700℃火电超超临界机组及阀门发展概况

(1.东华能源(宁波)新材料有限公司，浙江 宁波 315812；2.苏州纽威阀门股份有限公司，江苏 苏州 215129)

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，一次能源结构中煤炭占据主导地位，在煤炭消耗中火电用煤是使用大户。近年来，火电用煤占据了国内原煤消费的50%以上，煤炭燃烧所产生的污染也是我国大气污染的主要特征之一[1]，因此，提高燃煤发电机组的热效率，增加煤电转化率和减少煤炭消耗量是今后燃煤电厂的一个发展趋势[2]。现阶段的燃煤发电技术已经达到了600℃超超临界等级，未来如何进一步大幅提高机组效率，最有效的途径还是提高主蒸汽机组的运行参数；根据欧盟相关研究和调研，若将机组的蒸汽参数提高至700℃时，其发电效率可提高至50%左右，所需的煤炭消耗量和CO2排放量可以降低24%，能大幅降低煤炭燃烧所带来的各种环境污染的影响[3]。

1 火电高温材料的技术要求

在燃煤发电机组的发展过程中，高温材料一直是机组类型改进提升的基础，高温材料的性能决定了机组的煤炭转换效率。在高温蒸汽工况中，高温零部件需要有较高的高温强度和抗氧化腐蚀性能，另外，在高温应力的持续作用下，材料需要具有较好的高温持久强度。因此，火力发电厂及化工设备等高温承压件和结构件的设计，一般参照10万h持久蠕变强度大于100MPa的标准[4]；除需具备以上要求，高温部件一般采用焊接方式连接，所以，耐高温材料必须具有较好的焊接性能。因此，对于700℃等级的超超临界火电机组，其材料需要具备的性能可以概括为以下几个方面[5]：①在高温700～750℃/105h条件下，即材料的高温持久强度大于100MPa；②耐高温腐蚀性能为金属截面损失小于1mm/105h；③金属材料在高温下必须具有稳定的组织；④对于主蒸汽管道，其管内壁必须具有良好的抗蒸汽氧化性能；⑤金属材料必须具有较好的冷热加工工艺性能；⑥所采用的金属必须具有良好的焊接性能；⑦对于过热器或锅炉集热管，管外壁需要具有抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能；⑧在经济方面，此种材料必须具有较低的成本，才有可能实现商业化。

2 各国针对700℃超超临界的计划

为了缓解煤炭燃烧对环境的污染，各个国家针对700℃等级超超临界技术在机组系统和高温材料方面的应用进行了大量研究，目前全球开展的700℃等级超超临界项目主要有四个，分别为欧洲的AD700，美国和日本的A-USC计划，我国作为以煤炭为主的能源大国，在2011年也开展了700℃超超临界项目的研究[6]。

2.1 欧盟AD700计划

由于欧盟各成员国拥有大量运行超过40年的亚临界机组，加之欧盟各成员国批准了京都议定书，所以发展700℃等级技术是欧盟节能减排战略的需要。欧盟关于700℃超超临界发电技术的研究始于1998年，计划在2021年完成一台700℃/35MPa的机组的建设并运行至2026年，2026年之前完成整个AD700项目。目前，针对高温材料的研究已于2011年结束，2011年至2017年主要是在德国COMTES+宿主机组上进行试验验证。 欧盟的AD700计划中主要的高温材料有Inconel 617/617B、Inconel740H、Nimonic263、Sanicro25等，其主要高温部件的候选材料见表1。

表1 AD700电站各个部件所使用或候选的材料

在完成了相关材料的研究基础之后， 欧盟于2011年在COMTES 700项目中对汽轮机调节阀进行了验证，其阀门的工作温度接近主蒸汽的工况参数，主要验证阀门阀体和内件在高温下的应力、变形等性能；该试验装置的示意见图1，23MPa/410℃的蒸汽在经过蒸发器和过热器后，将蒸汽加热到21MPa/705℃，试验装置的蒸汽流量为12kg/s，实际出口的蒸汽温度和压力分别为702℃和21.2MPa，在蒸汽轮机的旁路有一个旁路阀，该旁路阀也是该项目验证的一个重点项目。

图1 欧盟COMTES 700测试装置示意注：质量流量：12kg/s(43.2t/h)

汽轮机主调节阀的结构和材料选型见图2，该项目的资金由欧洲汽轮机协会和西门子、阿尔斯通等共同资助；阀门的铸件由英国Goodwin PLC下属的Goodwin铸造厂生产。

图2 蒸汽轮机进口调节阀

在测试汽轮机调节阀的同时，在汽轮机的旁路上还进行了高压旁路阀的测试，阀体的材料采用A617B锻件，其旁路阀的参数为705℃/21MPa，蒸汽流量与上述主蒸汽调节阀一致，测试时间从2005至2009年，共计22 400 h。在试验结束后，研究人员对阀门进行了拆解，发现旁路阀的阀体内部出现了不同程度的裂纹(见图3)，分析其原因，主要是由于阀体内部和外部的热应力过大所致。

图3 COMTES装置上旁路阀阀体裂纹

在COMTES+项目试验中，为了进一步测试阀门冷热交变循环的寿命，欧洲VGB协会重新制造了新的高压旁路阀，并在COMTES+项目试验装置上进行试验，此次蒸汽轮机高压旁路阀由德国HORA公司制造，其外形见图4，该阀门阀体采用A617B锻件材料，为了避免上次试验过程中阀体裂纹的产生，采用流开式的设计方法对阀体进行重新设计，对于中腔焊缝采用新的工艺进行焊后热处理。为了模拟冷热交变环境，在旁路阀入口增加了一个注水调节阀，向旁路阀入口管道内注入冷却水，将蒸汽的参数降低至307℃/2MPa，模拟机组启停的工况。最终测试结果显示，旁路阀的性能满足最初试验的要求。

