蒸发冷却

　　蒸发冷却技术利用水蒸发吸热制冷的原理展开工作，在不需要提供其他热源的环境之下，推动水与空气间的热能交换，将空气中的显热传递给水，从而实现空气温度的下降。

蒸发冷却原理

　　蒸发冷却技术是应用了绝缘性能好、低沸点的介质替代水作为冷却介质，充入发电机定子线棒的空心导线内部，电流产生的热量使得介质达到沸点，气化的气液二相流体密度小于为沸腾的集液管中液态介质的密度，在重力的作用下，产生压差。

　　当压差超过沿程阻力时，密度较小的二相流体将汇集于定子线棒上端，液态介质在定子线棒下层，形成内循环。二相流体进入冷凝器后，热量被冷凝器中的水热交换吸收后重新形成液态介质，进入回液管和下集液管。

　　如此往复循环，重新进入线棒中，构成一个全封闭的自循环回路。

蒸发冷却类别

　　蒸发冷却分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却两种。冷却塔即是利用了直接蒸发冷却，空气和水充分混合，经过水的蒸发(相变)吸热过程，实现加湿冷却空气;间接蒸发冷却是以直接蒸发冷却后的空气水为冷源，通过间接(非接触)换热的方式，实现等湿冷却空气。

　　根据空气、水所需处理程度的不同，蒸发冷却又分为三级。

　　一级只有直接蒸发冷却一个过程，理论上可以处理到空气的湿球温度点;

　　二级是间接+直接蒸发冷却两个过程，空气首先被直接蒸发冷却后的空气水间接等湿冷却，再经历直接蒸发冷却二个过程，理论上可以处理到比空气湿球温度更低的状态;

　　三级是间接+间接+直接蒸发冷却三个过程，空气首先被直接蒸发冷却后的空气水间接等湿冷却，再被间接+直接蒸发冷却后的空气水间接等湿冷却，Z后再经历直接蒸发冷却，理论上可以处理到接近空气露点温度的状态。

　　实际工程应用中，一、二、三级蒸发冷却一般可以将水空气分别处理到比空气的湿球温度高4~6℃、达到甚至低于空气湿球温度、趋近于空气露点温度。

蒸发冷却的特点

　　蒸发冷却作为介质内冷方式的一种，散热效果较好，自身损耗比全空冷小很多，但其选用的电磁负荷较大，发电机的杂质内损耗稍高于全空冷的损耗，总的损耗和水冷空冷相差不大。

　　由于冷却介质的不同，介质内冷的冷却能力大大超过全空冷，定子绕组运行温度和温升、定子线棒股线温度与层间温差、定子内部热应力均小于全空冷机组，温度的降低使得绕组的绝缘寿命较长，提高了机组长期运行的可靠性。

　　同水冷机组相比，蒸发冷却具有同水内冷同样的冷却效果，但却消除了水内冷压力大和氧化物堵塞等问题。蒸发冷却系统少量介质泄露时不会影响机组正常运行，适时补充冷却介质到机组停机检修即可，但蒸发冷却和内水冷机组由于有蒸发冷却系统和纯水系统，设备增加的同时导致了事故率的上升，就这方面来说不如结构相对简单的全空冷机组。

蒸发冷却的系统结构

　　1、定子绕组蒸发冷却

　　定子绕组蒸发冷却系统由定子线圈发热体、定子回液管、定子绕组下集液环管、定子绕组总集汽管、上导流管、绝缘引流管以及冷凝器组成。依据蒸发冷却运行原理，每根线圈均为构成一个冷却回路，线圈间为单支路并联形式，共1080个回路，线圈两端通过密封接头和绝缘引水管，分别并联到定子线圈驱动端总集液管和非驱动端的总集汽管，形成自循环回路。

　　2、冷凝器供排水系统

　　冷凝器供排水环管布置在机坑内，冷凝器的正下方，管路的布置不影响发电机部件的检修和拆装。

　　冷凝器冷却水由技术供水系统提供，系统配有供、排水环管。冷凝器和水管之间的全部接头为法兰或柔性管接头。在每一冷凝器与水管之间的连接处均设置一个阀门，以使发电机的任意一个冷凝器需要进行维修时，可及时拆卸和更换。在连接冷凝器的各排水支管上阀门和法兰之间安装一个双向示流器。在连接每个冷凝器的供排水支管上均装设温度计。

