半個多世紀的堅守：我國蒸發冷卻技術研發應用之路

三峽蒸發冷卻水輪發電機轉子吊裝

　　“天河二號”的計算速度有多快？有人打了個比方，如果全國13億人每人每秒計算一次，連算1000年，才能得出的結果，“天河二號”只需一個小時。

　　超級計算機的計算速度確實超乎想象，不過其能耗也大得驚人。“大型超算中心僅冷卻能耗就相當于一個小型電站。”中國工程院院士顧國彪坦言。中科院電工所電力設備新技術實驗室歷經4年攻關，成功將蒸發冷卻技術應用到超級計算設備中，使其冷卻能耗降低40%以上！

　　誰能想到，如此節能綠色的技術從研發到應用卻走過了半個世紀的漫漫長路。請看記者發自一線的報道。

另辟蹊徑

　　電子信息裝備只是蒸發冷卻技術近年來開辟的全新應用領域之一。事實上，這一技術最早由中科院電工所專門為三峽工程“量身訂制”。

　　就像炎炎夏日人們需要降溫一樣，發電機在運行時也會產生大量熱量，需要冷卻。冷卻問題如何解決？

　　當時，國內外主要采用空冷、水冷兩種冷卻方式。空冷，即吹風散熱，讓發電機“自然降溫”。但隨著發電機容量增大、絕緣增厚，發熱量不斷提高，靠吹風已經達不到散熱要求。

　　“單純從冷卻效果來講，水冷確實很好，但存在明顯的技術缺陷：發電機對絕緣要求太高，而水有導電性，一旦漏水后果難以想象。”1958年加入電工所的顧國彪與研發團隊反復論證后，決定另辟蹊徑。

　　“有沒有一個兩全其美的方案，既讓發電機有效散熱又可確保安全運行？”在當時大型電機研究室的技術負責人廖少葆的建議和支持下，顧國彪將研究方向瞄準了當時發展前景尚不明朗的蒸發冷卻技術。

　　與空冷、水冷利用介質的比熱吸熱原理不同，蒸發冷卻是基于相變換熱原理的新型冷卻技術，通過絕緣性能良好的介質汽化潛熱帶走熱量。不過在當時，一種主流的觀點是蒸發冷卻技術無非就是類似冰箱壓縮制冷的方式實現電機冷卻，沒什么前途。

　　選擇了遠方便只顧風雨兼程。明確研究方向的顧國彪和研究團隊買來一臺冰箱，不分晝夜的研究其中的冷凍機。就這樣，1958年底一臺15千瓦的采用低溫蒸發冷卻技術的發電機研制成功。接下來新的問題很快出現。“基于冰箱強迫制冷原理的低溫蒸發冷卻技術應用在大型發電機上，不僅把發電機搞復雜了，就經濟效益而言也是得不償失。”顧國彪說。

　　電力專業出身的顧國彪又一頭扎進了熱力學領域。不久，研究團隊提出常溫下自循環蒸發冷卻方案。那一年廖少葆33歲，顧國彪23歲。“國外都沒有，你們這技術怎么能行！”面對質疑，顧國彪他們咬牙堅持。

　　事實證明，他們的堅持沒有白費。1959年底，團隊制作出常溫下無泵自循環蒸發冷卻系統模型，驗證了技術的可行性，而這個模型和40年后在蒸發冷卻實驗室里建造的長江三峽70萬千瓦機組的模型相差無幾。

漫漫長路

　　蒸發冷卻技術的坎坷沒有就此結束。

　　1985年云南省大寨電廠兩臺自循環蒸發冷卻水輪發電機順利通過專家驗收。可還沒來得及慶祝，顧國彪就接到了一紙命令：電機研究工作已完成，解散團隊！

　　“當時院里認為，科研成果研發成功就算完成了任務，工程應用是企業的事。”深知科研成果轉化難的顧國彪沒有打退堂鼓，四處奔走，課題終于得以勉強延續。直到2000年，顧國彪第一次招收博士研究生，蒸發冷卻研究團隊已是第四次重建。隊伍分分合合只是蒸發冷卻技術產業化過程中的一個小插曲。類似的故事還有很多。

