火电机组高端锅炉耐热钢的发展

LIU1018

火电机组高端锅炉耐热钢的发展

    1.火电用耐热钢的发展背景
    火力发电机组用耐热钢的发展与世界上的能源危机相关联，1973年和1978年两次能源危机使欧美、日本各国重视燃煤的火力发电，替代燃油动力，提高发电效率，降低成本。20世纪90年代初，各国重视环境污染，进一步提高发电机组参数和热效率，由此，促进了火电机组和火电用耐热钢的快速发展。
    中国的情况也很相似。由于改革开放，经济高速发展，能源和资源成为发展的瓶颈，在2000～2004年出现电力严重短缺。经济可持续发展的核心是能源，中国是“富煤、缺油、少气”的资源性国家，其能源发展是以煤为主体，电为中心。为了在未来10年实现10～15亿kW装机容量，估计2001～2030年间，中国能源投资约2.3万亿美元，80%用于电力建设，其中50%用于发电设备。
    燃煤火力发电是我国电力的主体，装机容量约占75%以上，发电量占80%以上，未来10年内这种格局基本不会改变。由于亚临界、超临界和超超临界机组约占50%，导致我国的火电机组平均煤耗水平约为357g/kWh，平均热效率约为33%，先进工业国家煤耗约为300g/kWh，平均热效率约40%，按2007年火力发电量26980亿kW时计算，若全部采用超超临界机组发电可节省原煤近3亿t，约占全国用煤量的1/10，可减少CO2排放5.4亿t，SO2 300万t，NO2 400万t。目前煤电造成的排放污染约占全国的50%以上，由此表明，发展超临界和超超临界火电机组对降低成本、节约煤炭资源，减少污染具有重大而长远的意义。
    2. 火电机组的发展和现状
    火电机组的发展已历经百年，发达国家超临界机组运用已有40多年的历史，1949年苏联建造了第1台超超临界试验机组才有所突破，人们认识到发电提高效率和降低煤耗的意义，50年代，美国、西德、日本相继仿制，但因缺少高性能耐热钢，被迫将机组降到超临界参数运行，直到1978年美国研制成功铁素体耐热钢T91/P91才使火电机组发展到超超临界。历史上发生的超超临界机组－超临界机组－超超临界机组的发展过程经历了20年，这是一个曲折的发展过程，它告诉人们，高端耐热钢是火电机组发展的基础。
    （１）美国是发展超超临界技术最早的国家之一，1957年第1台超超临界机组在Philo电厂投运，12.5万kW，31MPa，621/566/538℃。1958年，第2台机组在Eddystone电厂投运，32.5万kW，34.4MPa，649/566/566 ℃，因锅炉过热器高温热疲劳和腐蚀和汽轮机高压缸蠕变变形，被迫于1963年降至31MPa，610/577/577℃运行。在随后的20年中主要用超临界机组，一般参数为24.1MPa，538/538/ 552(566)℃。80年代，由于燃料价格上涨和对环保要求提高，美国电力研究院（EPRI）又重新开始超超临界机组技术的研究，参数为31MPa，593/593/593℃。美国GE公司向日本出口26.6 MPa/577/600℃和25MPa/600/ 610℃超超临界机组，近年来正在建设高参数、大容量机组（38.5 MPa/760/760/760 ℃）。
    （２）苏联是发展超临界和超超临界机组最早的国家，1949年投入了第一台超超临界试验机组，30万kW，29.4MPa，600℃，后又投入一台10万kW，29.4MPa，650℃。1963年正式投入运行的30万kW超超临界机组参数为23.5MPa/580/565℃。由于高温腐蚀严重等问题，蒸汽温度降为540/540℃。其后投运的50、80、120万kW机组基本上都是超临界参数，蒸汽温度565/570℃。苏联在30万kW以上机组都是超临界参数，共有200多台，占总装机容量50%以上，当时煤耗已达326g/kWh水平。近年来，俄罗斯的大容量超超临界机组参数为28～30MPa，580～600℃。