　　3、蒸发冷却供排液系统

　　为便于灌液和排液，系统中还考虑了供排液装置。排液管一端与处于Z下端的定子线棒集液管相连，另一端与布置在发电机机坑外侧的供排液装置相连。

　　同时，定子线棒集液管设有连通管和阀门，阀门只在排液时打开。排液时，将定子线棒集液管的排液阀打开，利用泵将冷却介质抽入到供排液装置中。

　　4、均压排气系统

　　冷凝器系统设置有均压环管，使各冷凝器之间相互连通，实现整个蒸发冷却系统的压力均匀，使线圈各并联支路运行状况一致，各冷凝器带走的热量更均匀。

　　排汽管与均压环管相通，接到发电机机坑外的回收装置，当蒸发冷却系统压力升高时，需要经过排汽管释放过高的压力，通过回收装置冷凝后回收。

　　5、蒸发冷却监测系统

　　为确保机组运行安全可靠，蒸发冷却系统设有多个监测项目，包括：介质泄露检测、液位监测、冷凝器压力监测、冷凝器漏水监测、冷凝器冷却水流量监测、冷凝器进出水温度监测以及定子绕组和汇流环温度监测等。

蒸发冷却技术的应用

　　蒸发冷却技术从20世纪70年代开始由实验室走向工业应用，已取得了大量工程实践的经验。在水轮发电机领域的工业应用已有40年，在汽轮发电机领域的工业应用也已有30余年。蒸发冷却技术还在电力驱动、低压电器和电子设备等领域得以应用和拓展，包括磁选设备、超级计算机等。

　　一、水轮发电机领域

　　中科院电工研究所与国内制造厂家长期合作，1963～1964年，650 kW水轮发电机在玉渊潭实验电站运行了两年，并进行了1 000 kW超发实验，为工业实验机组的研发打下了基础，其后又通过中试和扩大中试、产业化示范将蒸发冷却技术长期成功应用于4种容量的6台工业机组中。取得的标志性成果如下：

　　1、2台10 MW高转速蒸发冷却水轮发电机。该项目得到了云南电力局的支持，在1983年及1984年先后安装在云南大寨水电站，到目前为止已安全运行了35年。

　　2、50 MW蒸发冷却水轮发电机于1991年安装在陕西安康火石岩水电站，到目前为止已安全运行了27年。且该机组在夏季丰水期经常超发电，为企业赢得了一定的经济效益。

　　3、400 MW蒸发冷却水轮发电机于1999年安装在李家峡水电站，到目前为止已安全运行了19年。蒸发冷却技术在水轮发电机上应用的优势已得到国际大电机领域的认可，在2000年于法国巴黎召开的国际大电网会议上，400 MW蒸发冷却水轮发电机(当时ZGZ大的水轮发电机组)被评为国际旋转电机领域近年的四大进展之一。

　　4、700 MW蒸发冷却水轮发电机分别于2011年12月和2012年7月在三峡右岸地下电站投入商业运行。三峡地下电站27、28号发电机的运行实验结果显示，发电机定子线圈温度分布均匀，温升低，负荷变动时温度变化小，发电机性能达到三峡精品工程水平和国际lingxian水平。蒸发冷却三峡右岸地下电站机组的成功试运行，是产学研用结合的一次成功探索。

　　二、电力电子器件领域

　　供电系统小型化、大容量、高可靠性、高品质是世界电机界长期追求的目标。随着电力电子技术的发展和控制技术的进步，针对高功率密度发电机。提出了多相整流装置与电机本体合为一体，将发电机、整流装置、变流装置集成采用蒸发冷却技术的设计方案，解决了高功率密度设备的冷却、小型化、低噪音、可靠性等关键技术问题。与传统的交直流分别供电的两台发电机相比，体积和重量减少40%以上，工程造价降低40%以上。

　　与发电机样机配套使用的变流装置中的高功率密度的IGBT是典型的电力电子器件，通过对其采用壁挂式蒸发冷却技术，功率模块安装在冷却箱体表面，器件的热量传至箱体内，使箱体内冷却液由液态转换为气态，与箱体内的水冷管进行热交换。

　　这种冷却方法可使大功率器件的壳温控制在80℃以内，且冷却结构简单、体积小、低噪音，因冷却液具有高绝缘性，运行安全可靠。冷却介质温度均匀、冷却效率高，解决了高功率密度的大功率器件的冷却问题。