600℃/620℃二次再熱超超臨界機(jī)組高溫部件用材

魏先平，范華，楊明，陳猛猛，楊功顯，鞏秀芳（東方汽輪機(jī)有限公司長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川德陽(yáng)，618000)

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600℃/620℃二次再熱超超臨界機(jī)組高溫部件用材

魏先平，范華，楊明，陳猛猛，楊功顯，鞏秀芳
（東方汽輪機(jī)有限公司長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川德陽(yáng)，618000)

摘要：為提高燃煤發(fā)電轉(zhuǎn)化效率，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能環(huán)保的發(fā)展策略，公司突破并掌握了再熱蒸汽為620℃的超超臨界二次再熱機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)，成為掌握該項(xiàng)技術(shù)的首家國(guó)內(nèi)企業(yè)。針對(duì)該二次再熱機(jī)組的實(shí)際投運(yùn)，文章介紹了主要高溫部件的選材用材情況。

關(guān)鍵詞：二次再熱，超超臨界，高溫部件

0 引言

目前，從我國(guó)和世界范圍的一次能源結(jié)構(gòu)看，以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變[1-2]。因此，提高煤電轉(zhuǎn)化效率、發(fā)展清潔煤發(fā)電技術(shù)是各國(guó)發(fā)展燃煤發(fā)電技術(shù)的一致目標(biāo)。在過(guò)去幾十年里，燃煤發(fā)電機(jī)組參數(shù)從亞臨界、超臨界提升到600℃等級(jí)超超臨界參數(shù)。但由于耐熱鋼使用溫度制約，參數(shù)的進(jìn)一步發(fā)展受到了一定限制。雖然基于高溫鎳基合金研發(fā)提出的“700℃等級(jí)先進(jìn)超超臨界(AUSC)燃煤電站研發(fā)計(jì)劃”在歐、美、日和我國(guó)等已立項(xiàng)研究[3-4]，但由于高溫材料尚不成熟，要實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行還有很長(zhǎng)的路要走。因此，開(kāi)發(fā)600℃/620℃二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)具有明顯的經(jīng)濟(jì)性能及現(xiàn)實(shí)可操作性。

針對(duì)經(jīng)濟(jì)、高效環(huán)保的開(kāi)發(fā)理念，東方汽輪機(jī)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“東汽”）在重慶萬(wàn)州項(xiàng)目上完成了國(guó)內(nèi)首座28 MPa/600℃/620℃二次再熱機(jī)組的自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。本文將重點(diǎn)介紹東汽600℃/620℃二次再熱機(jī)組和國(guó)外投運(yùn)的600℃/620℃二次再熱機(jī)組在關(guān)鍵高溫部件的選材用材特點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外600℃/620℃超超臨界機(jī)組投運(yùn)情況及材料選擇

國(guó)外早在20世紀(jì)70～90年代就有超臨界二次再熱機(jī)組的投運(yùn)，如美國(guó)的Philo電廠、丹麥的Nordjylland電廠等[5]。在21世紀(jì)初國(guó)外已有數(shù)臺(tái)600℃/620℃超超臨界二次再熱機(jī)組投入運(yùn)行，如表1所示。國(guó)外超超臨界二次再熱機(jī)組的運(yùn)行業(yè)績(jī)表明，機(jī)組運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)性較好，是可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用的發(fā)電技術(shù)。目前，東汽研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)600℃/620℃超超臨界二次再熱機(jī)組在重慶萬(wàn)州項(xiàng)目上的投運(yùn)，標(biāo)志著我國(guó)突破了600℃/620℃超超臨界二次再熱機(jī)組制造技術(shù)，該機(jī)組采用了四缸四排汽機(jī)構(gòu)，其機(jī)組縱剖面圖如圖1所示，設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)為28 MPa/600℃/620℃。其與常規(guī)超超臨界機(jī)組的區(qū)別主要是再熱蒸汽溫度的提高，需要使用具有更高承溫能力的耐熱材料制造再熱機(jī)組高溫部件。由于改良型9%～12%Cr鋼，如ZG1Cr10MoVNbN、TOS301、GX12CrMoWVN?bN1011等，可承受590～610℃的蒸汽溫度條件；新型9%～12%Cr鋼，如ZG1Cr10MoWVNbN、TOS302、NF616、SAVE12等，可承受630～650℃的蒸汽溫度條件。加之600℃/620℃機(jī)組的熱端部件承溫設(shè)計(jì)為620℃，因此，主要的高溫部件用材為改良型12%Cr鋼或新型12%Cr鋼。東汽600℃/620℃超超臨界二次再熱機(jī)組高溫部件用材如表2所示，這類(lèi)鋼在620℃具有優(yōu)良的高溫蠕變強(qiáng)度（如圖2所示），能滿(mǎn)足600℃、620℃的運(yùn)行設(shè)計(jì)要求。

