無(wú)損檢測(cè)可能涉及到的知識(shí)——700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界已投入運(yùn)行的超臨界及以上參數(shù)的發(fā)電機(jī)組大約有600余臺(tái)，其中美國(guó)約有170臺(tái)，日本和歐洲各約60臺(tái)，俄羅斯及原東歐國(guó)家280余臺(tái)。

未來(lái)發(fā)展方向是進(jìn)一步提高溫度和壓力，制造700℃超超臨界機(jī)組，目前歐盟、日本和美國(guó)等在此領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。   

一、概念

燃煤發(fā)電機(jī)組是將煤燃燒產(chǎn)生的熱能通過(guò)發(fā)電動(dòng)力裝置（電廠鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)及其輔助裝置等）轉(zhuǎn)換成電能。燃煤發(fā)電機(jī)組主要由燃燒系統(tǒng)（以鍋爐為核心）、汽水系統(tǒng)（主要由各類泵、給水加熱器、凝汽器、管道、水冷壁等組成）、發(fā)電系統(tǒng)（汽輪機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)）和控制系統(tǒng)等組成。燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由熱能、機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)變，控制系統(tǒng)保證各系統(tǒng)安全、合理、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

燃煤發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐內(nèi)工質(zhì)都是水，水的臨界點(diǎn)壓力為22.12MPa，溫度374.15℃；在這個(gè)壓力和溫度時(shí)，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的臨界點(diǎn)。超臨界機(jī)組是指主蒸汽壓力大于水的臨界壓力22.12 MPa的機(jī)組，而亞臨界機(jī)組是指主蒸汽壓力低于這個(gè)臨界壓力的機(jī)組，通常出口壓力在15.7～19.6 MPa。習(xí)慣上，又將超臨界機(jī)組分為兩個(gè)類型：一是常規(guī)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，其主蒸汽壓力一般為24兆帕左右，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為566～593℃；二是超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，其主蒸汽壓力為25～35 MPa及以上，主蒸汽和再熱蒸汽溫度一般600℃以上，700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組是超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展前沿。在超臨界與超超臨界狀態(tài)，水由液態(tài)直接成為汽態(tài)，即由濕蒸汽直接成為過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽，熱效率較高，因此，超超臨界機(jī)組具有煤耗低、環(huán)保性能好和技術(shù)含量高的特點(diǎn)，且溫度越高，熱效率越高，煤耗越少。例如，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)的供電效率將提高至50%，每千瓦時(shí)煤耗可再降低近70克，二氧化碳排放減少14%。

不同參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組的熱效率和煤耗

參數(shù)名稱	蒸汽溫度（℃）	蒸汽壓力（MPa）	熱效率（%）	煤耗（g/kWh）
中溫中壓	435	35	24	480
高溫高壓	500	90	33	390
超高壓	535	13	35	360
亞臨界	545	17	38	324
超臨界	566	24	41	300
超超臨界	600	27	43	284
700℃超超臨界	700	35	46以上	210

二、700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展情況

1.發(fā)展方向。我國(guó)自1993年開始研究超超臨界發(fā)電技術(shù)，目前經(jīng)歷了17年的發(fā)展歷程，成功開發(fā)了600℃和625℃兩個(gè)溫度等級(jí)的先進(jìn)鐵素體材料。與超臨界相比，超超臨界發(fā)電技術(shù)的熱效率提高了2%，每千瓦時(shí)煤耗降低了16克。由于先進(jìn)鐵素體材料性能的限制，超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)只是潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段，尚不能達(dá)到與IGCC競(jìng)爭(zhēng)的目標(biāo)。因此，以?shī)W氏體及鎳合金材料為基礎(chǔ)的700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)是潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)和裝備的根本出路。

