纯水处理系统的存在以及水系统的密封防漏问题也给机组的维护带来了很大的不便，甚至于有带来毁坏性故障而造成大的经济损失的可能。而蒸发冷却技术最突出的优点就是在具有水内冷同等冷却效果的基础上，消除了由泄漏和氧化物堵塞造成事故的可能性，冷却介质小的泄漏不影响运行，即使发生冷却介质大的泄漏，也不会产生事故——可采用降负荷运行，待停机后再维修，减轻了机组维护的压力。采用蒸发冷却方式，可使得发电机运行获得高的可靠性及好的维护性，从而获得高的经济性。
鉴
　　于科技部的支持和业主对蒸发冷却技术的逐步深入了解，三峡地下厂房电站将有两台机组采用蒸发冷却技术，目前商务合同已经签订。

　　在三峡机组上的应用将使我们拥有成熟的800兆瓦量级水轮发电机的蒸发冷却技术工业化应用经验。放眼国家近10年的水电发展规划，从2010年左右将开始不断开工建设配套单机容量为百万千万级的水电站。在这种良好的开发形式下，以及我们已经积累的工程应用经验和实践，开展百万千瓦级超大容量蒸发冷却水轮发电机工业应用预研是非常必要和适时的。

　　金沙江乌东德水电站是金沙江下游河段梯级开发的第一个梯级电站，总装机为10台单机容量为100万千瓦水轮发电机组，具有以发电为主，兼顾防洪和拦沙等综合效益。目前，乌东德水电站正处于预可研阶段。计划2007年一季完成预可行性研究与可行性研究阶段选坝工作；2009年前后完成可行性研究工作。综观国内外巨型水轮发电机组的现状及发展趋势，目前混流式水轮机容量基本在已有的700MW范围内，但应用水头有提高的趋势（250m），国内外尚无1000MW级水轮发电机组的设计、制造和运行经验，也尚未正式开展这方面的研究。

　　而研究所作为科研的前沿阵地，提早开始着手工程应用研究无疑会为未来在类似乌东德电站百万千瓦级水轮发电机上推广蒸发冷却技术的应用打下坚实的技术研究基础，为工程应用提供原形参考依据，使我国自主创新的技术体现出工程应用的最先进性和最高水平。

　　二、蒸发冷却技术在水轮发电机上工业应用的现状

　　2.1     原理已证实，设计依据充分

　　鉴于自循环蒸发冷却技术推向大型发电机在国外至今无先例，因此对其原理正确性有必要从技术成熟角度首先加以说明。

　　自循环蒸发冷却技术的原理是基于两相流体力学和传热学，早在其他工程技术领域，如锅炉、核反应堆和油气管道输送等获得应用，电机蒸发冷却技术虽源于此，但又因向边缘发展，进入了前人从未涉及的与电机结构相吻合的细小管道内的两相流动与传热的物理过程，经电工所四十余年的努力，通过应用基础研究和大量试验研究，建立了用于电机设计的计算方法，在三轮工业机组上获得验证并在三峡左岸改造工程项目的方案研究中得以进一步的完善。

　　2.2     技术经济上可行

　　蒸发冷却水轮发电机自1983年第一台云南大寨10兆瓦发电机运行以来，相继投运了52.5兆瓦和大容量的400兆瓦发电机，运行时间最早的达20多年，通过长期运行考验，机组运行可靠，各项性能指标达到预期的效果。云南大寨10兆瓦蒸发冷却发电机获国家科技进步二等奖；小安康52.5兆瓦蒸发冷却水轮发电机获中科院科技进步一等奖；52.5兆瓦、400兆瓦蒸发冷却水轮发电机获国家科技进步二等奖。三台机组都经国家组织鉴定和验收。

　　通过该技术几十年的工程实践，从蒸发冷却技术应用于水轮发电机，到蒸发冷却水轮发电机结构可靠性研究，再到结构优化定型，走过了该技术研制应用的全过程，为该技术的发展奠定了坚实的基础。

