700 ℃超超临界机组四大管道选材分析及设计优化

罗建松

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

0 引言

我国的能源特点是“富煤、贫油、少气”，这意味着在今后相当长的一段时间内能源消费仍将以煤炭为主。近年来，随着能源结构的调整，煤炭在我国一次能源消费结构中的比重有所下降，但仍占全国能源消费总量的50%以上，煤炭作为主体能源的地位依然没有改变。据统计，2021年我国煤电装机占总发电装机容量的比重为46.7%，煤电发电量占总发电量比重为60.0%，煤电仍是国内电力供应主力之一[1-2]。

2020年9月，我国提出“碳达峰、碳中和”的“双碳”目标，“减碳”被视为能源绿色低碳转型的主要举措，对于煤电而言，提高初参数是降低机组煤耗率、减少CO2等污染物排放的有效手段之一[3]。与600 ℃超超临界发电技术相比，700 ℃超超临界燃煤发电技术的净效率将提高至50%以上，可大幅度减少CO2排放量。但提高蒸汽温度和压力参数后，对金属材料提出了更高的要求，研发适用于700 ℃超超临界机组的新型合金材料已成为700 ℃技术发展的主要技术瓶颈。

1 系统简述

根据国内科研院所、设计院、主机厂等单位的技术积累和研究成果，综合制造能力和造价等因素，本文选择660 MW等级700 ℃超超临界一次再热机组作为研究对象。热力系统采用带变频发电机的抽汽背压式小汽轮机(back pressure extraction steam turbine，BEST)回热系统[4]，机组采用12级非调整抽汽，分别供5级高压加热器、1级除氧器和6级低压加热器，原则性热力系统图如图1所示。

图1 700 ℃超超临界机组原则性热力系统图

700 ℃超超临界机组主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道采用2-2型式、低温再热蒸汽管道采用2-1型式，高压给水管道采用单管型式。道的设计压力、设计温度和流量见表1所列。

表1 700 ℃超超临界机组四大管道的设计压力、设计温度和流量

2 设计参数选取及耐高温材料选择原则

2.1 设计参数选取

四大管道选材取决于蒸汽设计参数，根据某主机厂配合提供的热平衡图计算得到四大管

2.2 耐高温材料选择原则

2.2.1 主蒸汽、高温再热蒸汽管道

根据DL/T 715—2015《火力发电厂金属材料选用导则》，600 ℃等级超超临界机组通常首选 P91 、P92 等铁素体耐热钢作为主蒸汽和高温再热蒸汽管道用材，但随着蒸汽初参数温度的逐步提升，上述材料的许用应力急剧降低，对于700 ℃超超临界机组，包括P91、P92材料在内的传统铁素体耐热钢已经不能满足要求，需要寻找新的耐高温材料。

2.2.2 低温再热蒸汽管道

根据GB 50764—2012《电厂动力管道设计规范》(以下简称《动规》)，低温再热蒸汽管道的设计压力取用汽轮机调节汽门全开工况热平衡中高压缸排汽压力的1.15倍。设计温度取用汽轮机调节汽门全开工况下高压缸排汽参数，等熵求取在管道设计压力下的相应温度。国内600 ℃等级超超临界机组的低温再热蒸汽管道材料主要采用A672870CL32电熔焊接钢管或A691Crl-1/4CL22电熔焊接钢管。由表1可见，700 ℃超超临界机组的低温再热蒸汽管道的设计压力为9.18 MPa，设计温度为451.8 ℃，可采用P11、A691 1-1/4CrCL32、12Cr1MoVG等合金材料。

