發(fā)展能源裝備工程材料促進(jìn)我國高效發(fā)電及核發(fā)電發(fā)展

發(fā)展能源裝備工程材料促進(jìn)我國高效發(fā)電及核發(fā)電發(fā)展

能源裝備工程材料是新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不可忽視的一類工程材料,我國這類材料的研究還基本處于空白,超臨界、超超臨界機(jī)組及核發(fā)電大型機(jī)組用材幾乎都由國外進(jìn)口。面對(duì)未來我國電力發(fā)展的需求,發(fā)展能源裝備工程材料刻不容緩。我國發(fā)電裝機(jī)容量將由目前的5億kW發(fā)展到2020年的近10億kW,火電機(jī)組在未來10～20年內(nèi)仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。我國火力發(fā)電單位煤耗和水耗均遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家。為了提高發(fā)電效率,減少污染,高參數(shù)、大容量超(超)臨界機(jī)組將成為我國未來火電機(jī)組發(fā)展的主流。在發(fā)電機(jī)組向大容量、高參數(shù)發(fā)展以及未來電源形式多樣化并存的趨勢(shì)下,提高一次能源轉(zhuǎn)化效率,降低燃煤發(fā)電的環(huán)境影響,確保電源設(shè)備的高效安全運(yùn)行,將是我國電力行業(yè)長期面臨的重大課題。在《新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》出臺(tái)后,我國核電的中長期發(fā)展規(guī)劃會(huì)做進(jìn)一步調(diào)整,在原計(jì)劃到2020年達(dá)到4 000萬kW的裝機(jī)容量基礎(chǔ)上再擴(kuò)容3 000萬kW,達(dá)到7 000萬kW。已初步確定的廠址近30個(gè),遍布15個(gè)省、市及自治區(qū),可容納近110臺(tái)機(jī)組。能源作為我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),其裝備工程材料的發(fā)展必然要走在前面。

1 超超臨界燃煤電廠的現(xiàn)狀

火力發(fā)電行業(yè)目前面臨兩方面的壓力,首先是市場(chǎng)競(jìng)爭加劇需降低成本,另外是球環(huán)境問題要求電廠降低SOX,NOX,CO2的排放,達(dá)到環(huán)保要求。發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術(shù)是解決這些問題的關(guān)鍵,其一是開發(fā)利用新的高效發(fā)電技術(shù),如整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電、增壓流化床燃燒技術(shù)(PFBC)等;其二是在常規(guī)的發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上,提高機(jī)組的蒸汽參數(shù),即機(jī)組的超臨界(SC)和超超臨界化(USC)。到目前為止超臨界機(jī)組在國際上已經(jīng)相當(dāng)普及。丹麥ELSAM公司對(duì)IGCC,PFBC和USC發(fā)電技術(shù)都有試驗(yàn)項(xiàng)目,其研究結(jié)果表明,在目前以及將來一段時(shí)間內(nèi),超超臨界機(jī)組的技術(shù)繼承性和可行性最高,同時(shí)USC發(fā)電具有最高的效率和最低的建設(shè)成本。

20世紀(jì)五六十年代只投運(yùn)了幾臺(tái)超超臨界機(jī)組。從90年代初到目前為止,全世界已經(jīng)新建超超臨界機(jī)組超過60臺(tái),且參數(shù)在不斷提高。2006年8月18日,我國首臺(tái)100萬kW超超臨界機(jī)組鍋爐——華能玉環(huán)電廠一號(hào)鍋爐首次點(diǎn)火成功,11月28日,正式投入商業(yè)運(yùn)行。2006年12月4日華電國際鄒縣發(fā)電廠單機(jī)容量100萬kW的燃煤發(fā)電廠正式投產(chǎn)。2007年8月1日,我國60萬kW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組在華能營口電廠二期啟動(dòng)。

從各國的發(fā)展來看,自20世紀(jì)90年代初開始發(fā)展超超臨界機(jī)組,到90年代末由于加大了在冶金材料領(lǐng)域的科研投入,鐵素體、奧氏體、超級(jí)不銹鋼、ODS(氧化物彌散強(qiáng)化)、鎳基合金等一批耐高溫材料日漸成熟,尤其是低鉻耐熱鋼和改良型9%～12%Cr鐵素體鋼的研制成功及使用,促進(jìn)和保證了超超臨界機(jī)組的發(fā)展,并降低了超超臨界機(jī)組的造價(jià)。目前,這些新型鋼材已在歐洲和日本的電廠推廣使用,主蒸汽溫度最高達(dá)610℃。