　　2.3     工业实施的方便性

　　经机组运行证明，它对电机技术性能有重大的改进，绕组运行温度水平低，沿绕组长及按定子圆周方向的温度分布均匀，与定子铁心温差小，线棒截面各点温差小，从而使绝缘寿命大为延长，减少定子的热变形与热应力，且与水冷相比可以省去强迫循环泵及水处理系统。

　　当水轮发电机由水冷改为蒸发冷却时，因回路属低压气密性密封，承受压力要求很低，制造及工艺简化了，电站安装更为简易。

　　2.4     运行安全可靠性，维护简便性

　　已被实践证明，因采用的是绝缘和无腐蚀介质，即使有少量泄露也不影响机组的安全；由于没有介质的外处理系统和压力泵等，系统内运行压力低，运行可靠、维护简便，维护工作量小，维护成本低。
蒸发冷却技术应用于水轮发电机具体的工业成果如下，机组照片见图1：

　　云南大寨水电厂的两台10MW蒸发冷却水轮发电机组分别于1983年和84年投运，安全运行至今 。

　　1992年安康火石岩电厂的52.5MW蒸发冷却水轮发电机运行至今。

　　1999年底投入运行的李家峡400MW蒸发冷却水轮发电机。

　　这些机组的特性如下：

　　a)    冷却效果优于空冷；

　　b)    极大的消除了热应力和应变，延长了绝缘的寿命，使得更换定子绕组的维护费用大大减少；

　　c)    作为一种内冷方式，蒸发冷却具有水内冷的所有优点，同时由于自循环冷却系统的工作压力显著低于水内冷，所以冷却液泄漏的可能性大大减小.

　　d)    从循环原理来讲，系统具有自调节能力。在每一个热负荷下，循环流量和蒸汽品质会形成一个合适的匹配，从而保证定子线棒的温度分布均匀。

　　e)    蒸发冷却系统使水轮发电机具有过负荷和超发电能力。而且在过负荷的情况下，线棒温度水平仍然能够保证与额定运行状态接近。

　　f)    冷却介质具有很好的绝缘性，它具有灭火灭弧能力从而抑制电气事故的发生和扩大。 
g)    可靠性高，工业应用的实践证明发电机从未因蒸发冷却系统问题而导致故障停机。.

 
　　图.1 工业机组照片


　　三、蒸发冷却技术应用于大型、超大型机组的技术研究基础

　　3.1 三种容量4台工业机组投运，积累了工业机组从设计、安装、运行、维护的一整套完整的工程实施经验； 

    两相流动和传热的基础理论研究和工程应用经验总结；

    原理研究实验平台；

    电机材料相容性试验台;

    两相流基础研究实验台（两相流阻测量，含气率的测线测量实验室）；

    冷却介质的腐蚀试验和电试验装备； 

    工程应用的模型实验平台；

    李家峡400MW电机1:1线棒实验模型；

    针对三峡左岸水内冷改制为蒸发冷却系统:建立了三套三峡水轮发电机定子线棒1:1模型实验台(电工所内,东方电机股份有限公司以及哈尔滨大电机研究所)见图2；

　　通过模型试验，我们验证了：

　　使用蒸发冷却方法可以使额定容量为778MVA 的水轮发电机具有长期115%过负荷能力；

　　定子线棒的温度（指的是线棒内铜导体的温度）都在75℃以内,并且没有过热点；

　　汇流母线和跨接线采用自循环蒸发冷却是可行的；

　　模型实验台上选用测试的工业用电液分离接头是非常可靠的. 

