王 琨

（國電華北電力有限公司霍州發(fā)電廠，山西 臨汾 031413）

我國是主要運用煤炭能源的國家，在電力生產中燃煤占據(jù)著主要的地位，在今后很長的一段時間內，這種情況都不會改變，在能源資源緊缺的形式下，使用高效的、環(huán)保節(jié)能的、可靠性高的、大容量的發(fā)電技術，已經成為目前經濟發(fā)展迫切的需求了，超臨界和超超臨界發(fā)電技術是在國際上較為成熟的一種燃燒技術。

1 超超臨界技術

在發(fā)展高參數(shù)機組的時候，超臨界機組并不是比超超臨界機組先開發(fā)的，它們是一起開發(fā)的，超臨界機組在發(fā)展的時候，也并不是按照順序從22.2MPa，538/538℃發(fā)展的，蒸汽參數(shù)也是從高-低-高的過程發(fā)展過來的。為了使機組的效率得到提升，減少能源的浪費，降低有害氣體排放量，愛護環(huán)境，在經歷了二戰(zhàn)以后，超臨界與超超臨界機組逐漸出現(xiàn)在人們的視線中[1]。

最早使用超臨界發(fā)電技術的國家是美國，在20世紀50年代初的時候，就對超臨界以及超超臨界技術開始進行研究。在超超臨界機組中有兩臺是最具有代表性的：一個是GE和BW建造的PHILO電廠6號超超臨界機組，其容量是125MW，參數(shù)是31MPa/610/565/538℃，在1957年的時候開始運行；另外一個就是WH和CE建造的EDDYSTONE電廠1號超超臨界機組，其容量有325MW，參數(shù)是34.5MPa/650/565/565℃，在1959年開始運行。然而，因為超超臨界機組技術需要使用較高的蒸汽參數(shù)，這對于當時的技術發(fā)展來說，在材料方面還存在不足，所以在運行的過程中，出現(xiàn)了許多問題。在抗高溫氧化、熱強性以及腐蝕性這三方面來說，鐵素體鋼比奧氏體鋼要差得多，但奧氏體鋼也存在著許多問題，例如熱導性不好、應力腐蝕開裂敏感、晶間腐蝕、異種鋼焊接以及膨脹系數(shù)過大等。因為在開發(fā)超臨界和超超臨界技術的時候，對奧氏體鋼過分的依賴，所以上面這些問題對技術發(fā)展產生了阻礙，以至于技術上不得不回退至24.1MPa～26.5MPa，超臨界的參數(shù)變成538℃～543℃/538℃～566℃，并且在這個階段停留了20多年。

在這個時期，人們對新型的鐵素體鋼進行改進和研發(fā)，對奧氏體鋼的耐熱性進行提升。日本、美國以及許多歐洲國家對于能承受鍋爐熱度的新鋼種紛紛進行研究。經過長時間的開發(fā)與實驗，出現(xiàn)了一些新型的鐵素體和奧氏體，在國際權威機構的認證下，其具有優(yōu)良的抗腐蝕、抗高溫氧化以及熱強性，并且在焊接工藝方面也是非常好的，目前，在超臨界、超超臨界機組厚壁中應用的越來越多，大多數(shù)的高溫部件也使用了這種新材料。譬如在美國橡樹嶺的實驗室，他們在Valloure公司以及燃燒工程公司的幫助下，研發(fā)制作出T91鋼；在這之后，又出現(xiàn)了E911鋼，是歐洲的COST組織研發(fā)的；日本經過不懈的努力，在奧氏體鋼18Cr-8Ni以及鐵素體鋼2.25Cr、9Cr、12Cr的基礎上，研發(fā)出了新的耐熱鋼 ：NF616（T92/P92）、HCM2S（T23/P23）、HCM12A（T122/P122）等，其綜合性能更加優(yōu)良。

2 國內超超臨界鍋爐制造廠家

2.1 東方鍋爐

東方鍋爐是與巴布科克—日立（BNK）進行合作的，共同對產品的技術以及制造技術等各方面進行設計，各部分工作都有序的開展。BHK公司在技術和業(yè)績上面都是世界一流的，他們致力于超臨界本生直流鍋爐研發(fā)，在上個世界60年代的時候，就開始對超臨界直流爐進行研究，在發(fā)展鍋爐大容量高參數(shù)上，BHK公司在煤粉燃燒技術、脫硝技術、煙氣脫硫技術上面，十分重視這些技術的開發(fā)，對新型耐熱鋼種的研發(fā)和使用加大了投入。目前，東方鍋爐銷售出的亞臨界壓力本生爐在500MW及以下大約有13臺，超臨界壓力本生型直流鍋爐在600MW及以上的大概有21臺，從90年代開始，13臺容量在600MV及以上的超臨界壓力鍋爐全部的都是按照低污排放、變壓運行帶中間負荷調峰的本生直流爐，在這之中有12臺燃煤爐。BHK所制造的超臨界本生直流爐特點是：可靠性高、制作工藝精良、使用率高、具有優(yōu)良的性能、環(huán)保的措施好、高參數(shù)高效率、極大的降低了成本。

