论文部分内容阅读
[摘要] 在今天，发电厂需要不断降低能耗指标来增加生产利润，而在国家发展层面，发展高效的电厂，停运低效率的小机组，已经在全国范围内通过增大压小，关停小火电来实现这个目标。提高发电效率是当前以及以后联合循环的一个关键需要，当前的能源市场需要降低燃料消耗，来应对燃料成本上涨及全世界对节能减排的要求
[关键词] 联合循环，直流，汽水循环
中图分类号：P339 文献标识码：A 文章编号：
1前言
提高联合循环的方法有多种方法，在汽机侧可以通过提高轴封效率，优化汽轮机叶片形式，对于汽水系统则可以采取提高蒸汽参数，采用三压再热循环，降低系统管道损耗，而燃机方面则可采取提高进口温度，减少冷却风消耗，，优化工质流动及叶片形式，燃料预热等方法来实现。
本文将重点从提高提高蒸汽参数来提高蒸汽联合循环的效能,特别是提高蒸汽的温度和压力。这个参数的提高只能依靠汽轮机和燃机的性能提高来实现，不断地提高汽轮机的入口温度需要燃机的排气温度超过600度才能保证汽水循环600度的温度。联合循环效率从1991年的52%提高到配合西门子H级燃机时的60%的过程。这个发展通过严谨的全厂优化应用得以实现。
- 把溫度从565度105bar基础上提高对于余热锅炉来讲是一个设计挑战，主要原因是温度高于565度需要对锅炉的材料选择特别注意
- 过高的压力在自然循环汽包炉上不易维持恒定。
- 高压蒸汽提高了对给水品质的要求。
西门子的8000H设计已经克服了这些障碍并在联合循环效率上获得了突破。
2.增强型循环的挑战
以下将描述如何应对提高参数来带来的上述三个技术问题,其中给水品质问题鉴于超超临界电站锅炉，在化学水上及凝结水精处理设备上已经充分解决了这个问题，这里就不再敷述。
2.1锅炉材料的影响
增强型循环的的主要影响是余热锅炉特别是高压过热器和中压再热器部分，为了实现600度的运行温度及压力大于170bar, 关键部分的设备材料应具有以下能力：
微观结构在设计温度下有足够的蠕变强度
能够承受蒸汽侧的氧化（由铬成分决定）
足够的抗疲劳轻度来承受极端的热力循环要求。
可承受的设计方案成本。
2.1.1蒸汽侧氧化的影响
由于温度提高带来的巨大挑战就是蒸汽侧的氧化问题。管道内部的氧化层的传热系数较低，将导致管壁的温度升高，而温度的升高将导致金属材料的强度下降。因此在设计过程中需要考虑足够的温度余量。而且适当的腐蚀余量也需要考虑。
氧化率
内部氧化层的形成主要受蒸汽温度，管道内壁温度，材料（铬的成分），晶粒尺寸（特别对于奥氏体）的影响。
蒸汽温度
对P91材料，温度的升高将加快氧化层的增长速度。600度以上可以看到氧化层的增长出现了不成比例的快速增长，而这正是增强型循环的关键参数。这个因素已经在不同的电厂应用中获得确认，并应在设计中予以考虑。
铬的成分
管道内壁的氧化率由材料中铬的成分决定。更高的铬含量会提高抗氧化能力。下图给出了不同材料氧化增长曲线（基于管道内壁600度）。图中9%的铬含量以T91和T92为代表，而根据报告，P91抗氧化能力要比P92稍好一些。图中125的铬钢是典型的马氏体材料。
在下图中当铬含量大于12%时氧化速度会有明显的变化，进一步提高铬含量对于抗氧化能力则不再明显。低于9%的铬含量的钢（也就是P91/T91），抗氧化能力则相对较弱。设计中该因素也应一并考虑。
2.1.2剥蚀
相比于母材，管道内部的氧化层有不同的热动力属性。特别是传热系数是不同的。在峰值操作中，也就是启动或者停机时，会导致氧化层与母材之间的机械应力，在这样的情况下，氧化层剥落是不可避免的。氧化层的剥落对于机组的汽水循环有以下主要影响。