    仿真实验室的初步建设及大型蒸发冷却水轮发电机设计仿真平台的初步构建；
完成三峡左岸线棒蒸发冷却系统的仿真计算以及三峡右岸地下厂房发电机优化系统的设计计算,提供了:

　　蒸发冷却系统的流动特性参数；

　　蒸发冷却定子线棒的极限热负荷能力；

　　空心导线中冷却介质的温度分布及压力分布；

　　铜导线壁面温度分布；

　　冷凝器不均匀分布对系统的影响。

　　仿真计算的结果显示使用优化的空心导线尺寸可以使冷却效果更好.仿真计算的结果与模型实验的测试结果相对误差在5%左右,仿真计算软件的可靠性以及定子线棒1:1模型实验台的模拟真实性得到了评审专家的一致认可。

　　3.6 国内外首次制定蒸发冷却水轮发电机（发电/电动机）的规范及规程，本标准目前已经批准实施。标准中冷却系统因是自主制定而具有创新性，使蒸发冷却电机从设计、制造、运行、检修维修均规范化、标准化，使之完整地供今后设计、制造、施工、运行、维修部应用，为产业化以及特大型机组的研制打下了良好的基础。

　　3.7 近几年科研队伍的壮大，专业配套、研究和技术人员搭配适当、年龄结构较为合理的团队。

      电工所模型                      东电模型                      哈电模型
　　图2  三峡定子线棒蒸发冷却系统试验平台

　　四，蒸发冷却技术用于应用于百万千瓦机组冷却能力分析

　　下面将以乌东德水电站为例，通过方案初拟、参数对比，从冷却能力上来说明蒸发冷却技术应用于百万千瓦机组是可行的。

主要依据参数
依据长勘院所拟的参数：
额定容量（MVA）/
额定功率（MW）    额定电压
（kV）    额定转速
（r/min）    电机极数    功率因数
1111/1000    24    85.71    70    0.9
推出的初步设计参数及定子主要尺寸：
额定
电流
（A）    槽电流（A）    线负荷（A/Cm）    极对数    定子
槽数    定子内径（m）    定子铁心高度（m）    齿距（mm）
26730    10692    888    35    480    18.4    3.54    120
初拟乌东德百万机组定子主要参数与三峡700兆瓦蒸发冷却水轮发电机相关参数对比：
    额定
容量（MVA）    槽电流
（A）    线负荷（A/Cm）    气隙磁密    齿距（mm）
乌东德    1111    10692    888    0.703    120
三峡左岸ABB    778    9700    887    0.699    109.3
三峡左岸Siemens    778    9700    851    0.709    113.9
三峡右岸Alston    778    8083    864    0.707    93.7
对比评介

　　从电负荷方面衡量，乌东德百万千万机组与三峡700兆瓦蒸发冷却机组处于同一量级，且蒸发冷却系统设计过程中又留有1.15倍的设计裕量，因此，两机组虽然容量不同，但就冷却系统而言，对三峡机组尤其是三峡地下电站优化的冷却系统的设计，就已基本上满足了乌东德机组冷却的设计要求。在三峡冷却系统设计的基础上，适当优化定子线棒的空实导线搭配及空心导线内孔尺寸，加之定子铁心高度增加10%左右，鉴于蒸发冷却系统其自身的工作原理，乌东德百万千万机组采用定子绕组蒸发冷却方式，从冷却能力来讲是完全可行的。

　　五、蒸发冷却技术应用于超大型机组的优势

　　从我国水电资源的开发战略来看, 我们知道三峡工程的开发对缓解电力紧缺和实现跨网电力传输起着重要作用。所以电机的可靠性尤为需要以确保电力供应的稳定和可靠性。
从可靠性、环保性以及发电机电压等级的选择三个方面来分析，我们可以充满信心的说蒸发冷却技术应用于百万千瓦水轮发电机是完全可行的，而且性能优越能够适应21世纪绿色电力发展的需求。
　　
　　1.    可靠性分析

