600℃以上超超临界汽轮机组用材

600℃以上超超临界汽轮机组用材
巩秀芳  杨功显  范华  李青松   东方汽轮机有限公司
摘  要：本文概述了国内外超超临界汽轮机组的发展状况，详述了超超临界汽轮机组用材的发展趋势、选材标准和研制现状，并结合东汽超超临界汽轮机组用材，探讨了东汽超超临界汽轮机组用材料的发展方向。
关键词：超超临界机组；材料
1引言
燃煤火电机组的热力循环是按朗肯循环进行的，蒸汽参数是决定机组的热经济性的重要参数。提高蒸汽的初参数（蒸汽压力和温度），采用再热系统和增加再热次数都能提高循环的热效率。水的物性有超临界和亚临界之分，压力大于临界点Pc状态范围称为超临界区，压力小于Pc的范围称为亚临界区。常规亚临界循环的典型参数为16.7MPa/538℃/538℃，发电效率约为38％－39％。超临界循环典型的参数为24.1MPa/538℃/566℃，对应的发电效率约为41％－42％。超超临界（USC）参数实际上是在典型的超临界参数基础上向更高压力和温度提高的过程。通常认为超超临界是指压力达到25 MPa -35 MPa,温度达到593℃－650℃或者更高的参数，并具有一次再热或二次再热的热力循环,目前达到的发电效率为44％-45％[1,2]。在一定范围内，新蒸汽温度和再热蒸汽温度每提高 ，机组热耗就可下降0.25-0.3%。如果增加再热次数，例如采用二次加热，在同样蒸汽参数下热耗可较采用一次再热下降。当蒸汽初温不变仅提高初压时,一定范围内可提高机组热效率，但单独提高初压过大，机组热效率反而会降低，其原因主要是初压提高时蒸汽比容减小，将使汽轮机超高压通流部分叶片高度减小，甚至需要采用部分进汽，这样将使叶片级的二次流损失和轴封漏汽损失都增大，将抵销一部分提高压力参数所带来的好处。同时，低压缸的排汽湿度将随初压的提高而增加，加大湿气损失，使汽轮机的热效率下降，另外还将增加末级叶片水蚀程度。在初温一定的情况下存在一个最佳初压，超过最佳初压后，机组的热耗率将趋于上升。根据分析，在相同的温度下，将主蒸汽压力从24.1MPa提高到31MPa，超超临界机组热效率能够改善1～1.5％[2]。图1给出提高蒸汽温度和蒸汽压力对发电效率的影响，由此图可见，蒸汽参数由24.1MPa/538℃提高到24.1MPa/760℃，发电效率可以提高5.3% [3-6]，而亚临界到超超临界机组，最大可以减排25%的CO2[7]。所以各国都在积极实施高效的超超临界发电计划，以提高发电效率，保护环境及减少温室气体CO2的排放。进入21世纪，中国政府十分重视环境保护和减少CO2的排放，在尽力发展水电、风电和太阳能发电的同时，大力发展核电和高效、清洁的超临界、超超临界发电技术。
                                    图1 提高蒸汽温度和压力对循环效率的影响[3-6]
2 国外超超临界汽轮机组开发计划
目前国际上开展超超临界发电计划主要有以下国家[8,9]：
1)欧洲在1983年开始实施COST 501（1983-1997）计划，分3个阶段进行，目标是建立参数为29.4MPa/600℃/600℃和29.4MPa/600℃/620℃机组。在COST 501计划完成后，紧接着实施COST 522（1998-2003）计划，目标是建立30MPa/620℃/650℃机组；之后实施COST 536（2004-2009）计划，目标是利用9%~12%Cr铁素体钢制造大型铸锻件（如转子、主汽阀壳）和厚壁管的650℃超超临界机组。与此同时，在1998年启动了为期17年的Thermie AD700（1998-2014年）计划，目标是建立37.5MPa/700℃/720℃的超超临界机组。
2)日本在1981年启动了超超临界发电技术的研究计划，第一阶段（1981-1993年）目标是开发应用铁素体参数为31.4MPa/593℃/593℃机组和应用奥氏体钢的参数为34.3MPa/649℃/649℃机组；第二阶段（1994-2000年）目标是开发应用铁素体钢的参数为30MPa/630℃/630℃的一次再热机组。2008年3月，日本启动了“给地球降温-新能源技术计划”（2008-2015年），目的是减少温室气体的排放，共有21项技术开发，其中先进超超临界发电技术（A-USC）项目是实现700℃等级粉煤发电技术的商业化。
3)美国在1978年开始研究更加经济的燃煤发电技术，在1986年启动了历时8年的RP1403项目，评价了超超临界锅炉厚壁面部件用钢，证实P92钢和P112钢是锅炉厚截面部件的最佳材料。在2000年启动了Vision21计划，目标是15年后建立能使用煤、天然气和生活垃圾等多种原材料生产出电能、液体燃料和化工品等多种产品的工厂，要求实现零排放，蒸汽参数达到35MPa/760℃。
4)韩国2002年启动超超临界技术开发计划，目标是建立26MPa/610℃/621℃的1000MW超超临界机组。
中国发展超超临界机组起步晚，目前我国的超超临界蒸汽温度达到了600℃[8,10]，至今，中国已有30多台超超临界机组投入商业运行，成为在运超超临界机组最多的国家。实现上述众多计划的基础是耐高温材料的发展，因此首先要开发耐高温材料。通过这些计划的实施，在世界范围内推动600℃、620℃、650℃、700℃和760℃等级超超临界机组材料的开发和研制，以及这些材料长期应用性能和长期组织稳定性的研究。中国对超超临界机组用材料需求量很大，基本上靠进口，材料已成为中国发展超超临界机组的制约因素，为了解除材料制约，我国应加大力度开展超超临界机组用关键材料和关键部件的研制和应用[8]。本文主要阐述600℃以上超超临界机组用材料，为方便，以下所指超超临界机组都为蒸汽温度600℃以上。

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2012-2-3 20:37 上传

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