東方鍋爐是一家技術實力雄厚與完善的制造商，其在美國取得了ASME的授權證書，擁有鋼印三枚S、U、U2，是經過國家核安全局批準以及認證的民用核承壓設備制造商，具有三類容器設計制造許可證以及A級鍋爐生產許可證，GB/T19001-IS09001的質量體系對其進行認證并給予通過。東方鍋爐在生產裝備上面已經引入了用來生產超臨界本生型直流鍋爐的專業(yè)設施設備，具備了生產、研發(fā)600MW單機容量鍋爐的實力[2]。

2.2 哈爾濱鍋爐廠

三菱重工株式社會（MHI）是哈爾濱鍋爐廠的技術支持方，在著名的重型機器以及發(fā)電設備制造方面，MHI是名列全球的，對于超臨界以及超超臨界的研發(fā)也是排在世界前列的。目前來說，超臨界和超超臨界鍋爐容量大于500MW的，已經有高達60臺的設備在投運中，其中有21臺的超臨界鍋爐在變壓運行方面使用的是螺旋管圈水冷壁技術，12臺變壓超超臨界和超臨界鍋爐使用的是新型垂直管圈水冷壁技術。在超超臨界鍋爐上面使用變壓運行和內螺紋管垂直管圈技術，就代表著超超臨界鍋爐已經具有當前最新的水平。在2003年的時候，MHI在生產超臨界和超超臨界鍋爐上已經有68臺了，在這之中有59臺容量超過500MW的鍋爐，7臺1000MW的超臨界和超超臨界鍋爐；在運行方式上面來說，定壓運行的是32臺，變壓運行的是36臺；從蒸汽參數(shù)的角度看，9臺超超臨界鍋爐，參數(shù)為31MPa，566℃/566℃/566℃二次再熱的有2臺，剩下的都是一次再熱，24.1MPa～24.5MPa的蒸汽壓力，溫度為566℃/593℃，593℃/593℃到600℃/600℃。

MHI在目前來說，是生產最多超臨界和超超臨界鍋爐的廠商，也是火力發(fā)電設備最大的制造商。哈爾濱鍋爐廠是我們國家大型的用來研發(fā)電站鍋爐的基地，需要對新產品的研發(fā)工作提升重視程度，國內的研究所以及高等院校與哈爾濱鍋爐廠共同合作，對開發(fā)超臨界鍋爐的關鍵技術進行研究，并且收獲了多項研究成果[3]。

3 超超臨界鍋爐材料的選用

3.1 厚壁管道、聯(lián)箱用鋼

在高溫的情況下鐵素體緩慢出現(xiàn)變形的強度比較高，一般情況下，在制造鍋爐的時候，會選擇在聯(lián)箱、厚壁管道上使用這種材料，其厚度可以減薄，使成本降低。蒸汽管道在挑選材料性能的時候與聯(lián)箱相近，但是聯(lián)箱在使用的時候各個部位的溫度是不均勻的，連接的焊接口也是比較多的，所以在進行鋼材選擇的時候，需要對其耐熱性以及焊接性進行考慮。在蒸汽管道和聯(lián)箱選擇材料的時候，傳統(tǒng)的辦法是使用低合金鋼P22、P12，但是在鍋爐長期的運轉中會產生疲勞裂縫，其熱疲勞性比較差，而且在機組參數(shù)不斷提高的時候，損壞的會越來越嚴重。在德國、荷蘭、比利時等國家的熱電廠中曾經使用了HT91，這種材料相比P22來說，擁有更好的熱疲勞性以及抗蠕變性，但是在實際的使用過程中發(fā)現(xiàn)，如果溫度高于550℃，那么其抗蠕變性就會很明顯的下降，而且材料中的含碳量比較高，對其進行焊接的時候，和焊接后熱處理都是比較困難的，所以美國、日本、英國幾乎不會使用這種材料。日本在最近二十多年來新研發(fā)出HCM12M鋼體，美國也研制出P91鋼材，在抗蠕變方面具有較高的性能，受到人們的青睞。改良的9Cr合金P91鋼，尤其受到美國電力公司的喜愛，Chubu將其應用于Kawagoe電廠1號機組的蒸汽管道與聯(lián)箱，1983年的時候，ASME對三種用途不同的鋼體（T91、P91、F91）進行認證，并且很快普及全球。

如果鍋爐溫度超過600°，那么其厚壁部件在選擇材料的時候需要使用P92和P122這種新材料，因為P91的鋼體在運行的時候，蒸汽參數(shù)要在593℃/25MPa，德國在鋼材選擇上面抗儒性強度比美國與日本大約低10%。HCM12A（P122）與NF616（P92）這兩種日本研制的合金鋼在性能方面都很優(yōu)異，ASME已經對其進行認可，可以在超臨界機組的高溫管道以及聯(lián)箱上面使用這兩種材料。同時，E911這種由歐洲研發(fā)的鋼材，在應用前景上面也是很好的，在600℃的蒸汽高溫下比P91的蠕變強度高出了25%，可以在蒸汽參數(shù)620℃/34MPa下運行。

