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超临界、超超临界机组用钢发展动态

供稿人:马春  供稿时间:2007-3-29   关键字:超临界  超超临界  钢  
我国进入新世纪以来,电力工业进入历史上的高速发展时期。中国电力企业联合会最新发布的《2006年全国电力工业统计快报》显示,2006年电力建设速度继续加快,新增电源机组容量创历史最高水平,全国发电装机容量达到6.2亿千瓦,同比增长20.3%。其中,水电达到1.3亿千瓦,占总容量20.67%,同比增长9.5%;火电装机占绝大部分,达到4.8亿千瓦,占总容量77.8%,同比增长23.7%。预测数字显示,2020年全国发电装机容量将达到9.5亿千瓦,其中火电装机的比重仍将占到近70%的比重。
 
提高火力发电机组的参数,是提高机组效率、可靠性和节能环保的最重要途径。超临界、超超临界火电机组具有显著的节能和改善环境的效果,超超临界机组与超临界机组相比,热效率要提高1.2%,一年就可节约6000吨优质煤。未来火电建设将主要是发展高效率高参数的超临界(SC)和超超临界(USC)火电机组,它们在发达国家已得到广泛的研究和应用。

一、超临界、超超临界机组发展概况

蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31 MPa被称为超超临界。在1985~1990年,美、苏、日、德、法等国已着手研制开发可实际运行的超超临界机组,并制定了超超临界机组的两步发展计划,其中第一步目标是主蒸汽参数为30 MPa,593/593/593℃;第二步目标是主蒸汽参数为34.5 MPa,649/649/649℃。第二步目标比目前常规的蒸汽参数为24.1MPa,538/566℃的超临界机组(国内机组)净效率提高8.8%。
 
美国是发展超临界发电技术最早的国家。世界第一台超超临界参数机组(125MW,31.03MPa,621/565/538℃)于1957年在美国投运。美国投运的超临界机组占大型火电机组的30%以上,容量以500~800MW为主。美国拥有超临界机组两个世界之最,即最大单机容量1300MW和最高蒸汽参数(费城电力公司EDDY-STONE电厂的#1机组,蒸汽参数为34.5MPa,649/566/566℃)。近年来,美国GE公司还为日本设计制造了蒸汽参数分别为26.6Mpa/577℃/600℃和25Mpa/600℃/610℃的超超临界机组。
 
俄罗斯是发展超临界机组最坚决的国家。1963年,前苏联第一台300MW超临界机组投入运行,机组参数为23.5Mpa/580℃/565℃。现在共有超临界机组200多台,占总装机容量的50%以上,其300MW以上容量机组全部采用超临界参数。目前,俄罗斯研制的新一代大型超超临界机组采用参数为28~30Mpa/580~600℃。前苏联发展超临界技术主要依靠本国力量,以自我开发为主,初期也走过不少弯路,但经过长期试验研究已具有一套比较完整的超临界技术和产品系列,超临界机组成为国内火力发电厂的主力机组。
 
日本采用引进、仿制、创新的技术发展路线。日本的超临界机组占常规火电机组装机容量的60%以上,其450MW以上机组全部采用超临界参数,最初投运的两套超超临界机组由三菱公司设计,容量700MW、蒸汽参数34.5Mpa/620℃/650℃。日本发展超超临界机组起步较晚,很快由仿制过渡到应用自己的科研成果,同时建立了自己的试验台,发展速度很快、收效显著。目前,日本以超超临界机组可靠性高、经济性好、技术发展快而跃居为发展超超临界机组的先进国家。
 
我国超临界、超超临界机组发展较快。我国于上世纪80年代后期开始从国外引进超临界机组,第一台超临界机组于1992年6月投产于上海石洞口二厂(2×600MW,25.4MPa,541/569℃)。目前我国已经投产的超临界机组共计10余台。2006年,我国首批国产超超临界百万千瓦机组(华能玉环电厂一期工程)相继投运,标志着我国电力工业技术装备水平和制造能力进入新的发展阶段。

二、超临界、超超临界机组材料的选用与发展

超临界、超超临界机组的发展,材料是关键技术之一。目前,超临界和超超临界机组根据采用的蒸汽温度的不同,主要采用以下三类合金钢材料:
 
(1)低铬耐热钢。包括:1.25Cr-0.5Mo(SA213、T11)、2.25Cr-1Mo(SA213、T22/P22)、1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)以及9~12%Cr系的Cr-Mo与Cr-Mo-V钢等,其允许主汽温为538~566℃。
 
(2)改良型9~12%铁素体-马氏体钢。包括:9Cr-1Mo(SA335,T91/P91)、NF616、HCM12A、TB9、TB12等,一般用于566~593℃的蒸汽温度范围。其允许主汽温为610℃,30MPa再热汽温625℃;使用壁温:锅炉625~650℃,汽机600~620℃。
 
(3)新型奥氏体耐热钢。包括:18Cr-8Ni系,如SA213 TP304H、TP347H、TP347HFG、Super 304H、Tempaloy A-1等;20-25Cr系,如HR3C、NF709、Tempaloy A-3等。这些材料的使用壁温达650~750℃,可用于汽温达600℃的过热器与再热器管束,具有足够的蠕变断裂强度和很好的抗高温腐蚀性。
 
