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“蒸发冷却”:把节能发挥到极致

2019-12-12 18:58

电工电气网】讯

在今年6月份举办的国家“十二五”科技创新成就展上,来自中国科学院的各大原创性成果吸引了众多参观者的目光。其中,由中科院电工研究所电力设备新技术实验室自主创新研发的“全浸式自循环蒸发冷却高性能计算机”,作为科技部优选的“十二五”期间重大标志性成果项目之一亮相展会。

“嗡嗡嗡……”置身三峡右岸地下电站29号机组上方,发电机产生的强烈震动穿过脚底瞬间传导全身。而站在28号机组上,震感并不明显。

但鲜为人知的是,该成果是从为水轮发电机组这样的大型发电设备的蒸发冷却技术“脱胎”而来。《中国科学报》记者日前就此对“发电设备蒸发冷却技术”的带头人、中科院电工所研究员、中国工程院院士顾国彪进行了专访。

据了解,28号机组的稳定性,得益于采用了我国完全自主知识产权的常温无泵自循环蒸发冷却技术(以下简称“蒸发冷却技术”)。这项由中国工程院院士顾国彪团队历时几十年自主研发的技术,具备高绝缘、低沸点、自循环、经济高效等优点,其效果堪比水冷,可靠性、维护费用优于空冷。

三峡大坝用上自主技术

“随着采用蒸发冷却技术的27、28号机组设备进入运行稳定期,蒸发冷却系统的维护便捷性、运行经济性等优势正逐渐凸显。”三峡水力发电厂副总工程师叶华松在现场告诉记者。

什么是蒸发冷却技术呢?据顾国彪介绍,这是一种利用高绝缘性能、低沸点的冷却介质通过相变换热来传递热量,从而实现发热部件冷却的技术。它是一种经济高效的新型冷却技术,涉及电机学、结构材料、流体力学以及电化学等多学科交叉。“最关键的是,它是一种完全由中国科学家提出并最终实现的原创科技,是中科院电工研究所几代科学家50余年持续努力的结果。”顾国彪说。

蒸发冷却技术目前已在国内10兆瓦、50兆瓦、400兆瓦和700兆瓦常规水电机组上实现成功应用,其中三峡地下电站700兆瓦蒸发冷却水轮发电机已安全运行六年有余。

这项技术的研发几经波折。早在1958年左右,他和同事就研制出了一台15千瓦的低温蒸发冷却电机,证明了蒸发冷却技术用于大型电机设备的可能性。但后来因为“文革”,他和同事被下放,该技术的研究一度停滞。“文革”之后,顾国彪又开始带队进行该技术的研发。上世纪80年代初,他完成1万千瓦蒸发冷却水轮发电机的研制,该发电机在云南大寨水电站运行良好。1992年,他研发的5万千瓦蒸发冷却水轮发电机在陕西安康发电成功。

然而,就是这样一项世界首创、自主研发、经济高效、先进成熟,并让国外企业争相购买的技术,在国内却只在小范围应用。

2011年12月15日和2012年7月4日,安装在三峡大坝右岸地下电站、采用蒸发冷却技术的27号、28号700兆瓦水轮发电机相继投入商业运行,2013年5月11日通过了科技部组织的项目验收。

自主技术缘何得不到推广?能否找到合适的推广模式?记者就此进行了采访。

“从原理到样机,从1万千瓦到700兆瓦,蒸发冷却技术经过了许多波折,但最终实践证明,这是一项非常成功的技术。”顾国彪介绍。运行近5年来,三峡水电站的两台机组状态良好,没有任何故障,这充分证明了该技术的可靠性。

多重因素致推广难

“近年来,德国等一些跨国能源企业、电力设备企业纷纷找到我们,要求我出国访问并给他们授课。我们的技术得到了国外同行的高度认可。”顾国彪说。

“我国很多科研成果只能在实验室,蒸发冷却技术已算得上科技成果进入商用的成功案例了。即便如此,其规模化、产业化之路依然遥远。”中国电工技术学会副秘书长奚大华接受记者采访时坦言。

