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1、700超超临界机组高温材料研发最新进展毛健雄清华大学热能工程系摘要：中国现在是燃煤火电装机容量最大的国家， 也是二氧化碳排放最大的国家，尽可能提高电厂效率，大力发展超超临界燃煤火电技术， 是当前降低火电二氧化碳排放最现实、最可行、最经济、最有效的途径。本文重点介绍欧盟的AD700和COMTES700等计划，以及美国和日本的700 超超临界计划对高温材料研发的最新进展，其中包括材料试验、高温材料部件挂炉试验结果和示范厂计划，与此同时， 文章还就高温金属材料用于700 等级超超临界机组的瓶颈和制约因素和解决方案进行了探讨。关键词：700超超临界技术；高温金属材料1 前言中国是目前世界最大的煤炭生产
2、和消费国，也是世界上最大的二氧化碳排放国。为了应对气候变化，中国现在面临着巨大的二氧化碳减排压力。2010年中国煤炭消费量达32亿吨，其中用于燃煤发电的煤量约占全国总煤炭消费量的55%， 实际上， 燃煤火电是中国最大也是最集中的二氧化碳排放源。图1所示， 为燃煤火电厂降低二氧化碳排放的可能技术途径，其中碳捕获和埋存技术（Carbon Capture and Storage CCS）是高能耗和高投资的技术，现在还处于研发阶段，并不是当前可实用的技术。大容量火电厂煤与生物质混烧发电，目前中国还没有相应的激励政策，而且其推广应用还受到各种因素的制约，对二氧化碳的减排贡献有限。因此，在CCS能够得到大
3、规模推广应用之前的一个相当长的时期内，最可行、经济、可靠的燃煤火电机组二氧化碳减排的途径就是提高效率，其途径是：（1）坚持“上大压小”政策，坚决关停低效率的小机组，大力发展大容量高效率火电机组； （2）千方百计，技术创新，尽可能提高现有火电厂的效率；（3）大力发展高参数更先进的超超临界技术，进一步将600等级超超临界机组的净效率提高到48%以上；（4）发展更大容量的先进的37.5MPa/700/720/720双再热机组，将1,000-1,500MWe超超临界机组净效率提高到50%以上。时间提高效率CO2排放降低率煤与生物质混烧发电（CCS)碳捕获和封存（CCS)长期中期近期图1 燃煤火电厂走向
4、二氧化碳接近零排放的技术途径表1为各种蒸汽参数火电机组热效率的比较，表2为中国现在投运的不同蒸汽参数机组的设计性能比较。由表1可见，对于火电机组，蒸汽参数越高，再热次数越多，给水温度越高，则效率越高。因此，现在火电机组提高效率的主要途径，就是提高蒸汽参数，发展超临界和超超临界机组。表3为火电厂净效率和CO2排放的关系，表4为火电机组热效率、发电煤耗和每度电CO2排放量之间的关系，它们表明了提高效率和CO2减排之间的定量关系。例如，1,000MWe的超超临界机组要比600MWe亚临界机组的标准煤耗低33 gce/kwh，而正在开发的最先进的700超超临界机组，其净效率可达53%，其每度电的CO2
5、排放量要比现在世界的平均水平低42 gce/kwh。因此，尽可能提高蒸汽参数是大大提高效率、降低煤耗和减排CO2的重要措施。表1 各种蒸汽参数火电机组热效率的比较机组类型蒸汽参数再热次数（次数）给水温度（)热效率(%)亚临界17MPa/540/540127535超临界24MPa/538/566127540超超临界25MPa/600/600127545超超临界35MPa/700/700127548.5超超临界30MPa/700/720/720231051超超临界35MPa/700/720/720232052.5超超临界37.5MPa/700/720/720233553表2 中国现在投运的不同蒸汽
6、参数机组的设计性能比较机组类型亚临界2600MWe超临界2600MWe超超临界21,000MWe蒸汽参数16.7MPa/538/53824.5MPa/538/56624.5MPa/566/566汽轮机的热(Kcal/kwh)1,8771,8301,780热效率 (低位热值) ()3942.9143.63标准煤耗 (gce/kwh)315286282煤耗的降低 (gce/kwh)基数2933表3 火电厂净效率和CO2排放的关系燃煤火电厂净效率%单位发电量CO2排放值g/kWHhCO2减排率%301100基数3595013.64082025.54575031.85068038.25560045.5
7、表4 火电机组热效率、发电煤耗和每度电CO2排放量之间的关系项目世界最高水平世界先进水平欧盟平均水平世界平均水平热效率（）50453830发电煤耗（gec/kWh)238320379480CO2排放值（g/kWh)6697439911,1601kWh的CO2减排（）423624基数根据这一指导思想，中国采取了“上大压小”等一系列政策，大大推动力大容量、高参数超超临界机组的发展。据统计，自2007年以来中国订货的600 等级的1000MWe 超超临界机组为97台，总容量为97,000MWe 。至2010年底在建68台，现在已建成投产的29台。以上海外高桥三电厂为代表的1000MWe 超超临界机组
