超超临界汽轮机高温部件材料和冷却技术之探讨侯永昶

超超临界汽轮机高温部件材料和冷却技术之探讨侯永昶

侯永昶

（宁夏银星发电有限责任公司宁夏回族自治区银川市灵武市750408）

摘要：近年来，包括日本、美国和欧洲在内的几个国家已经开始了一系列研究项目，目的是开发高效率大容量的超超临界汽轮机。超超临界汽轮热效率的提高意味着有更先进的冷却技术和材料，几种新型高温材料的研制通过ASME进行规范，对于中长期超超临界汽轮机来说，使用高温镍基直接制造超合金叶片将成为一个发展趋势。研究超超临界汽轮机的冷却问题主要集中在高压/中压缸的冷却。

关键词：超超临界汽轮机：高温材料：冷却技术

1前言

近年来，随着国民经济的快速发展，国内的大部分电力负荷紧张，大力发展电力建设处于紧张局面，与此同时，由于世界能源价格不断上涨，CO2、SOx、NOx排放对人类和环境的破坏和损害加重，能源成为国家“十一五”规划的优先主题和重点领域，强调优先节能，减少能源消耗，走可持续发展道路，以提高能源效率，提高燃煤机组效率的同时，也在寻求减少温室气体排放，以减少对环境的影响。世界上许多国家正在积极开发更清洁的燃煤发电技术，这些技术效率更高，污染更少。目前，国际能源行业普遍认为，增加超临界燃煤火力发电是未来世界能源产业发展的主要方向之一。据统计国外超超临界火电机组技术显示，自20世纪90年代以来，投入生产的超超临界机组单元效率高达43%至48%，电力供应煤炭消耗量为260千瓦/h-2908千瓦/h，比传统的超临界机组效率的能力增加了4%至5%，比亚临界装置效率高约为8%至10%。因此，它具有节能环保、效率高的优点，已成为世界发达国家发展的一项新技术。

2采用冷却技术的重要性

随着材料技术的发展和科学技术的发展，超超临界汽轮机的主要蒸汽温度和再加热蒸汽的温度都在增加。随着蒸汽温度的增加，材料的力学性能降低，为了使超超临界汽轮机部件具有足够的寿命和强度，除了使用具有良好的高温强度的钢之外，还应采用冷却结构设计和蒸汽冷却技术。采用蒸汽冷却超超临界汽轮机高温部件，降低超超临界汽轮机的工作温度。蒸汽冷却技术是一种有效的方法，可以降低蒸汽涡轮部件在启停过程中的瞬态热应力。应用蒸汽冷却技术，可降低超超临界汽轮机零件温度与工作温度之间的温差，在其他条件下，可以降低零件的热应力，能够零件的设计寿命得到延长。部分的蒸汽冷却技术已成为超超临界汽轮机的关键技术之一，推动超超临界汽轮机开发和生产，研究和使用先进的蒸汽冷却技术，降低部分超超临界汽轮机组高温零件工作的温度，蒸汽冷却作为重要技术手段之一，能够保障超超临界汽轮机的安全运行。

3超超临界机组高温材料的研究

高温材料是是超超临界汽轮机的发展的一项关键技术。当蒸汽参数达到30MPa与600℃，并且仅有一个再热循环与两个再热循环的汽轮机电站，蒸汽参数是18MPa和540℃，相比于传统的发电厂来说，可以降低二氧化碳排放量和降低热耗率8%。如果进一步提高蒸汽温度到650℃，热耗率损失的速度可以达到10%以上，也会降低燃料消耗和二氧化碳排放。要求蒸汽温度达到700℃或更高，可以进一步提高效率。在这种条件下，要求关键部件要使用镍基合金。这是因为考虑到抗蠕变强度和蒸汽氧化，700℃超出了铁素体和马氏体钢的应用范围。虽然奥氏体自20世纪60年代以来一直在类似的高蒸气电站中使用，但操作经验不足。这主要是因为其物理性质，如导热系数差和热膨胀率，这些极大地限制了操作的灵活性。导热系数和材料的温度梯度决定了传热速率。根据这一原理，表2列出了不同类型钢的热性能。钢构件越复杂，最高使用温度越高。钢含合金的程度越高在温度超过600℃仍有长久的足够的强度。实际上，新的高铬钢具有与奥氏体不锈钢相似的持久强度。然而，电站的建设一般不使用奥氏体钢，因为奥氏体钢的热膨胀率比铁素体钢高出50%，虽然镍含量与铬含量的增加会导致钢成本的增加。

