基于超超臨界鍋爐發(fā)展綜述分析

王 琨

（國電華北電力有限公司霍州發(fā)電廠，山西 臨汾 031413）

我國是主要運(yùn)用煤炭能源的國家，在電力生產(chǎn)中燃煤占據(jù)著主要的地位，在今后很長的一段時(shí)間內(nèi)，這種情況都不會改變，在能源資源緊缺的形式下，使用高效的、環(huán)保節(jié)能的、可靠性高的、大容量的發(fā)電技術(shù)，已經(jīng)成為目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展迫切的需求了，超臨界和超超臨界發(fā)電技術(shù)是在國際上較為成熟的一種燃燒技術(shù)。

1 超超臨界技術(shù)

在發(fā)展高參數(shù)機(jī)組的時(shí)候，超臨界機(jī)組并不是比超超臨界機(jī)組先開發(fā)的，它們是一起開發(fā)的，超臨界機(jī)組在發(fā)展的時(shí)候，也并不是按照順序從22.2MPa，538/538℃發(fā)展的，蒸汽參數(shù)也是從高-低-高的過程發(fā)展過來的。為了使機(jī)組的效率得到提升，減少能源的浪費(fèi)，降低有害氣體排放量，愛護(hù)環(huán)境，在經(jīng)歷了二戰(zhàn)以后，超臨界與超超臨界機(jī)組逐漸出現(xiàn)在人們的視線中[1]。

最早使用超臨界發(fā)電技術(shù)的國家是美國，在20世紀(jì)50年代初的時(shí)候，就對超臨界以及超超臨界技術(shù)開始進(jìn)行研究。在超超臨界機(jī)組中有兩臺是最具有代表性的：一個(gè)是GE和BW建造的PHILO電廠6號超超臨界機(jī)組，其容量是125MW，參數(shù)是31MPa/610/565/538℃，在1957年的時(shí)候開始運(yùn)行；另外一個(gè)就是WH和CE建造的EDDYSTONE電廠1號超超臨界機(jī)組，其容量有325MW，參數(shù)是34.5MPa/650/565/565℃，在1959年開始運(yùn)行。然而，因?yàn)槌R界機(jī)組技術(shù)需要使用較高的蒸汽參數(shù)，這對于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展來說，在材料方面還存在不足，所以在運(yùn)行的過程中，出現(xiàn)了許多問題。在抗高溫氧化、熱強(qiáng)性以及腐蝕性這三方面來說，鐵素體鋼比奧氏體鋼要差得多，但奧氏體鋼也存在著許多問題，例如熱導(dǎo)性不好、應(yīng)力腐蝕開裂敏感、晶間腐蝕、異種鋼焊接以及膨脹系數(shù)過大等。因?yàn)樵陂_發(fā)超臨界和超超臨界技術(shù)的時(shí)候，對奧氏體鋼過分的依賴，所以上面這些問題對技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生了阻礙，以至于技術(shù)上不得不回退至24.1MPa～26.5MPa，超臨界的參數(shù)變成538℃～543℃/538℃～566℃，并且在這個(gè)階段停留了20多年。

在這個(gè)時(shí)期，人們對新型的鐵素體鋼進(jìn)行改進(jìn)和研發(fā)，對奧氏體鋼的耐熱性進(jìn)行提升。日本、美國以及許多歐洲國家對于能承受鍋爐熱度的新鋼種紛紛進(jìn)行研究。經(jīng)過長時(shí)間的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)了一些新型的鐵素體和奧氏體，在國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)證下，其具有優(yōu)良的抗腐蝕、抗高溫氧化以及熱強(qiáng)性，并且在焊接工藝方面也是非常好的，目前，在超臨界、超超臨界機(jī)組厚壁中應(yīng)用的越來越多，大多數(shù)的高溫部件也使用了這種新材料。譬如在美國橡樹嶺的實(shí)驗(yàn)室，他們在Valloure公司以及燃燒工程公司的幫助下，研發(fā)制作出T91鋼；在這之后，又出現(xiàn)了E911鋼，是歐洲的COST組織研發(fā)的；日本經(jīng)過不懈的努力，在奧氏體鋼18Cr-8Ni以及鐵素體鋼2.25Cr、9Cr、12Cr的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了新的耐熱鋼 ：NF616（T92/P92）、HCM2S（T23/P23）、HCM12A（T122/P122）等，其綜合性能更加優(yōu)良。

