600℃/620℃二次再熱超超臨界機組高溫部件用材

魏先平，范華，楊明，陳猛猛，楊功顯，鞏秀芳（東方汽輪機有限公司長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川德陽，618000)

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600℃/620℃二次再熱超超臨界機組高溫部件用材

魏先平，范華，楊明，陳猛猛，楊功顯，鞏秀芳
（東方汽輪機有限公司長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川德陽，618000)

摘要：為提高燃煤發電轉化效率，響應國家節能環保的發展策略，公司突破并掌握了再熱蒸汽為620℃的超超臨界二次再熱機組設計制造技術，成為掌握該項技術的首家國內企業。針對該二次再熱機組的實際投運，文章介紹了主要高溫部件的選材用材情況。

關鍵詞：二次再熱，超超臨界，高溫部件

0 引言

目前，從我國和世界范圍的一次能源結構看，以煤炭為主體的能源結構在相當長的時間內不會改變[1-2]。因此，提高煤電轉化效率、發展清潔煤發電技術是各國發展燃煤發電技術的一致目標。在過去幾十年里，燃煤發電機組參數從亞臨界、超臨界提升到600℃等級超超臨界參數。但由于耐熱鋼使用溫度制約，參數的進一步發展受到了一定限制。雖然基于高溫鎳基合金研發提出的“700℃等級先進超超臨界(AUSC)燃煤電站研發計劃”在歐、美、日和我國等已立項研究[3-4]，但由于高溫材料尚不成熟，要實現機組運行還有很長的路要走。因此，開發600℃/620℃二次再熱超超臨界燃煤發電技術具有明顯的經濟性能及現實可操作性。

針對經濟、高效環保的開發理念，東方汽輪機有限公司（以下簡稱“東汽”）在重慶萬州項目上完成了國內首座28 MPa/600℃/620℃二次再熱機組的自主設計開發。本文將重點介紹東汽600℃/620℃二次再熱機組和國外投運的600℃/620℃二次再熱機組在關鍵高溫部件的選材用材特點。

1 國內外600℃/620℃超超臨界機組投運情況及材料選擇

國外早在20世紀70～90年代就有超臨界二次再熱機組的投運，如美國的Philo電廠、丹麥的Nordjylland電廠等[5]。在21世紀初國外已有數臺600℃/620℃超超臨界二次再熱機組投入運行，如表1所示。國外超超臨界二次再熱機組的運行業績表明，機組運行可靠、經濟性較好，是可實現規模化商業應用的發電技術。目前，東汽研制的國內首臺600℃/620℃超超臨界二次再熱機組在重慶萬州項目上的投運，標志著我國突破了600℃/620℃超超臨界二次再熱機組制造技術，該機組采用了四缸四排汽機構，其機組縱剖面圖如圖1所示，設計運行參數為28 MPa/600℃/620℃。其與常規超超臨界機組的區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℃機組的熱端部件承溫設計為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組高溫部件用材如表2所示，這類鋼在620℃具有優良的高溫蠕變強度（如圖2所示），能滿足600℃、620℃的運行設計要求。

圖1　重慶萬州二次再熱機組縱剖面圖

表1　國外600℃/620℃超超臨界二次再熱機組參數

表2　600℃/620℃超超臨界二次再熱機組用主要高溫耐熱材料

圖2　改良型12%Cr及新型12%Cr鋼高溫蠕變強度

2 600℃/620℃超超臨界機組高溫部件用材

2.1 轉子用材

600 ℃超超臨界機組轉子用材均采用改進型或新型9%～12%Cr鍛鋼。該類鋼是在CrMoVNbN鋼的基礎上提高W的含量，降低Nb和C的含量，將使用溫度提高到593℃；同時，再在材料中加入了微量的B、N等元素以提高高溫強度，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度，而微量元素W、Mo、V、Nb、N的加入會形成主要組分為VN和Nb（C、N）的彌散MX粒子（20～80 nm），這些粒子在提高材料強度的同時，還能“釘扎”位錯，阻礙位錯運動，提高高溫蠕變斷裂強度[6-7]。目前，主要用于制造超超臨界機組轉子的材料有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組中，超高壓和高中壓轉子主要選擇1Cr10Mo1NiWVNbN和FB2耐熱鋼（如表3所示），其中1Cr10Mo1NiWVNbN是在TMK1轉子鋼的基礎上降低約0.2%的鉬，增加約0.4%的鎢，主要用于制造超超臨界機組高壓、中壓無中心孔轉子；而FB2在625℃10萬小時外推持久強度極限為100 MPa，L-M曲線如圖3所示，能滿足620℃超超臨界二次再熱機組超高壓及高中壓轉子的強度設計要求，是620℃超超臨界機組轉子用材的熱門材料。