圖1　重慶萬(wàn)州二次再熱機(jī)組縱剖面圖

表1　國(guó)外600℃/620℃超超臨界二次再熱機(jī)組參數(shù)

表2　600℃/620℃超超臨界二次再熱機(jī)組用主要高溫耐熱材料

圖2　改良型12%Cr及新型12%Cr鋼高溫蠕變強(qiáng)度

2 600℃/620℃超超臨界機(jī)組高溫部件用材

2.1 轉(zhuǎn)子用材

600 ℃超超臨界機(jī)組轉(zhuǎn)子用材均采用改進(jìn)型或新型9%～12%Cr鍛鋼。該類(lèi)鋼是在CrMoVNbN鋼的基礎(chǔ)上提高W的含量，降低Nb和C的含量，將使用溫度提高到593℃；同時(shí)，再在材料中加入了微量的B、N等元素以提高高溫強(qiáng)度，將使用溫度提高到620℃。其中，Cr元素的添加主要是提高合金的耐蝕性、抗蒸氣氧化性能和強(qiáng)度，而微量元素W、Mo、V、Nb、N的加入會(huì)形成主要組分為VN和Nb（C、N）的彌散MX粒子（20～80 nm），這些粒子在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，還能“釘扎”位錯(cuò)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高高溫蠕變斷裂強(qiáng)度[6-7]。目前，主要用于制造超超臨界機(jī)組轉(zhuǎn)子的材料有1Cr10Mo1NiWVNbN（改良型12%Cr）、14Cr10.5Mo1W1NiVNbN、X12CrMoWVNbN10- 1-1、13Cr9Mo2Co1NiVNbNB（FB2）、1Cr10Mo1VN?bN、TOS110（新型12%Cr）、TOS107（改良型12%Cr）等。在東汽最新研制的600℃/620℃超超臨界二次再熱機(jī)組中，超高壓和高中壓轉(zhuǎn)子主要選擇1Cr10Mo1NiWVNbN和FB2耐熱鋼（如表3所示），其中1Cr10Mo1NiWVNbN是在TMK1轉(zhuǎn)子鋼的基礎(chǔ)上降低約0.2%的鉬，增加約0.4%的鎢，主要用于制造超超臨界機(jī)組高壓、中壓無(wú)中心孔轉(zhuǎn)子；而FB2在625℃10萬(wàn)小時(shí)外推持久強(qiáng)度極限為100 MPa，L-M曲線(xiàn)如圖3所示，能滿(mǎn)足620℃超超臨界二次再熱機(jī)組超高壓及高中壓轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，是620℃超超臨界機(jī)組轉(zhuǎn)子用材的熱門(mén)材料。

同時(shí)，按schaeffler相圖及Creq計(jì)算公式[8]：Creq=Cr+1.5Si+Mo+0.5Nb計(jì)算得到1Cr10Mo1Ni?WVNbN與FB2的Creq含量分別為11.8和10.8，較高的鉻當(dāng)量可知這2種鋼具有較好的抗蒸汽氧化腐蝕性能，加之其抗耐疲勞性?xún)?yōu)良，是制造超超臨界二次再熱機(jī)組的超高壓及高中壓轉(zhuǎn)子的理想用材。