　　1.1循环机理的可靠性

　　水轮发电机定子绕组截面及定子绕组自循环（CLSC）蒸发冷却系统的结构原理见图1。

　　图1 定子绕组截面图及冷却系统的结构原理图

　  冷却系统的循环机理如下：绕组空心导体内的冷却液体吸收了热量，在常温下汽化，通道内形成气液两相的混合物，其混合密度小于回液管中未受热的液体密度。在重力作用下，两管中的静压头不同就产生了压差，这就是自循环的动力，称为流动压头。它利用介质吸收的热量做功，推动流体循环，无需外加动力。流动压头克服循环回路中的各种阻力损失，保持正常循环；压头与总阻力相平衡。随着电机负荷的变化，损耗发生变化，流体的流量发生变化从而介质的流动速动发生相应的变化，流动压头和总阻力损失在新的条件下达到新的平衡，可以自动适应电机冷却的需要。它是一个自适应的冷却系统，该冷却方式利用液相和气液两相的比重差实现无泵自循环，蒸发冷却的气侧压力可以设计为运行时不超过0.1Mpa正压，停机时成负压，减小泄漏的可能性。蒸发冷却线棒中的介质蒸发量会随着热量增大而相应加大，有自调节能力，故电机绕组各部分之间温差较小，所以不可能出现局部过热点烧毁绝缘的事故。

　　1.2冷却介质的安全可靠性

　　蒸发冷却系统中冷却介质的选择是非常重要的，用于冷却系统当中的介质应满足如下要求：良好的绝缘性能；合适的蒸发温度和较大的蒸发潜热，以便与电机的运行温度相匹配；流动性能好，即粘度要小，以利于减小流动阻力提高冷却系统循环动力；化学稳定性要好，与各种电机材料（铜、铁、绝缘等）接触时稳定性好；安全无毒，不助燃。加之，我国在1992年8月10日正式加入修订后的蒙特利协定,所以介质的环保性也是选择介质的考核因素之一。根据上述要求，在蒸发冷却发电机中选用的是新型环保氟碳化合物类冷却介质,均是经劳保部门测定为化学稳定性好、无毒、无腐蚀性、不燃不爆，并具有高绝缘性能的介质。

　　1.3冷却系统的可靠性

　　整个循环系统是一个密闭的无泵自循环系统，它具有自适应，自调节的能力。它无需借助外在的配套系统，也就同时减少了系统配套出现问题而影响可靠性的机会。冷却系统的冷却效果比空冷好得多，它极大地减小了热变形问题从而提高了绝缘的寿命；冷却系统使用的冷却介质是具有高绝缘性能的，介质本身具有灭火、灭弧的能力。所以它就消除了水冷方式中由于水质不合格而引发的系统可靠性降低的问题。

　　1.4机组运行的可靠性

　　蒸发冷却水轮发电机只要在极限热负荷以内工作，定子线棒的温度（指线棒内铜导体的温度）就始终保持在70℃ 左右，而且定子线棒的主绝缘上不承受温降。这就杜绝了绝缘因为热问题而产生的磨损，从而极大地提高了绝缘的寿命。这种冷却方式使电机在长时间过负荷运行的情况下仍能维持合适的运行温度，并且对绝缘没有损伤，这是其它冷却方式无法实现的。

　　在运行的过程中，具有良好绝缘性能的冷却介质即使稍有泄漏也不会造成系统故障。介质的灭火、灭弧性能还能抑制电气事故的扩大，从而提高可靠性。

　　安康一台50MW的水轮发电机，按照容量等级本该选择空冷模式，但是它选择了蒸发冷却方式。即使在负荷变动的情况下，定子绕组的蒸发冷却系统始终工作在60 ℃左右。11年后，这台电机的定子绕组始终如新，从根本上杜绝了因定子绕组绝缘损坏而引发事故的可能性，提高了机组的可靠性。而且，这台电机在最近几年经常超发电实现了设备的最大利用率，取得了显著的经济效益。

　　李家峡400MW蒸发冷却水轮发电机投运近7年多，从没有发生过因为冷却系统故障而停机的事故，运行状况一直比较稳定，而且能够400MW满负荷发电。而其它三台同等容量的空冷发电机都没有带过满负荷发电，而且三台都不同程度的发生了铁心热变形的问题而导致停机检修。