2.2.3 高压给水管道

根据《动规》，高压给水管道的设计压力取用泵在额定转速特性曲线最高点对应的压力与进水侧压力之和；从泵出口第一个关断阀至锅炉省煤器进口区段，应取用在额定转速及设计流量下泵提升压力的1.1倍与泵进水侧压力之和。设计温度取用高压加热器后高压给水的最高工作温度。国内600 ℃等级超超临界机组的高压给水管道材料普遍采用15NiCuMoNb5无缝钢管，由表1可见，700 ℃超超临界机组的高压给水管道的设计压力约为50 MPa，和600 ℃等级机组相比高约6 MPa；设计温度为330 ℃和600 ℃等级机组基本相当，仍可采用15NiCuMoNb5无缝钢管。

鉴于700 ℃超超临界机组的低温再热蒸汽管道和高压给水管道均不涉及新材料的应用，因此下文将重点对700 ℃超超临界机组的主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道的选材和规格优化进行论述分析。

3 四大管道选材建议

3.1 700 ℃机组耐热金属的研发现状

针对700 ℃超超临界机组，国内外都进行了大量的研究和材料的研发，铁镍基和镍基合金因其优异的高温性能被认为是700 ℃超超临界机组主蒸汽和高温再热蒸汽管道的候选材料。6种候选材料主要概况见表2所列。

表2 几种候选材料主要概况

3.2 700 ℃机组主蒸汽、高温再热蒸汽管道用材料分析

为保证机组能安全稳定的在服役年限内运行，700 ℃超超临界机组主蒸汽和高温再热蒸汽管道材料应具备以下条件：1)金属组织长期稳定；2)持久强度高；3)良好的抗蒸汽氧化和抗疲劳性能；4)良好的加工工艺特性和焊接特性性能 。

持久强度作为超超临界机组用耐热材料最重要的性能之一，可以反映机组运行过程中温度和应力对材料组织性能的影响。6种候选材料的持久强度如图 2所示。

由图2可见，随着温度升高，6种候选材料105h持久强度均呈下降趋势，在650 ℃时，所有候选材料的105h持久强度均能高于100 MPa，其中Haynes 282合金、Inconel 740H合金和GH 984G合金的105h持久强度基本相当；在700 ℃时，HR6W合金105h持久强度低于100 MPa，其他候选材料的105h持久强度均能高于100 MPa，Haynes 282合金和Nimonic 263合金的105h持久强度基本相当；当温度进一步上升至750 ℃时，HR6W合金、GH 984G合金和CCA 617合金的105h持久强度低于100 MPa，Haynes 282合金、Inconel 740H合金和Nimonic 263合金的105h持久强度基本相当。

图2 6种候选材料的105 h持久强度

根据《动规》，分别计算了700 ℃超超临界机组主蒸汽和高温再热蒸汽采用6种候选材料后的管道规格理论计算值，见表3所列。

表3 主蒸汽和高温再热蒸汽管道规格理论计算值

由表3可见，当主蒸汽管道按HR6W合金和CCA617合金材料进行管道规格测算，Do/Di＞1.7，该值大于《动规》中关于管道壁厚计算公式的适用条件值，所以不能采用。按GH 984G合金、Nimonic 263合金、Haynes 282合金和Inconel 740H合金材料进行管道规格测算，外内径比均满足规范且同时满足在设计温度710 ℃时105h持久强度不低于100 MPa的要求，可作为700 ℃超超临界机组主蒸汽管道的候选材料。高温再热蒸汽管道按几个候选材料进行管道规格测算后，外内径比均满足规范要求，但HR6W合金和CCA 617合金材料在设计温度728 ℃时105h持久强度低于100 MPa，所以无法采用。GH 984G合金、Nimonic 263合金、Haynes 282合金和Inconel 740H合金材料在设计温度728 ℃时105h持久强度均高于100 MPa，可作为700 ℃超超临界机组高温再热蒸汽管道的候选材料。

4 四大管道设计优化

4.1 主厂房布置优化

由于主蒸汽和高温再热蒸汽管道采用了昂贵的镍基或铁镍基材料，为降低高温高压管道造价，可压缩汽机房和锅炉厂之间的距离，同时优化主厂房内的管道走向，从而减少主蒸汽和再热蒸汽管道长度。这样既能减少高温高压管道初投资，又能降低管道压降从而提高机组热经济性。对于700 ℃超超临界机组，推荐采用主厂房布置采用高位布置形式，如图3所示。

