蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用水蒸發(fā)吸熱制冷的原理展開工作，在不需要提供其他熱源的環(huán)境之下，推動(dòng)水與空氣間的熱能交換，將空氣中的顯熱傳遞給水，從而實(shí)現(xiàn)空氣溫度的下降。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是應(yīng)用了絕緣性能好、低沸點(diǎn)的介質(zhì)替代水作為冷卻介質(zhì)，充入發(fā)電機(jī)定子線棒的空心導(dǎo)線內(nèi)部，電流產(chǎn)生的熱量使得介質(zhì)達(dá)到沸點(diǎn)，氣化的氣液二相流體密度小于為沸騰的集液管中液態(tài)介質(zhì)的密度，在重力的作用下，產(chǎn)生壓差。

當(dāng)壓差超過沿程阻力時(shí)，密度較小的二相流體將匯集于定子線棒上端，液態(tài)介質(zhì)在定子線棒下層，形成內(nèi)循環(huán)。二相流體進(jìn)入冷凝器后，熱量被冷凝器中的水熱交換吸收后重新形成液態(tài)介質(zhì)，進(jìn)入回液管和下集液管。

如此往復(fù)循環(huán)，重新進(jìn)入線棒中，構(gòu)成一個(gè)全封閉的自循環(huán)回路。

蒸發(fā)冷卻分為直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻兩種。冷卻塔即是利用了直接蒸發(fā)冷卻，空氣和水充分混合，經(jīng)過水的蒸發(fā)(相變)吸熱過程，實(shí)現(xiàn)加濕冷卻空氣;間接蒸發(fā)冷卻是以直接蒸發(fā)冷卻后的空氣水為冷源，通過間接(非接觸)換熱的方式，實(shí)現(xiàn)等濕冷卻空氣。

根據(jù)空氣、水所需處理程度的不同，蒸發(fā)冷卻又分為三級(jí)。

一級(jí)只有直接蒸發(fā)冷卻一個(gè)過程，理論上可以處理到空氣的濕球溫度點(diǎn);

二級(jí)是間接+直接蒸發(fā)冷卻兩個(gè)過程，空氣首先被直接蒸發(fā)冷卻后的空氣水間接等濕冷卻，再經(jīng)歷直接蒸發(fā)冷卻二個(gè)過程，理論上可以處理到比空氣濕球溫度更低的狀態(tài);

三級(jí)是間接+間接+直接蒸發(fā)冷卻三個(gè)過程，空氣首先被直接蒸發(fā)冷卻后的空氣水間接等濕冷卻，再被間接+直接蒸發(fā)冷卻后的空氣水間接等濕冷卻，最后再經(jīng)歷直接蒸發(fā)冷卻，理論上可以處理到接近空氣露點(diǎn)溫度的狀態(tài)。

實(shí)際工程應(yīng)用中，一、二、三級(jí)蒸發(fā)冷卻一般可以將水空氣分別處理到比空氣的濕球溫度高4~6℃、達(dá)到甚至低于空氣濕球溫度、趨近于空氣露點(diǎn)溫度。

蒸發(fā)冷卻作為介質(zhì)內(nèi)冷方式的一種，散熱效果較好，自身損耗比全空冷小很多，但其選用的電磁負(fù)荷較大，發(fā)電機(jī)的雜質(zhì)內(nèi)損耗稍高于全空冷的損耗，總的損耗和水冷空冷相差不大。

由于冷卻介質(zhì)的不同，介質(zhì)內(nèi)冷的冷卻能力大大超過全空冷，定子繞組運(yùn)行溫度和溫升、定子線棒股線溫度與層間溫差、定子內(nèi)部熱應(yīng)力均小于全空冷機(jī)組，溫度的降低使得繞組的絕緣壽命較長(zhǎng)，提高了機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

