基于超超临界锅炉发展综述分析

王 琨

（国电华北电力有限公司霍州发电厂，山西 临汾 031413）

我国是主要运用煤炭能源的国家，在电力生产中燃煤占据着主要的地位，在今后很长的一段时间内，这种情况都不会改变，在能源资源紧缺的形式下，使用高效的、环保节能的、可靠性高的、大容量的发电技术，已经成为目前经济发展迫切的需求了，超临界和超超临界发电技术是在国际上较为成熟的一种燃烧技术。

1 超超临界技术

在发展高参数机组的时候，超临界机组并不是比超超临界机组先开发的，它们是一起开发的，超临界机组在发展的时候，也并不是按照顺序从22.2MPa，538/538℃发展的，蒸汽参数也是从高-低-高的过程发展过来的。为了使机组的效率得到提升，减少能源的浪费，降低有害气体排放量，爱护环境，在经历了二战以后，超临界与超超临界机组逐渐出现在人们的视线中[1]。

最早使用超临界发电技术的国家是美国，在20世纪50年代初的时候，就对超临界以及超超临界技术开始进行研究。在超超临界机组中有两台是最具有代表性的：一个是GE和BW建造的PHILO电厂6号超超临界机组，其容量是125MW，参数是31MPa/610/565/538℃，在1957年的时候开始运行；另外一个就是WH和CE建造的EDDYSTONE电厂1号超超临界机组，其容量有325MW，参数是34.5MPa/650/565/565℃，在1959年开始运行。然而，因为超超临界机组技术需要使用较高的蒸汽参数，这对于当时的技术发展来说，在材料方面还存在不足，所以在运行的过程中，出现了许多问题。在抗高温氧化、热强性以及腐蚀性这三方面来说，铁素体钢比奥氏体钢要差得多，但奥氏体钢也存在着许多问题，例如热导性不好、应力腐蚀开裂敏感、晶间腐蚀、异种钢焊接以及膨胀系数过大等。因为在开发超临界和超超临界技术的时候，对奥氏体钢过分的依赖，所以上面这些问题对技术发展产生了阻碍，以至于技术上不得不回退至24.1MPa～26.5MPa，超临界的参数变成538℃～543℃/538℃～566℃，并且在这个阶段停留了20多年。

在这个时期，人们对新型的铁素体钢进行改进和研发，对奥氏体钢的耐热性进行提升。日本、美国以及许多欧洲国家对于能承受锅炉热度的新钢种纷纷进行研究。经过长时间的开发与实验，出现了一些新型的铁素体和奥氏体，在国际权威机构的认证下，其具有优良的抗腐蚀、抗高温氧化以及热强性，并且在焊接工艺方面也是非常好的，目前，在超临界、超超临界机组厚壁中应用的越来越多，大多数的高温部件也使用了这种新材料。譬如在美国橡树岭的实验室，他们在Valloure公司以及燃烧工程公司的帮助下，研发制作出T91钢；在这之后，又出现了E911钢，是欧洲的COST组织研发的；日本经过不懈的努力，在奥氏体钢18Cr-8Ni以及铁素体钢2.25Cr、9Cr、12Cr的基础上，研发出了新的耐热钢 ：NF616（T92/P92）、HCM2S（T23/P23）、HCM12A（T122/P122）等，其综合性能更加优良。

2 国内超超临界锅炉制造厂家

2.1 东方锅炉

东方锅炉是与巴布科克—日立（BNK）进行合作的，共同对产品的技术以及制造技术等各方面进行设计，各部分工作都有序的开展。BHK公司在技术和业绩上面都是世界一流的，他们致力于超临界本生直流锅炉研发，在上个世界60年代的时候，就开始对超临界直流炉进行研究，在发展锅炉大容量高参数上，BHK公司在煤粉燃烧技术、脱硝技术、烟气脱硫技术上面，十分重视这些技术的开发，对新型耐热钢种的研发和使用加大了投入。目前，东方锅炉销售出的亚临界压力本生炉在500MW及以下大约有13台，超临界压力本生型直流锅炉在600MW及以上的大概有21台，从90年代开始，13台容量在600MV及以上的超临界压力锅炉全部的都是按照低污排放、变压运行带中间负荷调峰的本生直流炉，在这之中有12台燃煤炉。BHK所制造的超临界本生直流炉特点是：可靠性高、制作工艺精良、使用率高、具有优良的性能、环保的措施好、高参数高效率、极大的降低了成本。

