超超臨界二次再熱鍋爐關鍵技術(shù)研究進展

胡相余 許仁發(fā) 孟 濤 邢小林 張 杰 張 濤

(1.安徽平圩發(fā)電有限責任公司，232089 安徽淮南；2.上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司，200240 上海)

0 引 言

由于環(huán)境污染和能源消耗問題日益加劇，我國近年來對煤炭能源的使用逐漸減少，對風、水、生物質(zhì)等可再生能源的利用規(guī)模逐漸加大。在電力生產(chǎn)方面，截至2020年底，全國煤電裝機占比由2015年的62%降至49%，發(fā)電量占比由2015年的71%下降至61%[1]，基本實現(xiàn)了“十三五”規(guī)劃的煤電控制目標，并且“十四五”將進一步降低煤電占比。然而，目前煤炭作為我國主要消費能源的地位仍未改變[2-3]，火力發(fā)電依舊占據(jù)著我國電力生產(chǎn)的主導地位[4]。因此，控制電力行業(yè)煤炭消費總量對完成“碳中和”和“碳達峰”目標意義重大，而煤炭高效清潔利用對碳減排目標的實現(xiàn)亦有顯著影響，這就促使燃煤發(fā)電技術(shù)必須朝著清潔和高效的方向發(fā)展[5]。近年來，風電和光電等新能源大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，因其具有明顯的波動性和間歇性，燃煤發(fā)電機組不得不參與深度調(diào)峰[6]，面臨著巨大的調(diào)峰壓力挑戰(zhàn)[7]。

二次再熱技術(shù)作為現(xiàn)今燃煤發(fā)電技術(shù)研究的主流方向，其調(diào)峰能力對消納新能源電力具有重要作用[8-9]。而與超臨界技術(shù)相比，超超臨界技術(shù)[10]應用于燃煤發(fā)電更有利于機組熱效率的提升[11]。超超臨界二次再熱技術(shù)作為目前國際范圍內(nèi)首選的燃煤發(fā)電技術(shù)，其發(fā)展對節(jié)能減排目標的實現(xiàn)至關重要。使用超超臨界二次再熱技術(shù)的機組不僅煤耗量明顯減少[12]，運行的經(jīng)濟性和環(huán)保性也得到顯著提升[13]。為充分發(fā)揮超超臨界二次再熱技術(shù)各方面優(yōu)勢，國內(nèi)外開展了眾多卓有成效的研究工作，而超超臨界二次再熱鍋爐技術(shù)作為二次再熱技術(shù)的關鍵核心技術(shù)之一，其發(fā)展對超超臨界二次再熱技術(shù)有重要影響。因此，本研究針對超超臨界二次再熱技術(shù)的發(fā)展近況，特別是二次再熱鍋爐技術(shù)的研究進展進行了總結(jié)，分析了當前鍋爐關鍵技術(shù)的研究難點和發(fā)展趨勢，為攻克超超臨界二次再熱鍋爐技術(shù)難點提供了一定的理論參考，為超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展重點提出了一些建議。

1 超超臨界二次再熱技術(shù)簡介

超超臨界二次再熱技術(shù)即在超超臨界再熱基礎上，鍋爐增加一級再熱系統(tǒng)，汽輪機增加超高壓缸。二次再熱技術(shù)的基本動力循環(huán)仍為朗肯循環(huán)[2]，不同的是該朗肯循環(huán)擁有兩次中間再熱過程。在原有一次再熱的基礎上，出口蒸汽被再次送入鍋爐中進行加熱，整個做功過程的平均吸熱溫度得到提升[2，11]，因此二次再熱機組與一次再熱機組相比循環(huán)熱效率更高[14]。超超臨界二次再熱技術(shù)無論在技術(shù)先進性上，還是經(jīng)濟及環(huán)保效益上都優(yōu)于常規(guī)一次再熱機組[15]，已成為目前實現(xiàn)燃煤高效利用及清潔減排的主要手段之一。圖1所示為二次再熱系統(tǒng)的循環(huán)系統(tǒng)[16]。