2 國內(nèi)超超臨界鍋爐制造廠家

2.1 東方鍋爐

東方鍋爐是與巴布科克—日立（BNK）進(jìn)行合作的，共同對產(chǎn)品的技術(shù)以及制造技術(shù)等各方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，各部分工作都有序的開展。BHK公司在技術(shù)和業(yè)績上面都是世界一流的，他們致力于超臨界本生直流鍋爐研發(fā)，在上個(gè)世界60年代的時(shí)候，就開始對超臨界直流爐進(jìn)行研究，在發(fā)展鍋爐大容量高參數(shù)上，BHK公司在煤粉燃燒技術(shù)、脫硝技術(shù)、煙氣脫硫技術(shù)上面，十分重視這些技術(shù)的開發(fā)，對新型耐熱鋼種的研發(fā)和使用加大了投入。目前，東方鍋爐銷售出的亞臨界壓力本生爐在500MW及以下大約有13臺，超臨界壓力本生型直流鍋爐在600MW及以上的大概有21臺，從90年代開始，13臺容量在600MV及以上的超臨界壓力鍋爐全部的都是按照低污排放、變壓運(yùn)行帶中間負(fù)荷調(diào)峰的本生直流爐，在這之中有12臺燃煤爐。BHK所制造的超臨界本生直流爐特點(diǎn)是：可靠性高、制作工藝精良、使用率高、具有優(yōu)良的性能、環(huán)保的措施好、高參數(shù)高效率、極大的降低了成本。

東方鍋爐是一家技術(shù)實(shí)力雄厚與完善的制造商，其在美國取得了ASME的授權(quán)證書，擁有鋼印三枚S、U、U2，是經(jīng)過國家核安全局批準(zhǔn)以及認(rèn)證的民用核承壓設(shè)備制造商，具有三類容器設(shè)計(jì)制造許可證以及A級鍋爐生產(chǎn)許可證，GB/T19001-IS09001的質(zhì)量體系對其進(jìn)行認(rèn)證并給予通過。東方鍋爐在生產(chǎn)裝備上面已經(jīng)引入了用來生產(chǎn)超臨界本生型直流鍋爐的專業(yè)設(shè)施設(shè)備，具備了生產(chǎn)、研發(fā)600MW單機(jī)容量鍋爐的實(shí)力[2]。

2.2 哈爾濱鍋爐廠

三菱重工株式社會（MHI）是哈爾濱鍋爐廠的技術(shù)支持方，在著名的重型機(jī)器以及發(fā)電設(shè)備制造方面，MHI是名列全球的，對于超臨界以及超超臨界的研發(fā)也是排在世界前列的。目前來說，超臨界和超超臨界鍋爐容量大于500MW的，已經(jīng)有高達(dá)60臺的設(shè)備在投運(yùn)中，其中有21臺的超臨界鍋爐在變壓運(yùn)行方面使用的是螺旋管圈水冷壁技術(shù)，12臺變壓超超臨界和超臨界鍋爐使用的是新型垂直管圈水冷壁技術(shù)。在超超臨界鍋爐上面使用變壓運(yùn)行和內(nèi)螺紋管垂直管圈技術(shù)，就代表著超超臨界鍋爐已經(jīng)具有當(dāng)前最新的水平。在2003年的時(shí)候，MHI在生產(chǎn)超臨界和超超臨界鍋爐上已經(jīng)有68臺了，在這之中有59臺容量超過500MW的鍋爐，7臺1000MW的超臨界和超超臨界鍋爐；在運(yùn)行方式上面來說，定壓運(yùn)行的是32臺，變壓運(yùn)行的是36臺；從蒸汽參數(shù)的角度看，9臺超超臨界鍋爐，參數(shù)為31MPa，566℃/566℃/566℃二次再熱的有2臺，剩下的都是一次再熱，24.1MPa～24.5MPa的蒸汽壓力，溫度為566℃/593℃，593℃/593℃到600℃/600℃。

MHI在目前來說，是生產(chǎn)最多超臨界和超超臨界鍋爐的廠商，也是火力發(fā)電設(shè)備最大的制造商。哈爾濱鍋爐廠是我們國家大型的用來研發(fā)電站鍋爐的基地，需要對新產(chǎn)品的研發(fā)工作提升重視程度，國內(nèi)的研究所以及高等院校與哈爾濱鍋爐廠共同合作，對開發(fā)超臨界鍋爐的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并且收獲了多項(xiàng)研究成果[3]。

