蒸发冷却技术的发展、应用和展望

顾国彪 阮 琳 刘斐辉 熊 斌

(中国科学院电工研究所 北京 100190)



蒸发冷却技术的发展、应用和展望

顾国彪 阮 琳 刘斐辉 熊 斌

(中国科学院电工研究所 北京 100190)

电气装备与电子设备的蒸发冷却技术是拥有我国自主知识产权的创新技术，该技术从原理研究、中试验证到产业化应用历时50余年，在电工领域应用取得了诸多丰硕成果。该文重点介绍了该技术在水力发电、大科学研究装置和电力电子器件领域应用的案例。鉴于其高效换热、可靠运行和低功耗的技术特点，展望了蒸发冷却技术未来在抽水蓄能、数据中心以及高压直流输电领域应用的广阔前景。

蒸发冷却技术 高效换热 可靠运行 低功耗

0 引言

蒸发冷却技术在电气和电子装备上的应用是我国自主研发的，理论研究和工业应用的技术水平在国内外均处于领先地位。它利用高绝缘性能、室温沸点的冷却介质通过相变换热来传递热量，以实现发热部件的冷却，是一种经济高效的冷却技术。中国科学院电工研究所基于我国电力建设的长远需要，从20世纪50年代末起，首先开展了大型电机相变换热冷却技术的研究[1]。经自主创新，独辟蹊径形成了水轮发电机管道内冷自循环蒸发冷却[2]、汽轮发电机浸泡自循环蒸发冷却[3]、电力电子设备表贴式[4]和喷淋式[5]等多种冷却结构。

蒸发冷却技术体系的形成始于循环原理研究。首先开展了低温强迫循环蒸发冷却技术(如图1a所示)应用于电机中的可行性探索：采用沸点较低的蒸发冷却介质，由于冷却介质沸腾后的饱和温度低于二次冷却工质温度，系统需要消耗一定的外界动力以提供压缩并克服系统阻力。其次开展了常温强迫循环蒸发冷却技术(如图1b所示)的研究：采用沸点较高的冷却介质，系统运行时，吸热后的冷却介质不需要经过压缩升压直接通过冷凝器冷凝完成循环，但系统中采用泵克服系统流动阻力。再次开展了常温自循环蒸发冷却技术(如图1c所示)。利用沸点温度较高的冷却介质吸收的热量做功，推动流体循环，无需外加动力，流动压头足以克服循环回路中的各种阻力损失[6]。

图1 蒸发冷却应用于水轮发电机的原理演变Fig.1 Principle evolution of evaporative cooling technology applied on hydro-generators

基于相变换热和蒸汽动力循环的理论基础，中科院电工研究所围绕不同领域的应用，针对关键技术和关键工艺开展了长期深入的研究，包括多相流流动和传热的测量测试、冷却介质的选型和测试平台的建立、高效冷凝器的研制、密封检测技术和循环系统设计技术等，突破了将相变换热技术应用到电气装备和电子设备领域的理论计算、系统设计和关键工艺，为工业应用打下了坚实的基础，并在研究过程中形成了不同层面的设计规范、标准和规程。

经过几十年的研究和积累，我们已经将该技术成功应用于电气装备和电子设备领域，如发电机组(包括水轮发电机、汽轮发电机和风力发电机)、变频器和超级计算机。

1 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[7，8]，在汽轮发电机领域的工业应用也已有30余年[9，10]。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，下面介绍几种典型的成功应用领域。

1.1 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31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，为国家“七五”重点工业试验项目，到目前为止已安全运行了23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，为国家“九五”重点科技攻关项目，到目前为止已安全运行了15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(GIGER’2000)上，400 MW蒸发冷却水轮发电机(当时中国最大的水轮发电机组)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。该项目也是“十一五”国家科技支撑计划项目的目标工程。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，满负荷运行时定子线棒温度仅为57～62℃，铁心温度为57～60℃，发电机性能达到三峡精品工程水平和国际领先水平。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。

其中10 MW、50 MW和400 MW蒸发冷却水轮发电机如图2所示，三峡电站27#和28#蒸发冷却水轮发电机如图3所示。

图2 10 MW、50 MW、400 MW蒸发冷却水轮发电机组Fig.2 10 MW、50 MW、400 MW evaporative cooling hydro-generator group

