600℃/620℃二次再热超超临界机组高温部件用材

魏先平，范华，杨明，陈猛猛，杨功显，巩秀芳（东方汽轮机有限公司长寿命高温材料国家重点实验室，四川德阳，618000)



600℃/620℃二次再热超超临界机组高温部件用材

魏先平，范华，杨明，陈猛猛，杨功显，巩秀芳
（东方汽轮机有限公司长寿命高温材料国家重点实验室，四川德阳，618000)

摘要：为提高燃煤发电转化效率，响应国家节能环保的发展策略，公司突破并掌握了再热蒸汽为620℃的超超临界二次再热机组设计制造技术，成为掌握该项技术的首家国内企业。针对该二次再热机组的实际投运，文章介绍了主要高温部件的选材用材情况。

关键词：二次再热，超超临界，高温部件

0 引言

目前，从我国和世界范围的一次能源结构看，以煤炭为主体的能源结构在相当长的时间内不会改变[1-2]。因此，提高煤电转化效率、发展清洁煤发电技术是各国发展燃煤发电技术的一致目标。在过去几十年里，燃煤发电机组参数从亚临界、超临界提升到600℃等级超超临界参数。但由于耐热钢使用温度制约，参数的进一步发展受到了一定限制。虽然基于高温镍基合金研发提出的“700℃等级先进超超临界(AUSC)燃煤电站研发计划”在欧、美、日和我国等已立项研究[3-4]，但由于高温材料尚不成熟，要实现机组运行还有很长的路要走。因此，开发600℃/620℃二次再热超超临界燃煤发电技术具有明显的经济性能及现实可操作性。

针对经济、高效环保的开发理念，东方汽轮机有限公司（以下简称“东汽”）在重庆万州项目上完成了国内首座28 MPa/600℃/620℃二次再热机组的自主设计开发。本文将重点介绍东汽600℃/620℃二次再热机组和国外投运的600℃/620℃二次再热机组在关键高温部件的选材用材特点。

1 国内外600℃/620℃超超临界机组投运情况及材料选择

国外早在20世纪70～90年代就有超临界二次再热机组的投运，如美国的Philo电厂、丹麦的Nordjylland电厂等[5]。在21世纪初国外已有数台600℃/620℃超超临界二次再热机组投入运行，如表1所示。国外超超临界二次再热机组的运行业绩表明，机组运行可靠、经济性较好，是可实现规模化商业应用的发电技术。目前，东汽研制的国内首台600℃/620℃超超临界二次再热机组在重庆万州项目上的投运，标志着我国突破了600℃/620℃超超临界二次再热机组制造技术，该机组采用了四缸四排汽机构，其机组纵剖面图如图1所示，设计运行参数为28 MPa/600℃/620℃。其与常规超超临界机组的区别主要是再热蒸汽温度的提高，需要使用具有更高承温能力的耐热材料制造再热机组高温部件。由于改良型9%～12%Cr钢，如ZG1Cr10MoVNbN、TOS301、GX12CrMoWVN⁃bN1011等，可承受590～610℃的蒸汽温度条件；新型9%～12%Cr钢，如ZG1Cr10MoWVNbN、TOS302、NF616、SAVE12等，可承受630～650℃的蒸汽温度条件。加之600℃/620℃机组的热端部件承温设计为620℃，因此，主要的高温部件用材为改良型12%Cr钢或新型12%Cr钢。东汽600℃/620℃超超临界二次再热机组高温部件用材如表2所示，这类钢在620℃具有优良的高温蠕变强度（如图2所示），能满足600℃、620℃的运行设计要求。

图1　重庆万州二次再热机组纵剖面图

表1　国外600℃/620℃超超临界二次再热机组参数

表2　600℃/620℃超超临界二次再热机组用主要高温耐热材料

图2　改良型12%Cr及新型12%Cr钢高温蠕变强度

2 600℃/620℃超超临界机组高温部件用材

2.1 转子用材

600 ℃超超临界机组转子用材均采用改进型或新型9%～12%Cr锻钢。该类钢是在CrMoVNbN钢的基础上提高W的含量，降低Nb和C的含量，将使用温度提高到593℃；同时，再在材料中加入了微量的B、N等元素以提高高温强度，将使用温度提高到620℃。其中，Cr元素的添加主要是提高合金的耐蚀性、抗蒸气氧化性能和强度，而微量元素W、Mo、V、Nb、N的加入会形成主要组分为VN和Nb（C、N）的弥散MX粒子（20～80 nm），这些粒子在提高材料强度的同时，还能“钉扎”位错，阻碍位错运动，提高高温蠕变断裂强度[6-7]。目前，主要用于制造超超临界机组转子的材料有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。在东汽最新研制的600℃/620℃超超临界二次再热机组中，超高压和高中压转子主要选择1Cr10Mo1NiWVNbN和FB2耐热钢（如表3所示），其中1Cr10Mo1NiWVNbN是在TMK1转子钢的基础上降低约0.2%的钼，增加约0.4%的钨，主要用于制造超超临界机组高压、中压无中心孔转子；而FB2在625℃10万小时外推持久强度极限为100 MPa，L-M曲线如图3所示，能满足620℃超超临界二次再热机组超高压及高中压转子的强度设计要求，是620℃超超临界机组转子用材的热门材料。

同时，按schaeffler相图及Creq计算公式[8]：Creq=Cr+1.5Si+Mo+0.5Nb计算得到1Cr10Mo1Ni⁃WVNbN与FB2的Creq含量分别为11.8和10.8，较高的铬当量可知这2种钢具有较好的抗蒸汽氧化腐蚀性能，加之其抗耐疲劳性优良，是制造超超临界二次再热机组的超高压及高中压转子的理想用材。