为适应火力发电机组向超超临界的发展,提高材料的高温性能,特别是奥氏体不锈钢管的高温性能,近20多年来,美、日、欧等发达国家在开发电站新材料技术方面进行了大量的试验研究,其中以提高奥氏体不锈钢的高温蠕变断裂强度、高温强度、抗蒸汽氧化、抗烟气腐蚀性、适用性和经济性等为研究方向,充分利用多元复合强化原理,研究开发了一批性能优异的新型奥氏体不锈钢钢种,用这些新型材料制成的锅炉钢管,已经作为主力钢种,被广泛应用于超临界火电机组的锅炉上。
 
奥氏体钢大致可分为四类,即15Cr、18Cr、20-25Cr和高Cr奥氏体不锈钢。它们的发展过程从最初的添加Ti和Nb元素来提高抗腐蚀性,到降低Ti和Nb含量来提高奥氏体钢的蠕变强度,而后又通过添加Cu元素提高钢的固溶强化作用,现在又趋于采用0.2%Ni和W做添加剂来提高奥氏体钢的固溶强度。奥氏体钢的发展进程如图1所示。
 
图1 超临界、超超临界锅炉用奥氏体钢的发展进程
1、TP304H
 
TP304H(1Cr19Ni9)曾在一般高温蒸汽下被广泛使用,但其容易敏化的缺点,使其在火电机组锅炉上的进一步应用受到了限制。
 
2、SUPER 304H
 
SUPER 304H是由日本住友金属株式会社和三菱重工在18-8奥氏体钢基础上开发成功的一种18Cr-9Ni-3Cu-Nb经济型奥氏体不锈钢,是TP304H的改进型。其优越的高温蠕变断裂性能并非来自于贵重合金元素W和Mo的作用,而是添加的Cu、Nb、N,由富铜相、NbCrN、Nb(C,N)和碳化物的析出强化作用所致。该钢600~650℃许用应力比TP 304H高30%。性能试验表明该钢的组织和力学性能稳定,而且价格便宜,是超超临界锅炉过热器、再热器的首选材料。
 
3、TP347H
 
TP347H(1Cr19Ni11Nb)奥氏体不锈耐热钢,含Ni比TP304H高,且含有Nb+Ta元素。该钢种的热强性和耐晶间腐蚀比TP304H要好,因为Nb元素比Ti的抗氧化性能好,在焊接时不易烧损。由于TP347H不锈钢具有优良的高温强度和耐高温腐蚀性能而被广泛用于锅炉过热器和再热器管。TP347H奥氏体不锈钢主要用于制造工作温度≤650℃的过热器、再热器管,最高抗氧化温度≤704℃。
 
4、TP 347HFG
 
TP 347HFG钢是通过特定的热加工和热处理工艺得到的细晶奥氏体热强钢。在TP347H的基础上,通过热处理使晶粒细化到8级以上,大大提高了抗蒸汽氧化能力,对提高过热器管的稳定性起到了重要的作用,在许多超临界机组上得到了大量应用。通过这个工艺处理的钢管不但有极好的抗蒸汽氧化性能,而且比TP347H粗晶钢的许用应力高20%以上。
 
5、XA 704
 
XA 704钢管是日本新日铁公司在常规l8-8奥氏体不锈钢基础上对成分做了进一步完善改进的新型钢管。具体是降低了C、Ni含量,加入了较多的W、V、N等元素,采用复合—多元的复合强化手段研制而成,具有很高的许用应力、高抗晶间腐蚀,是专用于超(超)临界锅炉的新型奥氏体不锈钢。目前该钢已纳入日本METI标准,命名为“火 SUS347JITB”,新日铁向ASTM标准提交草案中拟命名为TP347W,2004年11月由ASME Code case 2475确认。
 
各种材料的化学成分及物理性能比较如表1、2所示。
 
表1 各种奥氏体钢的化学成分
 
 
C
Mn
Si
Cr
Ni
P
S
SUPER 304H
0.07~0.13
≤1.0
≤0.3
17.0~19.0
7.5~10.5
≤0.045
≤0.03
TP 304H
0.04~0.10
≤2.0
≤0.75
18.0~20.0
8.0~11.0
≤0.04
≤0.03
XA 704
≤0.5
≤2.0
≤1.0
17.0~20.0
8.0~11.0
≤0.04
≤0.03
TP 347H
0.04~0.10
≤2.0
≤0.75
17.0~20.0
9.0~13.0
≤0.04
≤0.03
Nb
N
Cu
Ai
B
W
V
0.20~0.60
0.05~0.12
2.50~3.50
0.003~0.03
0.001~0.1
/
/
/
/
/
/
/
/
/
(+Ta)0.25~0.50
0.10~0.25
/
/
/
1.50~2.60
0.20~0.50
(+Ta)≤1.00
/
/
/
/
/
/
 
表2 各种奥氏体钢的物理性能
 
 
屈服强度
(MPa)
抗拉强度
(MPa)
延伸率
(%)
硬度HRB
TP 347H
≥205
≥515
≥35
≤90
TP 347HFG
≥205
≥550
≥35
≤90
SUPER 304H
≥205
≥550
≥35
≤90
XA 704
≥260
≥620
≥30
≤95
 
 
 
 
 
资料来源:
 

http://www.cec.org.cn/news/showc1.asp?id=92979

www.china5e.com/news/power/200601/200601060304.html

http://finance.eastday.com/m/node174362/u1a2477015.html

杨富;超临界、超超临界锅炉用钢 电力设备 2004104146

缪筱玲;超(超)临界锅炉用钢管SUPER304HXA704性能特点评价 东方电气评论 200633136


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