东方锅炉是一家技术实力雄厚与完善的制造商，其在美国取得了ASME的授权证书，拥有钢印三枚S、U、U2，是经过国家核安全局批准以及认证的民用核承压设备制造商，具有三类容器设计制造许可证以及A级锅炉生产许可证，GB/T19001-IS09001的质量体系对其进行认证并给予通过。东方锅炉在生产装备上面已经引入了用来生产超临界本生型直流锅炉的专业设施设备，具备了生产、研发600MW单机容量锅炉的实力[2]。

2.2 哈尔滨锅炉厂

三菱重工株式社会（MHI）是哈尔滨锅炉厂的技术支持方，在著名的重型机器以及发电设备制造方面，MHI是名列全球的，对于超临界以及超超临界的研发也是排在世界前列的。目前来说，超临界和超超临界锅炉容量大于500MW的，已经有高达60台的设备在投运中，其中有21台的超临界锅炉在变压运行方面使用的是螺旋管圈水冷壁技术，12台变压超超临界和超临界锅炉使用的是新型垂直管圈水冷壁技术。在超超临界锅炉上面使用变压运行和内螺纹管垂直管圈技术，就代表着超超临界锅炉已经具有当前最新的水平。在2003年的时候，MHI在生产超临界和超超临界锅炉上已经有68台了，在这之中有59台容量超过500MW的锅炉，7台1000MW的超临界和超超临界锅炉；在运行方式上面来说，定压运行的是32台，变压运行的是36台；从蒸汽参数的角度看，9台超超临界锅炉，参数为31MPa，566℃/566℃/566℃二次再热的有2台，剩下的都是一次再热，24.1MPa～24.5MPa的蒸汽压力，温度为566℃/593℃，593℃/593℃到600℃/600℃。

MHI在目前来说，是生产最多超临界和超超临界锅炉的厂商，也是火力发电设备最大的制造商。哈尔滨锅炉厂是我们国家大型的用来研发电站锅炉的基地，需要对新产品的研发工作提升重视程度，国内的研究所以及高等院校与哈尔滨锅炉厂共同合作，对开发超临界锅炉的关键技术进行研究，并且收获了多项研究成果[3]。

3 超超临界锅炉材料的选用

3.1 厚壁管道、联箱用钢

在高温的情况下铁素体缓慢出现变形的强度比较高，一般情况下，在制造锅炉的时候，会选择在联箱、厚壁管道上使用这种材料，其厚度可以减薄，使成本降低。蒸汽管道在挑选材料性能的时候与联箱相近，但是联箱在使用的时候各个部位的温度是不均匀的，连接的焊接口也是比较多的，所以在进行钢材选择的时候，需要对其耐热性以及焊接性进行考虑。在蒸汽管道和联箱选择材料的时候，传统的办法是使用低合金钢P22、P12，但是在锅炉长期的运转中会产生疲劳裂缝，其热疲劳性比较差，而且在机组参数不断提高的时候，损坏的会越来越严重。在德国、荷兰、比利时等国家的热电厂中曾经使用了HT91，这种材料相比P22来说，拥有更好的热疲劳性以及抗蠕变性，但是在实际的使用过程中发现，如果温度高于550℃，那么其抗蠕变性就会很明显的下降，而且材料中的含碳量比较高，对其进行焊接的时候，和焊接后热处理都是比较困难的，所以美国、日本、英国几乎不会使用这种材料。日本在最近二十多年来新研发出HCM12M钢体，美国也研制出P91钢材，在抗蠕变方面具有较高的性能，受到人们的青睐。改良的9Cr合金P91钢，尤其受到美国电力公司的喜爱，Chubu将其应用于Kawagoe电厂1号机组的蒸汽管道与联箱，1983年的时候，ASME对三种用途不同的钢体（T91、P91、F91）进行认证，并且很快普及全球。

如果锅炉温度超过600°，那么其厚壁部件在选择材料的时候需要使用P92和P122这种新材料，因为P91的钢体在运行的时候，蒸汽参数要在593℃/25MPa，德国在钢材选择上面抗儒性强度比美国与日本大约低10%。HCM12A（P122）与NF616（P92）这两种日本研制的合金钢在性能方面都很优异，ASME已经对其进行认可，可以在超临界机组的高温管道以及联箱上面使用这两种材料。同时，E911这种由欧洲研发的钢材，在应用前景上面也是很好的，在600℃的蒸汽高温下比P91的蠕变强度高出了25%，可以在蒸汽参数620℃/34MPa下运行。