圖1 二次再熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of double reheat system

2 超超臨界二次再熱技術(shù)在燃煤發(fā)電領域發(fā)展歷程

國外二次再熱機組的研究和建設工作可追溯到二十世紀中葉，先是德國許爾斯化工廠在1956年建成了世界上首臺二次再熱機組[17]，緊接著美國、日本、丹麥等國也都成功建造了二次再熱機組，而在二次再熱機組的初期研發(fā)階段，由于研發(fā)者過多關注提高機組初壓，以致建造的機組在很多方面都出現(xiàn)了問題。最常出現(xiàn)的問題有機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復雜、運行維護困難、可用率不高等，加上出于安全考慮使機組蒸汽溫度和蒸汽壓力等運行參數(shù)降低及高溫金屬材料限制等因素綜合影響，自20世紀70年代以后很長一段時期，二次再熱機組的研發(fā)都處在停滯不前的狀態(tài)[18]。因此，在這幾十年里除去早期美國投運的機組外，只有日本川越電廠投運的兩臺700 MW鍋爐和丹麥Nordjylland電廠投運的兩臺415 MW鍋爐采用了超超臨界二次再熱技術(shù)[19-20]。

國內(nèi)開展二次再熱機組的研究起步較晚，二十一世紀初期我國才開始重視二次再熱機組的研發(fā)。我國在“十五”期間將二次再熱超超臨界發(fā)電技術(shù)列為重點研發(fā)項目[15]。由于國外對于高溫材料研發(fā)技術(shù)的封鎖，國內(nèi)開始對滿足620 ℃等級要求的高溫材料進行自主研發(fā)，在相關技術(shù)逐漸成熟后，國內(nèi)開始研發(fā)620 ℃等級二次再熱機組。國內(nèi)鍋爐廠主要是上海、東方和哈爾濱鍋爐廠的設計團隊完成了一系列綜合分析及論證，并在蒸汽參數(shù)上達成了初步共識。在2015年，我國投產(chǎn)了首臺二次再熱發(fā)電機組(華能安源電廠一號機組)，緊接著，國電泰州和華能萊蕪1 000 MW超超臨界二次再熱機組于下半年順利投產(chǎn)。中國成為了世界上首批將二次再熱技術(shù)應用于百萬千瓦機組的國家。我國燃煤發(fā)電技術(shù)經(jīng)歷了亞臨界、超臨界、超超臨界、高效超超臨界及超超臨界二次再熱幾個發(fā)展階段[21-22]，幾十年的技術(shù)發(fā)展和大量機組投運的經(jīng)驗積累使我國二次再熱機組技術(shù)逐步趨于成熟[23]，在機組熱效率方面已處于世界領先地位。表1所示為全世界主要二次再熱機組的應用情況及相關參數(shù)[5，17，24]。

3 超超臨界二次再熱鍋爐關鍵技術(shù)

二次再熱技術(shù)基本涵蓋了系統(tǒng)設計優(yōu)化、鍋爐、汽輪機、運行控制等方面的技術(shù)[17]。其中，二次再熱鍋爐與常規(guī)一次再熱鍋爐在很多方面有明顯區(qū)別，研究二次再熱鍋爐技術(shù)對二次再熱技術(shù)及燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重要作用。目前，二次再熱鍋爐關鍵技術(shù)研究主要集中于以下幾個方面。

3.1 再熱汽溫調(diào)節(jié)技術(shù)

穩(wěn)定的蒸汽溫度是發(fā)電機組正常運行的基本要求[25-26]?？煽康钠麥卣{(diào)節(jié)系統(tǒng)對二次再熱鍋爐合理利用爐內(nèi)煙氣側(cè)的傳熱溫差，確保主蒸汽和再熱蒸汽系統(tǒng)達到額定吸熱量起關鍵作用[18]。二次再熱鍋爐在原有一級再熱鍋爐的基礎上又增加了一級再熱器，鍋爐內(nèi)部的受熱面構(gòu)造變得更加復雜[5，27]，主蒸汽與再熱蒸汽間吸熱比例發(fā)生變化，熱量的分配也需重新調(diào)整[22]。此外，控制對象的強耦合性[28]、非線性[29]、大遲滯[30-31]、時變、不確定特性愈加明顯，控制汽溫變得更加困難[32-33]。超超臨界二次再熱機組汽溫控制難度體現(xiàn)在以下方面：

