700℃火電超超臨界機(jī)組及閥門發(fā)展概況

(1.東華能源(寧波)新材料有限公司，浙江 寧波 315812；2.蘇州紐威閥門股份有限公司，江蘇 蘇州 215129)

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，一次能源結(jié)構(gòu)中煤炭占據(jù)主導(dǎo)地位，在煤炭消耗中火電用煤是使用大戶。近年來，火電用煤占據(jù)了國內(nèi)原煤消費(fèi)的50%以上，煤炭燃燒所產(chǎn)生的污染也是我國大氣污染的主要特征之一[1]，因此，提高燃煤發(fā)電機(jī)組的熱效率，增加煤電轉(zhuǎn)化率和減少煤炭消耗量是今后燃煤電廠的一個(gè)發(fā)展趨勢[2]?，F(xiàn)階段的燃煤發(fā)電技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了600℃超超臨界等級，未來如何進(jìn)一步大幅提高機(jī)組效率，最有效的途徑還是提高主蒸汽機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)；根據(jù)歐盟相關(guān)研究和調(diào)研，若將機(jī)組的蒸汽參數(shù)提高至700℃時(shí)，其發(fā)電效率可提高至50%左右，所需的煤炭消耗量和CO2排放量可以降低24%，能大幅降低煤炭燃燒所帶來的各種環(huán)境污染的影響[3]。

1 火電高溫材料的技術(shù)要求

在燃煤發(fā)電機(jī)組的發(fā)展過程中，高溫材料一直是機(jī)組類型改進(jìn)提升的基礎(chǔ)，高溫材料的性能決定了機(jī)組的煤炭轉(zhuǎn)換效率。在高溫蒸汽工況中，高溫零部件需要有較高的高溫強(qiáng)度和抗氧化腐蝕性能，另外，在高溫應(yīng)力的持續(xù)作用下，材料需要具有較好的高溫持久強(qiáng)度。因此，火力發(fā)電廠及化工設(shè)備等高溫承壓件和結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，一般參照10萬h持久蠕變強(qiáng)度大于100MPa的標(biāo)準(zhǔn)[4]；除需具備以上要求，高溫部件一般采用焊接方式連接，所以，耐高溫材料必須具有較好的焊接性能。因此，對于700℃等級的超超臨界火電機(jī)組，其材料需要具備的性能可以概括為以下幾個(gè)方面[5]：①在高溫700～750℃/105h條件下，即材料的高溫持久強(qiáng)度大于100MPa；②耐高溫腐蝕性能為金屬截面損失小于1mm/105h；③金屬材料在高溫下必須具有穩(wěn)定的組織；④對于主蒸汽管道，其管內(nèi)壁必須具有良好的抗蒸汽氧化性能；⑤金屬材料必須具有較好的冷熱加工工藝性能；⑥所采用的金屬必須具有良好的焊接性能；⑦對于過熱器或鍋爐集熱管，管外壁需要具有抗煙氣腐蝕及抗飛灰沖蝕性能；⑧在經(jīng)濟(jì)方面，此種材料必須具有較低的成本，才有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2 各國針對700℃超超臨界的計(jì)劃

為了緩解煤炭燃燒對環(huán)境的污染，各個(gè)國家針對700℃等級超超臨界技術(shù)在機(jī)組系統(tǒng)和高溫材料方面的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，目前全球開展的700℃等級超超臨界項(xiàng)目主要有四個(gè)，分別為歐洲的AD700，美國和日本的A-USC計(jì)劃，我國作為以煤炭為主的能源大國，在2011年也開展了700℃超超臨界項(xiàng)目的研究[6]。

2.1 歐盟AD700計(jì)劃

由于歐盟各成員國擁有大量運(yùn)行超過40年的亞臨界機(jī)組，加之歐盟各成員國批準(zhǔn)了京都議定書，所以發(fā)展700℃等級技術(shù)是歐盟節(jié)能減排戰(zhàn)略的需要。歐盟關(guān)于700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)的研究始于1998年，計(jì)劃在2021年完成一臺700℃/35MPa的機(jī)組的建設(shè)并運(yùn)行至2026年，2026年之前完成整個(gè)AD700項(xiàng)目。目前，針對高溫材料的研究已于2011年結(jié)束，2011年至2017年主要是在德國COMTES+宿主機(jī)組上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 歐盟的AD700計(jì)劃中主要的高溫材料有Inconel 617/617B、Inconel740H、Nimonic263、Sanicro25等，其主要高溫部件的候選材料見表1。

