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一、蒸发冷却的原理
原理 电机以往所使用的冷却方式(包括空冷、氢冷和水冷)从热学原理上来讲都是利 用介质的比 热吸热从而带走热量。而蒸发冷却从热学原理上是利用流体沸腾时的 汽化潜热带走热量。这 种利用流体沸腾时的汽化潜热的冷却方式就叫做“蒸发冷 却”。由于流体的汽化潜热要比流 体的比热大很多，所以蒸发冷却的冷却效果更 为显著。其中管道内冷式蒸发冷却的基本原理 是：当电机绕组空心导体内部通以 冷却液体，液体进入导体后，吸收损耗产生的热量，温度 逐 渐升高。当液体的温 度达到压力所对应的饱和温度时，就改变其物理状态而沸腾汽化，带走 热量，冷 却电机。定子自循环蒸发冷却系统如图1，它利用立式水轮机本身的结构特点在存 在密 度差的情况下可以实现无泵自循环。
其原理是：当空心导体内的冷却介质吸 收空心导线损耗 所发散的热量逐渐汽化形成汽液混合物，其密度低于回液管中的 单相液体密度，在重力加速 度的作用下产生流动压头，克服整个冷却回路的阻力 损失，维持系统循环。
优缺点 当电机采用蒸发冷却方式后，由于蒸发冷却的冷却效果显著，使得整个电机的 温升降低，电机的温度分布均匀。特别是内冷方式的使用极大地降低了定子绕组 温升，从而降低绕组与铁 心间的温差，提高运行稳定性等优点。它的主要优点表 现在以下几个方面：1)蒸发冷却继 承了水内冷的优点，同时克服了水介质的缺点 ，极大地提高了运行可靠性。2)蒸发冷却方式使用的介质是沸点在50～60℃的氟 碳化合物，无毒，无污染，不腐蚀金属。3)采用的介 质具有很高的绝缘性，克服了介质导电的危险，同时介质具有灭火和灭弧能力，能够抑制其 他电气事故的发 生。4)可以利用液相和气液双相的比重差实现无泵自循环。减小了泄漏点 ，不会失去循环。5)蒸发冷却的气侧压力可以设计为运行时低于01MPa正压，停机时成 负 压，减小泄漏的可能性，克服了水冷方式水泄漏的本质弱点。6)由于温升分布 均匀，定子线棒各部分的温差较小(小于10℃)从而克服了定子线棒的热变形问题 。7)由于蒸发冷却介 质的高绝缘性，使得对电机绕组本身绝缘的要求降低了，绝 缘费用降低而使电机经济性能有 所提高。蒸发冷却技术唯一需要解决的问题是以 往蒸发冷却所使用的氟利昂介质中的cl元素 对大气的臭氧层有破坏作用。但是这 并非本质性的弱点，因为新型无污染的冷却介质研究已 取得进展，并已经过了实 际机组的使用，可以替换。
二、蒸发冷却技术的研究背景及成果由于蒸发冷却技术无以伦比的优越性，引起了各国科学家对蒸发冷却技术研究 工作的关注 。 1国外的研究情况 美国、日本、英国、俄罗斯和加拿大等国相继开展了将相变原理应用到大型发 电设备中的 研究，已取得一定的成果，这些研究成果只是处在一种试验研究的阶 段，至今没有成熟产品 批量生产。国外对蒸发冷却电机的一些主要研制成果如下 ： 1949年，荷兰人首先提出了“喷雾式蒸发外冷”技术，其电机结构为在 电机的端部装有横 向的细管，水雾直接落在绕组、铁心和转子表面上吸热而汽化 ，生成的水蒸汽在电机的另一 端冷凝，由泵送入储液箱，再循环使用。这种冷却 方式制造和使用都很不方便，且因水具有 导电性而对电机绝缘的要求严格，不适 合大型发电机冷却的要求，仅在特种电机上使用。 1962年，苏联基辅工学院开始研究“直接膜状蒸发冷却”。这种冷却系 统的基本原理是带 有空心导体的定转子绕组作为冷冻机中的蒸发器。他们在静止 和旋转条件下对一根空心导体 的蒸发内冷做了不少的原理试验和理论分析。介质 采用氟里昂—12和氟里昂—22，整个系统 的运行温度低于室温。这种冷却方式在 汽轮发电机上使用可使其单机容量比用氢冷时提高一 倍，且工作温度低，温度梯 度极小，热损耗少。无化学腐蚀，无爆炸，燃烧等危险。但是， 这种冷却系统中 冷冻的功率很大，循环系统复杂，操作维护不方便。尤其是在低温下运行，外层要求保温，否则会出现热的逆流现象。