表1 國內(nèi)外二次再熱機組應用概況Table 1 Application survey of domestic and foreign double reheat unit

1) 因其主汽溫和再熱汽溫之間具有強耦合性[34-35]，管道金屬材料及汽溫控制裕度減?。?/p>

2) 其蓄熱系數(shù)比一般超臨界機組的蓄熱系數(shù)大，導致機組對于內(nèi)在擾動的響應有強烈滯后性；

3) 其動態(tài)特性受負荷變化影響，當機組運行參數(shù)處于超超臨界范圍時可能會出現(xiàn)明顯的非線性和變參數(shù)特性；

4) 二次再熱汽溫控制系統(tǒng)對管道的整體布置有較高要求；

5) 一、二次再熱汽溫偏差易被煙氣流速和煙氣流量分配影響[36]。

鍋爐內(nèi)部蒸汽溫度控制難度加大對汽溫調(diào)節(jié)技術(shù)提出了更加嚴格的要求。同時，合理選取再熱汽溫調(diào)節(jié)方式也關乎整個機組的經(jīng)濟性和安全性[15]。

3.1.1 汽溫調(diào)節(jié)原理

目前，國內(nèi)外關于再熱汽溫調(diào)節(jié)方法的研究主要圍繞燃燒器上下擺動角度、再循環(huán)煙氣量及煙氣擋板開度三個方向進行[26，37]，這三種方法都是通過在煙氣側(cè)采取相應措施改變流經(jīng)受熱面的煙氣流量來進行汽溫調(diào)節(jié)。

燃燒器擺動技術(shù)主要是通過切換上下層燃燒器使爐膛火焰中心位置發(fā)生改變，進而主熱蒸汽和再熱蒸汽之間的熱量分配發(fā)生變化，爐膛的出口煙溫發(fā)生改變，再熱汽溫得到調(diào)節(jié)。具體來說，當燃燒器向上擺動即爐膛火焰中心上移，出口煙溫升高，爐膛內(nèi)部總輻射換熱量減少[38]。同理，燃燒器向下擺動會使爐膛火焰中心位置下移，爐膛出口煙溫降低，爐膛內(nèi)部總輻射換熱量增加。燃燒器垂直擺角加大雖有利于主熱蒸汽和再熱蒸汽溫度提升，但同時會對汽溫偏差產(chǎn)生影響。因此，實際應用過程中需要合理設計燃燒器垂直擺角，對其最大值進行一定限制[39]。利用擺動燃燒器進行汽溫調(diào)節(jié)不會增加額外功耗，但爐內(nèi)煤粉的燃盡空間會受到一定影響，且當機組低負荷運行時，鍋爐出口的NOx排放會增加。同時，采用燃燒器擺動調(diào)溫時需注意對燃燒器的運行維護，避免燃燒器的擺動出現(xiàn)問題。

煙氣擋板技術(shù)是通過改變擋板開度大小來控制不同煙道煙氣流經(jīng)的份額，改變主熱蒸汽和再熱蒸汽之間的熱量分配來完成對汽溫的調(diào)節(jié)。煙氣擋板法具有結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、可調(diào)范圍大等特點。但擋板的開度區(qū)間具有局限性，開度過小容易導致積灰和受熱面磨損，且當機組低負荷運行時，一次再熱器側(cè)擋板開度過大或過小都會導致某一側(cè)省煤器汽化[40]。因此，一般煙氣擋板開度取0%到40%之間。國內(nèi)已有將三煙道擋板技術(shù)應用于高效超超臨界二次再熱燃煤機組的例子[41]。三煙道擋板結(jié)構(gòu)如圖2[40]所示，三煙道擋板調(diào)溫技術(shù)利用一種調(diào)節(jié)手段實現(xiàn)了對一次和二次再熱汽溫的同時調(diào)節(jié)，具有經(jīng)濟性好、安全可靠性高、汽溫調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點。