在进行新型铁素体钢的选择时，需要对以下几个因素进行考虑：①新型铁素体钢（E911、NF616）在性能方面来说，其抗氧化是没有奥氏体合金钢强的，所以在对高温区用钢前必须要进行仔细的调查；②在焊接完钢体后，尽量减少热处理的区域以及费用[4]；③在面对不同种类的钢材进行焊接的时候，需要对温度的因素进行考虑，因为焊接的部位会产生蠕变，其断裂的强度也是重点考虑因素；其次，在选择使用新型钢种的时候，还要对成本和安装、焊接的费用进行评估，选取最合适的最节省的钢材。

3.2 过热器、再热器管用钢

从材料的抗蠕变性能上来看，在超临界锅炉上铁素体管材的选取应该和管道集箱是相似的。在温度538℃下可以使用T22管材；在温度563℃以下，可以应用T91、HT91、HCM12以及XCM9M管材；温度593℃下，可以使用E911、P122和T92。

过热器和再过热器在火电机组锅炉中是非常重要的部件，其在运行中承受着最为恶劣的工作环境，是过热器和再过热气所使用的管子材料，要求必须具有高强度的抗蠕变性，在温度和压力下可运行的范围内，其需要对安全裕度进行充分的保留，烟气侧与蒸汽侧对管子会产生腐蚀和氧化，会出现固体颗粒脱落额情况，影响机组的运行，使设备的使用寿命被缩短，所以在选材的时候还需要对这两方面进行考虑。所以，在选择过热器和再过热器其的材料时，要对其出口的高温区域进行考虑，因为蒸汽温度相比于铁素体钢的温度来说，其管子壁的温度是大于限制温度的，选材的时候要使用奥氏体钢[5]。

在蒸汽温度达到565℃的时候，选取过热器和再过热器的材料可以选择AISI304、HCM12M、T91，如果出现腐蚀的情况，那么可以选择较为经济的不锈钢材料（渗铬347型、HR3C），如果只是轻微的腐蚀，那么可以选择抗腐蚀性以及蠕变强度都很好的HR3C合金，如果是很严重的腐蚀，那么推荐采取保护层IN72（44%Cr-balNi）；在蒸汽温度已经高于620℃的时候，在没有任何腐蚀的情况下可以使用TempaloyAA1、Esshete1250、17CuMo～14CuMo以及Super304H，如果是轻微的腐蚀，可以采用抗腐蚀能力较好，蠕变程度又可以满足需求的20%Cr～25%Cr合金，比如说NF709、CR30A，如果是严重的腐蚀，那么也是一样需要使用保护层IN72（44%Cr-balNi）；如果想要达到超临界650℃的需求，只有蠕变强度高的NF709、Esshete1250、17CuMo～14CuMo、Inconel617才能满足需求，在这之中抗腐蚀性比较弱的是Esshete1250和17CuMo～14CuMo，可以将Inconel617合金作为腐蚀环境中的保护层提升材料抗腐蚀能力，在轻微的腐蚀环境中，可以直接使用CR30A与NF709，严重腐蚀的情况下同样需要使用IN72。

3.3 冷水壁用材的选择

超临界锅炉在使用的时候，因为提升了介质的温度，T11、T12的低合金铁素体和T23钢体在使用的时候不需要进行焊前预热，焊后也不用热处理，所以更加符合实际使用的需求，T23钢在抗蠕性方面与T91是相似的，在不对蒸汽氧化和烟气腐蚀进行规划的时候，他们可以承受的温度在600℃左右。欧洲的COTS组织在水冷壁管道用材中指出T91是适用的，但是有一个问题是焊后的热处理比较困难。所以超超临界锅炉在选择水冷壁管的材料时，T23是最合适的。

4 结束语

在发展超超临界锅炉的道路上，我们国家采取的方式是引进新技术、学习新的知识、研发新技术、创新锅炉技术。将国外成熟的钢材引入国内进行研究，逐渐的实现钢材国产化。在国家的大力付扶持下，我们国家的大型锅炉制造工厂，如东方锅炉厂、哈尔滨锅炉厂等都在进行“超超临界燃煤发电技术”的研究，对T23、T24、T/P92、HCM12A等适用于超超临界锅炉的钢材进行研究和试验，推动我国超超临界技术的发展。