2.所用材料。按照參數(shù)和材料劃分，燃煤發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)品百年發(fā)展可劃分為三個(gè)里程碑：①常規(guī)鐵素體材料經(jīng)歷了近百年的發(fā)展歷程，達(dá)到超臨界參數(shù)——壓力24.2MPa，溫度566℃；② 1993年以先進(jìn)鐵素體材料為基礎(chǔ)的潔凈燃煤技術(shù)發(fā)展起來(lái)，被視為600℃超超臨界的發(fā)展階段；③今后將迎來(lái)潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展最為關(guān)鍵的第三階段，即奧氏體及鎳合金材料為基礎(chǔ)的700℃超超臨界燃煤發(fā)電設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，起步參數(shù)壓力≥35MPa，溫度≥700℃。

各類別燃煤發(fā)電技術(shù)指標(biāo)

發(fā)電技術(shù)	超臨界	超超臨界	700℃超超臨界
汽輪機(jī)材料	常規(guī)鐵素體鋼	先進(jìn)鐵素體鋼 9%～10%Cr	奧氏體及鎳合金材料
鍋爐材料	9%～18%Cr	18%～25%Cr
參數(shù)	24.2MPa	25～30MPa	≥35 MPa ≥700℃/720℃
降低熱耗和CO2排放	基準(zhǔn)	1.8%～4.2%	≥10%
電廠熱效率	41%	43%	46%以上
經(jīng)濟(jì)效益（元）	基準(zhǔn)	1.6～3.8億	9～13.5億

3.參數(shù)選擇。700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組三個(gè)國(guó)際研發(fā)計(jì)劃中，設(shè)定的最低起步參數(shù)為壓力≥35 MPa，溫度≥700℃/720℃。以歐盟AD700的17年計(jì)劃為例，其發(fā)展目標(biāo)為37.5MPa/705℃/700℃,西門子樣板示范機(jī)組的參數(shù)為35 MPa/700℃/720℃；日本2008年開始的九年發(fā)展700℃超超臨界計(jì)劃中確定2016年完成35MPa/700℃/720℃/720℃產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，2020年達(dá)到750℃，及進(jìn)一步800℃的目標(biāo)；美國(guó)AD760計(jì)劃確定的起步參數(shù)更高，為37.9MPa/732℃/760℃。

我國(guó)確定的起步壓力參數(shù)為35～37.5 MPa，溫度為700℃/720℃。

4.機(jī)組容量。由于汽缸排氣能力等因素，700℃超超臨界機(jī)組的單機(jī)容量將受到限制。例如，日本確立的機(jī)組容量為650MW，歐洲超臨界機(jī)組采用單軸承支撐，可采用更多汽缸，機(jī)組的容量在400～1000MW。

5.技術(shù)難點(diǎn)。燃煤電廠蒸汽參數(shù)達(dá)到700℃需要解決一系列的技術(shù)問題：高溫材料的研發(fā)及長(zhǎng)期使用的性能；大口徑高溫材料管道的制造及加工工藝；高溫材料大型鑄、鍛件的制造工藝；鍋爐、汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)；高溫部件焊接材料研發(fā)及焊接工藝；高溫材料的檢驗(yàn)技術(shù)；機(jī)組初參數(shù)選擇、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)及減少高溫管道用量的緊湊型布置設(shè)計(jì)。（未完待續(xù)）

                  來(lái)源： 國(guó)家重大技術(shù)裝備網(wǎng) 提供：國(guó)家能源局  有刪節(jié)