4超超临界机组高温部件的冷却技术

4.1冷却蒸汽来源及进汽方式

现在一般的冷却蒸汽进汽方式和抽取来源的方式主要有以下两种类型：（1）高压汽缸泄漏通过轴端密封进入中压缸1级轮盘前腔室，中压缸进口主蒸汽温度比这部分泄漏蒸汽温度要高，可以在进口级部分冷却中压缸。此外还可以通过上述通道导入中压缸对高压缸级间进行冷却，（2）从高压缸抽取蒸汽冷却（和一部分再热蒸汽进行混合，可调温度），通过冷却管设计进入中压缸1级轮盘前腔室。这种方法的优点是可以调整进气的角度和位置，还可以冷却蒸汽流入速度等参数进行调整，从而进一步提高冷却效果。

4.2冷却效果影响因素

影响高温部件冷却效果的主要因素有：冷却蒸汽进汽参数（温度、压力、流量）、进汽冷却方式、设计冷却结构等，仅考虑各种因素对设计有效冷却系统的影响，才能达到更好的冷却效果。

4.3冷却结构设计的关键技术

4.3.1冷却参数的设计

（1）在选择冷却蒸汽参数时，冷却通道入口的冷却蒸汽温度应低于部件高温部分的温度：冷却通道出口的蒸汽压力应低于冷却通道入口的冷却蒸汽压力，以确保冷却蒸汽通过：冷却蒸汽的流量（或流速）不应过大，对流换热系数不应过大，以防止强对流引起较大的热应力。（2）在设计冷却结构方面，平衡孔的形状和尺寸、叶型根部反动度、冷却通道的面积、汽封间隙、级的反动度等对冷却流量效果有较大的影响，应该通过合理的结构设计来规划冷蒸汽流的分布。（3）使用蒸汽冷却技术，提高超超临界汽轮机的效率，应尽量在设计时使用较少的冷却蒸汽，冷却汽轮部件的高温部件。

4.3.2部件温度场和应力场的有限元计算分析

针对超超临界汽轮机转子、汽缸室和喷嘴，建立二维或三维有限元力学模型，给定力学边界条件和热边界条件，计算瞬态温度场，稳定热应力场和温度场计算，定量分析和评估不同的冷却结构设计，为优化设计冷却结构和提高超超临界汽轮机部件的冷却效果提供了科学依据。亚临界汽轮机转子通常用于计算热应力场和温度场时应使用二维有限元力学模型，将超超临界汽轮机转子的蒸汽冷却技术应用于计算热应力场和温度场，同时使用三维有限元力学模型。进一步分析和研究了冷却蒸汽和高温传热，研究高温部分的热应力场和温度场工作是评价冷却方案和评审超超临界汽轮机高温部件设计的重要技术手段。

4.3.3冷却效果的测量与验证

在超超临界汽轮机的中压蒸汽室、内缸、高压喷嘴室等部件进行表面设计并安装温度测点，在汽轮机投入运行后验证这些部件冷却效果。热电偶是安装在一个特殊的保护管内，通过穿过墙壁焊接到汽缸上。在汽轮机投入运行后，验证汽轮机中压转子或高压转子的蒸汽冷却效果。

5结束语

通过改进蒸汽参数，实现了超临界汽轮机热效率的提高。目前，人们普遍认为是将温度和主蒸汽压力增加到650℃和30MPa作为一个中期目标，提升至750℃和35MPa作为长期目标。为此，已经开发了许多新材料，如P91、P92和E911，它们都是由ASME进行规范的。对于超超临界汽轮机来说，镍基超合金的直接使用将是一个发展趋势。超临界汽轮机的冷却问题主要集中在中压/高压缸的冷却。

参考文献：

[1]任静.超超临界汽轮机高温部件材料和冷却技术之探讨[J].热力透平，2009，38（01）：10-14.

[2]史进渊，杨宇，孙庆，邓志成，林振坤.超超临界汽轮机部件冷却技术的研究[J].动力工程，2003（06）：2735-2739+2760.

[3]李军，霍文浩，陈尧兴，钟刚云，范小平，方宇，王建录.超超临界汽轮机中压缸冷却技术研究进展[J].热力透平，2016，45（03）：175-183.

[4]蒋浦宁.超超临界汽轮机高温部件的结构设计[J].热力透平，2008（01）：16-21.

[5]赵永生，蒋寻寒.先进的超超临界汽轮机技术[J].国际电力，2005（04）：18-22.