即周围环境的热量向电机内部传递。 1969年，日本东芝电气公司研究试验了汽轮发电机的转子强迫循环水蒸 发内冷系统。是在 一个相当于20万kW级汽轮发电机转子上进行的模型试验，同时 还作了一系列单因素的专题模 拟试验。其循环回路为：冷却水从轴中小孔流向分 配环，在离心力的作用下，经配水环上的 喷嘴喷入最内层的绕组中，每层绕组有 溢流结构，冷却水通过溢水孔逐步流入最外层绕组中 ，多余的水流入液体收集器 。有一个绝缘筒套在转子周围以防止水蒸汽进入定子。管内水蒸 汽流过调压阀被 吸入冷凝器内，冷凝成液体再经泵重新循环工作。水蒸汽的温度可通过调整 压力 而改变。这种冷却方式冷却效果好，绕组温度分布均匀，工作稳定，起动、停机方便。 缺点是仍需很多外部管路和冷却装置，水对轴及绝缘材料等有腐蚀性，因此 安全性差。 1970年，美国通用电气公司在国际大电网会议上发表的论文中提出了转子自循环蒸发冷却方案。整个转子密封于不锈钢套筒中。冷却介质采用R—113、 R—114、RC—75等。发电机绕 组内充有低沸点、高绝缘的冷却液体。发电机运行 时，冷却液吸收热量后蒸发汽化，经过冷 凝器又冷凝为液体，经过与绕组相连通 的外部回液管，重新返回绕组，形成自然循环。这种 自循环蒸发冷却系统冷却效 率高，结构简单，操作维护方便，运行安全可靠，是一种很有发 展前途的冷却方 案。
2国内的研究情况 中国科学院电工所在看到了水内冷技术优越性的同时，为了解决水内冷电机的 水系统故障 问 题，于1958年开始从事蒸发冷却技术的研究。最早开展的是“低温 冷冻强迫循环方式”。这种冷却方式使用沸点较低的介质，汽化后的饱和蒸汽温 度低于二次冷却介质温度，必须经过压缩，使其饱和蒸汽温度高于二次冷却介质 温度，才能进行热交换，冷凝为液体，再次循环使用。1958年在全国第一次三峡 科研工作会议上讨论了如何研究采用先进技术来设计制造三峡巨型发电机问题。中科院电工所承担了此项课题后，经过调查和试验研究提出了利用氟里 昂作为介质的自循环蒸发冷却方式。这种冷却方式利用电机结构的特点(例如：立式水轮发电机的定子绕组)，以及液体汽化后密度发生变化而引起压差变化，可以形成自然循环。当时，这在国内外是最早提出的。其原理如下：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。在重力加速度作用下，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。它是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度发生相应的变化，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。这个循环的原理同样适用于转子 ，由于离心加速度比重力加速度大很多，因此循环的动力也大很多，从而使转子实现多匝自 循环。电工所为了进一步研究蒸发冷却原理和设计计算方法，先后建立了“气液两相原理模 拟”，“定子模型”和“旋转模型”等试验室及相 应的试验装置，对管道内蒸发冷却的基本规律进行研究，获得了大量的试验数据 ，为后来的工业应用积累了大量的试验研究基础。电工所老一辈科学家经过40多 年的艰苦研究，从1万kW的小机组到40MW的大型水轮发电机，已积累了累计52台年总容量达570MVA的运行经验，为我国大型电机冷却方式寻找新的出路作出了极大的贡献。目前，不论是在基础试验研究或是机组运行经验上，在蒸发冷却电机方面 ，我国都处于世界领先地位。中国科学院电工所与东方电机厂及上海电机厂等生产制造单位合作，先后将蒸发冷却技术 应用于汽轮发电机和水轮发电机上，取得了很好的工业应用效果。主要的成果包括：1975年与北京电力设备厂联合研制了一台1200kW全蒸发冷却汽 轮发电机。1983年云南大寨水电厂的两台10MW蒸发冷却水轮发电机组安全运行至 今。1992年与上海电机厂联合研制的一台50MW蒸发冷汽轮发电机作调相机使用运行至今。1992年安康火石岩电厂的525MW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已于2000年底通过国家科技部的验收。
