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700超超临界机组高温材料试验平台综述胡皓，舒涛（中国电力工程顾问集团中南电力设计院，湖北 武汉 430071）摘要：文章介绍国内外700高温合金材料的研发，国外高温材料挂炉验证试验情况，围绕我国首个700高温材料验证试验平台，对试验验证平台的研究进展、平台总体设计方案、试验部件的材料选型及主要试验内容，系统拟定及布置应力计算进行详细论述。关键词：700；镍基合金；高温材料；试验平台；总体方案；布置；应力计算0 引言及我国高温材料验证试验平台（以下简称“试验平台”）总体技术方案的研究。根据收集到的资料和设计院参与试验平台的设计工作撰写此文。700超超临界燃煤发电技术是指主蒸汽温度超700的新一代先进发电技术，该技术可以大幅提高机组的发电效率 ， 显著较低燃煤消耗量 ， 有效控制温室气体及so2 、nox 等有害气体的排放，对我国实现节能减排及能源工业的可持续发展意 义重大。国家能源局于2010年组织成立了“国家700超超临界燃煤发电技术创新联盟”（以下简称“联盟”），并设立国家能源领域重点项目国家700超超临界燃煤发电关键技术与设备研发及应用示 范，围绕700超超临界燃煤发电机组的总体方 案设计、高温材料的技术研究、锅炉的设计制造技 术、汽机的设计制造技术、关键部件试验平台的建 立及运行，示范电站的工程可行性研究等方面开展 研究。700超超临界燃煤发电技术的研发是一个庞 大而系统的工程，高温材料和部件的现场试验验证 是其技术走向实际工程示范应用前的必不可少的一 个关键技术环节。因此，建立并运行700超超临界 燃煤机组关键部件验证试验平台非常必要。华能清洁能源研究院 （ 以下简称 “ 华能清能 院” ）承担了其中的子课题五关键部件验证试验平台建立及运行的项目研发工作，设计院和华能清能院合作，参与到我国首个700高温材料试验平台系统及布置的详细设计工作，借此契机，充分了解联盟工作动态，国内外700技术趋势和动态，以1 国内外高温合金材料研发情况随着机组参数不断提高，高温材料性能的水平起着决定性作用。蒸汽温度提高到700等级后，现满足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。700超超临界机组对高温材料 的基本要求是：高温持久蠕变性能（100mpa700750/105h 持久强度）；耐高温腐蚀性能（105h 金属截面损失 小于1mm）；长期组织稳定性；管内壁抗蒸汽氧化 性能；良好的冷热加工工艺；良好的焊接性能；管 外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀；低成本。为满足强度 、 抗高温蠕变 、 抗高温腐蚀等要 求 ， 过高温段过热器 、 再热器 、 高温蒸汽管道和 集箱 、 阀门 、 汽轮机转子 、 汽缸和叶片等高温部 件必须采用镍基合金材料 。 在对 700 使用的镍 基合金材料积极研发 ， 欧州重点开展了 inconel 617，nimonic 263合金的研制；美国开展了inconel740/740h、haynes 230、haynes 282合金的研制；日本开展了hr6w、hr35、save25、18-30-3合金的研制；中国开展gh2984、g110的研制。但是，在现有锅炉候选材料中，仅有haynes 230、inconel617/617b、inconel 740/740h以及hr6w合金获得了asme code。18技术胡皓等：700超超临界机组高温材料试验平台综述项目执行以来 ， 已经完成的专业技术工作包 2 国外高温材料实炉验证试验情况括：1）完成了对备选试验机组的调研和分析，确定试验平台试验机组的型式和基本参数，确定了宿主试验机组，即华能南京电厂2号机组。2）完成了试验平台的初步设计方案，并于2012年3月1日通过了联盟技术委员会组织召开的国家能源 局科技项目国家700超超临界燃煤发电关键技术 与设备研发及应用示范课题5关键部件验证试验 平台建立及运行验证试验平台初步方案的评审会。3）基于华能南京电厂的机组条件，完成试验平 台系统设计和管道详细设计和校核，提出试验锅部 件的现场布置方案。4）完成了试验平台高温验证材料的选型及规格 尺寸，提出国内外高温验证材料及验证部件的性能 工艺评定标准，完成总体试验方案。5）提出试验平台系统的启停及事故条件下的控 制方案。6）与国内外相关的制造企业、冶金企业和科 研院所紧密联系，落实试验平台验证部件的采购渠 道。