煙氣再循環(huán)技術(shù)是將爐膛尾部的部分煙氣抽送回爐膛內(nèi)部進行汽溫調(diào)節(jié)[42]。首先，低溫煙氣進入爐膛首先降低了爐膛平均溫度水平，使水冷壁的輻射吸熱量減少[43]；其次，煙氣流速因煙氣流量增多而加快，煙氣的對流換熱得到加強；最后，輻射和對流換熱量發(fā)生改變[25]，兩者受熱面吸熱占比因此變化，汽溫得到調(diào)節(jié)。一方面，煙氣再循環(huán)調(diào)節(jié)汽溫能夠有效控制爐膛溫度，抑制NOx生成；另一方面，煙氣再循環(huán)對再循環(huán)煙氣量控制和燃煤品質(zhì)等方面要求較高，再循環(huán)風機的使用也會額外增加用電成本和維護成本。

3.1.2 汽溫調(diào)節(jié)技術(shù)研究現(xiàn)狀

國外再熱汽溫調(diào)節(jié)的手段多種多樣，如丹麥Nordjylland電廠的3號鍋爐采用冷煙氣再循環(huán)，日本川越電廠采用煙氣再循環(huán)與煙氣擋板。表2[22]所示為我國已投產(chǎn)超超臨界二次再熱鍋爐的基本情況。綜合國內(nèi)外二次再熱機組的投運現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)單一的調(diào)節(jié)手段已經(jīng)不能滿足其再熱汽溫調(diào)節(jié)的實際需求[44]，需要將燃燒器擺動、煙氣再循環(huán)、尾部調(diào)溫擋板和事故減溫水等多種方式進行綜合應用[22，45]，而煙氣再循環(huán)技術(shù)已成為再熱汽溫主要調(diào)節(jié)方法之一。

針對不同調(diào)溫方式對鍋爐汽溫的影響，許多學者進行了大量研究工作。其中，龍志云等[46]研究了煙氣再循環(huán)對不同機組再熱汽溫的影響，發(fā)現(xiàn)增加煙氣再循環(huán)比例會使再熱器汽溫升高。楊新民等[8]和FAN et al[2]分別研究了3種調(diào)溫方式對再熱汽溫的影響，并提出了相關改進方案。崔凱峰等[47]針對某1 000 MW二次再熱機組再熱汽溫控制策略(如磨組運行、吹灰方式、風門開度及煤種摻燒配燒等手段)的優(yōu)化調(diào)整進行了研究。雷志偉[48]研究了煙氣擋板、煙氣再循環(huán)及其聯(lián)合作用對再熱汽溫的影響，并通過QPSO-MGPC算法對調(diào)溫過程進行優(yōu)化，結(jié)果表明，優(yōu)化后的再熱汽溫控制策略，在很大程度上彌補了常規(guī)PID和手動調(diào)節(jié)方式的滯后性和超調(diào)量大等不足，提高了再熱汽溫的控制水平。許威等[35]對寬負荷下不同調(diào)溫方式對主熱汽溫和再熱汽溫的影響進行了研究，結(jié)果表明，主蒸汽溫度對煙氣再循環(huán)率的變化較為敏感，再熱汽溫對煙氣擋板開度變化較為敏感，而燃燒器擺角調(diào)整對主汽溫和再熱汽溫的影響均不明顯。嚴侃等[49]研究了燃燒器擺動結(jié)合煙氣擋板控制策略對再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的影響。SUN et al[50]進行了多目標優(yōu)化、簡單性、效率和穩(wěn)定性研究，以實現(xiàn)先進過熱器蒸汽溫度控制。PARK et al[51]對分離燃盡風和封閉緊湊燃盡風的噴射角度進行優(yōu)化，使試驗鍋爐的主蒸汽溫度偏差由27 ℃降至9 ℃，再熱蒸汽溫度提高到了預期值。

圖2 三煙道擋板結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of three flue baffle

