羅建松

(中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

0 引言

我國的能源特點(diǎn)是“富煤、貧油、少氣”，這意味著在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)能源消費(fèi)仍將以煤炭為主。近年來，隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，煤炭在我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重有所下降，但仍占全國能源消費(fèi)總量的50%以上，煤炭作為主體能源的地位依然沒有改變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國煤電裝機(jī)占總發(fā)電裝機(jī)容量的比重為46.7%，煤電發(fā)電量占總發(fā)電量比重為60.0%，煤電仍是國內(nèi)電力供應(yīng)主力之一[1-2]。

2020年9月，我國提出“碳達(dá)峰、碳中和”的“雙碳”目標(biāo)，“減碳”被視為能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的主要舉措，對于煤電而言，提高初參數(shù)是降低機(jī)組煤耗率、減少CO2等污染物排放的有效手段之一[3]。與600 ℃超超臨界發(fā)電技術(shù)相比，700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的凈效率將提高至50%以上，可大幅度減少CO2排放量。但提高蒸汽溫度和壓力參數(shù)后，對金屬材料提出了更高的要求，研發(fā)適用于700 ℃超超臨界機(jī)組的新型合金材料已成為700 ℃技術(shù)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。

1 系統(tǒng)簡述

根據(jù)國內(nèi)科研院所、設(shè)計(jì)院、主機(jī)廠等單位的技術(shù)積累和研究成果，綜合制造能力和造價(jià)等因素，本文選擇660 MW等級700 ℃超超臨界一次再熱機(jī)組作為研究對象。熱力系統(tǒng)采用帶變頻發(fā)電機(jī)的抽汽背壓式小汽輪機(jī)(back pressure extraction steam turbine，BEST)回?zé)嵯到y(tǒng)[4]，機(jī)組采用12級非調(diào)整抽汽，分別供5級高壓加熱器、1級除氧器和6級低壓加熱器，原則性熱力系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 700 ℃超超臨界機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)圖

700 ℃超超臨界機(jī)組主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道采用2-2型式、低溫再熱蒸汽管道采用2-1型式，高壓給水管道采用單管型式。道的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和流量見表1所列。

表1 700 ℃超超臨界機(jī)組四大管道的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和流量

2 設(shè)計(jì)參數(shù)選取及耐高溫材料選擇原則

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)選取

四大管道選材取決于蒸汽設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)某主機(jī)廠配合提供的熱平衡圖計(jì)算得到四大管

2.2 耐高溫材料選擇原則

2.2.1 主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道

根據(jù)DL/T 715—2015《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》，600 ℃等級超超臨界機(jī)組通常首選 P91 、P92 等鐵素體耐熱鋼作為主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道用材，但隨著蒸汽初參數(shù)溫度的逐步提升，上述材料的許用應(yīng)力急劇降低，對于700 ℃超超臨界機(jī)組，包括P91、P92材料在內(nèi)的傳統(tǒng)鐵素體耐熱鋼已經(jīng)不能滿足要求，需要尋找新的耐高溫材料。

2.2.2 低溫再熱蒸汽管道

根據(jù)GB 50764—2012《電廠動(dòng)力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《動(dòng)規(guī)》)，低溫再熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)壓力取用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門全開工況熱平衡中高壓缸排汽壓力的1.15倍。設(shè)計(jì)溫度取用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門全開工況下高壓缸排汽參數(shù)，等熵求取在管道設(shè)計(jì)壓力下的相應(yīng)溫度。國內(nèi)600 ℃等級超超臨界機(jī)組的低溫再熱蒸汽管道材料主要采用A672870CL32電熔焊接鋼管或A691Crl-1/4CL22電熔焊接鋼管。由表1可見，700 ℃超超臨界機(jī)組的低溫再熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)壓力為9.18 MPa，設(shè)計(jì)溫度為451.8 ℃，可采用P11、A691 1-1/4CrCL32、12Cr1MoVG等合金材料。

2.2.3 高壓給水管道

根據(jù)《動(dòng)規(guī)》，高壓給水管道的設(shè)計(jì)壓力取用泵在額定轉(zhuǎn)速特性曲線最高點(diǎn)對應(yīng)的壓力與進(jìn)水側(cè)壓力之和；從泵出口第一個(gè)關(guān)斷閥至鍋爐省煤器進(jìn)口區(qū)段，應(yīng)取用在額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)流量下泵提升壓力的1.1倍與泵進(jìn)水側(cè)壓力之和。設(shè)計(jì)溫度取用高壓加熱器后高壓給水的最高工作溫度。國內(nèi)600 ℃等級超超臨界機(jī)組的高壓給水管道材料普遍采用15NiCuMoNb5無縫鋼管，由表1可見，700 ℃超超臨界機(jī)組的高壓給水管道的設(shè)計(jì)壓力約為50 MPa，和600 ℃等級機(jī)組相比高約6 MPa；設(shè)計(jì)溫度為330 ℃和600 ℃等級機(jī)組基本相當(dāng)，仍可采用15NiCuMoNb5無縫鋼管。