3.2 700高温材料验证试验平台总体方案高温材料验证试验平台将直接安装在宿主机组 上，其汽水系统和宿主机组的系统相关联。因此， 试验平台的运行不仅关系到试验目标是否达成，而 且直接影响宿主机组的正常安全运行。试验平台的 可靠性至关重要，验证试验平台的系统拟定和总体 方案需进行充分的论证和研究。3.2.1 验证试验平台宿主机组情况 华能南京电厂是华能国际电力股份有限公司全资电厂，安装2台32万千瓦全套引进苏联燃煤超临界机组。锅炉型号为-1000-25-545-kt，超临界压力，直流炉，一次中间再热，平衡通风、固体排渣。锅炉采用单炉膛型布置，全悬吊结构，露天布置。3.2.2 验证试验平台设计参数 蒸汽温度725，蒸汽流量大于10t/h。3.2.3 验证试验平台试验部件 验证试验平台主要试验部件为水冷壁 、 过热 器、集箱、高温管道及其附件（管件、调节阀、旁 路阀、阀门等）。3.2.4 验证试验平台系统图从宿主机组i 级屏过热器进口集箱抽取一股蒸 汽，先进入布置在炉膛内的蒸发受热面，通过加热 将温度提高到610；然后，蒸汽进入过热器受热 面，温度从610升高至725。主蒸汽回路是将蒸汽先后经过安全阀、汽机进口阀等试件，完成725条件下，对试验部件材料的性能试验。最后，经过减温减压，将蒸汽参数降至与宿欧盟先进超超临界发电技术的计划的第二阶 段为采用新材料的部件现场挂炉验证试验阶段。在700研发过程中，已经建立了三个高温部件验证试验装置：丹麦esbjerg 电厂的过热器试验装置；德国scholven电厂f机组上的“comtes 700”以及德国gkm的725试验装置“gkm hwt 725 i”。其中comtes 700试验平台是迄今为止规模最 大的高温材料试验平台，于2005年8月建立，2009年8月结束，试验部件实际运行时间22400小时，蒸汽温度在高于680的运行时间12850小时。锅炉试验部件为锅炉蒸发受热面管屏、过热器、集箱、主蒸汽管道以及进汽阀、安全阀和旁路，主要验证的材料有：t23、hcm12、hr3c、alloy 617、sanicro25、alloy 740和alloy 625。现场试验的结果是厚壁部件和蒸汽管道在a617减温器管道的焊缝及其附近 区域出现了较大裂纹，主要原因是焊接的附加热应 力和残余应力而引起的。对于焊接残余应力引起的 开裂，关键在于焊接的热处理问题。欧洲国家开展了“725 hwt gkm ii”的试验。该阶段试验的主要目的是模拟交变负荷下材料和部 件的性能并通过高温部件试验对相关结果和理论进行试验验证。725 hwt gkm ii试验平台仍然安装在德国gsk电厂 6 号机组 ， 于 2011 年启动 ， 项目将持续 4 年 ，2014年底试验结束。2011年美国提出“last lap”计划，该计划将在未来的700超超临界机组条件下试验水冷壁、过热器以及控制阀门等高温部件，计划试验时间超过15000小时。目前，美国的试验台方案还处于方案设计阶段，最终的方案还未确定。日本在2008年开始700等级超超临界技术研 究，提出将在整个研究过程中进行高温材料实炉验 证试验。目前，尚未获得其确切的平台建设和验证 试验信息。3 国内高温材料验证试验平台技术方案3.1 700高温材料验证试验平台的研究进展华能清能院承担的子课题5关键部件验证试验平台建立及运行是拟通过在一台现役大型火力发电机组上，自主设计、制造、安装和运行一套关键部件的验证试验平台并利用其开展试验验证研究，对700超超临界燃煤发电机组相关的重要高温合金 材料性能及其制造工艺可靠性进行现场试验验证。技术19发 电 技 术中国电业技术 2014年第10期主机组主蒸汽参数一致，返回宿主机组主蒸汽管道。旁路蒸汽回路主要实现对汽机旁路阀门材料性 能、启动特性的验证。725的蒸汽经过汽机旁路阀 减压减温，返回宿主机组的再热蒸汽系统。验证试 验平台系统图详见图1。3 ） 第一片管屏以国外材料 （ sanicro25 、617b、282、740h）为主；4 ） 第二片管屏以国产对应材料（ gh984g 、c-hra-3、tg700a）为主。4.3 受热面试验部件的工艺验证和试验内容4.3.1 工艺验证锅炉厂膜式壁自动焊； 现场组合安装手工焊接（管子拼接和密封焊、现场热处理）；）锅炉管弯管工艺；三通制造工艺等。4.3.2 验证内容烟气腐蚀性能； 蒸汽氧化性能； 组织和结构变化；力学性能的变化。4.4 大口径管道试验部件（含管件）的材料选型及 主要试验内容4.4.1 材料选型大管道试验件的材料计划选用进口740h 或国 产c-hra-1。