表2 國內(nèi)三大鍋爐廠已投產(chǎn)超超臨界二次再熱鍋爐基本情況Table 2 Basic informations of ultra-supercritical double reheat boilers put into operation by three major domestic boiler plants

關于煙氣再循環(huán)調(diào)溫的研究也有很多。范慶偉等[52]介紹了煙氣再循環(huán)調(diào)節(jié)汽溫的實施性和優(yōu)劣之處。ZHANG et al[53]研究了煙氣再循環(huán)對再熱汽溫的影響，并以一臺600 MW單臺機組為例進行了計算。郭馨等[54]采用模擬方法分析得到某660 MW二次再熱機組的最佳煙氣再循環(huán)率。龐力平等[55]對増加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的某超超臨界二次再熱機組進行了熱力性能模擬分析，結(jié)果表明，在50%THA工況及以下負荷投入煙氣再循環(huán)系統(tǒng)后，可在過熱汽溫基本穩(wěn)定的條件下，實現(xiàn)對一、二次再熱汽溫度的提升。張一帆等[56]研究了不同煙氣再循環(huán)方案對水動力和壁溫分布產(chǎn)生的影響。TU et al[57]對煙氣再循環(huán)同時提高熱效率和抑制NOx生成的可行性進行了研究，結(jié)果表明與傳統(tǒng)的燃盡風配置相比，并聯(lián)和交錯燃燒器配置都能夠通過建立強烈的內(nèi)部煙氣再循環(huán)來減少NOx，特別是平行燃盡風布置顯示出在提高熱效率的同時降低NOx的更大潛力。李永生等[58]研究了不同負荷下改變再循環(huán)煙氣量時爐內(nèi)物理場和NOx排放的變化情況，結(jié)果顯示，在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量負荷下，煙氣再循環(huán)率在0%～15%之間增加時，屏底煙溫降低，O2和NO的體積分數(shù)均下降，而CO的體積分數(shù)增加。AHN et al[59]研究了使用煙氣再循環(huán)后一氧化氮的產(chǎn)生原理。

綜合現(xiàn)有的相關研究來看，國內(nèi)外對再熱蒸汽調(diào)溫方面的研究多數(shù)針對調(diào)控方式優(yōu)化、控制策略創(chuàng)新及經(jīng)濟性分析等，且研究常用數(shù)值模擬與熱力計算相結(jié)合的方法。在已有的研究中，研究重點基本為單一調(diào)控手段對汽溫特性相關影響，缺少對控制策略綜合影響的研究分析。除此之外，這些研究的重點多放在煙氣再循環(huán)調(diào)溫方面，應加強對燃燒器擺動和煙道擋板等調(diào)溫技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整研究。關于煙氣再循環(huán)方面的研究大多集中在煙氣再循環(huán)對再熱汽溫特性和熱經(jīng)濟性的影響方面，對鍋爐水動力和壁溫分布影響的研究不夠深入，缺乏寬負荷下煙氣再循環(huán)對汽溫特性的影響研究。同時，在進行煙氣再循環(huán)相關方案調(diào)整優(yōu)化時應對再循環(huán)風機的磨損情況進行具體考慮。

3.2 壁溫偏差控制技術(shù)

超超臨界二次再熱機組與常規(guī)機組相比，主再熱蒸汽的壓力和溫度都得到了提高。過熱蒸汽壓力和再熱蒸汽溫度增加會導致過熱器和再熱器的壁面變厚、壁溫升高，而壁溫偏差過大將嚴重影響蒸汽溫度達標。由于超超臨界高溫材料的限制，偏差還會對二次再熱機組的實際運行產(chǎn)生較大影響。因此，能有效控制受熱面壁溫偏差對于目前更高參數(shù)二次再熱鍋爐的研發(fā)和運行至關重要[21，45]。