表1 AD700電站各個(gè)部件所使用或候選的材料

在完成了相關(guān)材料的研究基礎(chǔ)之后， 歐盟于2011年在COMTES 700項(xiàng)目中對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了驗(yàn)證，其閥門的工作溫度接近主蒸汽的工況參數(shù)，主要驗(yàn)證閥門閥體和內(nèi)件在高溫下的應(yīng)力、變形等性能；該試驗(yàn)裝置的示意見圖1，23MPa/410℃的蒸汽在經(jīng)過蒸發(fā)器和過熱器后，將蒸汽加熱到21MPa/705℃，試驗(yàn)裝置的蒸汽流量為12kg/s，實(shí)際出口的蒸汽溫度和壓力分別為702℃和21.2MPa，在蒸汽輪機(jī)的旁路有一個(gè)旁路閥，該旁路閥也是該項(xiàng)目驗(yàn)證的一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目。

圖1 歐盟COMTES 700測試裝置示意注：質(zhì)量流量：12kg/s(43.2t/h)

汽輪機(jī)主調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和材料選型見圖2，該項(xiàng)目的資金由歐洲汽輪機(jī)協(xié)會(huì)和西門子、阿爾斯通等共同資助；閥門的鑄件由英國Goodwin PLC下屬的Goodwin鑄造廠生產(chǎn)。

圖2 蒸汽輪機(jī)進(jìn)口調(diào)節(jié)閥

在測試汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的同時(shí)，在汽輪機(jī)的旁路上還進(jìn)行了高壓旁路閥的測試，閥體的材料采用A617B鍛件，其旁路閥的參數(shù)為705℃/21MPa，蒸汽流量與上述主蒸汽調(diào)節(jié)閥一致，測試時(shí)間從2005至2009年，共計(jì)22 400 h。在試驗(yàn)結(jié)束后，研究人員對閥門進(jìn)行了拆解，發(fā)現(xiàn)旁路閥的閥體內(nèi)部出現(xiàn)了不同程度的裂紋(見圖3)，分析其原因，主要是由于閥體內(nèi)部和外部的熱應(yīng)力過大所致。

圖3 COMTES裝置上旁路閥閥體裂紋

在COMTES+項(xiàng)目試驗(yàn)中，為了進(jìn)一步測試閥門冷熱交變循環(huán)的壽命，歐洲VGB協(xié)會(huì)重新制造了新的高壓旁路閥，并在COMTES+項(xiàng)目試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，此次蒸汽輪機(jī)高壓旁路閥由德國HORA公司制造，其外形見圖4，該閥門閥體采用A617B鍛件材料，為了避免上次試驗(yàn)過程中閥體裂紋的產(chǎn)生，采用流開式的設(shè)計(jì)方法對閥體進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對于中腔焊縫采用新的工藝進(jìn)行焊后熱處理。為了模擬冷熱交變環(huán)境，在旁路閥入口增加了一個(gè)注水調(diào)節(jié)閥，向旁路閥入口管道內(nèi)注入冷卻水，將蒸汽的參數(shù)降低至307℃/2MPa，模擬機(jī)組啟停的工況。最終測試結(jié)果顯示，旁路閥的性能滿足最初試驗(yàn)的要求。

圖4 用于COMTES+700℃的高壓旁路閥

2.2 美國USC項(xiàng)目

美國能源局在2001年提出了開發(fā)35MPa/760℃的先進(jìn)超超臨界燃煤機(jī)組，其目標(biāo)是凈發(fā)電效率達(dá)到 46%以上，對應(yīng)的污染排放物降低25%，該項(xiàng)目主要由美國鍋爐制造商、汽輪機(jī)制造商和國家實(shí)驗(yàn)室共同主導(dǎo)開發(fā)和研究，主要可以分為鍋爐材料的研發(fā)和汽輪機(jī)材料研發(fā)，目前在鍋爐方面已取得重大研究成果，候選材料的實(shí)驗(yàn)室測試和大型鍋爐測試已完成。汽輪機(jī)材料的開發(fā)從2005年開始，第一階段已經(jīng)于2009年結(jié)束，其主要任務(wù)是研究汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、氣缸和閥門材料的焊接性能和機(jī)械性能[7]。

目前，美國的高溫段管材主要集中在Inconel 740/740H和Haynes282兩種材料，汽輪機(jī)材料也篩選了5種材料進(jìn)行研究，包括Nimonic 105、Haynes282、Udimet 720Li、Inconel 740/740H和Waspaloy等；美國A-USC項(xiàng)目的候選材料見表2。

表2 美國A-USC對應(yīng)的材料選型

續(xù)表

美國的760℃先進(jìn)超超臨界項(xiàng)目中，閥門采用Haynes 282鎳基合金材料。該合金由Haynes公司于2005年開發(fā)完成以作為一種時(shí)效強(qiáng)化型鍛造鎳基高溫合金，其使用溫度在649～927℃之間，該材料在750℃、10萬h持久蠕變強(qiáng)度高于150MPa；該種合金兼?zhèn)淞肆己玫娜渥儚?qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的可加工性、焊接性能，Haynes 282合金因良好的綜合性能成為USC機(jī)組重要組成選型材料之一[8]。