4.4.2 试验内容 外壁高温氧化 ； 蒸汽氧化性能 ； 组织和结构 变化；力学性能的变化；结构完整性；保温材料性 能。4.5 阀门试验件的材料选型及主要试验内容阀门试验件包括：高旁阀、安全阀、调节阀、疏水阀、减温器及关断阀等。4.5.1 材料选型 阀门的阀体、阀杆等高温部件选用镍基合金进行制造，低温部件选用不锈钢材料制造。4.5.2 试验内容 包括：阀门设计；阀门材料的选型；阀门的生产制造工艺等；阀门的启停等操作要求。图1 验证试验平台系统图4 高温材料验证试验平台材料选型方案及试验内容通过综合比较分析国内外高温材料的各项性能及发展潜力，参考国外挂炉试验的成果，在受热面壁温计算和结构计算的基础上，提出了我国700高温材料验证试验平台材料选型及主要试验内容。本验证试验平台包含蒸发受热面和过热受热 面。其中蒸发受热面布置在炉膛中，主要吸收炉膛 内煤粉燃烧释放出来的辐射热。过热受热面受到炉 膛空间的限制，布置在炉膛上方区域，主要吸收烟 气的辐射对流放热。4.1 蒸发受热面试验部件的材料选型蒸发受热面的型式及安装位置主要考虑炉膛的 相对高度计宽度、炉膛水冷壁结构、固定方式等。1） 从i级屏出口集箱至水冷壁进口集箱的连接 管道选用p91。2）蒸发受热面各段材料如下：进口管道和集箱：p91+t91；水冷壁： 壁温593 以下区域选用t91 ； 壁温593以上区域，其中8根管道选用617b，3根管道选用国产材料gh2984g。3）出口集箱： p92+t92接管。4.2 过热受热面（含集箱）试验部件的材料选型过热受热面，安装相对比较简单。试验平台采用u型悬吊管屏结构，共两片，布置在炉膛上炉膛前方。1） 从水冷壁出口集箱的连接管道选用p924；2 ） 过热器试件并联设置两个管屏 ， 两个过 热器管屏共同引入一个出口集箱 ， 集箱材料选用 740h 或国产 c-hra-1 ， 管座与过热器管直接连 接；5 高温材料验证试验平台现场布置方案上海电气集团上海锅炉厂有限公司和中国电力工程顾问集团中南电力设计院分别负责完成锅炉范 围内、外的管道施工设计工作，共同确定了试验平 台的现场布置方案。5.1 试验平台布置的原则5.1.1 满足验证试验要求 试验平台必须能够达成设定的运行参数，完成任务书中对试验内容及试验目标的要求。5.1.2 布置方案可行 受热面布置必须有足够的炉膛空间，不得对宿主机组的原有受热面结构造成影响，并便于进行平 台的施工安装。大管道及管件试件、阀门试件布置满足便于对 试验件的巡视、维护；在事故时方便拆除而不对宿20技术胡皓等：700超超临界机组高温材料试验平台综述主机组造成太大影响；还需考虑因试验平台汽水系统管道与宿主机组管道相连，对原主蒸汽和低温再热蒸汽管道的应力影响。5.1.3 验证部件的安全可靠 受热面布置时 ， 应避开受热面工况不稳定区 域，避开热偏差较大区域以及热负荷过高的区域， 防止出现受热偏差及水动力不稳定，影响受热面的 安全可靠运行。5.1.4 减少对宿主机组的影响 试验平台的布置设计应尽量减少对宿主机组的改造工作量，减少试验项目对试验机组正常运行时安全性的影响。5.2 试验平台的现场布置详图1 ） 分别从锅炉 i 级 、 ii 级屏入口集箱引出管 道，合并成一根8920mm管道，抽取进入验证试验平台的蒸汽；2）管道上行，引出保温罩，然后引向前墙，沿前墙锅炉下降管下行，进入蒸发受热面进口集箱；蒸发受热面集箱与11根水冷壁管道相连，工质在水冷壁内加热后，从出口集箱引出管道，通过三通分成两路分别与两个过热器集箱相连；3）过热器受热面共设置两个管屏，各配一根入口集箱，每个集箱分别与4根过热器管道相连；工质在过热器受热面内加热后，由两个过热器管屏合并引入一个过热器32570mm的出口集箱；4）过热器出口集箱出口管道，穿过锅炉炉顶保温罩后，主路经三通分成两路740h管道：一路布置高旁阀试验件相连，高旁阀减温减压后，高旁阀出口与宿主机组的低温再热蒸汽管道相连；另一路引向炉顶平台处的大管道试件，经减温后与宿主机组的主蒸汽管道相连。5）主管上一分支接有邻炉保护蒸汽出口管道。另一分支接临时蒸汽管道， 采用740h 管， 待主试验平台安装后拆除并加装堵头。主管上还设有安全阀，安全阀后与消音器相连，排至锅炉顶棚外。详细布置见图2、3、4试验平台管道布置俯视图、正视图及侧视图。图3 试验平台管道布置正视图图4 试验平台管道布置侧视图5.3 试验平台的应力计算本验证试验平台的应力计算软件采用的是由美 国intergraph icas公司开发的caesarii软