在启停情况下由于剥落导致的固体颗粒腐蚀(此时的应力影响最大)
由于氧化层剥落导致的材料磨蚀。（母材损失，强度下降）。
氧化层的存在可限制母材进一步的氧化。剥落后会产生新的氧化层。周而复始将严重影响管壁强度。
基于以上分析，在600度以上高温下，应考虑铬含量>12%的管材来降低由于管道内壁氧化皮形成的不利影响。
参考
在日本的电站锅炉在40000小时的运行后，可以观察到在T91材质的屏式再热器管材上严重的鳞片分离，开裂，以及剥落，这种剥落发生在鳞屑的在外表层。
2.2汽包型锅炉的应用限制
汽包锅炉
余热锅炉中的高压汽包是决定性的部件来限制启动速度和负荷变化率，原因是汽包壁厚度大会产生温度梯度，汽包厚度越大，因热应力变化导致的疲劳破坏就越容易发生。
典型的汽包厚度为
初步的计算表明，在160bar下材料的热应力影响是125bar设计压力下的8倍。
从热力学上分析，蒸汽压力的升高是对汽包炉的另一个限制因素。
自然循环的水动力来自于蒸发受热面与下降管的密度差。由于在180bar到190bar之间密度差异降低，这就限制了自然循环锅炉在这个压力下的使用。考虑到实际运行的可靠性余量，自然循环锅炉的压力限制在大约170bar以下。
3.应对措施
对于上述的问题，在高参数汽水循环上采取了以下措施。
要找到高压过热器和中压再热器最好的材料解决方案，上面提到的影响因素必须在设计中予以考虑。西门子已经进行了大量的技术研究，项目的目的就是找到最好的技术解决方案以满足在欧标及美标市场上余热锅炉在600°C 下的需要。对于欧标及美标市场，相应的解决方案也是有差别的。
欧标市场的材料选用
法国瓦卢瑞克工业集团和德国曼内斯曼钢管公司的VM12-SHC 可以用在欧标市场，这种材料铬的含量为12%并被认为是当前解决蠕变，蒸汽侧腐蚀，管材疲劳及造价的最好材料，这种材料已经在西门子乌尔里奇哈特曼联合循环机组4号机组上采用来应对过热蒸汽及再热蒸汽600°C 的高温。在设计中，生产及安装中，已经获得了极具价值的经验。截止到2012年8月份，这个电厂等效可利用小时数已达到12500，并且没有出现任何相关问题。
美标市场的材料选用
由于VM12-SHC 获得ASME许可还没有获得认证，且需要至少1年的时间，因此这种材料目前还不能用于需要ASME钢印的设备中，目前还只能用于欧洲市场。在这种情况下，基于乌尔里奇项目的使用经验，新的可行材料的研究正在进行。基于蠕变，汽侧氧化，抗疲劳属性及材料成本的各种复杂研究正在进行评估。一种铬含量在18~20%的钢材已经被认定为美标市场的最佳解决方案。
3.运行业绩
乌尔里奇哈特曼联合循环电厂是第一个投入商业运行的净效率大于60%的的联合循环电厂(SCC5-8000H 1s)。
乌尔里奇联合循环电厂的显著特点是应用了本生型带三压再热的技术，该电厂是第一个投入商业运营（连续可用小时数为12500，启动次数大于330次）的高参数电厂，燃机排烟温度625度
主蒸汽参数~600°C
主蒸汽压力170bar
再热蒸汽温度~600°C
这个整合实现了最大效率的突破。设计理念则是基于经过验证了的F级电厂的大量运行经验。VM12-SHC 材料的应用实现了蠕变，汽侧氧化及热疲劳及成本的最佳解决方案。
就本文所论述，在当前的技术发展阶段，600摄氏度下的直流循环锅炉技术已经发展的很完备，在此基础上60%以上的联合循环效率的燃机联合循环已经电厂已经通过了长期运行的考验，而将来在此基础上，联合循环电厂将通过更多的技术更新，获得更大的发展。
参考文献
