发展能源装备工程材料促进我国高效发电及核发电发展

发展能源装备工程材料促进我国高效发电及核发电发展

能源装备工程材料是新材料产业发展中不可忽视的一类工程材料,我国这类材料的研究还基本处于空白,超临界、超超临界机组及核发电大型机组用材几乎都由国外进口。面对未来我国电力发展的需求,发展能源装备工程材料刻不容缓。我国发电装机容量将由目前的5亿kW发展到2020年的近10亿kW,火电机组在未来10～20年内仍将占据主导地位。我国火力发电单位煤耗和水耗均远高于发达国家。为了提高发电效率,减少污染,高参数、大容量超(超)临界机组将成为我国未来火电机组发展的主流。在发电机组向大容量、高参数发展以及未来电源形式多样化并存的趋势下,提高一次能源转化效率,降低燃煤发电的环境影响,确保电源设备的高效安全运行,将是我国电力行业长期面临的重大课题。在《新能源产业振兴规划》出台后,我国核电的中长期发展规划会做进一步调整,在原计划到2020年达到4 000万kW的装机容量基础上再扩容3 000万kW,达到7 000万kW。已初步确定的厂址近30个,遍布15个省、市及自治区,可容纳近110台机组。能源作为我国战略新兴产业,其装备工程材料的发展必然要走在前面。

1 超超临界燃煤电厂的现状

火力发电行业目前面临两方面的压力,首先是市场竞争加剧需降低成本,另外是球环境问题要求电厂降低SOX,NOX,CO2的排放,达到环保要求。发展洁净煤发电技术是解决这些问题的关键,其一是开发利用新的高效发电技术,如整体煤气化联合循环(IGCC)发电、增压流化床燃烧技术(PFBC)等;其二是在常规的发电系统基础上,提高机组的蒸汽参数,即机组的超临界(SC)和超超临界化(USC)。到目前为止超临界机组在国际上已经相当普及。丹麦ELSAM公司对IGCC,PFBC和USC发电技术都有试验项目,其研究结果表明,在目前以及将来一段时间内,超超临界机组的技术继承性和可行性最高,同时USC发电具有最高的效率和最低的建设成本。

20世纪五六十年代只投运了几台超超临界机组。从90年代初到目前为止,全世界已经新建超超临界机组超过60台,且参数在不断提高。2006年8月18日,我国首台100万kW超超临界机组锅炉——华能玉环电厂一号锅炉首次点火成功,11月28日,正式投入商业运行。2006年12月4日华电国际邹县发电厂单机容量100万kW的燃煤发电厂正式投产。2007年8月1日,我国60万kW超超临界燃煤发电机组在华能营口电厂二期启动。

从各国的发展来看,自20世纪90年代初开始发展超超临界机组,到90年代末由于加大了在冶金材料领域的科研投入,铁素体、奥氏体、超级不锈钢、ODS(氧化物弥散强化)、镍基合金等一批耐高温材料日渐成熟,尤其是低铬耐热钢和改良型9%～12%Cr铁素体钢的研制成功及使用,促进和保证了超超临界机组的发展,并降低了超超临界机组的造价。目前,这些新型钢材已在欧洲和日本的电厂推广使用,主蒸汽温度最高达610℃。

2 新材料在超超临界发电中的作用

超超临界机组与超临界机组相比由于蒸汽温度和压力参数更高对电站关键部件材料提出了更高的要求,尤其是在材料的热强度、抗高温腐蚀和氧化能力及冷热加工性能等方面。因此,材料及其制造技术已成为发展先进发电机组的技术核心。虽然发展超超临界机组在设计和制造中存在许多关键技术问题有待解决,但是开发热强度高、抗高温烟气氧化腐蚀和高温汽水介质腐蚀、可焊性和工艺性能良好、价格低廉的材料是最关键的问题。发电机组用钢主要有2大类:奥氏体钢和铁素体钢。奥氏体钢比铁素体钢具有高的热强性,但膨胀系数大,导热性能差,抗应力腐蚀能力低,工艺性差,热疲劳和低周疲劳(特别是厚壁件)性能也不及铁素体钢,且成本高得多。

国际上已经在运营的超超临界机组温度参数大多在566～620℃,压力为25,27和30～31MPa三个级别。其对钢材的要求:①主蒸汽管道、过热器、再热器管、联箱和水冷壁材料具有与蒸汽参数相适应的高温持久强度;②机组材料耐高温烟气腐蚀;③过热器、再热器、联箱和管道等均为高温蒸汽通流部件,要求其耐高温蒸汽腐蚀;④机组在启停、变负荷和煤质波动时会引起热应力,要求主蒸汽管道、联箱、阀门等厚壁部件材料具有良好的抗热疲劳性能及低的蠕变疲劳敏感性;⑤转子、叶片以及其它旋转部件承受巨大的离心力,因此对耐热钢的热强性能提出了更高要求;⑥紧固件需要有更高的拉伸屈服强度和蠕变松弛强度,以及在蒸汽环境下的抗应力腐蚀能力和足够的塑韧性以避免蠕变裂纹形成;⑦对再热蒸汽温度高于593℃的低压转子还必须考虑材料在该温度范围内的回火脆性。

3 我国超临界机组材料的基础及发展建议

由于煤电仍将在很长时间内占我国发电的主导地位,因此超超临界火电技术在我国有着非常广阔的发展前景。然而近几十年来,我国电站新材料开发几乎处于完全停滞状态,超临界和超超临界机组甚至包括部分亚临界机组的关键材料或部件几乎完全依赖进口。我国近几年开始超超临界机组的相关技术研究,并有数台机组开始投入建设。

国外发达国家对于先进发电技术所需的材料均有相应的研究战略,对电站材料的蠕变、疲劳等长时性能研究也有长期规划,并建立了数据共享平台,积累了大量的材料性能数据。如在欧洲蠕变合作委员会(ECCC)和日本材料所的数据共享平台,多数常用材料的持久强度试验时间超过了10万h,最长的数据达到了20～30年。这些数据对于机组的合理设计和安全可靠运行提供了坚实的材料技术支持。而我国还没有相应的机构,各单位的数据共享性差,数据质量和数量也都没有保证,甚至电站常用材料的长期数据也严重缺乏,给机组部件的寿命评估带来很大困难。

由于电站用耐热材料与影响国计民生的能源和环境两大问题密切相关,有必要建立相应的研究和开发战略,通过参与国际研发项目,掌握新型耐热钢的特性,建立电站材料性能数据库及共享机制,并与国际数据库平台合作,形成完整的材料技术支撑体系,促进我国超超临界等先进火力发电技术的发展。

陆 辛 研究员,博士生导师,国家百千万工程一、二层次候选人,享受政府特殊津贴;主持完成了国家自然基金、国家“863”、国务院重大装备、中德政府间合作、国家重大攻关课题的国际合作及欧盟第五框架等项目;获得国家科技进步二等奖;发表论文30多篇。