图3　FB2和CB2的L-M曲线

表3　超超临界机组转子用材

2.2 高温内缸、阀壳

汽轮机高温内缸及阀壳的构件尺寸大，且形状复杂，通常采用铸造成型。目前国内外超超临界机组的高温内缸、阀壳均采用9%～12%Cr耐热钢铸造，用材情况如表3所示。其中主要用于制造高温内缸和阀壳的材料有ZG12Cr9Mo1Co1NiVNbNB （CB2）、ZG1Cr10MoWVNbN、ZG1Cr10Mo1NiWVN bN、ZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbN、GX12CrMoWV NbN等，这类钢往往在锻件的基础上提高合金的Si、Mn含量，以提高合金的冲击韧性、焊接性能及铸造性能。根据该类钢优良的综合性能，东汽在常规600℃/600℃机组及600℃/620℃二次再热机组均采用改良型12%Cr钢ZG1Cr10Mo1NiWVNbN 与CB2作为高温内缸、阀壳用材（如表4所示）。

表4　超超临界660 MW机组高温内缸及阀壳材料

2.3 高温隔板

在现役的600℃以上超超临界机组中隔板用材分锻件和铸件两种，锻件主要有1Cr9Mo1VNbN、2Cr11MoVNbN、1Cr13和12Cr10Co3W2MoNiVNbN等，铸件主要有CB2和ZG1Cr10Mo1NiWVNbN等。东汽在常规600℃/600℃机组及600℃/620℃二次再热机组均采用改良型12%Cr钢12Cr10Co3W2MoNiVNbN、ZG1Cr10Mo1NiWVNbN 或CB2作为高温隔板用材（如表5所示）。

表5　超超临界660 MW机组高温隔板材料

2.4 高温叶片

在汽轮机从450℃以下的高温高压汽轮机发展到600℃超超临界机组的过程中，高温叶片材料也从简单的12%Cr钢发展到12Cr-Mo、12Cr-Mo-W-V钢，再到改良12Cr-W-Mo-V-Nb-N钢、再到12Cr-W-Mo-Co-V-Nb-N-B新12%Cr钢，形成了马氏体耐热钢完善的固溶强化、亚结构界面强化、位错强化、MX析出相弥散强化多种机制复合强化理论[6-7]，也形成了众多应用广泛、技术成熟的系列铁素体耐热钢牌号。其中，目前被各国广泛用于制造超超临界汽轮机高温叶片的1Cr11MoNiW1VN⁃bN、1Cr10NiMoW2VNbN、12Cr10Co3W2MoNiVN⁃bNB、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB等材料均属于12%Cr钢。该类钢叶片与9%～12%Cr高中压转子材料有着良好的热胀性能匹配，并且成本低廉。因此，国内外厂家均无一例外地选用9%～12%Cr钢作为620℃二次再热机组的高温叶片用材。东汽在常规600℃/600℃机组及600℃/620℃二次再热机组均采用12Cr10Co3W2MoNiVN⁃bNB或1Cr11Co3W3NiMoVNbNB作为高温静叶片和动叶片材料（如表6所示），这2种钢在620℃/100 000 h的持久应力值大于100 MPa（如图4所示），且这2种钢的Creq含量均在11以上，具有优良的抗蒸气氧化腐蚀能力，是620℃二次再热机组高温叶片的理想用材。

图4　高温叶片材料的L-M曲线

表6　超超临界660 MW机组高温叶片用材

2.5 主蒸汽/再热蒸汽管道

表7　超超临界660 MW机组主蒸汽/再热蒸汽管道用材

图5　主蒸汽管及再热蒸汽管主要用材的许用应力

随着汽轮机参数的提高，作为连接锅炉与汽轮机的主蒸汽及再热蒸汽管道面临着最为严苛的运行考验。但这些部件不需要考虑烟气腐蚀，其蒸汽温度即为金属温度，因此要求材料具有优良的高温蠕变强度、热疲劳性能和抗蒸汽氧化能力等。目前，作为超超临界机组的高温蒸汽管道主要用材有P91、P92、P122、E911 4种材料，其中P91、 P92、P122和E911在600℃，100 000 h的持久强度分别为94 MPa、115 MPa、110 MPa和118 MPa，均能满足600℃超超临界的设计要求[9]。而在东汽的620℃二次再热机组中，主要选取了P92作为主蒸汽管道及再热蒸汽管道用材（如表7所示）。因P92是在P91的基础上用1.8%W取代Mo元素而开发得到，具有更好的固溶强化作用，因此其许用应力值在600℃较P91高30%（如图5所示），在相同的使用条件下能有效降低管道的壁厚，使机组启停更加灵活且能降低电厂的建设投入。

3 结论

“绿色动力”是发电行业发展的一致目标，也是相应国家可持续发展战略的重要举措。目前，面对能源结构中煤电占主体的现象，践行绿色动力的实质是提高燃煤发电的能源利用效率，降低温室气体、SO2和NOX等有害气体的排放量。而其中最有效途径就是提高燃煤发电参数。故而，在目前600℃超超临界机组的基础上，利用二次再热技术提高能源转化效率是一条可行之路，并且在世界范围内有很好的发展前景。

东汽600℃／600℃常规机组和600℃／620℃再热机组用材相近，并且这些高温材料在常规机组中有着长期的运行经验，东汽掌握了大量的材料性能数据。因此东汽的超超临界二次再热技术具有安全可靠及良好的技术继承性，获得了业主的一致认可。

参考文献

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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

作者简介：魏先平（1984-），男，工程师，工学博士，主要从事能源透平高温材料研究与开发工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.010

中图分类号：TG14

文献标识码：A

文章编号：1674-9987（2016）01-0050-05