[1] Enhanced WaterSteam Cycle for Advanced Combined Cycle Technology ， Patrick Bullinger
[关键词] 联合循环，直流，汽水循环
中图分类号：P339 文献标识码：A 文章编号：
1前言
提高联合循环的方法有多种方法，在汽机侧可以通过提高轴封效率，优化汽轮机叶片形式，对于汽水系统则可以采取提高蒸汽参数，采用三压再热循环，降低系统管道损耗，而燃机方面则可采取提高进口温度，减少冷却风消耗，，优化工质流动及叶片形式，燃料预热等方法来实现。
本文将重点从提高提高蒸汽参数来提高蒸汽联合循环的效能,特别是提高蒸汽的温度和压力。这个参数的提高只能依靠汽轮机和燃机的性能提高来实现，不断地提高汽轮机的入口温度需要燃机的排气温度超过600度才能保证汽水循环600度的温度。联合循环效率从1991年的52%提高到配合西门子H级燃机时的60%的过程。这个发展通过严谨的全厂优化应用得以实现。
- 把溫度从565度105bar基础上提高对于余热锅炉来讲是一个设计挑战，主要原因是温度高于565度需要对锅炉的材料选择特别注意
- 过高的压力在自然循环汽包炉上不易维持恒定。
- 高压蒸汽提高了对给水品质的要求。
西门子的8000H设计已经克服了这些障碍并在联合循环效率上获得了突破。
2.增强型循环的挑战
以下将描述如何应对提高参数来带来的上述三个技术问题,其中给水品质问题鉴于超超临界电站锅炉，在化学水上及凝结水精处理设备上已经充分解决了这个问题，这里就不再敷述。
2.1锅炉材料的影响
增强型循环的的主要影响是余热锅炉特别是高压过热器和中压再热器部分，为了实现600度的运行温度及压力大于170bar, 关键部分的设备材料应具有以下能力：
微观结构在设计温度下有足够的蠕变强度
能够承受蒸汽侧的氧化（由铬成分决定）
足够的抗疲劳轻度来承受极端的热力循环要求。
可承受的设计方案成本。
2.1.1蒸汽侧氧化的影响
由于温度提高带来的巨大挑战就是蒸汽侧的氧化问题。管道内部的氧化层的传热系数较低，将导致管壁的温度升高，而温度的升高将导致金属材料的强度下降。因此在设计过程中需要考虑足够的温度余量。而且适当的腐蚀余量也需要考虑。
氧化率
内部氧化层的形成主要受蒸汽温度，管道内壁温度，材料（铬的成分），晶粒尺寸（特别对于奥氏体）的影响。
蒸汽温度
对P91材料，温度的升高将加快氧化层的增长速度。600度以上可以看到氧化层的增长出现了不成比例的快速增长，而这正是增强型循环的关键参数。这个因素已经在不同的电厂应用中获得确认，并应在设计中予以考虑。
铬的成分
管道内壁的氧化率由材料中铬的成分决定。更高的铬含量会提高抗氧化能力。下图给出了不同材料氧化增长曲线（基于管道内壁600度）。图中9%的铬含量以T91和T92为代表，而根据报告，P91抗氧化能力要比P92稍好一些。图中125的铬钢是典型的马氏体材料。
在下图中当铬含量大于12%时氧化速度会有明显的变化，进一步提高铬含量对于抗氧化能力则不再明显。低于9%的铬含量的钢（也就是P91/T91），抗氧化能力则相对较弱。设计中该因素也应一并考虑。
2.1.2剥蚀
相比于母材，管道内部的氧化层有不同的热动力属性。特别是传热系数是不同的。在峰值操作中，也就是启动或者停机时，会导致氧化层与母材之间的机械应力，在这样的情况下，氧化层剥落是不可避免的。氧化层的剥落对于机组的汽水循环有以下主要影响。
在启停情况下由于剥落导致的固体颗粒腐蚀(此时的应力影响最大)
由于氧化层剥落导致的材料磨蚀。（母材损失，强度下降）。