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1、近日，國(guó)家能源局局長(zhǎng)劉鐵男督促有關(guān)各方“盡快實(shí)現(xiàn)700攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化”。
2、 劉鐵男稱“關(guān)系國(guó)家能源安全” 業(yè)內(nèi)稱主要發(fā)展瓶頸在材料
3、專家稱，“700度需要采用超級(jí)鎳基合金。這種材料不能稱為合金鋼，因?yàn)槠渲械闹饕煞植皇氰F，而是鎳。在該技術(shù)條件下，溫度是對(duì)材料最大的考驗(yàn)。比如說(shuō)合金鋼，在高溫狀態(tài)下，其強(qiáng)度將大幅下降，溫度繼續(xù)上升甚至?xí)罎?。此外，隨著時(shí)間的推移，在高溫高壓下，材料還會(huì)出現(xiàn)蠕變，變形越來(lái)越厲害，直至失效。”
4、據(jù)一位熟知發(fā)電設(shè)備領(lǐng)域的相關(guān)人士稱，國(guó)外某一流電力設(shè)備制造商曾經(jīng)嘗試過(guò)用超級(jí)鎳基合金造了兩個(gè)缸，但是報(bào)廢了，這說(shuō)明其也未能掌握這種材料的屬性。另外焊接也是考驗(yàn)?！皻W洲本來(lái)計(jì)劃2011年在德國(guó)開始建設(shè)一個(gè)55萬(wàn)千瓦采用700度超超臨界發(fā)電技術(shù)的電廠，但是去年宣布因?yàn)椴牧虾驮靸r(jià)問題無(wú)法解決，不得不推遲3年?！?br />     一位不愿具名的電力從業(yè)人員稱，目前700度超級(jí)鎳基合金的大口徑、厚管壁的制造和焊接工藝不過(guò)關(guān)。另外，價(jià)格奇貴，每噸單價(jià)是600度超超臨界合金材料的9倍。鎳是稀有金屬，一個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)別的發(fā)電機(jī)組在使用特殊合金上得需要成百上千噸，如果大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，這可能會(huì)形成資源瓶頸問題。
5、一位資深電力專家稱，700攝氏度超超臨界的關(guān)鍵材料，目前主流的是超級(jí)鎳基合金，從1998年開始，歐洲對(duì)于這種超級(jí)鎳基合金便已進(jìn)行了超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)，而中國(guó)才剛剛起步，因此從時(shí)間上看是任重道遠(yuǎn)。
6、 中投顧問冶金行業(yè)研究員安海軒指出，目前中國(guó)并不具備對(duì)于即將研發(fā)的700度超超臨界火電機(jī)組所需用到的超級(jí)鎳基合金的制造能力，還處于探索研發(fā)階段。
    據(jù)一位冶金業(yè)人士稱，“中國(guó)的冶金行業(yè)非常不值得驕傲?！眱H以圓珠筆為例，科技部部長(zhǎng)萬(wàn)鋼在今年兩會(huì)結(jié)束時(shí)曾表示，中國(guó)每年生產(chǎn)380億支圓珠筆，是全球第一大圓珠筆生產(chǎn)大國(guó)，但中國(guó)的“筆尖珠芯近90%來(lái)自進(jìn)口。”
    一個(gè)號(hào)稱能夠生產(chǎn)龍芯的國(guó)家，為了一個(gè)圓珠筆芯，居然得讓科技部啟動(dòng)“制筆行業(yè)關(guān)鍵材料及制備技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目。
7、“雖然中國(guó)在超超臨界機(jī)組取得了舉世矚目的發(fā)展，但關(guān)鍵零部件和原材料主要依靠進(jìn)口，對(duì)新型耐高溫材料的加工工藝性能和應(yīng)用性能還沒完全掌握，600度等級(jí)新型耐熱鋼尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，主要還處于研發(fā)試驗(yàn)階段?！?br />     上述國(guó)外咨詢機(jī)構(gòu)的能源電力部門咨詢經(jīng)理稱，“別說(shuō)管道材料了，就連變壓器里面好點(diǎn)的硅鋼片中國(guó)都要進(jìn)口?！币晃浑娏θ耸恳蚕蛟鐖?bào)記者表示，這次能源局開會(huì)去的都是電力界的，思路是倒置的。
7、或許意味著，中國(guó)的700攝氏度超超臨界燃煤技術(shù)可能會(huì)走中國(guó)特色的高鐵道路——雖然不少設(shè)備、材料需要進(jìn)口，但這依舊是擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

關(guān)鍵技術(shù)：
1、冶金
2、焊接
鎳基合金奧氏體粗大晶粒超聲檢測(cè)，相控陣可實(shí)現(xiàn)分區(qū)掃查

關(guān)鍵技術(shù)：
1、冶金
2、焊接
3，奧氏體超聲檢測(cè)，相控陣自動(dòng)化分區(qū)掃查

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