圖3　FB2和CB2的L-M曲線(xiàn)

表3　超超臨界機(jī)組轉(zhuǎn)子用材

2.2 高溫內(nèi)缸、閥殼

汽輪機(jī)高溫內(nèi)缸及閥殼的構(gòu)件尺寸大，且形狀復(fù)雜，通常采用鑄造成型。目前國(guó)內(nèi)外超超臨界機(jī)組的高溫內(nèi)缸、閥殼均采用9%～12%Cr耐熱鋼鑄造，用材情況如表3所示。其中主要用于制造高溫內(nèi)缸和閥殼的材料有ZG12Cr9Mo1Co1NiVNbNB （CB2）、ZG1Cr10MoWVNbN、ZG1Cr10Mo1NiWVN bN、ZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbN、GX12CrMoWV NbN等，這類(lèi)鋼往往在鍛件的基礎(chǔ)上提高合金的Si、Mn含量，以提高合金的沖擊韌性、焊接性能及鑄造性能。根據(jù)該類(lèi)鋼優(yōu)良的綜合性能，東汽在常規(guī)600℃/600℃機(jī)組及600℃/620℃二次再熱機(jī)組均采用改良型12%Cr鋼ZG1Cr10Mo1NiWVNbN 與CB2作為高溫內(nèi)缸、閥殼用材（如表4所示）。

表4　超超臨界660 MW機(jī)組高溫內(nèi)缸及閥殼材料

2.3 高溫隔板

在現(xiàn)役的600℃以上超超臨界機(jī)組中隔板用材分鍛件和鑄件兩種，鍛件主要有1Cr9Mo1VNbN、2Cr11MoVNbN、1Cr13和12Cr10Co3W2MoNiVNbN等，鑄件主要有CB2和ZG1Cr10Mo1NiWVNbN等。東汽在常規(guī)600℃/600℃機(jī)組及600℃/620℃二次再熱機(jī)組均采用改良型12%Cr鋼12Cr10Co3W2MoNiVNbN、ZG1Cr10Mo1NiWVNbN 或CB2作為高溫隔板用材（如表5所示）。

表5　超超臨界660 MW機(jī)組高溫隔板材料

2.4 高溫葉片

在汽輪機(jī)從450℃以下的高溫高壓汽輪機(jī)發(fā)展到600℃超超臨界機(jī)組的過(guò)程中，高溫葉片材料也從簡(jiǎn)單的12%Cr鋼發(fā)展到12Cr-Mo、12Cr-Mo-W-V鋼，再到改良12Cr-W-Mo-V-Nb-N鋼、再到12Cr-W-Mo-Co-V-Nb-N-B新12%Cr鋼，形成了馬氏體耐熱鋼完善的固溶強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)界面強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、MX析出相彌散強(qiáng)化多種機(jī)制復(fù)合強(qiáng)化理論[6-7]，也形成了眾多應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的系列鐵素體耐熱鋼牌號(hào)。其中，目前被各國(guó)廣泛用于制造超超臨界汽輪機(jī)高溫葉片的1Cr11MoNiW1VN?bN、1Cr10NiMoW2VNbN、12Cr10Co3W2MoNiVN?bNB、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB等材料均屬于12%Cr鋼。該類(lèi)鋼葉片與9%～12%Cr高中壓轉(zhuǎn)子材料有著良好的熱脹性能匹配，并且成本低廉。因此，國(guó)內(nèi)外廠家均無(wú)一例外地選用9%～12%Cr鋼作為620℃二次再熱機(jī)組的高溫葉片用材。東汽在常規(guī)600℃/600℃機(jī)組及600℃/620℃二次再熱機(jī)組均采用12Cr10Co3W2MoNiVN?bNB或1Cr11Co3W3NiMoVNbNB作為高溫靜葉片和動(dòng)葉片材料（如表6所示），這2種鋼在620℃/100 000 h的持久應(yīng)力值大于100 MPa（如圖4所示），且這2種鋼的Creq含量均在11以上，具有優(yōu)良的抗蒸氣氧化腐蝕能力，是620℃二次再熱機(jī)組高溫葉片的理想用材。