同水冷機(jī)組相比，蒸發(fā)冷卻具有同水內(nèi)冷同樣的冷卻效果，但卻消除了水內(nèi)冷壓力大和氧化物堵塞等問題。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)少量介質(zhì)泄露時(shí)不會(huì)影響機(jī)組正常運(yùn)行，適時(shí)補(bǔ)充冷卻介質(zhì)到機(jī)組停機(jī)檢修即可，但蒸發(fā)冷卻和內(nèi)水冷機(jī)組由于有蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)和純水系統(tǒng)，設(shè)備增加的同時(shí)導(dǎo)致了事故率的上升，就這方面來說不如結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的全空冷機(jī)組。

1、定子繞組蒸發(fā)冷卻

定子繞組蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)由定子線圈發(fā)熱體、定子回液管、定子繞組下集液環(huán)管、定子繞組總集汽管、上導(dǎo)流管、絕緣引流管以及冷凝器組成。依據(jù)蒸發(fā)冷卻運(yùn)行原理，每根線圈均為構(gòu)成一個(gè)冷卻回路，線圈間為單支路并聯(lián)形式，共1080個(gè)回路，線圈兩端通過密封接頭和絕緣引水管，分別并聯(lián)到定子線圈驅(qū)動(dòng)端總集液管和非驅(qū)動(dòng)端的總集汽管，形成自循環(huán)回路。

2、冷凝器供排水系統(tǒng)

冷凝器供排水環(huán)管布置在機(jī)坑內(nèi)，冷凝器的正下方，管路的布置不影響發(fā)電機(jī)部件的檢修和拆裝。

冷凝器冷卻水由技術(shù)供水系統(tǒng)提供，系統(tǒng)配有供、排水環(huán)管。冷凝器和水管之間的全部接頭為法蘭或柔性管接頭。在每一冷凝器與水管之間的連接處均設(shè)置一個(gè)閥門，以使發(fā)電機(jī)的任意一個(gè)冷凝器需要進(jìn)行維修時(shí)，可及時(shí)拆卸和更換。在連接冷凝器的各排水支管上閥門和法蘭之間安裝一個(gè)雙向示流器。在連接每個(gè)冷凝器的供排水支管上均裝設(shè)溫度計(jì)。

3、蒸發(fā)冷卻供排液系統(tǒng)

為便于灌液和排液，系統(tǒng)中還考慮了供排液裝置。排液管一端與處于最下端的定子線棒集液管相連，另一端與布置在發(fā)電機(jī)機(jī)坑外側(cè)的供排液裝置相連。

同時(shí)，定子線棒集液管設(shè)有連通管和閥門，閥門只在排液時(shí)打開。排液時(shí)，將定子線棒集液管的排液閥打開，利用泵將冷卻介質(zhì)抽入到供排液裝置中。

4、均壓排氣系統(tǒng)

冷凝器系統(tǒng)設(shè)置有均壓環(huán)管，使各冷凝器之間相互連通，實(shí)現(xiàn)整個(gè)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的壓力均勻，使線圈各并聯(lián)支路運(yùn)行狀況一致，各冷凝器帶走的熱量更均勻。

排汽管與均壓環(huán)管相通，接到發(fā)電機(jī)機(jī)坑外的回收裝置，當(dāng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)壓力升高時(shí)，需要經(jīng)過排汽管釋放過高的壓力，通過回收裝置冷凝后回收。

5、蒸發(fā)冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為確保機(jī)組運(yùn)行安全可靠，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)有多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，包括：介質(zhì)泄露檢測(cè)、液位監(jiān)測(cè)、冷凝器壓力監(jiān)測(cè)、冷凝器漏水監(jiān)測(cè)、冷凝器冷卻水流量監(jiān)測(cè)、冷凝器進(jìn)出水溫度監(jiān)測(cè)以及定子繞組和匯流環(huán)溫度監(jiān)測(cè)等。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)從20世紀(jì)70年代開始由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用，已取得了大量工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)。在水輪發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用已有40年，在汽輪發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用也已有30余年。蒸發(fā)冷卻技術(shù)還在電力驅(qū)動(dòng)、低壓電器和電子設(shè)備等領(lǐng)域得以應(yīng)用和拓展，包括磁選設(shè)備、超級(jí)計(jì)算機(jī)等。