    （３）德国是研究和制造超超临界机组最早的国家之一，1956年投运8.8万kW，34MPa，610/570/570℃机组，1972年投运43万kW，24.5MPa，535/535℃和1979年投运47.5万kW，25.5MPa，530/540/530℃超临界机组。90年代以来，德国投运和在建的超超临界机组约20台(1992.8，Staudinger电厂，1999年Lippendorf电厂，2000年Niederaubem电厂以及Hessler电厂等等)基本上都是大容量、高参数机组。
    （４）日本发展超超临界机组起步较晚，但发展速度很快，成效明显。1967年日立公司由美国B&W公司引进第一台超临界机组（66万kW，24.12MPa，538/566℃）在沛崎电厂投运，其后，其他公司从美国和德国引超超临界技术，在政府的支持下大力发展超超临界技术。日本走引进、仿制、创新的路线，从亚临界到超超临界，从30万kW，60万kW到100万kW，每上一个等级只需3～4年。日本在1981年开始超超临界计划（1981～2001年），第一步31MPa，566/566/566℃，第二步34MPa，593/593/593℃。三菱公司设计的70万kW，31.6MPa，566/566/566℃的两台机组，分别于1989年和1991年在川越电厂投运。日本的阳光计划是34.3MPa/650℃。
    （5）欧洲发展超临界机组与日本相似，大多数采用高温和一次再热，所不同的是主蒸汽压力较高。1998～2003年的目标620℃，COST 536(2004～2009年)目标650℃。意大利和丹麦主要发展超临界和超超临界机组，丹麦1998和2001年投运的两台40万kW，29MPa，582/580 /580℃机组热效率达47%为当今世界上热效率最高的火电机组。
    （６）中国从中压火电机组发展到超临界火电机组大约经历了40年。1981年从美国CE公司引进了30万kW和60万kW超临界火电机组，并于1987、1989年建成投入运行。80年代末从瑞士ABB公司进口了超临界火电机组，安装在上海石洞口二厂， 2台60万kW机组（24.2MPa，538/566℃），1992年投入运行。后来又从俄罗斯等国进口超临界火电机组。第一台国产超临界42.5万kW机组是由北京巴威公司制造成功并于2000年投入运行，第一台超超临界100万kW机组是由哈锅制造成功并于2006年11月投入运行（26.25 MPa，600/600℃）。2007年底，我国总装机容量为7.1329亿kW，火电占77.73%，发电量为32559亿kW时，火电占82.86%。2007年底，企业承接和投标的600万kW超临界机组约220台，60万级超超临界机组76台，100万kW超超临界机组94台，共约27160万kW。
    3. 火电机组锅炉用耐热钢的发展和现状
    火电机组用耐热钢，从总的方面看，美国、日本、欧洲在蒸汽温度600℃的超临界和超超临界机组材料经10多年的运行已经可以满足使用要求，正在研制650℃蒸汽温度参数机组用材，预研≥700℃蒸汽温度参数机组用材。中国的火电机组用耐热钢技术处于引进、消化、吸收、国产化阶段，还有大量的试验、研究、试制和评定工作需要做。中国火电机组在装机容量和用电量方面是是仅次于美国的第2大国，目前火电用耐热钢的需求量是世界上第一大国。预计在10年内会超过美国。
    耐热钢的发展水平，决定了不同时期火电机组运行参数，在20世纪20年代使用碳钢，蒸汽压力4MPa，温度370℃。随后Mo钢的出现，参数提高到10MPa，480℃。直到50年代，CrMo钢的应用，参数提高到17MPa，566℃。美国第2台超超临界机组在Eddystone电厂1号机组运行，由于使用奥氏体厚壁钢管，导热系数低，热膨胀系数高，造成热疲劳后开裂，迫使电力公司将机组参数降到亚临界17MPa，525℃。70年代能源危机，燃料暴涨，为了提高热效率，使美、日、欧各国重新开始对高参数用钢的开发研究，重点发展导热系数大，热膨胀系数小的铁素体型（马氏体）钢，尤其是9％～12%Cr钢的研究，替代奥氏体钢。
    高端锅炉耐热钢分为铁素体钢和奥氏体钢两类。
    （1）铁素体型锅炉耐热钢的发展