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

圖3　FB2和CB2的L-M曲線

表3　超超臨界機組轉子用材

2.2 高溫內缸、閥殼

汽輪機高溫內缸及閥殼的構件尺寸大，且形狀復雜，通常采用鑄造成型。目前國內外超超臨界機組的高溫內缸、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缸和閥殼的材料有ZG12Cr9Mo1Co1NiVNbNB （CB2）、ZG1Cr10MoWVNbN、ZG1Cr10Mo1NiWVN bN、ZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbN、GX12CrMoWV NbN等，這類鋼往往在鍛件的基礎上提高合金的Si、Mn含量，以提高合金的沖擊韌性、焊接性能及鑄造性能。根據該類鋼優良的綜合性能，東汽在常規600℃/600℃機組及600℃/620℃二次再熱機組均采用改良型12%Cr鋼ZG1Cr10Mo1NiWVNbN 與CB2作為高溫內缸、閥殼用材（如表4所示）。

表4　超超臨界660 MW機組高溫內缸及閥殼材料

2.3 高溫隔板

在現役的600℃以上超超臨界機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600℃/600℃機組及600℃/620℃二次再熱機組均采用改良型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機組高溫隔板材料

2.4 高溫葉片

在汽輪機從450℃以下的高溫高壓汽輪機發展到600℃超超臨界機組的過程中，高溫葉片材料也從簡單的12%Cr鋼發展到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化、亞結構界面強化、位錯強化、MX析出相彌散強化多種機制復合強化理論[6-7]，也形成了眾多應用廣泛、技術成熟的系列鐵素體耐熱鋼牌號。其中，目前被各國廣泛用于制造超超臨界汽輪機高溫葉片的1Cr11MoNiW1VN?bN、1Cr10NiMoW2VNbN、12Cr10Co3W2MoNiVN?bNB、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB等材料均屬于12%Cr鋼。該類鋼葉片與9%～12%Cr高中壓轉子材料有著良好的熱脹性能匹配，并且成本低廉。因此，國內外廠家均無一例外地選用9%～12%Cr鋼作為620℃二次再熱機組的高溫葉片用材。東汽在常規600℃/600℃機組及600℃/620℃二次再熱機組均采用12Cr10Co3W2MoNiVN?bNB或1Cr11Co3W3NiMoVNbNB作為高溫靜葉片和動葉片材料（如表6所示），這2種鋼在620℃/100 000 h的持久應力值大于100 MPa（如圖4所示），且這2種鋼的Creq含量均在11以上，具有優良的抗蒸氣氧化腐蝕能力，是620℃二次再熱機組高溫葉片的理想用材。

圖4　高溫葉片材料的L-M曲線

表6　超超臨界660 MW機組高溫葉片用材

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力

隨著汽輪機參數的提高，作為連接鍋爐與汽輪機的主蒸汽及再熱蒸汽管道面臨著最為嚴苛的運行考驗。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良的高溫蠕變強度、熱疲勞性能和抗蒸汽氧化能力等。目前，作為超超臨界機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的持久強度分別為94 MPa、115 MPa、110 MPa和118 MPa，均能滿足600℃超超臨界的設計要求[9]。而在東汽的620℃二次再熱機組中，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的基礎上用1.8%W取代Mo元素而開發得到，具有更好的固溶強化作用，因此其許用應力值在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，使機組啟停更加靈活且能降低電廠的建設投入。

3 結論

“綠色動力”是發電行業發展的一致目標，也是相應國家可持續發展戰略的重要舉措。目前，面對能源結構中煤電占主體的現象，踐行綠色動力的實質是提高燃煤發電的能源利用效率，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電參數。故而，在目前600℃超超臨界機組的基礎上，利用二次再熱技術提高能源轉化效率是一條可行之路，并且在世界范圍內有很好的發展前景。

東汽600℃／600℃常規機組和600℃／620℃再熱機組用材相近，并且這些高溫材料在常規機組中有著長期的運行經驗，東汽掌握了大量的材料性能數據。因此東汽的超超臨界二次再熱技術具有安全可靠及良好的技術繼承性，獲得了業主的一致認可。

參考文獻

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

Wei Xianping，Fan 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

作者簡介：魏先平（1984-），男，工程師，工學博士，主要從事能源透平高溫材料研究與開發工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.010

中圖分類號：TG14

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）01-0050-05