一、水輪發(fā)電機(jī)領(lǐng)域

中科院電工研究所與國(guó)內(nèi)制造廠家長(zhǎng)期合作，1963～1964年，650 kW水輪發(fā)電機(jī)在玉淵潭實(shí)驗(yàn)電站運(yùn)行了兩年，并進(jìn)行了1 000 kW超發(fā)實(shí)驗(yàn)，為工業(yè)實(shí)驗(yàn)機(jī)組的研發(fā)打下了基礎(chǔ)，其后又通過中試和擴(kuò)大中試、產(chǎn)業(yè)化示范將蒸發(fā)冷卻技術(shù)長(zhǎng)期成功應(yīng)用于4種容量的6臺(tái)工業(yè)機(jī)組中。取得的標(biāo)志性成果如下：

1、2臺(tái)10 MW高轉(zhuǎn)速蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)。該項(xiàng)目得到了云南電力局的支持，在1983年及1984年先后安裝在云南大寨水電站，到目前為止已安全運(yùn)行了35年。

2、50 MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)于1991年安裝在陜西安康火石巖水電站，到目前為止已安全運(yùn)行了27年。且該機(jī)組在夏季豐水期經(jīng)常超發(fā)電，為企業(yè)贏得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3、400 MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)于1999年安裝在李家峽水電站，到目前為止已安全運(yùn)行了19年。蒸發(fā)冷卻技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)已得到國(guó)際大電機(jī)領(lǐng)域的認(rèn)可，在2000年于法國(guó)巴黎召開的國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議上，400 MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)(當(dāng)時(shí)中國(guó)最大的水輪發(fā)電機(jī)組)被評(píng)為國(guó)際旋轉(zhuǎn)電機(jī)領(lǐng)域近年的四大進(jìn)展之一。

4、700 MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)分別于2011年12月和2012年7月在三峽右岸地下電站投入商業(yè)運(yùn)行。三峽地下電站27、28號(hào)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)電機(jī)定子線圈溫度分布均勻，溫升低，負(fù)荷變動(dòng)時(shí)溫度變化小，發(fā)電機(jī)性能達(dá)到三峽精品工程水平和國(guó)際領(lǐng)先水平。蒸發(fā)冷卻三峽右岸地下電站機(jī)組的成功試運(yùn)行，是產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的一次成功探索。

二、電力電子器件領(lǐng)域

供電系統(tǒng)小型化、大容量、高可靠性、高品質(zhì)是世界電機(jī)界長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和控制技術(shù)的進(jìn)步，針對(duì)高功率密度發(fā)電機(jī)。提出了多相整流裝置與電機(jī)本體合為一體，將發(fā)電機(jī)、整流裝置、變流裝置集成采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，解決了高功率密度設(shè)備的冷卻、小型化、低噪音、可靠性等關(guān)鍵技術(shù)問題。與傳統(tǒng)的交直流分別供電的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)相比，體積和重量減少40%以上，工程造價(jià)降低40%以上。

與發(fā)電機(jī)樣機(jī)配套使用的變流裝置中的高功率密度的IGBT是典型的電力電子器件，通過對(duì)其采用壁掛式蒸發(fā)冷卻技術(shù)，功率模塊安裝在冷卻箱體表面，器件的熱量傳至箱體內(nèi)，使箱體內(nèi)冷卻液由液態(tài)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)，與箱體內(nèi)的水冷管進(jìn)行熱交換。

這種冷卻方法可使大功率器件的殼溫控制在80℃以內(nèi)，且冷卻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、低噪音，因冷卻液具有高絕緣性，運(yùn)行安全可靠。冷卻介質(zhì)溫度均勻、冷卻效率高，解決了高功率密度的大功率器件的冷卻問題。