现代社会对电能具有很强的依赖性,一旦电网故障,损失将极为严重。
电气设备自身安全是保障电网安全的基础,而大型设备的绝缘损坏、结构变形大多为发热问题所造成。因此,合理的冷却方式是保障电气设备安全运行的重要基础。
电气和电子装备蒸发冷却技术,是基于相变换热原理,利用绝缘性能良好的液体冷却介质的汽化潜热吸收传递热量、直接冷却发热部件的技术,其可以达到迅速、高效的冷却目的。
蒸发冷却技术是与中国科学院电工研究所同龄且延续至今的研究方向。电工研究所开创性地发展了常温及自循环蒸发冷却的概念,掌握了大型电机蒸发冷却的一系列关键技术,拥有蒸发冷却技术的自主知识产权,处于国际领先地位。
上世纪70年代以来,与产业部门合作,电工研究所研制成功1.2兆瓦、50兆瓦蒸发冷却汽轮发电机和10兆瓦、50兆瓦、400兆瓦蒸发冷却水轮发电机,为我国电机和电力工业的发展做出了重要贡献,获多项国家和院部级奖励。建立了较完备的研究实验条件,形成了我国唯一的大型电机蒸发冷却技术实验室,拥有200兆瓦汽轮发电机足尺内冷线棒的蒸发冷却强迫循环系统实验平台、400兆瓦蒸发冷却水轮发电机足尺线棒的蒸发冷却自循环系统实验平台,以及1.2兆瓦定、转子双蒸发冷却的汽轮发电机等实验装备。
而电工研究所顾国彪院士带领的科研团队,经过半个多世纪持续不断的坚持研究,更是将中国科学院这一自主创新技术由实验室推进工业应用。
为了充分发挥蒸发冷却技术优势,促进我国大型发电机领域的自主创新和技术进步,在“十一五”期间,科技部将“发电设备蒸发冷却技术”项目列为国家科技支撑计划项目,并予以重点支持。
“发电设备蒸发冷却技术”项目采取产、学、研、用相结合的组织模式,以优势技术为牵引,集成我国发电设备制造、电站建设和电力运营领域的核心企业协力攻关,旨在攻克我国发电设备蒸发冷却技术的关键技术和系统集成,研制出大容量的蒸发冷却发电机设备并投入实际运行。
经过关键技术攻关、设计、制造、安装、调试和运行等各项工作,项目圆满实现了三峡地下电站两台840兆伏安蒸发冷却水轮发电机的商业运行。
不得不提的是,中国科学院电工研究所于其中做出了突出的贡献:在蒸发冷却系统仿真计算、优化设计方法、结构设计、新型冷却介质优选等方面做了大量的工作;编制了蒸发冷却系统全周期的专用技术标准、质量控制规范、监造与监理细则以及紧急预案等指导性文件;同时完成了蒸发冷却系统的制造厂内监造、工地现场安装技术指导和监理工作。
两台三峡地下电站840兆伏安蒸发冷却水轮发电机先后于2011年12月和2012年7月投入商业运行,并完成全部的型式试验。
四年来的运行实践表明,发电机各项技术指标满足合同要求,其定子绕组具有温升低、温度分布均匀等特点,能显著延长绝缘寿命,避免热应力、热变形造成的各种弊端。
2011年12月~2014年12月期间,28号蒸发冷却水轮发电机一台机组新增产值14.09亿元,新增利税4.227亿元;最大输出负荷达到704.5兆瓦,一般所带负荷在600 ~700兆瓦之间;监测和直接观测所得数据显示,蒸发冷却系统压力一般在1~47kPa之间,发电机定子线棒温度一般在60℃~67℃之间,最高温度不超过68.8℃。
2015年1月,三峡地下电站700兆瓦蒸发冷却水轮发电机通过电工技术学会组织的技术鉴定,其研究成果为国际首创,为三峡地下电站840兆伏安蒸发冷却水轮发电机的研制提供了技术支撑。
大型蒸发冷却水轮发电机是我国自主创新的蒸发冷却技术首次成功应用于世界最大容量等级的大型水轮发电机,其标志着我国大型电力装备研发处于国际领先地位。运行4年多经济效益明显,研究成果为国际首创,技术内涵属原创性,具有我国自主知识产权,是冷却技术的重大突破。■