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半个多世纪的坚守——我国蒸发冷却技术研发应

  “天河二号”的计算速度有多快?有人打了个比方,如果全国13亿人每人每秒计算一次,连算1000年,才能得出的结果,“天河二号”只需一个小时。

  超级计算机的计算速度确实超乎想象,不过其能耗也大得惊人。“大型超算中心仅冷却能耗就相当于一个小型电站。”中国工程院院士顾国彪坦言。中科院电工所电力设备新技术实验室历经4年攻关,成功将蒸发冷却技术应用到超级计算设备中,使其冷却能耗降低40%以上!

  谁能想到,如此节能绿色的技术从研发到应用却走过了半个世纪的漫漫长路。请看记者发自一线的报道。

  电子信息装备只是蒸发冷却技术近年来开辟的全新应用领域之一。事实上,这一技术最早由中科院电工所专门为三峡工程“量身订制”。

  就像炎炎夏日人们需要降温一样,发电机在运行时也会产生大量热量,需要冷却。冷却问题如何解决?

  当时,国内外主要采用空冷、水冷两种冷却方式。空冷,即吹风散热,让发电机“自然降温”。但随着发电机容量增大、绝缘增厚,发热量不断提高,靠吹风已经达不到散热要求。

  “单纯从冷却效果来讲,水冷确实很好,但存在明显的技术缺陷:发电机对绝缘要求太高,而水有导电性,一旦漏水后果难以想象。”1958年加入电工所的顾国彪与研发团队反复论证后,决定另辟蹊径。

  “有没有一个两全其美的方案,既让发电机有效散热又可确保安全运行?”在当时大型电机研究室的技术负责人廖少葆的建议和支持下,顾国彪将研究方向瞄准了当时发展前景尚不明朗的蒸发冷却技术。

  与空冷、水冷利用介质的比热吸热原理不同,蒸发冷却是基于相变换热原理的新型冷却技术,通过绝缘性能良好的介质汽化潜热带走热量。不过在当时,一种主流的观点是蒸发冷却技术无非就是类似冰箱压缩制冷的方式实现电机冷却,没什么前途。

  选择了远方便只顾风雨兼程。明确研究方向的顾国彪和研究团队买来一台冰箱,不分昼夜的研究其中的冷冻机。就这样,1958年底一台15千瓦的采用低温蒸发冷却技术的发电机研制成功。接下来新的问题很快出现。“基于冰箱强迫制冷原理的低温蒸发冷却技术应用在大型发电机上,不仅把发电机搞复杂了,就经济效益而言也是得不偿失。”顾国彪说。

  电力专业出身的顾国彪又一头扎进了热力学领域。不久,研究团队提出常温下自循环蒸发冷却方案。那一年廖少葆33岁,顾国彪23岁。“国外都没有,你们这技术怎么能行!”面对质疑,顾国彪他们咬牙坚持。

  事实证明,他们的坚持没有白费。1959年底,团队制作出常温下无泵自循环蒸发冷却系统模型,验证了技术的可行性,而这个模型和40年后在蒸发冷却实验室里建造的长江三峡70万千瓦机组的模型相差无几。

  1985年云南省大寨电厂两台自循环蒸发冷却水轮发电机顺利通过专家验收。可还没来得及庆祝,顾国彪就接到了一纸命令:电机研究工作已完成,解散团队!

  “当时院里认为,科研成果研发成功就算完成了任务,工程应用是企业的事。”深知科研成果转化难的顾国彪没有打退堂鼓,四处奔走,课题终于得以勉强延续。直到2000年,顾国彪第一次招收博士研究生,蒸发冷却研究团队已是第四次重建。队伍分分合合只是蒸发冷却技术产业化过程中的一个小插曲。类似的故事还有很多。

  “文革”结束后,“翻身”的蒸发冷却技术研究重启,技术推广却处处受阻。“当时电厂用的都是国外技术,根本不敢用国产系统,害怕万一出事。美国科勒发电机”多亏一位老同学提着脑袋担保,顾国彪申请到一次性贷款160万元。两台自循环蒸发冷却水轮发电机研制成功并顺利应用。如今,除了早期工艺问题引起的一次小事故,这两台机组仍在一直安全运行。

  凭借“安全高效”形象蒸发冷却技术陆续拿到一些订单,但对顾国彪来说服务三峡工程仍是他多年未圆的一个梦。1994年他提议三峡工程使用蒸发冷却技术。对方半开玩笑说,“你们的发电机才做到5万千瓦,我看还是等你完成40万到50万千瓦的发电机,且正常运行两年不出任何问题时,我们再谈吧。”对方的一句玩笑让顾国彪有了新的奔头。恰巧,青海李家峡水电站有个40万千瓦的机组要上马,顾国彪积极争取:写项目申请报告,光材料复印费就花了3万元;经费短缺一时难以为继,向所里贷款40万元……1999年底李家峡水电站的蒸发冷却水轮发电机正式发电,并荣获2002年国家科技进步奖二等奖。蒸发冷却技术获得了来之不易的“准生证”。

  如今回想起来,顾国彪的那份使命感仍溢于言表,“不能让外国人牵着鼻子走,一定要做成一两件超越国外的事,这是我一辈子的信念。”

  机遇垂青有准备的人。李家峡等水电站蒸发冷却发电机的成功运行让蒸发冷却技术迎来了迟到的春天。

  2011年12月15日,对顾国彪来说是个特殊的日子:三峡电站首台70万千瓦蒸发冷却水轮发电机成功运行。这一天距离蒸发冷却团队的成立已经过去了53年。

  蒸发冷却技术工业应用之前,我国大型水利工程电力设备领域几乎采用的都是国外的技术。“无论从装备容量还是从技术指标上,这台发电机都超越了一些跨国公司,达到了国际领先水平,而且完全自主知识产权的技术确保机组更加稳定、可靠运行。”顾国彪的第一个博士研究生、现任实验室常务副主任阮琳研究员介绍。

  不仅如此,相较于水冷,蒸发冷却技术更适合大功率发电机的需要。“如果水轮发电机的功率提高到百万千瓦以上,水冷技术估计是满足不了的,但蒸发冷却技术可以做到。”顾国彪说,研究组已开始百万千瓦级蒸发冷却机组的预研,争取应用于国内一些大型电站。

  另外,经过4年多攻关,研究团队将蒸发冷却技术成功应用超级计算机等IT设备中,完成3套样机和1套商业运行超算产品制造以及一台自循环浸泡蒸发冷却服务器的制造。

  “大型超算中心冷却能耗、运营电费惊人,我们设计的冷却系统能够部分或全部取消风扇和精密空调。”阮琳介绍,各类数据中心在提高运算能力的同时,也存在严重的能耗问题。比如,天河二号一期工程计算能耗为17.8个兆瓦,而冷却系统耗能高达8个兆瓦。蒸发冷却技术的应用,可将冷却能耗降低40%以上。

  如今,研究团队又开始寻找蒸发冷却技术新的生长点。“蒸发冷却技术是一种通用冷却技术,该技术还将在新能源配电、抽水蓄能、城市配网大有用武之地。”阮琳表示。

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