在進行新型鐵素體鋼的選擇時，需要對以下幾個因素進行考慮：①新型鐵素體鋼（E911、NF616）在性能方面來說，其抗氧化是沒有奧氏體合金鋼強的，所以在對高溫區(qū)用鋼前必須要進行仔細的調查；②在焊接完鋼體后，盡量減少熱處理的區(qū)域以及費用[4]；③在面對不同種類的鋼材進行焊接的時候，需要對溫度的因素進行考慮，因為焊接的部位會產生蠕變，其斷裂的強度也是重點考慮因素；其次，在選擇使用新型鋼種的時候，還要對成本和安裝、焊接的費用進行評估，選取最合適的最節(jié)省的鋼材。

3.2 過熱器、再熱器管用鋼

從材料的抗蠕變性能上來看，在超臨界鍋爐上鐵素體管材的選取應該和管道集箱是相似的。在溫度538℃下可以使用T22管材；在溫度563℃以下，可以應用T91、HT91、HCM12以及XCM9M管材；溫度593℃下，可以使用E911、P122和T92。

過熱器和再過熱器在火電機組鍋爐中是非常重要的部件，其在運行中承受著最為惡劣的工作環(huán)境，是過熱器和再過熱氣所使用的管子材料，要求必須具有高強度的抗蠕變性，在溫度和壓力下可運行的范圍內，其需要對安全裕度進行充分的保留，煙氣側與蒸汽側對管子會產生腐蝕和氧化，會出現(xiàn)固體顆粒脫落額情況，影響機組的運行，使設備的使用壽命被縮短，所以在選材的時候還需要對這兩方面進行考慮。所以，在選擇過熱器和再過熱器其的材料時，要對其出口的高溫區(qū)域進行考慮，因為蒸汽溫度相比于鐵素體鋼的溫度來說，其管子壁的溫度是大于限制溫度的，選材的時候要使用奧氏體鋼[5]。

在蒸汽溫度達到565℃的時候，選取過熱器和再過熱器的材料可以選擇AISI304、HCM12M、T91，如果出現(xiàn)腐蝕的情況，那么可以選擇較為經濟的不銹鋼材料（滲鉻347型、HR3C），如果只是輕微的腐蝕，那么可以選擇抗腐蝕性以及蠕變強度都很好的HR3C合金，如果是很嚴重的腐蝕，那么推薦采取保護層IN72（44%Cr-balNi）；在蒸汽溫度已經高于620℃的時候，在沒有任何腐蝕的情況下可以使用TempaloyAA1、Esshete1250、17CuMo～14CuMo以及Super304H，如果是輕微的腐蝕，可以采用抗腐蝕能力較好，蠕變程度又可以滿足需求的20%Cr～25%Cr合金，比如說NF709、CR30A，如果是嚴重的腐蝕，那么也是一樣需要使用保護層IN72（44%Cr-balNi）；如果想要達到超臨界650℃的需求，只有蠕變強度高的NF709、Esshete1250、17CuMo～14CuMo、Inconel617才能滿足需求，在這之中抗腐蝕性比較弱的是Esshete1250和17CuMo～14CuMo，可以將Inconel617合金作為腐蝕環(huán)境中的保護層提升材料抗腐蝕能力，在輕微的腐蝕環(huán)境中，可以直接使用CR30A與NF709，嚴重腐蝕的情況下同樣需要使用IN72。

3.3 冷水壁用材的選擇

超臨界鍋爐在使用的時候，因為提升了介質的溫度，T11、T12的低合金鐵素體和T23鋼體在使用的時候不需要進行焊前預熱，焊后也不用熱處理，所以更加符合實際使用的需求，T23鋼在抗蠕性方面與T91是相似的，在不對蒸汽氧化和煙氣腐蝕進行規(guī)劃的時候，他們可以承受的溫度在600℃左右。歐洲的COTS組織在水冷壁管道用材中指出T91是適用的，但是有一個問題是焊后的熱處理比較困難。所以超超臨界鍋爐在選擇水冷壁管的材料時，T23是最合適的。

4 結束語

在發(fā)展超超臨界鍋爐的道路上，我們國家采取的方式是引進新技術、學習新的知識、研發(fā)新技術、創(chuàng)新鍋爐技術。將國外成熟的鋼材引入國內進行研究，逐漸的實現(xiàn)鋼材國產化。在國家的大力付扶持下，我們國家的大型鍋爐制造工廠，如東方鍋爐廠、哈爾濱鍋爐廠等都在進行“超超臨界燃煤發(fā)電技術”的研究，對T23、T24、T/P92、HCM12A等適用于超超臨界鍋爐的鋼材進行研究和試驗，推動我國超超臨界技術的發(fā)展。