三、蒸发冷却技术的应用前景
随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，我国的各电力系统的 容量不断增长 ，电力负荷的日变动量(峰谷差)也在不断加大。一些水电装机比例 小的电网，只能采用既不 经济，速动性又不好的整开整停火电机组的方法弥补调 峰容量的不足。许多大容量水电机组 经常安排在空载附近旋转备用。众所周知，长期在低负荷运行对大型混流式水轮发电机组是 很不利的。抽水蓄能机组可以利 用电网低谷时的电量扬水蓄能，到电网高峰时放水发电，起 到最佳的调峰填谷和 事故备用作用，从而提高电网的可靠性、供电质量和运行经济性。抽水蓄能电站 的建成对缓解系统调峰填谷能力的严重不足起到了极大的作用，但由于抽水蓄能机 组的转速比较高，所以定子外径小，轴向高度高，导致定子温升很不均匀。在负 荷频繁变化状态下，绝缘迅速老化，脱壳，绝缘寿命降低，就会影响电机运行的 可靠性。采用空冷，电机参数的选用范围比较小，临界转速不好定位，设计时若 调节不好，容易造成运行不稳定的 情况。采用蒸发冷却技术后电机定子温升分布 相当均匀，而且轴向高度更有利于自循环蒸 冷系统的循环，对冷却效果起到了更 有利的作用。同时能够解决绝缘和临界转速的问题。所 以抽水蓄能电站的建设和 发展为蒸发冷却技术的应用开辟了广阔的应用前景。 联合循环用大型火电机组由于其应用环境的特殊性，要求电机结构简单，运行安全可靠，检修维护量小。目前，大型汽发中使用的水氢和双水内冷等冷却技术 由于氢气的易爆性及水的堵、漏问题而不能满足上述要求。空气冷却用于联合循 环用大型火电机组又会受到容量的限制。蒸发冷却技术的特点恰能解决上述矛盾 ，所以蒸发冷却技术用于联合循环用大型火电机组也有很好的前景。
四、蒸发冷却技术中仍然存在的问题
1电机理论及技术问题当电机采用蒸发冷却技术后，由于该技术的特殊性，将导致一系列电机理论及 技术问题。
蒸发冷却电机的电磁计算和冷却计算：电机采用蒸发冷却技术后，结构方面有一定的特点，所以应该结合蒸冷电机的结构及冷却方式的特点，进行合理的电磁计算和冷却计算，提供完整的电机初步设计方案。
由于蒸发冷却介质具有良好的绝缘性，整个电机温度分布均匀，温升降低。尤其 是汽轮 发电机采用浸泡式蒸发冷却技术后，定子绕组本身的绝缘性能要求降低，所以绝缘结构应该 进行相应的改进；另外，转子上采用蒸发冷却技术后，对轴系刚性、柔性的影响需重新考查 。这些问题的研究都有待于在今后的工作中开展和 完善。
电机内热场，应力场及耦合问题一直是电机界的研究热点。
电机采用蒸发冷却技术后，无论是电厂还是制造厂都迫切的想知道蒸发冷却电机中的热场及应力场分 布情况。这就要求我们在今后的研究工作中不断地提高计算手段，就上述问题给 出规范和较为准确的计算结果。
2两相流问题 蒸发冷却电机中，就其蒸发冷却技术本身而言所要研究的核心课题就是两相流问题。这其中包括两相流动和两相传热问题。两相流动和两相传热问题的解决具 有极大的理论及实践应 用价值。但是两相流动是一个非常复杂的过程，虽然它经 常发生在许多工业设备中，如石油 和天然气的输送管道、化学工程中的反应器和 蒸发器、锅炉的受热管、沸水原子能反应堆以 及各种蒸发冷却装置上，然而对两 相流动的规律性认识还相当不完善，至今没有一整套十分 通用的设计计算方法。 电机蒸发内冷的绕组导体，通常采用矩形内孔，定子绕组各部分处于 不同倾斜角 的位置上；转子绕组又是处于离心力场的作用下。因此，静止或旋转条件下有关 矩形铜管通道内的蒸发两相流动，无论是从电机或从流动传热学科来说都是新的课 题，解决 起来也有相当的难度。