鑒于700 ℃超超臨界機(jī)組的低溫再熱蒸汽管道和高壓給水管道均不涉及新材料的應(yīng)用，因此下文將重點(diǎn)對700 ℃超超臨界機(jī)組的主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道的選材和規(guī)格優(yōu)化進(jìn)行論述分析。

3 四大管道選材建議

3.1 700 ℃機(jī)組耐熱金屬的研發(fā)現(xiàn)狀

針對700 ℃超超臨界機(jī)組，國內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究和材料的研發(fā)，鐵鎳基和鎳基合金因其優(yōu)異的高溫性能被認(rèn)為是700 ℃超超臨界機(jī)組主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道的候選材料。6種候選材料主要概況見表2所列。

表2 幾種候選材料主要概況

3.2 700 ℃機(jī)組主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道用材料分析

為保證機(jī)組能安全穩(wěn)定的在服役年限內(nèi)運(yùn)行，700 ℃超超臨界機(jī)組主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道材料應(yīng)具備以下條件：1)金屬組織長期穩(wěn)定；2)持久強(qiáng)度高；3)良好的抗蒸汽氧化和抗疲勞性能；4)良好的加工工藝特性和焊接特性性能 。

持久強(qiáng)度作為超超臨界機(jī)組用耐熱材料最重要的性能之一，可以反映機(jī)組運(yùn)行過程中溫度和應(yīng)力對材料組織性能的影響。6種候選材料的持久強(qiáng)度如圖 2所示。

由圖2可見，隨著溫度升高，6種候選材料105h持久強(qiáng)度均呈下降趨勢，在650 ℃時(shí)，所有候選材料的105h持久強(qiáng)度均能高于100 MPa，其中Haynes 282合金、Inconel 740H合金和GH 984G合金的105h持久強(qiáng)度基本相當(dāng)；在700 ℃時(shí)，HR6W合金105h持久強(qiáng)度低于100 MPa，其他候選材料的105h持久強(qiáng)度均能高于100 MPa，Haynes 282合金和Nimonic 263合金的105h持久強(qiáng)度基本相當(dāng)；當(dāng)溫度進(jìn)一步上升至750 ℃時(shí)，HR6W合金、GH 984G合金和CCA 617合金的105h持久強(qiáng)度低于100 MPa，Haynes 282合金、Inconel 740H合金和Nimonic 263合金的105h持久強(qiáng)度基本相當(dāng)。

圖2 6種候選材料的105 h持久強(qiáng)度

根據(jù)《動(dòng)規(guī)》，分別計(jì)算了700 ℃超超臨界機(jī)組主蒸汽和高溫再熱蒸汽采用6種候選材料后的管道規(guī)格理論計(jì)算值，見表3所列。

表3 主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道規(guī)格理論計(jì)算值

由表3可見，當(dāng)主蒸汽管道按HR6W合金和CCA617合金材料進(jìn)行管道規(guī)格測算，Do/Di＞1.7，該值大于《動(dòng)規(guī)》中關(guān)于管道壁厚計(jì)算公式的適用條件值，所以不能采用。按GH 984G合金、Nimonic 263合金、Haynes 282合金和Inconel 740H合金材料進(jìn)行管道規(guī)格測算，外內(nèi)徑比均滿足規(guī)范且同時(shí)滿足在設(shè)計(jì)溫度710 ℃時(shí)105h持久強(qiáng)度不低于100 MPa的要求，可作為700 ℃超超臨界機(jī)組主蒸汽管道的候選材料。高溫再熱蒸汽管道按幾個(gè)候選材料進(jìn)行管道規(guī)格測算后，外內(nèi)徑比均滿足規(guī)范要求，但HR6W合金和CCA 617合金材料在設(shè)計(jì)溫度728 ℃時(shí)105h持久強(qiáng)度低于100 MPa，所以無法采用。GH 984G合金、Nimonic 263合金、Haynes 282合金和Inconel 740H合金材料在設(shè)計(jì)溫度728 ℃時(shí)105h持久強(qiáng)度均高于100 MPa，可作為700 ℃超超臨界機(jī)組高溫再熱蒸汽管道的候選材料。

4 四大管道設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 主廠房布置優(yōu)化

由于主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道采用了昂貴的鎳基或鐵鎳基材料，為降低高溫高壓管道造價(jià)，可壓縮汽機(jī)房和鍋爐廠之間的距離，同時(shí)優(yōu)化主廠房內(nèi)的管道走向，從而減少主蒸汽和再熱蒸汽管道長度。這樣既能減少高溫高壓管道初投資，又能降低管道壓降從而提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。對于700 ℃超超臨界機(jī)組，推薦采用主廠房布置采用高位布置形式，如圖3所示。