8、，其2010年的供电煤耗达279gce/kWh，为世界上最先进的水平。这一1000MWe 超超临界机组每度电的二氧化碳排放要比全国平均水平低200 g/kWh以上。发展高参数高效率的超超临界机组，关键是材料。现在能够满足600 蒸汽参数超超临界机组的合金铁素体（Ferrite）和合金奥氏体（Austenite ) 材料已经在现有600超超临界机组中得到大规模的应用。 为了进一步将机组的净效率提高到50% 以上， 就必须将蒸汽温度提高到700以上，这样，能够满足600 蒸汽参数的合金铁素体和合金奥氏体材料已经不能满足要求，必须采用镍基合金材料。水冷壁材料 过热器/再热器材料 主蒸汽/再热蒸汽管和
9、集箱材料 图2 不同蒸汽参数的超临界锅炉的材料表5 超临界和超超临界煤粉炉采用的高温耐热材料的发展项目当前使用材料当前最新技术材料今后研发的新技术材料蒸汽参数23.5MPa/ 540/560300MPa/600 /620358MPa/700 /720水冷壁5Mo3/BS/Grade 243ASTM A213/T24 或T23(HCM2S)HCM12过热器和再热器T91;T23NF709/E1250/T91Ni基合金集箱和蒸汽管道P91/P22/P23A336/P92/P122/NF616/AC66/E1250Ni基合金图2、图3和表1为不同蒸汽参数的超临界锅炉的材料，由图2可见，对于蒸汽参数为
10、350bar和过热及再热蒸汽温度为700/720的超超临界机组，其过热器/再热器和主蒸汽/再热蒸汽管道和集箱就必须采用镍基合金材料。图3 表明，对于蒸汽温度为540的超临界锅炉，可以100%采用铁素体合金钢；对于蒸汽参数为600/620的超超临界锅炉，高温段要采用20%的奥氏体合金钢；对于蒸汽强度为700/720的超临界锅炉，除了24%的材料是奥氏体合金钢外，700温度段的镍基合金材料占整个锅炉材料的16%，而镍基合金材料要占整个700超超临界机组材料的29%。80%铁素体60%铁素体100%铁素体图3 不同蒸汽参数对锅炉材料的不同要求及高温材料所占的份额2 700 镍基合金材料的研发为了研发
11、蒸汽温度为700先进超超临界机组， 欧盟、美国、日本和中国先后开展了700镍基合金高温材料的研发。700等级材料的挑战在于：（1）迄今已开发出的铁素体和奥氏体高温材料未能满足在700的条件下蠕变强度的要求；（2）Ni-Co 基合金材料由于其很差的韧性、抗疲劳特性和可加工性，要研发其可用于700等级的大直径厚壁管道。因此首先要对已开发出的候选铁素体、奥氏体和镍基材料进行进一步的改进和试验。700超超临界火电机组对高温材料的基本要求是：（1）高温持久蠕变性能：（100MPa 700750/105h持久强度）（2）耐高温腐蚀性能：（105h金属截面损失小于1mm）（3）长期组织稳定性。（4）管内壁抗
12、蒸汽氧化；（5）良好的冷热加工工艺性能；（6）良好的焊接性能。（7）管外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀；（8）低成本。具体要求见表2：表2 对 700等级超超临界锅炉的材料要求材料性质材料要求和评估高温强度蠕变强度基础技术和焊接件的蠕变强度热疲劳材料性质蠕变疲劳在启动、稳定态运行和停机时管道热膨胀时管道蠕变疲劳的交互作用及其寿命的评估抗腐蚀烟气侧腐蚀过热器管子燃烧侧腐蚀蒸汽侧氧化蒸汽管子和管道内表面氧化皮的厚度和脱落特性焊接特性焊接时固化、液化和低延伸性的焊接断裂加工制造特性热弯管修理特性使用多年的管子的焊接特性检测和质量评估特性各种监测试验的适用性成本材料成本和附加的加工制造成本从已开发用于燃气轮
13、机和化工有业绩的奥氏体和Ni基材料中选取700超超临界候选材料包括有：（1）锅炉管道: HR6W、174、 Inconel 617、 Inconel 740、 Nimonic 263;（2）汽机锻件: Inconel 625、617(改进型TOSIX)、 Inconel 718、 Nimonic 263、 IN 706（改进为FENIX700）、LTES（3）汽机铸件: Inconel 625、 Inconel 617（4）汽机叶片棒材; Wasp-alloy，N105（5）螺栓: M252(USC141)、LTES其中最主要的700等级镍基候选材料的特点是：（1）Inconel 617合金：
14、是美国研制的镍基合金（0.08C-22Cr-12Co-9Mo-2Fe-1,OA1-0.4Ti-B). 主要是固溶强化和少量的Ni3(Al、Ti)相强化。其700的10万小时持久蠕变强度为120MPa。750的10万小时持久蠕变强度为90-100MPa。过去只有3万小时持久蠕变强度试验数据；（2）Inconel 740合金：是美国特殊金属公司研发的镍基合金（0.04C-24Cr-20Co-2Nb-6Ti-1.OAi-0.5Mo),时效强化型合金，主要依靠Ni3(Al/Ti) 相强化。其700 10 万小时持久蠕变强度为210MPa。其750时的持久强度为130MPa;（3）Inconel 625合金：是美国研制的镍基合金（ 0.05C-21Cr-9.0Mo-3.3Nb-0.2Ti-0.2Al-5Fe),其性能接近Inconel 617合金；（4）Nimonic 263合金:是英国Nimonic公司研制的镍基合（ 0.06C-20Cr-20Co-6Mo-2Fe-2.2Ti-0.6Al).其70000 持久蠕变强度为150MPa。其750持久蠕变强度为115MPa,性能水平接近Inconel 740合金研发适合于70000等级先进超超临界机组的镍基合金的主要要求和挑战是：
