發展能源裝備工程材料促進我國高效發電及核發電發展

發展能源裝備工程材料促進我國高效發電及核發電發展

能源裝備工程材料是新材料產業發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、超超臨界機組及核發電大型機組用材幾乎都由國外進口。面對未來我國電力發展的需求,發展能源裝備工程材料刻不容緩。我國發電裝機容量將由目前的5億kW發展到2020年的近10億kW,火電機組在未來10～20年內仍將占據主導地位。我國火力發電單位煤耗和水耗均遠高于發達國家。為了提高發電效率,減少污染,高參數、大容量超(超)臨界機組將成為我國未來火電機組發展的主流。在發電機組向大容量、高參數發展以及未來電源形式多樣化并存的趨勢下,提高一次能源轉化效率,降低燃煤發電的環境影響,確保電源設備的高效安全運行,將是我國電力行業長期面臨的重大課題。在《新能源產業振興規劃》出臺后,我國核電的中長期發展規劃會做進一步調整,在原計劃到2020年達到4 000萬kW的裝機容量基礎上再擴容3 000萬kW,達到7 000萬kW。已初步確定的廠址近30個,遍布15個省、市及自治區,可容納近110臺機組。能源作為我國戰略新興產業,其裝備工程材料的發展必然要走在前面。

1 超超臨界燃煤電廠的現狀

火力發電行業目前面臨兩方面的壓力,首先是市場競爭加劇需降低成本,另外是球環境問題要求電廠降低SOX,NOX,CO2的排放,達到環保要求。發展潔凈煤發電技術是解決這些問題的關鍵,其一是開發利用新的高效發電技術,如整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電、增壓流化床燃燒技術(PFBC)等;其二是在常規的發電系統基礎上,提高機組的蒸汽參數,即機組的超臨界(SC)和超超臨界化(USC)。到目前為止超臨界機組在國際上已經相當普及。丹麥ELSAM公司對IGCC,PFBC和USC發電技術都有試驗項目,其研究結果表明,在目前以及將來一段時間內,超超臨界機組的技術繼承性和可行性最高,同時USC發電具有最高的效率和最低的建設成本。

20世紀五六十年代只投運了幾臺超超臨界機組。從90年代初到目前為止,全世界已經新建超超臨界機組超過60臺,且參數在不斷提高。2006年8月18日,我國首臺100萬kW超超臨界機組鍋爐——華能玉環電廠一號鍋爐首次點火成功,11月28日,正式投入商業運行。2006年12月4日華電國際鄒縣發電廠單機容量100萬kW的燃煤發電廠正式投產。2007年8月1日,我國60萬kW超超臨界燃煤發電機組在華能營口電廠二期啟動。

從各國的發展來看,自20世紀90年代初開始發展超超臨界機組,到90年代末由于加大了在冶金材料領域的科研投入,鐵素體、奧氏體、超級不銹鋼、ODS(氧化物彌散強化)、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,促進和保證了超超臨界機組的發展,并降低了超超臨界機組的造價。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610℃。

2 新材料在超超臨界發電中的作用

超超臨界機組與超臨界機組相比由于蒸汽溫度和壓力參數更高對電站關鍵部件材料提出了更高的要求,尤其是在材料的熱強度、抗高溫腐蝕和氧化能力及冷熱加工性能等方面。因此,材料及其制造技術已成為發展先進發電機組的技術核心。雖然發展超超臨界機組在設計和制造中存在許多關鍵技術問題有待解決,但是開發熱強度高、抗高溫煙氣氧化腐蝕和高溫汽水介質腐蝕、可焊性和工藝性能良好、價格低廉的材料是最關鍵的問題。發電機組用鋼主要有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性,但膨脹系數大,導熱性能差,抗應力腐蝕能力低,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。

國際上已經在運營的超超臨界機組溫度參數大多在566～620℃,壓力為25,27和30～31MPa三個級別。其對鋼材的要求:①主蒸汽管道、過熱器、再熱器管、聯箱和水冷壁材料具有與蒸汽參數相適應的高溫持久強度;②機組材料耐高溫煙氣腐蝕;③過熱器、再熱器、聯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機組在啟停、變負荷和煤質波動時會引起熱應力,要求主蒸汽管道、聯箱、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轉子、葉片以及其它旋轉部件承受巨大的離心力,因此對耐熱鋼的熱強性能提出了更高要求;⑥緊固件需要有更高的拉伸屈服強度和蠕變松弛強度,以及在蒸汽環境下的抗應力腐蝕能力和足夠的塑韌性以避免蠕變裂紋形成;⑦對再熱蒸汽溫度高于593℃的低壓轉子還必須考慮材料在該溫度范圍內的回火脆性。

3 我國超臨界機組材料的基礎及發展建議

由于煤電仍將在很長時間內占我國發電的主導地位,因此超超臨界火電技術在我國有著非常廣闊的發展前景。然而近幾十年來,我國電站新材料開發幾乎處于完全停滯狀態,超臨界和超超臨界機組甚至包括部分亞臨界機組的關鍵材料或部件幾乎完全依賴進口。我國近幾年開始超超臨界機組的相關技術研究,并有數臺機組開始投入建設。

國外發達國家對于先進發電技術所需的材料均有相應的研究戰略,對電站材料的蠕變、疲勞等長時性能研究也有長期規劃,并建立了數據共享平臺,積累了大量的材料性能數據。如在歐洲蠕變合作委員會(ECCC)和日本材料所的數據共享平臺,多數常用材料的持久強度試驗時間超過了10萬h,最長的數據達到了20～30年。這些數據對于機組的合理設計和安全可靠運行提供了堅實的材料技術支持。而我國還沒有相應的機構,各單位的數據共享性差,數據質量和數量也都沒有保證,甚至電站常用材料的長期數據也嚴重缺乏,給機組部件的壽命評估帶來很大困難。

由于電站用耐熱材料與影響國計民生的能源和環境兩大問題密切相關,有必要建立相應的研究和開發戰略,通過參與國際研發項目,掌握新型耐熱鋼的特性,建立電站材料性能數據庫及共享機制,并與國際數據庫平臺合作,形成完整的材料技術支撐體系,促進我國超超臨界等先進火力發電技術的發展。

陸 辛 研究員,博士生導師,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”、國務院重大裝備、中德政府間合作、國家重大攻關課題的國際合作及歐盟第五框架等項目;獲得國家科技進步二等獎;發表論文30多篇。