    按照钢的最高使用温度大致可以分为4个发展阶段（见表1和图1）。在60～70年代G102、EM12、HT91、HCM9M等钢号对亚临界机组的发展起很大贡献，直到1970～1985年期间T91/P91的发展，提高了持久强度、可焊性等，才保证了超临界机组（≤600℃）的成功运行和超超临界机组的试验建造。1985年以后T92（NF616）、E911、HCM12A（T122/P122）的研制成功，使钢进一步强化，持久强度保持在较高水平，保证了超超临界机组的安全运行。近十年来，世界各国都在为620～650℃蒸汽参数机组的锅炉耐热钢进行探索研究，在上述钢号的基础上进一步提高W含量并添加Co，发展了NF12、SAVE12等钢号，我国也在开展探索性研究。希望充分发挥铁素体耐热钢导热性好、热膨胀系数小、热疲劳性能好、焊接性好、成本低的优势。
　　                       表1　　 铁素体型锅炉耐热钢发展阶段
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　　发展   年代   耐热钢最高  高温持久强
　　阶段           使用温度  度MPa(105h)    典型钢号和合金化特点                                                      机组
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　　 1  1960～1970  ≤565℃    ≤60     G102,HT91,HCM9M,EM12Cr+固溶强化元素(Mo,Nb)    亚临界
　　 2  1970～1985  ≤600℃    ≤115    HCM12, T/P91  优化C和增加V,N,B                                  超临界
　　 3  1985～1995  ≤620℃    ≤140    E911,P122,P91,X20CrMoV121  增加W,Cu                   超超临界
　　 4  1995年以后  ≤650℃    ≤180    NF12, SAVE12增加W和Co                                                超超临界
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    （2）奥氏体型锅炉钢的发展
    奥氏体耐热钢由于Cr、Ni含量大幅度提高，使钢的高温持久强度、抗蒸汽腐蚀和抗灰腐蚀性能比铁素体钢有大幅度提高，用于过热器和再热器。奥氏体型锅炉耐热钢的演变大致分为4个阶段：第1阶段为18-8+Ti、Nb、Mo，第2阶段18-8+强化元素量提高，第3阶段有两类，一类是18-8+Nb、W+N、B、Cu，代表性的钢号有TP347HFG、Supper304H、XA704，一类是25-20+Mo、Nb+N、B，这一阶段解决了超临界和超超临界锅炉用钢，代表性的钢号有HR3C、NF709，第4阶段是近几年正在发展的钢号，其特点是兼顾高的持久强度和抗蒸汽腐蚀性能，如NF709R，SAVE25等钢号，我国正在开展新的研究。
    4.展望
    中国的电力高速发展是改革开放推进了经济发展的必然结果。在未来的十年中，火电仍然是主体，因此发展更高参数的超超临界机组，提高热效率、降低成本、减少煤耗和污染，还需要高性能、高性能价格比的高端耐热钢满足新的、高参数锅炉的需求。我们希望大力开展锅炉耐热钢基础科学的研究，研究高温长时应力和腐蚀条件下钢的组织变化及其对力学性能和腐蚀性能的影响；研究强化机理和失效机理；研究寿命预测和性能监督方法；研究蒸汽腐蚀、灰腐蚀、晶间腐蚀机理。希望以企业为主体开展生产工艺研究，研究冶金工艺对析出相、夹杂物的影响；研究热处理对组织和性能的影响；研究喷丸处理表面对蒸汽腐蚀性能的影响。掌握和利用高端锅炉耐热钢的特点，促进国产化的进程机制正在我国逐步建立。