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独辟蹊径 发展蒸发冷却技术
  文章来源: 发布时间:2004-10-10 【字号: 小  中  大   

顾国彪 电工学家,中国工程院院士。1936年6月生于上海嘉定,1958年毕业于清华大学电机系发电厂及电力系统专业。现为中国科学院电工研究所研究员,博士生导师。

长期从事大型电机蒸发冷却研究与产业化工作。实现了常温无泵自循环蒸发冷却在工业机组上的应用,对多种环保型冷却介质做了大量实验及实用考验。他担任“九五”科技部重中之重科技攻关项目“李家峡400兆瓦(40万千瓦)蒸发冷却水轮发电机研制与运行”负责人。发表论文51篇。获1978年全国科学大会奖、1988年国家科技进步奖二等奖各1项;1987年及1998年中国科学院科技进步奖一等奖各1项;中国科学院、北京市科技进步奖二等奖各1项;获“九五”国家重点科技攻关计划突出贡献者称号。

大型发电机的关键技术之一是冷却问题。20世纪中期国内外出现了对蒸发冷却技术应用于大型发电机的研究。经过十多年的探索,无明显进展,早期从事这项工作的加拿大、美国、日本、荷兰、英国等基本停滞,仅前苏联(现俄罗斯)继续研究,但无工业性进展。中国科学院电工研究所坚持下来了,又经过多年的研究,实现了工业化应用。

中国科学院电工研究所自1958年开始进行大型发电机蒸发冷却技术研究,面对国际上这项研究进展不大,发展前景不明朗,自己的研究工作也碰到许多难题,他们保持着清晰的理念,外国人没有做成的或者认为不需要做的事情,不能盲从,要独立思考,要有自己的科学判断。经过全面分析,他们得出三点结论:第一,蒸发冷却技术有着不可替代的优点和工业化应用的前景。它兼有空冷、水冷的优点,又能克服它们的缺点;它具有与水内冷同样良好的冷却效果,又能跟随电机发热的变化自动调整循环流量(这是水内冷不能做到的);所用冷却介质是一种具有高绝缘性能、导热性好的氟碳化合物,即便有少量泄漏也不会影响发电机运行,造成事故;由于冷却介质的绝缘性和常温蒸发冷凝的特性,只要有合适的冷却结构,就能形成自循环,无需离子交换水净化装置和外动力驱动系统。由此可见,采用这项冷却技术能有效地提高发电机的可靠性和使用寿命。第二,中国电机制造业迫切需要解决大型发电机冷却技术问题。当时,国外用风冷技术制造400兆瓦等级以上的发电机组已比较成熟,但我国的风冷、水冷技术还难以满足200兆瓦等级发电机组的要求,这是阻碍我国以自己的知识产权制造大型发电机组的症结所在。如果蒸发冷却技术得以工业应用,就能独辟蹊径,以自主创新的更先进的技术来填补空白,摆脱冷却问题对我国大电机制造的束缚。第三,蒸发冷却技术成功的关键是在发电机中形成无外动力的自循环系统,而当时他们已经有了解决这个问题的思路。

蒸发冷却技术应用于水轮发电机和汽轮发电机,使之成为制造部门及用户都认可的新型冷却技术,经历了原理性探索,包括实验室试验和在小容量发电机上进行验证;中间性工业试验和中容量工业发电机应用;大型工业化机组研发三个阶段。

第一阶段工作的重点是掌握各种蒸发冷却的原理(冰箱压缩泵强迫循环制冷,泵循环常温蒸发冷却,常温自循环的管内冷及全浸蒸发冷却等)。他们为此做了大量实验,解决了许多实验问题和技术问题,为发电机冷却系统设计积累了基础数据和计算方法。

第二阶段工作的重点是按照发电机容量由小到大制造出实用机组,逐级验证实验室的成果。由于学术认同的差别,又担心可能出现预想不到的问题,所以,压力很大,工作不能有一点闪失。每一轮机组的研制,从设计、制造、安装,到运行考验,一个周期要5至8年。制造、安装、运行遇到的新工艺、新材料、新结构问题,都是密切与企业结合解决的。1980年至1995年,与原东方电机厂合作采用蒸发冷却技术研制出两台10兆瓦小容量等级及一台50兆瓦中等容量水轮发电机,分别安装在云南大寨水电站和陕西安康水电站运行;1987年与上海电机厂合作,研制50兆瓦蒸发冷却汽轮发电机,在上海超高压输变电公司长期运行。目前这几台采用蒸发冷却技术制造的水轮和汽轮发电机仍然在运转,使之成为制造部门及用户都认可的新型冷却技术,创下了蒸发冷却发电机长期安全可靠运行的记录,至今没有因蒸发冷却系统发生故障而停机的事故。

机遇总是留给敢于打破常规并踏实工作的人们。1996年11月,“李家峡400兆瓦蒸发冷却水轮发电机”的研制任务,作为“九五”计划国家重点科技攻关被批准立项,从而揭开了自主创新的科研成果向大型工业化迈进的序幕,标志着电工研究所的工作进入第三阶段。蒸发冷却水轮发电机容量的扩展必须逐级增加,确保没有问题后才能向更大一级扩展,按常规掌握了50兆瓦级机组的设计、制造、运行的成功经验,应该先上100-200兆瓦级的机组,经过考验后再上400-500兆瓦级的机组,最快也是7-8年以后的事。为缩短科研成果向工业化转化周期,根据蒸发冷却技术的特点和国家的需求,他们从实际出发,深入细致地进行了理论分析和计算,以科学的态度和对国家高度负责的精神,大胆地提出跨越研制100-200兆瓦级机组,直接建造400兆瓦蒸发冷却发电机组方案,得到了电力部及西北电力局专家的批准,也得到了产业部门用户黄河上游建设局与李家峡电站的认同。研制400兆瓦蒸发冷却发电机最关键的技术问题是,蒸发冷却技术的可行性和与其相关的冷却结构及工艺问题。为了解决这些问题,他们认真考察了50兆瓦机组多年运行的情况,从中总结出普遍适用的规律,找出特殊的需要着力解决的问题;在实验室进行400兆瓦蒸发冷却水轮发电机的模拟实验;对在400兆瓦水轮发电机情况下,两相流冷却效果进行了理论分析,结论是利用蒸发冷却技术不仅建400兆瓦级机组没问题,而且建更大容量机组也没问题,从理论上说明了蒸发冷却技术存在着这一突出特点。在建设过程中,科研、生产、用户紧密配合,协同作战,按照性能先进、高可靠性、高安全性的设计目标,科研人员论证蒸发冷却系统的合理性,工程设计人员提出工艺合理和结构可靠的先进电磁方案,反复论证,保证了400兆瓦蒸发冷却水轮发电机于1999年11月顺利投入运行。经过一年多连续运行考验,2000年12月通过国家验收,至今一直在电站正常运转,承担着主要发电任务。

撰稿人:卢盛魁邢福生

点评:

顾国彪先生具有科学家的重要品格--独立思考。面对别人没有做成或认为不需要做的课题,他不盲从,不人云亦云,在科学分析的基础上,执著追求,独辟蹊径,在国内外无先例的情况下,自主创造了常温无泵自循环蒸发冷却技术,并在李家峡400兆瓦蒸发冷却水轮发电机组上得到实际应用。他成功了!他的成功得益于当初独立作出的科学判断。科学研究需要了解信息和相互交流,但了解和交流的目的是形成自己的想法,做出独具特色的工作,人们从这个案例中看到了这一点。

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