國內(nèi)外對壁溫偏差控制策略開展了一些研究，莫春鴻等[37]在630 ℃二次再熱鍋爐的壁溫控制基礎上，采用前后墻對沖燃燒的∏型布置方案并采用最新型外濃內(nèi)淡雙調(diào)風旋流煤粉燃燒器系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式下，其最上層燃盡風可以水平擺動，使燃料沿爐膛寬度方向均勻輸入、燃燒，有利于合理分配受熱面間的焓增，有效控制壁溫偏差。吳克鋒等[18]認為需重點考慮從設計階段減少偏差，且要嚴格控制管間偏差和屏間偏差，同時在運行過程中調(diào)節(jié)煙氣偏差，才能保證汽溫達標。WU et al[21]通過實驗得到結(jié)論，鍋爐運行時應特別注意各受熱面管內(nèi)工質(zhì)流速不均引起的管壁溫升，尤其是工質(zhì)溫度高于大比熱區(qū)內(nèi)工質(zhì)溫度的地方。韓磊[15]發(fā)現(xiàn)切圓燃燒會引起爐內(nèi)空氣動力場不均，在爐膛出口處多會存在煙氣殘余旋轉(zhuǎn)(如圖3所示)，因此造成水平煙道兩側(cè)煙溫和速度的偏差[60]。CHEN et al[29]提出了一種改進的再熱蒸汽控制邏輯，該邏輯考慮了調(diào)峰瞬態(tài)過程中蒸汽溫度的偏差，結(jié)果表明，改進后的控制邏輯蒸汽溫度波動得到緩解，超調(diào)大幅降低。PANG et al[61]開發(fā)了一套超超臨界鍋爐受熱面溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，其包括屏式過熱器爐墻、高溫過熱器爐墻和高溫再熱器爐墻三個溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)將為超超臨界鍋爐的運行經(jīng)濟性、安全性提供有效保障?？偟膩砜?，目前關于高溫級受熱面壁溫偏差的控制主要通過在煙氣側(cè)和蒸汽側(cè)兩方面采取措施來實現(xiàn)。

圖3 切圓燃燒煙氣殘余旋轉(zhuǎn)Fig.3 Residual rotation of flue gas from tangential firingV0—Velocity of flue gas in direction of suction of induced draft fan; V1, V2—Tangential velocity of residual rotating flue gas in the horizontal direction, both in opposite directions

在煙溫偏差控制方面，國內(nèi)各鍋爐廠的方法均有所差別。上海鍋爐有限公司的塔式爐采用四角切圓燃燒方式，其燃燒器上部設置有兩層分離燃盡風，并將爐膛出口到燃燒器的距離進行了適度加長，由此達到減弱煙氣殘余旋轉(zhuǎn)和消除煙氣偏差的目的。哈爾濱鍋爐有限責任公司設計上采用八角雙切圓燃燒方式，設置了水平擺動反切燃盡風以削弱煙氣殘余旋轉(zhuǎn)[62]。東方鍋爐股份有限公司的百萬千瓦二次再熱鍋爐采用對沖燃燒方式，同時增設燃燒器以確保爐膛熱量分布均勻。在汽溫偏差控制方面，三大鍋爐廠的策略基本相同，主要的控制措施有過熱器采用多級布置、減少同屏間管數(shù)、高溫過熱器及再熱器管組采用跳管方式、增設壁溫測點、兩側(cè)單獨布置減溫器、集箱采用端進端出或小口徑管連接等。總體來說，要對壁溫偏差進行有效控制需要從設計和運行兩個階段進行考慮。在設計階段，選擇合理的爐膛燃燒方式、燃燒器結(jié)構(gòu)，以保證爐膛溫度場和速度場均勻；合理分配受熱面的焓增，控制受熱面溫升；合理選擇集箱規(guī)格及連接方式以有效減少屛間偏差；合理設計和布置管屏結(jié)構(gòu)。在運行階段，進行實時壁溫監(jiān)測以及實時進行調(diào)控。

3.3 高溫材料研發(fā)