2 新材料在超超臨界發(fā)電中的作用

超超臨界機(jī)組與超臨界機(jī)組相比由于蒸汽溫度和壓力參數(shù)更高對(duì)電站關(guān)鍵部件材料提出了更高的要求,尤其是在材料的熱強(qiáng)度、抗高溫腐蝕和氧化能力及冷熱加工性能等方面。因此,材料及其制造技術(shù)已成為發(fā)展先進(jìn)發(fā)電機(jī)組的技術(shù)核心。雖然發(fā)展超超臨界機(jī)組在設(shè)計(jì)和制造中存在許多關(guān)鍵技術(shù)問題有待解決,但是開發(fā)熱強(qiáng)度高、抗高溫?zé)煔庋趸g和高溫汽水介質(zhì)腐蝕、可焊性和工藝性能良好、價(jià)格低廉的材料是最關(guān)鍵的問題。發(fā)電機(jī)組用鋼主要有2大類:奧氏體鋼和鐵素體鋼。奧氏體鋼比鐵素體鋼具有高的熱強(qiáng)性,但膨脹系數(shù)大,導(dǎo)熱性能差,抗應(yīng)力腐蝕能力低,工藝性差,熱疲勞和低周疲勞(特別是厚壁件)性能也不及鐵素體鋼,且成本高得多。

國際上已經(jīng)在運(yùn)營的超超臨界機(jī)組溫度參數(shù)大多在566～620℃,壓力為25,27和30～31MPa三個(gè)級(jí)別。其對(duì)鋼材的要求:①主蒸汽管道、過熱器、再熱器管、聯(lián)箱和水冷壁材料具有與蒸汽參數(shù)相適應(yīng)的高溫持久強(qiáng)度;②機(jī)組材料耐高溫?zé)煔飧g;③過熱器、再熱器、聯(lián)箱和管道等均為高溫蒸汽通流部件,要求其耐高溫蒸汽腐蝕;④機(jī)組在啟停、變負(fù)荷和煤質(zhì)波動(dòng)時(shí)會(huì)引起熱應(yīng)力,要求主蒸汽管道、聯(lián)箱、閥門等厚壁部件材料具有良好的抗熱疲勞性能及低的蠕變疲勞敏感性;⑤轉(zhuǎn)子、葉片以及其它旋轉(zhuǎn)部件承受巨大的離心力,因此對(duì)耐熱鋼的熱強(qiáng)性能提出了更高要求;⑥緊固件需要有更高的拉伸屈服強(qiáng)度和蠕變松弛強(qiáng)度,以及在蒸汽環(huán)境下的抗應(yīng)力腐蝕能力和足夠的塑韌性以避免蠕變裂紋形成;⑦對(duì)再熱蒸汽溫度高于593℃的低壓轉(zhuǎn)子還必須考慮材料在該溫度范圍內(nèi)的回火脆性。

3 我國超臨界機(jī)組材料的基礎(chǔ)及發(fā)展建議

由于煤電仍將在很長時(shí)間內(nèi)占我國發(fā)電的主導(dǎo)地位,因此超超臨界火電技術(shù)在我國有著非常廣闊的發(fā)展前景。然而近幾十年來,我國電站新材料開發(fā)幾乎處于完全停滯狀態(tài),超臨界和超超臨界機(jī)組甚至包括部分亞臨界機(jī)組的關(guān)鍵材料或部件幾乎完全依賴進(jìn)口。我國近幾年開始超超臨界機(jī)組的相關(guān)技術(shù)研究,并有數(shù)臺(tái)機(jī)組開始投入建設(shè)。

國外發(fā)達(dá)國家對(duì)于先進(jìn)發(fā)電技術(shù)所需的材料均有相應(yīng)的研究戰(zhàn)略,對(duì)電站材料的蠕變、疲勞等長時(shí)性能研究也有長期規(guī)劃,并建立了數(shù)據(jù)共享平臺(tái),積累了大量的材料性能數(shù)據(jù)。如在歐洲蠕變合作委員會(huì)(ECCC)和日本材料所的數(shù)據(jù)共享平臺(tái),多數(shù)常用材料的持久強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)間超過了10萬h,最長的數(shù)據(jù)達(dá)到了20～30年。這些數(shù)據(jù)對(duì)于機(jī)組的合理設(shè)計(jì)和安全可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的材料技術(shù)支持。而我國還沒有相應(yīng)的機(jī)構(gòu),各單位的數(shù)據(jù)共享性差,數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量也都沒有保證,甚至電站常用材料的長期數(shù)據(jù)也嚴(yán)重缺乏,給機(jī)組部件的壽命評(píng)估帶來很大困難。

由于電站用耐熱材料與影響國計(jì)民生的能源和環(huán)境兩大問題密切相關(guān),有必要建立相應(yīng)的研究和開發(fā)戰(zhàn)略,通過參與國際研發(fā)項(xiàng)目,掌握新型耐熱鋼的特性,建立電站材料性能數(shù)據(jù)庫及共享機(jī)制,并與國際數(shù)據(jù)庫平臺(tái)合作,形成完整的材料技術(shù)支撐體系,促進(jìn)我國超超臨界等先進(jìn)火力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

陸 辛 研究員,博士生導(dǎo)師,國家百千萬工程一、二層次候選人,享受政府特殊津貼;主持完成了國家自然基金、國家“863”、國務(wù)院重大裝備、中德政府間合作、國家重大攻關(guān)課題的國際合作及歐盟第五框架等項(xiàng)目;獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng);發(fā)表論文30多篇。