圖4　高溫葉片材料的L-M曲線(xiàn)

表6　超超臨界660 MW機(jī)組高溫葉片用材

2.5 主蒸汽/再熱蒸汽管道

表7　超超臨界660 MW機(jī)組主蒸汽/再熱蒸汽管道用材

圖5　主蒸汽管及再熱蒸汽管主要用材的許用應(yīng)力

隨著汽輪機(jī)參數(shù)的提高，作為連接鍋爐與汽輪機(jī)的主蒸汽及再熱蒸汽管道面臨著最為嚴(yán)苛的運(yùn)行考驗(yàn)。但這些部件不需要考慮煙氣腐蝕，其蒸汽溫度即為金屬溫度，因此要求材料具有優(yōu)良的高溫蠕變強(qiáng)度、熱疲勞性能和抗蒸汽氧化能力等。目前，作為超超臨界機(jī)組的高溫蒸汽管道主要用材有P91、P92、P122、E911 4種材料，其中P91、 P92、P122和E911在600℃，100 000 h的持久強(qiáng)度分別為94 MPa、115 MPa、110 MPa和118 MPa，均能滿(mǎn)足600℃超超臨界的設(shè)計(jì)要求[9]。而在東汽的620℃二次再熱機(jī)組中，主要選取了P92作為主蒸汽管道及再熱蒸汽管道用材（如表7所示）。因P92是在P91的基礎(chǔ)上用1.8%W取代Mo元素而開(kāi)發(fā)得到，具有更好的固溶強(qiáng)化作用，因此其許用應(yīng)力值在600℃較P91高30%（如圖5所示），在相同的使用條件下能有效降低管道的壁厚，使機(jī)組啟停更加靈活且能降低電廠的建設(shè)投入。

3 結(jié)論

“綠色動(dòng)力”是發(fā)電行業(yè)發(fā)展的一致目標(biāo)，也是相應(yīng)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措。目前，面對(duì)能源結(jié)構(gòu)中煤電占主體的現(xiàn)象，踐行綠色動(dòng)力的實(shí)質(zhì)是提高燃煤發(fā)電的能源利用效率，降低溫室氣體、SO2和NOX等有害氣體的排放量。而其中最有效途徑就是提高燃煤發(fā)電參數(shù)。故而，在目前600℃超超臨界機(jī)組的基礎(chǔ)上，利用二次再熱技術(shù)提高能源轉(zhuǎn)化效率是一條可行之路，并且在世界范圍內(nèi)有很好的發(fā)展前景。

東汽600℃／600℃常規(guī)機(jī)組和600℃／620℃再熱機(jī)組用材相近，并且這些高溫材料在常規(guī)機(jī)組中有著長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，東汽掌握了大量的材料性能數(shù)據(jù)。因此東汽的超超臨界二次再熱技術(shù)具有安全可靠及良好的技術(shù)繼承性，獲得了業(yè)主的一致認(rèn)可。

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Materials Used for High-temperature Components of 600℃/620℃Ultra-supercritical Double-reheat Unit

Wei Xianping，F(xiàn)an Hua，Yang Ming，Chen Mengmeng，Yang Gongxian，Gong Xiufang
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Abstract:The technology of double-reheat ultra-supercritical power plants in which the reheating steam temperature arrives 620℃has been mastered by Dongfang Turbine Co.,Ltd.for the first domestic enterprise for improving the transformation efficiency of coalfired power generation and responding the development strategy of energy conservation and environment protection.After operation of double-reheat ultra-supercritical power plant,the material selection of main high-temperature components are introduced in this pa?per.

Key words:double-reheat,ultra-supercritical,high-temperature components

作者簡(jiǎn)介：魏先平（1984-），男，工程師，工學(xué)博士，主要從事能源透平高溫材料研究與開(kāi)發(fā)工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.010

中圖分類(lèi)號(hào)：TG14

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9987（2016）01-0050-05