图3 三峡地下电站27#、28#发电机Fig.3 27，28# units in the three gorges hydro-generator station

1.2 大科学装置领域

中国科学院兰州近代物理研究所HIRFL-CSR是亚洲最大规模的重离子加速器系统。ECR离子源是加速器系统的源头，为其提供所需的各种离子，是整个系统中的关键部件，其可靠稳定运行至关重要。离子源的背景工作磁场是由螺线管线圈励磁产生的轴向磁场与六极永磁铁产生的径向磁场叠加而成。为了提高背景场强，可通过提高励磁线圈的励磁安匝数实现，由此带来铜耗增加发热严重，冷却技术成为限制其发展的瓶颈。为了对线圈实现高效的冷却，目前采用的是水内冷技术。水内冷技术效果好，但用在电磁装备中的冷却水是有特殊电特性和化学特性要求的，必须经过去离子净化的过程，系统复杂；而且水路是采用多支路并联，接头、管道数量多，连接管路长，强迫循环系统阻力损失大，安装复杂；由于水在线圈中流动需要依靠外动力，因此对结构件的强度要求高，造成装置运行的可靠性降低。目前常导源冷却水系统的流动压头为15～20 kgf，已经达到了水冷系统的极限。而超导源造价高，维护复杂。

中科院电工研究所自主创新的蒸发冷却技术与近代物理研究所具有国家领先水平的ECR离子源技术相结合，提出了浸润式常温自循环蒸发冷却ECR离子源一体化设计方案，研制出具有高性价比的高电荷态ECR离子源，经过现场测试，其高核态离子产额的部分指标超过了GTS(目前国际上最好的常导源)，为蒸发冷却技术在大型加速器装置上大规模应用奠定基础[11,12]。

1.3 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，我们与合作单位联合攻关，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，并完成了样机的研制和测试，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[13,14]。蒸发冷却变流装置如图4所示。

图4 蒸发冷却变流装置Fig.4 Evaporative cooling convertor

2 蒸发冷却技术的应用展望

2.1 抽水蓄能

随着我国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。长期在低负荷运行对大型混流式水轮发电机组很不利。抽水蓄能机组可利用电网低谷时的电量扬水蓄能，到电网高峰时放水发电，起到了最佳的调峰填谷和事故备用作用，从而提高电网的可靠性、供电质量和经济运行，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能起到极大作用。

抽水蓄能机组的转速较高，因此定子外径小，轴向高度高，导致定子温升很不均匀。在负荷频繁变化的状态下，绝缘迅速老化、脱壳，绝缘寿命降低，则会影响电机运行的可靠性。采用空气冷却方式，电机参数的选用范围较小，临界转速较难定位，设计时若调节不好，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，而且轴向高度高，更有利于自循环蒸发冷却系统的循环，对冷却效果起到更有利的作用，同时能够解决绝缘和临界转速的问题。

抽水蓄能电站的建设和发展以及抽水蓄能电站单机装机容量的不断增大，为蒸发冷却技术的应用提供了更为丰富的应用空间，除了抽水蓄能机组，对于灯泡贯流式水轮发电机组，风冷系统在结构设计以及运行维护上会有一定难度，密闭自循环蒸发冷却系统则有很好的应用前景[15]。

2.2 数据中心

在数据业务需求的爆炸式增长及IT技术的迅速发展的共同推动下，数据中心在本世纪进入迅猛发展时期，与此同时数据中心的能耗问题也随着其发展变得越来越不容忽视，其中数据中心的电能消耗是数据运营商主要能耗。

毋庸置疑，“节能”是“绿色数据中心”建设的第一要务。当前测量数据中心的能耗指标主要有电能使用效率(Power Usage Effectiveness，PUE)和数据中心基础架构效率(Data Center Infrastructure Efficiency，DCIE)。其中：PUE=数据中心总设备能耗/IT设备能耗。PUE越接近1，表明能效水平越好。目前PUE已成为国际上较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标。据统计，国际上先进机房的PUE值可达到1.7，而我国的PUE平均值则在2.5以上。特别是中小规模的机房，PUE值更高，测量数值普遍在3左右。这说明有大量的电能实际都被电源、制冷、散热这些设备给消耗了，而用于IT设备的电能很少。所以降低数据中心的PUE值，构建绿色数据中心，已成为国内外数据中心建设的不可忽视的重要指标。