材料性能對超超臨界二次再熱鍋爐安全運行至關重要。當前，國內(nèi)外700 ℃等級燃煤發(fā)電機組的研發(fā)主要受到材料的限制[63]，例如，目前鎳基合金材料的生產(chǎn)能力仍無法滿足大容量鍋爐部件尤其是大管道和集裝箱的設計需求，且材料成本偏高。超超臨界二次再熱機組高溫受熱面的出口壓力及溫度均有所提高，增加了高溫材料的使用難度[64]。而可供選擇的高溫材料種類有限[65]，需自主研發(fā)適合更高溫度等級二次再熱鍋爐的高溫受熱面材料。同時已有新材料的使用會帶來焊接、熱處理等工藝方面的難題[66]。超超臨界機組的過熱器和再熱器管道工作環(huán)境惡劣，外部的煤燃燒環(huán)境易造成管道的磨損和高溫腐蝕等，而內(nèi)部流通介質(zhì)對管道內(nèi)壁有比較劇烈的沖刷和氧化等[67-68]。因而，超超臨界機組受熱面材料需具有出色的抗煙氣腐蝕和蒸汽氧化性能。

當前超超臨界二次再熱機組的過熱器及再熱器高溫段管道材料大多選擇12Cr1MoV，10CrMo910和T/P91等。但隨著機組溫度設計等級提高，這些材料已無法滿足機組在高溫持久強度、抗氧化、耐腐蝕等方面的性能要求。因而，在無新材料選擇的情況下，只能通過對管道進行加厚以彌補材料的性能不足。采用這種方式同時也增加了管道的制造安裝難度，提高了成本[69]。Super304H[64]和HR3C是近幾年廣泛使用的奧氏體受熱面管材，前者由于其抗氧化性較差導致氧化皮產(chǎn)生量較多，而氧化皮脫落會造成嚴重的堵管和爆管問題，后者因其高溫持久強度低，經(jīng)過高溫長期時效會發(fā)生惡劣的脆化現(xiàn)象[70]。鋼鐵研究總院在P92鋼的基礎上研發(fā)了G115鋼[71]，其力學性能和抗氧化性都優(yōu)于P92鋼。劉正東等[72]發(fā)現(xiàn)細化晶粒尺寸在短期內(nèi)會促進G115鋼的蒸汽氧化，但長期會提高其抗蒸汽氧化性能。

目前，國內(nèi)外已相繼研制出綜合性能更強的受熱面新材料，如瑞典SANDVIK公司研發(fā)的Sanicro25[73]、太原鋼鐵集團研發(fā)的C-HRA-5[74]、北京科技大學與相關公司共同研制的SP2215[75]。其中Sanicro25是歐洲針對700 ℃等級機組所研制，比650 ℃等級用鋼的高溫持久強度更大[76]。而C-HRA-5則是國內(nèi)對標國外Sanicro25材料所研制。相關學者針對這幾種新材料的性能優(yōu)劣進行了研究，HUCZKOWSKI et al[77]對Sanicro25抗氧化腐蝕性能進行了實驗分析，并與Super304H和TP347HFG兩種材料進行了對比，Sanicro 25在含氧燃氣中的氧化速率低于Super304H和TP347HFG兩種鋼。HECZKO et al[78]研究了Sanicro25的抗腐蝕性能及腐蝕速率低的原因，Sanicro25鋼中Cr大約占23%，在服役初期其表面能快速形成一層具有較強抗氧化能力的Cr2O3層，故其具有較好的抗腐蝕能力。MA et al[79]研究了Super304H，TP347H和HR3C三種鋼在運行時間為17 973 h的超超臨界燃煤鍋爐中的高溫腐蝕特性。方旭東等[74]對C-HRA-5和HR3C的抗高溫蒸汽氧化性能進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)C-HRA-5的抗氧化性略優(yōu)于HR3C。吳明華等[80]發(fā)現(xiàn)相比耐熱鋼HR3C和SP2215在650 ℃及700 ℃下的高溫持久強度顯著優(yōu)于HR3C，高溫抗蒸汽氧化腐蝕和焊接性能方面與之相當。相關比較結(jié)果如表3[74，81-82](其中測試溫度為700 ℃，測試時間為105h)和表4[81](其中測試溫度為700 ℃，測試時間為103h)所示，這些研究證明了Sanicro25，C-HRA-5，SP2215這幾種新材料的抗腐蝕及抗氧化性能都優(yōu)于HR3C，Super304H和TP347H等傳統(tǒng)材料，且在不同高溫實驗條件下，與Sanicro25相比，國產(chǎn)C-HRA-5持久強度都更高。