3 超超臨界鍋爐材料的選用

3.1 厚壁管道、聯(lián)箱用鋼

在高溫的情況下鐵素體緩慢出現(xiàn)變形的強(qiáng)度比較高，一般情況下，在制造鍋爐的時(shí)候，會選擇在聯(lián)箱、厚壁管道上使用這種材料，其厚度可以減薄，使成本降低。蒸汽管道在挑選材料性能的時(shí)候與聯(lián)箱相近，但是聯(lián)箱在使用的時(shí)候各個(gè)部位的溫度是不均勻的，連接的焊接口也是比較多的，所以在進(jìn)行鋼材選擇的時(shí)候，需要對其耐熱性以及焊接性進(jìn)行考慮。在蒸汽管道和聯(lián)箱選擇材料的時(shí)候，傳統(tǒng)的辦法是使用低合金鋼P(yáng)22、P12，但是在鍋爐長期的運(yùn)轉(zhuǎn)中會產(chǎn)生疲勞裂縫，其熱疲勞性比較差，而且在機(jī)組參數(shù)不斷提高的時(shí)候，損壞的會越來越嚴(yán)重。在德國、荷蘭、比利時(shí)等國家的熱電廠中曾經(jīng)使用了HT91，這種材料相比P22來說，擁有更好的熱疲勞性以及抗蠕變性，但是在實(shí)際的使用過程中發(fā)現(xiàn)，如果溫度高于550℃，那么其抗蠕變性就會很明顯的下降，而且材料中的含碳量比較高，對其進(jìn)行焊接的時(shí)候，和焊接后熱處理都是比較困難的，所以美國、日本、英國幾乎不會使用這種材料。日本在最近二十多年來新研發(fā)出HCM12M鋼體，美國也研制出P91鋼材，在抗蠕變方面具有較高的性能，受到人們的青睞。改良的9Cr合金P91鋼，尤其受到美國電力公司的喜愛，Chubu將其應(yīng)用于Kawagoe電廠1號機(jī)組的蒸汽管道與聯(lián)箱，1983年的時(shí)候，ASME對三種用途不同的鋼體（T91、P91、F91）進(jìn)行認(rèn)證，并且很快普及全球。

如果鍋爐溫度超過600°，那么其厚壁部件在選擇材料的時(shí)候需要使用P92和P122這種新材料，因?yàn)镻91的鋼體在運(yùn)行的時(shí)候，蒸汽參數(shù)要在593℃/25MPa，德國在鋼材選擇上面抗儒性強(qiáng)度比美國與日本大約低10%。HCM12A（P122）與NF616（P92）這兩種日本研制的合金鋼在性能方面都很優(yōu)異，ASME已經(jīng)對其進(jìn)行認(rèn)可，可以在超臨界機(jī)組的高溫管道以及聯(lián)箱上面使用這兩種材料。同時(shí)，E911這種由歐洲研發(fā)的鋼材，在應(yīng)用前景上面也是很好的，在600℃的蒸汽高溫下比P91的蠕變強(qiáng)度高出了25%，可以在蒸汽參數(shù)620℃/34MPa下運(yùn)行。

在進(jìn)行新型鐵素體鋼的選擇時(shí)，需要對以下幾個(gè)因素進(jìn)行考慮：①新型鐵素體鋼（E911、NF616）在性能方面來說，其抗氧化是沒有奧氏體合金鋼強(qiáng)的，所以在對高溫區(qū)用鋼前必須要進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)查；②在焊接完鋼體后，盡量減少熱處理的區(qū)域以及費(fèi)用[4]；③在面對不同種類的鋼材進(jìn)行焊接的時(shí)候，需要對溫度的因素進(jìn)行考慮，因?yàn)楹附拥牟课粫a(chǎn)生蠕變，其斷裂的強(qiáng)度也是重點(diǎn)考慮因素；其次，在選擇使用新型鋼種的時(shí)候，還要對成本和安裝、焊接的費(fèi)用進(jìn)行評估，選取最合適的最節(jié)省的鋼材。

3.2 過熱器、再熱器管用鋼

從材料的抗蠕變性能上來看，在超臨界鍋爐上鐵素體管材的選取應(yīng)該和管道集箱是相似的。在溫度538℃下可以使用T22管材；在溫度563℃以下，可以應(yīng)用T91、HT91、HCM12以及XCM9M管材；溫度593℃下，可以使用E911、P122和T92。

