超超临界机组锅炉高温材料的选择和应用
超临界电站锅炉的换热器设计和传热特性研究
超临界电站锅炉的换热器设计和传热特性研究超临界电站锅炉是一种高效能、低污染的发电设备，其核心部件之一即为换热器。
本文将对超临界电站锅炉的换热器设计和传热特性进行详细的研究和探讨。
一、超临界电站锅炉换热器设计1. 设计原则超临界电站锅炉的换热器设计需要考虑以下几个原则：- 确保换热器能够高效传导热量，提高热能利用率；- 提供足够的换热面积，以满足电站的发电需求；- 遵循流体力学的原理，保证流动的稳定和流速的适宜；- 考虑换热器的结构强度，以保证设备的安全运行。
2. 换热器类型超临界电站锅炉的常用换热器类型包括：- 管式换热器：通过将冷热流体分别通过内外管道进行热交换；- 冷凝器：将蒸汽转化为水，释放热量；- 水冷式换热器：通过将冷热流体分别通过内外冷却管进行热交换。
3. 材料选择在超临界电站锅炉换热器设计中，材料的选择对于设备的安全运行至关重要。
常用于超临界电站锅炉换热器的材料包括不锈钢、合金钢和高温合金等。
这些材料具有良好的抗腐蚀性和高温强度，能够耐受超临界条件下的高温高压环境。
二、超临界电站锅炉换热器传热特性研究1. 传热机理超临界电站锅炉换热器的传热特性研究需要深入了解传热机理。
传热机理主要包括对流传热和辐射传热两部分。
- 对流传热：通过流体的对流传递热量，在换热器内部形成热流，提高热能的传递效率。
- 辐射传热：通过热辐射的方式传递热量，具有无需介质传递和大范围传热的特点。
2. 传热特性研究超临界电站锅炉的传热特性研究可以通过实验和数值模拟相结合的方法来进行。
- 实验研究：通过在实际设备上进行传热实验，收集和分析实验数据，得出传热特性的规律和参数。
- 数值模拟：通过建立数学模型，利用计算机进行模拟计算，预测和分析传热特性，优化设备设计。
3. 提高传热效率的方法为了提高超临界电站锅炉换热器的传热效率，可以采取以下几种方法：- 增加传热面积：增加换热器的换热面积，可以增加热量的传递效率。
- 优化流体流动方式：通过改变流体的流动方式，如增加涡流或射流等，可以提高传热速度和效率。
超(超)临界锅炉用新型耐热钢简介
P91钢冷却转变曲线
73
返 回
9
F11、F12的开发 德国于60年代开发，用于壁温达610℃ 的过热器和壁温达650℃的再热器以及壁温 为540℃～560℃的联箱和蒸汽管道，但其含 碳量高，焊接性差。目前已不生产。 典型的新型铁素体耐热钢T91/P91钢的开发 T91/P91钢的研制成功具有划时代意义。 成功地把电站锅炉蒸汽温度参数提高到 593℃～610℃。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
许用应力与温度的关系曲线
12
T92与奥氏体钢在高温下许用 应力的对比
许用应力 （Kg/cm2） NF616 SUS321H SUS347H NF616/ SUS321H NF616/ SUS347H 600℃ 8.7 6.9 7.8 1.26 1.12 625℃ 6.8 5.2 5.7 1.31 1.19 650℃ 4.8 3.9 4.2 1.23 1.14
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热影响区的Ⅳ型裂纹 P91这类铁素体耐热钢在高温长期 运行中，往往会在焊接热影响区的 “细晶区”（AC3附近或AC3—AC1区间） 出现一种无明显塑性变形的低应力蠕 变断裂，造成焊接接头蠕变断裂寿命 低于母材的现象。英国人按裂纹产生 位置分类方法，称这种裂纹为Ⅳ型裂 纹。
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在焊缝范围内发生的裂纹称为Ⅰ 型裂纹；在焊缝内发生，但可延伸到 热影响区的裂纹，称为Ⅱ型裂纹；在 邻近熔合区的热影响区发生的裂纹， 称为Ⅲ型裂纹；在邻近母材的热影响 区发生的裂纹称为Ⅳ型裂纹。
2 过热器、再热器 ★过热器、再热器管的金属壁温比蒸汽温 度高出达25℃~39℃（我国规定为50℃）。 ★在燃煤含硫量低、烟气腐蚀性较小的条 件下，仅从蠕变断裂强度考虑，当蒸汽温 度为538℃（壁温580 ℃ ），选用T22钢；
660MW高效超超临界机组锅炉高温用钢的选择和应用
660MW高效超超临界机组锅炉高温用钢的选择和应用发布时间：2023-02-07T03:27:02.659Z 来源：《中国电业与能源》2022年9月17期作者：赵丹[导读] 本文对内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司超超临界机组高温用钢特殊要求进行分析赵丹内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司，锡林浩特，026000摘要：本文对内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司超超临界机组高温用钢特殊要求进行分析，对UPER304H 、HR3C等常用材料进行成分、性能比较，提出本工程高温受热面材料选用的合理建议。