表3 幾種耐熱鋼高溫持久強度比較Table 3 Comparison of high-temperature endurance strength of several heat-resistant steels

表4 Sanicro25與相關鋼種抗蒸汽氧化性比較Table 4 Comparison of steam oxidation resistance of Sanicro25 and relevant steels

目前，我國雖具有研發(fā)更高參數(shù)超超臨界發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟和技術(shù)能力，但要成功研發(fā)700 ℃超超臨界機組仍面臨許多難題，因此先完成650 ℃等級機組的研發(fā)更加可行[83]。對650 ℃/700 ℃更高設計等級超超臨界機組的鍋爐而言，一方面需要研制高溫受熱面鎳基合金材料，完成對關鍵高溫部件的制造技術(shù)和生產(chǎn)能力的掌握，另一方面還需對焊接材料和工藝及高溫材料進行精確的檢驗。在大唐鄆城630 ℃二次再熱示范項目中，其高溫受熱面選用Sanicro25，高溫端集箱管道選用國內(nèi)自主研發(fā)的G115。這些新材料在該項目上的成功使用為650 ℃等級超超臨界二次再熱技術(shù)奠定了堅實的基礎[37]。目前，哈爾濱鍋廠基本完成了650 ℃等級超超臨界鍋爐相關材料技術(shù)的大量基礎研究工作，實現(xiàn)了對T23，T91，HR6W，Sanicro25和C-HRA-5等材料的母材性能研究，完成了新材料的焊接工藝實驗并掌握了相關制造工藝。

4 結(jié)束語

1) 國內(nèi)幾大鍋爐廠百萬千瓦二次鍋爐在高溫受熱面材料選擇、汽溫控制方式上不同于一次再熱鍋爐，并且都具有各自特點。

2) 掌握再熱汽溫控制技術(shù)是發(fā)展二次再熱技術(shù)的關鍵，而最理想的調(diào)溫方式應既有充分的調(diào)溫范圍和裕度且能盡量不采用噴水減溫。國內(nèi)外關于再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)手段各不相同，但都是將多種調(diào)溫手段進行綜合應用。國內(nèi)汽溫調(diào)節(jié)研究重點主要為燃燒器擺角、煙氣擋板和煙氣再循環(huán)等技術(shù)。當新建大容量二次再熱機組在低負荷情況下運行時，進行汽溫匹配時要兼顧經(jīng)濟性和安全性。

3) 二次再熱鍋爐理想的選用材料不僅應具備高持久強度、良好的抗氧化和耐腐蝕性能，還需有出色的加工工藝和焊接等性能，選用材料應能滿足電站鍋爐大規(guī)模使用的經(jīng)濟性要求[84]。鍋爐高溫受熱面的出口管接頭和出口集箱、管道材料是目前限制更高等級機組發(fā)展的重要因素。

4) 超超臨界二次再熱技術(shù)應用于燃煤發(fā)電能夠節(jié)約煤炭資源和減少碳排放，一定程度上提高了機組的經(jīng)濟性，而發(fā)展二次再熱技術(shù)也將為700 ℃超超臨界機組的建設打好技術(shù)基礎。未來發(fā)電機組也將進一步朝著大容量、高參數(shù)的方向探索。綜合考慮國內(nèi)燃煤發(fā)電發(fā)展形勢和二次再熱技術(shù)的基本特征，二次再熱機組需同時應對節(jié)能減排要求和新能源發(fā)電帶來的調(diào)峰問題。除了堅持發(fā)展機組效率和經(jīng)濟性，提升操作靈活性也是一大技術(shù)需求。同時應加快650 ℃二次再熱機組示范工程的建設和700 ℃高溫金屬材料的研發(fā)，650 ℃～700 ℃超超臨界發(fā)電技術(shù)若能被普遍使用將對我國經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護有更多的益處。