图3 主厂房高位布置示意图

采用主厂房高位布置后，和主厂房常规低位布置方案比，660 MW等级700 ℃超超临界一次再热机组的四大管道长度可减少约30%～40%，可降低机组的整体造价，优化量见表4所列[5]。但同时也面临一些技术难点，如管道的柔性补偿、汽轮机振动及地震扰动力的控制、高位汽轮发电机基座设计、主厂房及锅炉炉架结构设计、结构对管道布置及应力分析的影响、高位汽轮机的检修等。目前国内已有汽轮机高位布置的机组的投运，可为700 ℃超超临界机组主厂房布置提供经验借鉴。

表4 四大管道优化量对比

4.2 管道规格设计优化

流体在管道中流动时由于能量损失而引起的压力降低，这种能量损失是由流体流动时克服内摩擦力和克服湍流时流体质点间相互碰撞并交换动量而引起的，表现在流体流动的前后处产生压力差，即压降。

蒸汽管道的压降与管道规格、介质流速、管道长度、走向、布置形式及管件的型式和数量等因素有关。在选择不同的蒸汽流速时，管道规格和管道压降也会随之变化，管道规格大小直接影响管道的造价，而管道压降则会影响机组的热经济性，蒸汽流速不同时，管道规格、投资造价和热经济性能都会有一定的差异，最终管道规格的选取应通过技术经济比较来确定。采用主厂房高位布置方案后，经初步测算，主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道(管道材料按Haynes 282合金)在不同蒸汽设计流速下的技术经济对比见表5和表6所列。

表5 主蒸汽管道在不同蒸汽设计流速下的技术经济对比

表6 高温再热蒸汽管道在不同蒸汽设计流速下的技术经济对比

主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道在不同推荐介质流速下机组综合折现费用变化如图4和图5所示。

图4 主蒸汽管道在不同蒸汽流速下机组综合折现费用变化

图5 高温再热蒸汽管道在不同蒸汽流速下机组综合折现费用变化

可见，主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道在蒸汽设计流速区间内，机组综合折现费均先减少再增加，主蒸汽管道在蒸汽流速50 m/s附近出现最低点，高温再热蒸汽管道在蒸汽流速55 m/s出现最低点。图4和图5中的曲线最低点即是最佳经济点，因此，为提高机组的综合经济性(管道材料按Haynes 282合金分析)，660 MW等级700 ℃超超临界一次再热机组推荐主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道流速分别选取50 m/s和55 m/s，对应的管道规格分别为Di255×46 和Di465×24。

5 结论

1) 700 ℃超超临界机组主蒸汽和高温再热蒸汽管道材料的金属组织应长期稳定，持久强度高，抗蒸汽氧化和抗疲劳性能良好，加工工艺特性和焊接特性性能好良好，GH 984G合金、Nimonic 263合金、Haynes 282合金和Inconel 740H合金材料可作为主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道的候选材料，但仍需要进行大量实验研究来验证。

2)低温再热蒸汽管道可采用P11、A691 1-1/4CrCL32、12Cr1MoVG等成熟的合金材料，高压给水管道仍可采用15NiCuMoNb5无缝钢管。

3)为降低机组的造价，推荐主厂房采用高位布置，和主厂常规房低位布置方案比，660 MW等级700 ℃超超临界一次再热机组的四大管道长度可减少约30%～40%。

4)为提高机组的综合经济性，以管道材料选用Haynes 282合金为例，660 MW等级700 ℃超超临界一次再热机组推荐主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道流速分别选取50 m/s和55 m/s，对应的管道规格分别为Di255×46和Di465×24，具体根据工程特点对主蒸汽和高温再热蒸汽管道规格进行优化。