圖3 主廠房高位布置示意圖

采用主廠房高位布置后，和主廠房常規(guī)低位布置方案比，660 MW等級700 ℃超超臨界一次再熱機(jī)組的四大管道長度可減少約30%～40%，可降低機(jī)組的整體造價(jià)，優(yōu)化量見表4所列[5]。但同時(shí)也面臨一些技術(shù)難點(diǎn)，如管道的柔性補(bǔ)償、汽輪機(jī)振動(dòng)及地震擾動(dòng)力的控制、高位汽輪發(fā)電機(jī)基座設(shè)計(jì)、主廠房及鍋爐爐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)對管道布置及應(yīng)力分析的影響、高位汽輪機(jī)的檢修等。目前國內(nèi)已有汽輪機(jī)高位布置的機(jī)組的投運(yùn)，可為700 ℃超超臨界機(jī)組主廠房布置提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

表4 四大管道優(yōu)化量對比

4.2 管道規(guī)格設(shè)計(jì)優(yōu)化

流體在管道中流動(dòng)時(shí)由于能量損失而引起的壓力降低，這種能量損失是由流體流動(dòng)時(shí)克服內(nèi)摩擦力和克服湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)間相互碰撞并交換動(dòng)量而引起的，表現(xiàn)在流體流動(dòng)的前后處產(chǎn)生壓力差，即壓降。

蒸汽管道的壓降與管道規(guī)格、介質(zhì)流速、管道長度、走向、布置形式及管件的型式和數(shù)量等因素有關(guān)。在選擇不同的蒸汽流速時(shí)，管道規(guī)格和管道壓降也會隨之變化，管道規(guī)格大小直接影響管道的造價(jià)，而管道壓降則會影響機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，蒸汽流速不同時(shí)，管道規(guī)格、投資造價(jià)和熱經(jīng)濟(jì)性能都會有一定的差異，最終管道規(guī)格的選取應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定。采用主廠房高位布置方案后，經(jīng)初步測算，主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道(管道材料按Haynes 282合金)在不同蒸汽設(shè)計(jì)流速下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比見表5和表6所列。

表5 主蒸汽管道在不同蒸汽設(shè)計(jì)流速下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

表6 高溫再熱蒸汽管道在不同蒸汽設(shè)計(jì)流速下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道在不同推薦介質(zhì)流速下機(jī)組綜合折現(xiàn)費(fèi)用變化如圖4和圖5所示。

圖4 主蒸汽管道在不同蒸汽流速下機(jī)組綜合折現(xiàn)費(fèi)用變化

圖5 高溫再熱蒸汽管道在不同蒸汽流速下機(jī)組綜合折現(xiàn)費(fèi)用變化

可見，主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道在蒸汽設(shè)計(jì)流速區(qū)間內(nèi)，機(jī)組綜合折現(xiàn)費(fèi)均先減少再增加，主蒸汽管道在蒸汽流速50 m/s附近出現(xiàn)最低點(diǎn)，高溫再熱蒸汽管道在蒸汽流速55 m/s出現(xiàn)最低點(diǎn)。圖4和圖5中的曲線最低點(diǎn)即是最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，因此，為提高機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性(管道材料按Haynes 282合金分析)，660 MW等級700 ℃超超臨界一次再熱機(jī)組推薦主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道流速分別選取50 m/s和55 m/s，對應(yīng)的管道規(guī)格分別為Di255×46 和Di465×24。

5 結(jié)論

1) 700 ℃超超臨界機(jī)組主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道材料的金屬組織應(yīng)長期穩(wěn)定，持久強(qiáng)度高，抗蒸汽氧化和抗疲勞性能良好，加工工藝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合金材料可作為主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道的候選材料，但仍需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究來驗(yàn)證。

2)低溫再熱蒸汽管道可采用P11、A691 1-1/4CrCL32、12Cr1MoVG等成熟的合金材料，高壓給水管道仍可采用15NiCuMoNb5無縫鋼管。

3)為降低機(jī)組的造價(jià)，推薦主廠房采用高位布置，和主廠常規(guī)房低位布置方案比，660 MW等級700 ℃超超臨界一次再熱機(jī)組的四大管道長度可減少約30%～40%。

4)為提高機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性，以管道材料選用Haynes 282合金為例，660 MW等級700 ℃超超臨界一次再熱機(jī)組推薦主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道流速分別選取50 m/s和55 m/s，對應(yīng)的管道規(guī)格分別為Di255×46和Di465×24，具體根據(jù)工程特點(diǎn)對主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化。