(1)两相流动问题 在两相流动中存在的主要问题是两相压降和管道过流断面在气液之间的分配。 由于压降和断面分配都与流动状态有关，所以流型流态也成了不可缺少的研究内容。在两相流动中， 同时流动的两相可能具有不同的几何结构，这些流动的几何 结构称之为流型。在不同的流型中，两相的相对速度和流动的性质会有较大的差 别。目前关于两相流动的工程计算方法，大多数不考虑流型之间的差别。但是，对于不同的流型，压降和两相所占截面份额的计算公式，显然是不应该相同的。两相压降中包括两相重力压降、加速度压降、及摩阻压降。其中两相摩阻压降 在总压降中占有很大的比例(通常达到90以上)，所以对它的计算准确性要求比较 高。两相摩阻压降的计算方法甚多，都属于半理论半经验公式，缺乏通用性，在 特定的两相循环系统上使用时， 均需校核修正。针对我们目前所研究的水轮发电 机上蒸发冷却技术的应用，两相流阻压降成 为需要特殊处理的问题，必须要针对水轮发电机上垂直上升管的特定结构特点选择使用合适 的两相流阻计算公式，并 利用试验所取得的结果对公式进行定参，从而保证计算的精确性 。在自循环系统中，混合密度的计算也非常关键，因为要确定流动压头，就必须 知道混合密 度。因为汽与液同时流动时，流速不同，存在滑差，所以混合密度的计算非常困难。气占截面比在两相流的研究中十分重要，因为它与两相流态，两相流阻和两相 混合比重之 间有密切关系。对汽占截面比的计算大都采用的是在一定假设条件下的半理论半经验公式。要想获得较为精确的计算公式，就必须根据具体对象，通过试验验证来决定公式的可用性。电工所为了研究汽占截面比，采用了一套试验装置用X—射线法来测量它。目前我们的计算是基于试验数据基础之上的。
(2)两相传热的问题（图 2） 两相流体传热的研究，如沸腾和凝结热交换问题，一直受到热工程界的重视。因为它是一 种非常有效的传热方式。核反应堆、火箭发动机、蒸汽锅炉以及各种 各样的蒸汽发生器 和冷凝器，都采用这种传热方式将大量的热有效地传递出去。但是由于两相流的复杂性，两相传热也是一个相当复杂的过程。尤其是在电机内部，定子线棒内两相传热更为复杂，因为运行中的电机是一个动态的系统，它的 损耗分布是随着运行状态变化的，损耗在电机内的分布本身就是一个很难确定的 问题，那么基于损耗分布的传热计算就更为复杂。蒸发冷却定子线棒是由空心导 线和实心导线排列组合构成的(如图2)。冷却介质在空心导线吸收损耗产生的热量而汽化形成气液两相在空心导体中流动，两相流体在空心导线内就要与导线内壁发 生 热交换，特别是在沿程蒸发两相段，空心导线内两相流中蒸汽的含量沿着流体的流动方向不 断变化，两相流与空心导线内壁的热交换的成份和热交换的形式都 在不断变化，给两相传热的计算带来了极大的困难。同时由于两相传热的参与使得 定子线棒的导热也变得相当复杂，这其中涉及到空心导线内两相流体与空心导线 内壁的热交换，空心导线内壁与外壁之间的导 热，以及空心导线与实心导线之间 的导热。要解决这些内部传热问题只能在不失计算准确性的情况下，通过假设简 化计算的复杂性，从而满足在工程实际中的应用。
五、总结 蒸发冷却技术应用于大型发电机，无论是从其热学原理上还是从冷却系统运行 机制来讲，它都是一种冷却效果极为显著而且运行非常安全可靠的冷却方式。1999年底在青海李家峡水 电站投入运行的440MVA定子自循环蒸发冷却水轮发电机已 经运行一年有余，电站反馈信息表 明，这台机组运行非常稳定，维护检修量与其 他3台采用空冷的机组相比非常少，运行安全可靠。这一事实更加显示出蒸发冷却 技术的优越性和极大的应用前景。但是，蒸发冷却技术 本身还有一些理论问题没 有得到完善的解决，那么我们就必须遵循从理论研究到实践检验再 回归到理论研 究这样一条科学研究的道路，使这项技术不断完善，从而在今后的应用中发挥 更 大的潜能，为我国的电力事业作出贡献。
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