图4 用于COMTES+700℃的高压旁路阀

2.2 美国USC项目

美国能源局在2001年提出了开发35MPa/760℃的先进超超临界燃煤机组，其目标是净发电效率达到 46%以上，对应的污染排放物降低25%，该项目主要由美国锅炉制造商、汽轮机制造商和国家实验室共同主导开发和研究，主要可以分为锅炉材料的研发和汽轮机材料研发，目前在锅炉方面已取得重大研究成果，候选材料的实验室测试和大型锅炉测试已完成。汽轮机材料的开发从2005年开始，第一阶段已经于2009年结束，其主要任务是研究汽轮机转子、气缸和阀门材料的焊接性能和机械性能[7]。

目前，美国的高温段管材主要集中在Inconel 740/740H和Haynes282两种材料，汽轮机材料也筛选了5种材料进行研究，包括Nimonic 105、Haynes282、Udimet 720Li、Inconel 740/740H和Waspaloy等；美国A-USC项目的候选材料见表2。

表2 美国A-USC对应的材料选型

续表

美国的760℃先进超超临界项目中，阀门采用Haynes 282镍基合金材料。该合金由Haynes公司于2005年开发完成以作为一种时效强化型锻造镍基高温合金，其使用温度在649～927℃之间，该材料在750℃、10万h持久蠕变强度高于150MPa；该种合金兼备了良好的蠕变强度、热稳定性以及优越的可加工性、焊接性能，Haynes 282合金因良好的综合性能成为USC机组重要组成选型材料之一[8]。

目前，美国正在建造ComTest 1400试验平台，预计在2020年前完成零部件的实炉验证，以评估设备的建造成本和零部件的供应链。由于美国国内在役的燃煤电站超过600℃的比较少，再加近年来美国页岩气革命对美国燃煤发电的冲击，导致美国在700℃等级的先进超超临界机组研究经费不断削减，部分的试验研究计划也在不断地延期和推迟。

2.3 日本A-USC项目

日本是一个化石资源贫乏的岛国，每年会从世界各地进口大量化石原料作为储备能源，另外，日本的人口密度较高，单位面积产生的污染物排放量相对较高，为了更加高效地利用化石原料，日本于2000年启动700℃等级超超临界机组研究，其研究计划可以分为多个部分，分别为锅炉、阀门和汽轮机的研发。该计划在2021年之前建成试验机组，以评估各种材料和设备的可行性。日本的主要目标是在现有超超临界机组上，采用一次再热USC+A-USC方案，将蒸汽的温度提高至700℃，使其机组的发电效率达到48%左右，净效率达到46%左右。

日本在2012年之后针对A-USC项目开发了新的材料，分别是FENIX700，USC141和USC800MOD材料。FENIX700材料是一种低镍铁合金材料，其在700℃、10万h的持久蠕变强度超过100MPa，由于镍的含量较低，所以它的价格也较低，大概是镍基合金价格的1/3，采用该种材料制成的一个12.5t重的汽轮机转子已经完成；USC141材料开发用于小口径管道、蒸汽轮机叶片和螺栓等部件，该材料具有较低的膨胀系数，且700℃、10万h的高温持久蠕变强度>180MPa；USC800MOD材料是由日立公司开发的一种镍基合金，其使用温度可以达到800℃，10万h、800℃高温持久蠕变强度大于100MPa。机组不同部件的候选材料见表3。

表3 日本A-USC项目所对应的材料选型

2.4 中国A-USC项目

由于我国是以煤为主导能源的国家，因此我国已成为世界上600℃电站发展最快、数量最多、取得成果最为显著的国家，截至2018年，中国已经建成了43台600℃超超临界机组；国家能源局在2011年启动了700℃超超临界燃煤发电关键设备研发及应用示范项目，对锅炉等关键设备的验证平台所使用的材料及其制造工艺可靠性进行现场试验验证，试验平台已于2015年完成并开始点火启动，截至目前已运行3万h，计划运行4万h，目前试验平台运行良好[9]，其试验平台示意见图5。

我国700℃超超临界机组各部件的候选材料见表4，其中主要的研究材料有Alloy 617B、Inconel 740H和国产C-HRA-1、C-HRA-3、GH2984G材料。

图5 中国700℃试验平台装置示意

表4 中国700℃超超临界机组各部件的候选材料

其中，高温管道所用阀门的候选材料有两种，一种为国产C-HRA-1镍基材料，该材料是在263镍基合金的基础上开发而来，相比263镍基材料具有更好的抗腐蚀性[10]；另一种是欧洲使用的Alloy 617B材料，该材料已经过欧洲AD700项目的验证。我国700℃试验平台所用的阀门绝大部分由IMI瑞典工厂加工，其原料为宝钢提供的镍基C-HRA-1材料，阀门从2015年至今运行良好。

3 结语

700℃等级超超临界燃煤机组是今后燃煤发电的重要方向之一，发展该燃煤组可更加高效地利用化石燃料，进一步降低煤炭所产生的污染，对保护环境具有积极的作用。但是从目前各国的研究情况来看，700℃等级的先进超超临界机组普遍以采用镍基合金为主，其合金的性能就决定了机组的建造成本会较高。所以，如何降低经济成本将是以后先进超超临界研究的重点课题之一。