目前，美國正在建造ComTest 1400試驗(yàn)平臺，預(yù)計(jì)在2020年前完成零部件的實(shí)爐驗(yàn)證，以評估設(shè)備的建造成本和零部件的供應(yīng)鏈。由于美國國內(nèi)在役的燃煤電站超過600℃的比較少，再加近年來美國頁巖氣革命對美國燃煤發(fā)電的沖擊，導(dǎo)致美國在700℃等級的先進(jìn)超超臨界機(jī)組研究經(jīng)費(fèi)不斷削減，部分的試驗(yàn)研究計(jì)劃也在不斷地延期和推遲。

2.3 日本A-USC項(xiàng)目

日本是一個(gè)化石資源貧乏的島國，每年會(huì)從世界各地進(jìn)口大量化石原料作為儲(chǔ)備能源，另外，日本的人口密度較高，單位面積產(chǎn)生的污染物排放量相對較高，為了更加高效地利用化石原料，日本于2000年啟動(dòng)700℃等級超超臨界機(jī)組研究，其研究計(jì)劃可以分為多個(gè)部分，分別為鍋爐、閥門和汽輪機(jī)的研發(fā)。該計(jì)劃在2021年之前建成試驗(yàn)機(jī)組，以評估各種材料和設(shè)備的可行性。日本的主要目標(biāo)是在現(xiàn)有超超臨界機(jī)組上，采用一次再熱USC+A-USC方案，將蒸汽的溫度提高至700℃，使其機(jī)組的發(fā)電效率達(dá)到48%左右，凈效率達(dá)到46%左右。

日本在2012年之后針對A-USC項(xiàng)目開發(fā)了新的材料，分別是FENIX700，USC141和USC800MOD材料。FENIX700材料是一種低鎳鐵合金材料，其在700℃、10萬h的持久蠕變強(qiáng)度超過100MPa，由于鎳的含量較低，所以它的價(jià)格也較低，大概是鎳基合金價(jià)格的1/3，采用該種材料制成的一個(gè)12.5t重的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子已經(jīng)完成；USC141材料開發(fā)用于小口徑管道、蒸汽輪機(jī)葉片和螺栓等部件，該材料具有較低的膨脹系數(shù)，且700℃、10萬h的高溫持久蠕變強(qiáng)度>180MPa；USC800MOD材料是由日立公司開發(fā)的一種鎳基合金，其使用溫度可以達(dá)到800℃，10萬h、800℃高溫持久蠕變強(qiáng)度大于100MPa。機(jī)組不同部件的候選材料見表3。

表3 日本A-USC項(xiàng)目所對應(yīng)的材料選型

2.4 中國A-USC項(xiàng)目

由于我國是以煤為主導(dǎo)能源的國家，因此我國已成為世界上600℃電站發(fā)展最快、數(shù)量最多、取得成果最為顯著的國家，截至2018年，中國已經(jīng)建成了43臺600℃超超臨界機(jī)組；國家能源局在2011年啟動(dòng)了700℃超超臨界燃煤發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用示范項(xiàng)目，對鍋爐等關(guān)鍵設(shè)備的驗(yàn)證平臺所使用的材料及其制造工藝可靠性進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)平臺已于2015年完成并開始點(diǎn)火啟動(dòng)，截至目前已運(yùn)行3萬h，計(jì)劃運(yùn)行4萬h，目前試驗(yàn)平臺運(yùn)行良好[9]，其試驗(yàn)平臺示意見圖5。

我國700℃超超臨界機(jī)組各部件的候選材料見表4，其中主要的研究材料有Alloy 617B、Inconel 740H和國產(chǎn)C-HRA-1、C-HRA-3、GH2984G材料。

圖5 中國700℃試驗(yàn)平臺裝置示意

表4 中國700℃超超臨界機(jī)組各部件的候選材料

其中，高溫管道所用閥門的候選材料有兩種，一種為國產(chǎn)C-HRA-1鎳基材料，該材料是在263鎳基合金的基礎(chǔ)上開發(fā)而來，相比263鎳基材料具有更好的抗腐蝕性[10]；另一種是歐洲使用的Alloy 617B材料，該材料已經(jīng)過歐洲AD700項(xiàng)目的驗(yàn)證。我國700℃試驗(yàn)平臺所用的閥門絕大部分由IMI瑞典工廠加工，其原料為寶鋼提供的鎳基C-HRA-1材料，閥門從2015年至今運(yùn)行良好。

3 結(jié)語

700℃等級超超臨界燃煤機(jī)組是今后燃煤發(fā)電的重要方向之一，發(fā)展該燃煤組可更加高效地利用化石燃料，進(jìn)一步降低煤炭所產(chǎn)生的污染，對保護(hù)環(huán)境具有積極的作用。但是從目前各國的研究情況來看，700℃等級的先進(jìn)超超臨界機(jī)組普遍以采用鎳基合金為主，其合金的性能就決定了機(jī)組的建造成本會(huì)較高。所以，如何降低經(jīng)濟(jì)成本將是以后先進(jìn)超超臨界研究的重點(diǎn)課題之一。