　　对于70万千瓦以上的大容量发电机而言，定子铁心和定子线棒铜温最好是工作在70-80℃的温度水平上，整个电机定转子处于一个温度彼此相当的平衡状态下。但是如果用户提出特殊需求要求更低的温度，我们可以选择并提供沸点温度为40℃甚至更低的冷却介质来取代HFC-4310，那就意味着定子线棒铜导体的温度可以达到65℃以内。 

　　2、环保性能分析

　　在替代原有介质CFC-113的几种环保型新介质中，我们推荐使用HFC-4310. 这种介质作为工作介质可以完全避免其排放对臭氧层的破坏，是现阶段性能最好的环保型介质，被国内外广泛采用。HFC-4310是一种特殊的HFC类液体具有0的ODP 值和很低的GWP值。在多数应用环境下，它可以被用来替换现有的HCFC 和 PFC液体。它具有不然、化学稳定、热稳定和低毒性的特点。当这种介质与电机当中所有类型材料相接触时，它能够满足化学稳定性的要求而无腐蚀发生。

　　3、电压等级的选择

　　以长勘院初拟的参数来看，由于发电机额定电压提高到24KV，使定子线棒主绝缘在20KV电机所采用的主绝缘基础上，必须加厚。此时若采用空冷，因温度梯度的增加，会影响绝缘寿命，并且线棒温升水平将大为提高。虽然空冷方式的结构简单，且运行经验丰富，但综合起来，会得不偿失。由此可以说，采用内冷方式应是最佳的选择。

　　蒸发冷却属于一种内冷方式，定子线棒的热量全部由空心导线中的冷却介质带走，如果冷却系统的设计与空冷系统配和良好的情况下，定子铁心的热量全部由空冷系统带走，那么空冷和内冷系统之间没有热量传递，则定子线棒的主绝缘上不需要承受温降，所以厚度可以适当加厚，从而可以提高电压等级，减轻输变电系统开关部件的压力，可靠性也相应提高。所以蒸发冷却方式的选择使得发电机电压等级的选择更具灵活性。

　　六、针对百万千瓦机组应用还有待开展的研究专题

　　采用蒸发冷却技术的相关研究和试验内容
    线棒内部空实心导线线规的选取、配比；
    蒸发冷却系统元件的布置；
    整机仿真研究和数值计算；
    真机线棒冷却能力和相关参数的模拟试验；
    与制造企业合作进行整机优化设计以及有关材料、冷却介质的研发工作；
    铜环引线和主引线采用蒸发冷却技术的研究、试验和结构布置设计工作 ；
    转子绕组温度的在线检测方案研究；


　　结语

　　百万千瓦水电站发电机定子绕组采用蒸发冷却技术是完全可行的。

　　在未来的20年，有很多超大型和抽水蓄能电站将要建立。其中，三峡总公司将在金沙江流域相继开发4个超大型的水电站，总装机容量达到38500MW， 整个工程每年的发电量将能够达到1744 亿千瓦时。其中乌东德和白鹤滩的单机容量是1000MW. 目前，乌东德和白鹤滩正在做可行性研究报告，蒸发冷却技术作为备选冷却方式之一，以其高可靠性和与水内冷相当的冷却能力而具有较强的竞争优势。在三峡1:1 蒸发冷却定子线棒模型试验和仿真计算的基础上，我们为1000MW水轮发电机定子蒸发冷却系统提出了优化设计方案。此外，电磁、热和结构特性将会进行深入考虑从而使1000MW 蒸发冷却水轮发电机的综合性能达到最优。 

　　越来越多的行业专家已经意识到，对于大型的水轮发电机应用传统的冷却方法很难满足机组可靠性和安全性的要求，而安全可靠恰恰是蒸发冷却技术的优势。所以专家们认为蒸发冷却技术在工程应用实践中具有极大的推广价值。