以超级计算机为例：当前超级计算机主要采用传统的空气冷却方式，虽然系统安全可靠，操作简单，维护方便，但冷却效率低。但当发热量剧增时，空气冷却方式无法满足冷却要求，冷却效果大大降低，设计人员往往不得不采用高压风机增大冷却风量。冷却风量的增加能在一定程度上改善冷却效果，但很难使主板上各种被冷却体的温度保持相对均匀，很难防止局部过热，不能从根本上解决冷却问题，而且使用高压风机往往带来巨大的噪音，并大大增加冷却系统本身的能耗。传统风冷机柜散热能力10～15 kW。国内外多家研究机构均试图努力将水冷系统应用到超级计算机中，但由于水冷系统需要复杂的纯水处理装置以及冷却水泄漏会引发电气故障等问题，使得其推广受到了很大限制。水冷机柜散热能力30～50 kW。

对于下一代超级计算机，IT设备计算密度及整机功耗进一步增加。采用蒸发冷却技术，利用其相变换热的热工转换过程，结合特定的冷却结构设计，可实现微动力循环和自循环，因此可使数据中心的冷却能耗降低40%以上，同时在冬季可利用废热循环解决配套设施(厂房、住宿、商业等)供热，减少高达85%的碳排放[16，17]。目前蒸发冷却技术在IT设备上的应用案例，如图5所示。

图5 蒸发冷却技术在IT设备上应用案例Fig.5 Applications of evaporative cooling technology on IT equipment

2.3 高压直流输电设备

随着近十年我国电网建设的高速发展，电力系统和城市电网规模不断扩大。构建具备交直流优点的混合配电网是实现安全、可靠、高质量配电网的理想方案，也是未来配电网的发展方向之一。以柔性直流输电为代表的大功率电力电子应用技术为交流配电网升级改造提供了新的技术手段。柔性直流输电技术采用可关断电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)构成的电压源换流器，IGBT小型化高功率密度的发展趋势使得蒸发冷却技术在高压直流输电设备领域有很好的应用前景。IGBT采用蒸发冷却技术后，能够保证IGBT的壳温控制在80℃以下，系统具有自调节自适应特点，此外温度分布均匀，不会出现过热区域，同时系统基本免维护，大大减少了维修费用。

3 结论

针对电气与电子装备冷却的需要，中科院电工研究所基于相变换热原理研发的蒸发冷却技术，不仅能够实现设备高效冷却的目标，同时将散热过程的能耗降至最低，确保设备长期安全、稳定、可靠运行，并提高设备的运行效率。蒸发冷却技术的研究涉及电气与电子工程、两相流动与传热等学科的交叉，其基本理论和工程方法都具有极强的特殊性。随着相关研究工作的不断深入，研究团队已逐步形成了较完整的技术理论体系和工程设计依据，并能够为蒸发冷却技术的工程应用提供理论指导和技术支撑。正是由于蒸发冷却技术在高功率密度电气与电子装备冷却上的技术优势，近年来受到越来越多的关注，并成功应用于诸多重热负荷的大型装备，同时大量的工程应用也促进了蒸发冷却技术理论研究的丰富，为蒸发冷却技术的广泛推广打下基础。

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Developments，Applications and Prospects of Evaporative Cooling Technology

GuGuobiaoRuanLinLiuFeihuiXiongBin

(Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China)

The evaporative cooling technology of electrical equipment and electronic appliance is China’s innovative technology with fully independent intellectual property rights.From theoretical exploration，pilotscale experiments，to industrial applications，this technology has been experiencing 50-years development and has made a lot of achievements in the field of electrical engineering applications.This paper emphasely introduces the applications of this technology in the field of hydraulic generation，large-scale scientific research appliance，and electronic equipment.In view of its characteristics of high-efficient heat-transfer，reliable operation，and low power consumption，it has broad application prospects in the field of pump-storage units，high-power density data centers，and high voltage DC transmission.

Evaporative cooling technology，high-efficient heat-transfer，reliable operation，low power consumption

2015-05-11 改稿日期2015-05-13

TM312

顾国彪 男，1936年生，研究员，中国工程院院士，博士生导师，研究方向为大型发电机新型蒸发冷却技术的创新和产业化。

阮 琳 女，1976年生，研究员，博士生导师，研究方向为电气与电子装备蒸发冷却技术的研发。(通信作者)