　　“文革”結束后，“翻身”的蒸發冷卻技術研究重啟，技術推廣卻處處受阻。“當時電廠用的都是國外技術，根本不敢用國產系統，害怕萬一出事。”多虧一位老同學提著腦袋擔保，顧國彪申請到一次性貸款160萬元。兩臺自循環蒸發冷卻水輪發電機研制成功并順利應用。如今，除了早期工藝問題引起的一次小事故，這兩臺機組仍在一直安全運行。

　　憑借“安全高效”形象蒸發冷卻技術陸續拿到一些訂單，但對顧國彪來說服務三峽工程仍是他多年未圓的一個夢。1994年他提議三峽工程使用蒸發冷卻技術。對方半開玩笑說，“你們的發電機才做到5萬千瓦，我看還是等你完成40萬到50萬千瓦的發電機，且正常運行兩年不出任何問題時，我們再談吧。”對方的一句玩笑讓顧國彪有了新的奔頭。恰巧，青海李家峽水電站有個40萬千瓦的機組要上馬，顧國彪積極爭取：寫項目申請報告，光材料復印費就花了3萬元；經費短缺一時難以為繼，向所里貸款40萬元……1999年底李家峽水電站的蒸發冷卻水輪發電機正式發電，并榮獲2002年國家科技進步獎二等獎。蒸發冷卻技術獲得了來之不易的“準生證”。

　　如今回想起來，顧國彪的那份使命感仍溢于言表，“不能讓外國人牽著鼻子走，一定要做成一兩件超越國外的事，這是我一輩子的信念。”

遲來春天

　　機遇垂青有準備的人。李家峽等水電站蒸發冷卻發電機的成功運行讓蒸發冷卻技術迎來了遲到的春天。

　　2011年12月15日，對顧國彪來說是個特殊的日子：三峽電站首臺70萬千瓦蒸發冷卻水輪發電機成功運行。這一天距離蒸發冷卻團隊的成立已經過去了53年。

　　蒸發冷卻技術工業應用之前，我國大型水利工程電力設備領域幾乎采用的都是國外的技術。“無論從裝備容量還是從技術指標上，這臺發電機都超越了一些跨國公司，達到了國際領先水平，而且完全自主知識產權的技術確保機組更加穩定、可靠運行。”顧國彪的第一個博士研究生、現任實驗室常務副主任阮琳研究員介紹。

　　不僅如此，相較于水冷，蒸發冷卻技術更適合大功率發電機的需要。“如果水輪發電機的功率提高到百萬千瓦以上，水冷技術估計是滿足不了的，但蒸發冷卻技術可以做到。”顧國彪說，研究組已開始百萬千瓦級蒸發冷卻機組的預研，爭取應用于國內一些大型電站。

　　另外，經過4年多攻關，研究團隊將蒸發冷卻技術成功應用超級計算機等IT設備中，完成3套樣機和1套商業運行超算產品制造以及一臺自循環浸泡蒸發冷卻服務器的制造。

　　“大型超算中心冷卻能耗、運營電費驚人，我們設計的冷卻系統能夠部分或全部取消風扇和精密空調。”阮琳介紹，各類數據中心在提高運算能力的同時，也存在嚴重的能耗問題。比如，天河二號一期工程計算能耗為17.8個兆瓦，而冷卻系統耗能高達8個兆瓦。蒸發冷卻技術的應用，可將冷卻能耗降低40%以上。

　　如今，研究團隊又開始尋找蒸發冷卻技術新的生長點。“蒸發冷卻技術是一種通用冷卻技術，該技術還將在新能源配電、抽水蓄能、城市配網大有用武之地。”阮琳表示。