从水电到超级计算机

“兰生山谷无人识”、制造企业推广力度不大、业主对自主研制的设备不信任、无人敢为创新应用担责等诸多因素,导致了蒸发冷却技术多年来推而不广。

目前,顾国彪团队正在和云南等地在建的水电站进行洽谈,试图将这项技术应用在更多的水电站设备上。同时,研究人员开始寻找蒸发冷却技术新的生长点,在这样的背景下,“全浸式自循环蒸发冷却高性能计算机”应运而生。

曾参与顾国彪团队研究工作的上海交通大学教授姚若萍感慨,中科院电工所曾免费让国内企业使用蒸发冷却技术,实施应用时只需花费制造设备资金。而在当时,国内企业要从阿尔斯通、ABB购买同等水平的技术,必须先花费巨资购买专利。

顾国彪介绍,采用蒸发冷却技术的高性能计算机凭借自然循环蒸发冷却系统自身零功耗、无噪音的优异性能,从本质上杜绝了原空冷方式计算机和小型服务器系统的高耗能和高噪声问题。此外,系统全密封特点也达到了信息安全的物理屏蔽作用。

“目前的状况,首先在于国内企业对高端技术依然抱有引进国外先进技术,再消化吸收和再创新的惯性思维,而对国内自主研发的有先进技术始终带着‘有色眼镜’。”国网新能源控股有限公司一位不愿具名人士坦言,“而且,业主和制造企业都对国产设备持吹毛求疵的态度,国外设备出点毛病属正常,国内设备出一点小问题,大家就‘鸡蛋里挑骨头’”。

经过4年多攻关,2013年年底,蒸发冷却技术成功应用在超级计算设备中,完成3套样机和1套商业运行产品制造。目前,曙光公司正在和顾国彪团队合作,进行该技术的推广。

三峡右岸地下电站700兆瓦蒸发冷却机组曲折的建设过程,很说明上述问题。

“大型超算中心冷却能耗相当于一个小型电站,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。”中科院电工所研究员阮琳说,从实测结果看,蒸发冷却技术在超算上的应用比全球技术最好的冷却系统综合节能40%以上。

据顾国彪介绍,由于国外没有技术和设备,三峡右岸电站首次采用蒸发冷却技术共召开过9次评审会。而且,为了试运行安全可靠,三峡公司曾多投入几百万元制作了一个1:1模型,同时开展了理论计算与实验验证,最终证明理论计算与实验结果相符合。“这个过程消耗了大量人力、物力,进度也被推迟。”

原创技术期待推广加速

“推广难还在于,决策者不知道自主研发出的蒸发冷却技术是独创,并且世界领先。”中国工程院院士饶权芳接受记者采访时说:“很多用户习惯用空冷技术,不敢采用蒸发冷却技术。国内设备制造商也不推广该技术。制造生产企业交流推广力度不大,导致电站业主对该技术一无所知,即便知晓,企业对此也是视若无睹。”

那么,对于蒸发冷却技术未来的发展和应用,顾国彪有怎样的期待呢?

上述不愿具名人士表示,没人愿意为创新应用担责是关键,即便选定自主研发的机型,更面临无人拍板的窘境。“我们曾多次建议在800兆瓦以下抽蓄机组上采用该技术,但没人敢做决定。干好了,没事,出问题,谁担责?”

“现在大数据的应用日趋火热,每天都有海量的数据产生,这就需要更多的数据中心、更多的服务器、更多的机房。阿里巴巴、中国移动等大型公司已经在贵州等地建设了数据储备中心,我们也在试图和他们联系,将这项技术应用于更多的企业。”顾国彪介绍,利用蒸发冷却技术,可极大地降低服务器的能耗,比传统的水冷、空调冷却等手段要优越。

受体制、人才制约

“现在国家都在谈科技创新,希望并鼓励科研人员将更多的成果应用到经济建设中去。但对于我们这样的科研人员而言,拥有了好的技术却不善于推广。因此,国家应该采取更多的措施,扩大先进科技成果的推广渠道,让科研人员的心血早日转化为生产力,发挥更大的作用。”顾国彪表示。

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