過熱器和再過熱器在火電機(jī)組鍋爐中是非常重要的部件，其在運(yùn)行中承受著最為惡劣的工作環(huán)境，是過熱器和再過熱氣所使用的管子材料，要求必須具有高強(qiáng)度的抗蠕變性，在溫度和壓力下可運(yùn)行的范圍內(nèi)，其需要對安全裕度進(jìn)行充分的保留，煙氣側(cè)與蒸汽側(cè)對管子會產(chǎn)生腐蝕和氧化，會出現(xiàn)固體顆粒脫落額情況，影響機(jī)組的運(yùn)行，使設(shè)備的使用壽命被縮短，所以在選材的時(shí)候還需要對這兩方面進(jìn)行考慮。所以，在選擇過熱器和再過熱器其的材料時(shí)，要對其出口的高溫區(qū)域進(jìn)行考慮，因?yàn)檎羝麥囟认啾扔阼F素體鋼的溫度來說，其管子壁的溫度是大于限制溫度的，選材的時(shí)候要使用奧氏體鋼[5]。

在蒸汽溫度達(dá)到565℃的時(shí)候，選取過熱器和再過熱器的材料可以選擇AISI304、HCM12M、T91，如果出現(xiàn)腐蝕的情況，那么可以選擇較為經(jīng)濟(jì)的不銹鋼材料（滲鉻347型、HR3C），如果只是輕微的腐蝕，那么可以選擇抗腐蝕性以及蠕變強(qiáng)度都很好的HR3C合金，如果是很嚴(yán)重的腐蝕，那么推薦采取保護(hù)層IN72（44%Cr-balNi）；在蒸汽溫度已經(jīng)高于620℃的時(shí)候，在沒有任何腐蝕的情況下可以使用TempaloyAA1、Esshete1250、17CuMo～14CuMo以及Super304H，如果是輕微的腐蝕，可以采用抗腐蝕能力較好，蠕變程度又可以滿足需求的20%Cr～25%Cr合金，比如說NF709、CR30A，如果是嚴(yán)重的腐蝕，那么也是一樣需要使用保護(hù)層IN72（44%Cr-balNi）；如果想要達(dá)到超臨界650℃的需求，只有蠕變強(qiáng)度高的NF709、Esshete1250、17CuMo～14CuMo、Inconel617才能滿足需求，在這之中抗腐蝕性比較弱的是Esshete1250和17CuMo～14CuMo，可以將Inconel617合金作為腐蝕環(huán)境中的保護(hù)層提升材料抗腐蝕能力，在輕微的腐蝕環(huán)境中，可以直接使用CR30A與NF709，嚴(yán)重腐蝕的情況下同樣需要使用IN72。

3.3 冷水壁用材的選擇

超臨界鍋爐在使用的時(shí)候，因?yàn)樘嵘私橘|(zhì)的溫度，T11、T12的低合金鐵素體和T23鋼體在使用的時(shí)候不需要進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊后也不用熱處理，所以更加符合實(shí)際使用的需求，T23鋼在抗蠕性方面與T91是相似的，在不對蒸汽氧化和煙氣腐蝕進(jìn)行規(guī)劃的時(shí)候，他們可以承受的溫度在600℃左右。歐洲的COTS組織在水冷壁管道用材中指出T91是適用的，但是有一個(gè)問題是焊后的熱處理比較困難。所以超超臨界鍋爐在選擇水冷壁管的材料時(shí)，T23是最合適的。

4 結(jié)束語

在發(fā)展超超臨界鍋爐的道路上，我們國家采取的方式是引進(jìn)新技術(shù)、學(xué)習(xí)新的知識、研發(fā)新技術(shù)、創(chuàng)新鍋爐技術(shù)。將國外成熟的鋼材引入國內(nèi)進(jìn)行研究，逐漸的實(shí)現(xiàn)鋼材國產(chǎn)化。在國家的大力付扶持下，我們國家的大型鍋爐制造工廠，如東方鍋爐廠、哈爾濱鍋爐廠等都在進(jìn)行“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”的研究，對T23、T24、T/P92、HCM12A等適用于超超臨界鍋爐的鋼材進(jìn)行研究和試驗(yàn)，推動我國超超臨界技術(shù)的發(fā)展。