氧化层的存在可限制母材进一步的氧化。剥落后会产生新的氧化层。周而复始将严重影响管壁强度。
基于以上分析，在600度以上高温下，应考虑铬含量>12%的管材来降低由于管道内壁氧化皮形成的不利影响。
参考
在日本的电站锅炉在40000小时的运行后，可以观察到在T91材质的屏式再热器管材上严重的鳞片分离，开裂，以及剥落，这种剥落发生在鳞屑的在外表层。
2.2汽包型锅炉的应用限制
汽包锅炉
余热锅炉中的高压汽包是决定性的部件来限制启动速度和负荷变化率，原因是汽包壁厚度大会产生温度梯度，汽包厚度越大，因热应力变化导致的疲劳破坏就越容易发生。
典型的汽包厚度为
初步的计算表明，在160bar下材料的热应力影响是125bar设计压力下的8倍。
从热力学上分析，蒸汽压力的升高是对汽包炉的另一个限制因素。
自然循环的水动力来自于蒸发受热面与下降管的密度差。由于在180bar到190bar之间密度差异降低，这就限制了自然循环锅炉在这个压力下的使用。考虑到实际运行的可靠性余量，自然循环锅炉的压力限制在大约170bar以下。
3.应对措施
对于上述的问题，在高参数汽水循环上采取了以下措施。
要找到高压过热器和中压再热器最好的材料解决方案，上面提到的影响因素必须在设计中予以考虑。西门子已经进行了大量的技术研究，项目的目的就是找到最好的技术解决方案以满足在欧标及美标市场上余热锅炉在600°C 下的需要。对于欧标及美标市场，相应的解决方案也是有差别的。
欧标市场的材料选用
法国瓦卢瑞克工业集团和德国曼内斯曼钢管公司的VM12-SHC 可以用在欧标市场，这种材料铬的含量为12%并被认为是当前解决蠕变，蒸汽侧腐蚀，管材疲劳及造价的最好材料，这种材料已经在西门子乌尔里奇哈特曼联合循环机组4号机组上采用来应对过热蒸汽及再热蒸汽600°C 的高温。在设计中，生产及安装中，已经获得了极具价值的经验。截止到2012年8月份，这个电厂等效可利用小时数已达到12500，并且没有出现任何相关问题。
美标市场的材料选用
由于VM12-SHC 获得ASME许可还没有获得认证，且需要至少1年的时间，因此这种材料目前还不能用于需要ASME钢印的设备中，目前还只能用于欧洲市场。在这种情况下，基于乌尔里奇项目的使用经验，新的可行材料的研究正在进行。基于蠕变，汽侧氧化，抗疲劳属性及材料成本的各种复杂研究正在进行评估。一种铬含量在18~20%的钢材已经被认定为美标市场的最佳解决方案。
3.运行业绩
乌尔里奇哈特曼联合循环电厂是第一个投入商业运行的净效率大于60%的的联合循环电厂(SCC5-8000H 1s)。
乌尔里奇联合循环电厂的显著特点是应用了本生型带三压再热的技术，该电厂是第一个投入商业运营（连续可用小时数为12500，启动次数大于330次）的高参数电厂，燃机排烟温度625度
主蒸汽参数~600°C
主蒸汽压力170bar
再热蒸汽温度~600°C
这个整合实现了最大效率的突破。设计理念则是基于经过验证了的F级电厂的大量运行经验。VM12-SHC 材料的应用实现了蠕变，汽侧氧化及热疲劳及成本的最佳解决方案。
就本文所论述，在当前的技术发展阶段，600摄氏度下的直流循环锅炉技术已经发展的很完备，在此基础上60%以上的联合循环效率的燃机联合循环已经电厂已经通过了长期运行的考验，而将来在此基础上，联合循环电厂将通过更多的技术更新，获得更大的发展。
参考文献
[1] Enhanced WaterSteam Cycle for Advanced Combined Cycle Technology ， Patrick Bullinger