关键词：超超临界、高温用钢中图分类号：文献标识码：文章编号：S election and application of high temperature steel for 660MW Ultra Supercritical Unit BoilerZhaodan(Inner Mongolia Datang International Xilinhot Power Generation Co., ltd, Inner Mongolia xilinhot city, 026000，China)Abstract：In this paper, the special requirements of high temperature steel for ultra-supercritical unit in Inner Mongolia Datang International Xilinhaote Power Generation Co., Ltd. are analyzed. The compositions and properties of UPER304H, HR3C and other common materials are compared, and the reasonable suggestions for selecting high temperature heating surface materials for this project are put forward.Key words：Ultra Supercritical, High temperature steel；1 前言超超临界机组锅炉出口蒸汽的温度、压力参数相应提高，对材料的热强性能、抗高温腐蚀和蒸汽氧化能力都有更高的要求。
超临界、超超临界锅炉用钢
1承压锅炉部件对钢材的要求火电厂锅炉关键承压部件主要指水冷壁、过热器、再热器、联箱及管道等，这些承压部件运行在较为恶劣的工况条件下，是设计选用钢材关注的重要部位。
以下分类简要介绍超临界、超超临界锅炉的关键承压部件用钢要求。
1.1水冷壁水冷壁用钢一般应具有一定的室温和高温强度，良好的抗疲劳、抗烟气腐蚀、耐磨损性能，并要有好的工艺性能，尤其是焊接性能。
通常SC、USC锅炉都采用膜式水冷壁。
由于膜式水冷壁组件尺寸及结构的特点，其焊后不可能在炉内进行热处理，故所选用的钢材的焊接性至关重要。
要在焊前不预热、焊后不热处理的条件下，满足焊后热影响区硬度不大于360HV10、焊缝硬度不大于400HV10的有关规定（TRD201），以保证使用的安全性。
另外，水冷壁管内介质是汽液两相，管外壁又在炉膛燃烧时煤粉颗粒运动速度最快的区域，积垢导致的管壁温度升高和燃烧颗粒冲刷都是选用钢材要考虑的问题。
由此可见，水冷壁用钢的开发也是发展SC、USC锅炉的技术关键之一。
随着SC、USC锅炉蒸汽压力、温度的升高，水冷壁温度将提高，如在31 MPa/620℃的蒸汽参数下出口端的汽水温度达475℃，投运初期中墙温度为497℃，垢层增后可升至513℃，热负荷最高区域的管子壁温可达520℃，瞬间最高温可达540℃。
这就需要合金含量更高，热强性更好的钢材。
为了满足这种高参数锅炉水冷壁用钢的要求，在SA213T22钢的基础上，开发了2种新钢材T23（HCM2S）和T24（7CrMoVTiB10-10），二者都具有良好的焊接性，在焊前不预热焊后不热处理的条件下（壁厚≤8mm），焊后焊缝和热影响区的硬度均低于360HV10。
金属壁温可达600℃，是蒸汽温度620℃以下锅炉水冷壁的最佳用钢〔2〕。
1.2过热器、再热器过热器、再热器在高参数锅炉中所处的环境条件最恶劣，所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能、管子内壁抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷热加工工艺性能和焊接性能。
超临界与超超临界汽轮机组用材
超临界与超超临界汽轮机组用材随着能源结构的转变和电力行业的快速发展，超临界和超超临界汽轮机组在火力发电厂的应用越来越广泛。
这些高性能机组对用材的要求极为严格，需要克服高温、高压、高腐蚀等复杂环境带来的挑战。
本文将深入探讨超临界与超超临界汽轮机组用材的关键技术和运行效果。
自20世纪下半叶以来，超临界和超超临界汽轮机组用材经历了从传统金属材料到新型耐高温、耐高压、抗腐蚀材料的演变。
虽然这些机组用材在高温、高压等严酷条件下表现出一定的性能，但仍存在易腐蚀、热疲劳性能差等问题。
为了满足超临界和超超临界汽轮机组在高温、高压、高腐蚀环境中的稳定运行，一些关键技术尤为重要。
耐高温材料：耐高温材料如镍基合金和钴基合金具有优良的高温强度和抗蠕变性能，能够适应高温环境。
耐高压材料：耐高压材料如钛合金和锆合金具有良好的加工性能和高温强度，能够承受高压条件。
抗腐蚀材料：抗腐蚀材料如不锈钢和镍基合金具有优异的耐腐蚀性能，可抵抗各种腐蚀性介质的侵蚀。
在选择超临界与超超临界汽轮机组用材时，需要综合考虑材料的性能、制造成本和机组安全性。
通过材料的选择和优化，可以降低制造成本，提高机组的安全可靠性。
设计流程包括材料筛选、部件设计、模拟分析和试验验证等步骤。
首先根据机组运行条件筛选适合的材料，然后针对所选材料进行部件设计，并利用有限元分析等手段进行模拟分析，最后通过试验验证确定最终设计方案。
制造工艺对机组用材的性能和稳定性有着重要影响。
加工、焊接、热处理等环节都需严格把控。
例如，加工过程中要确保材料的精度和质量；焊接时采用低氢焊接方法，避免产生焊接裂纹；热处理则能够改善材料的力学性能，提高机组的运行效率。
实际运行效果是评价机组用材好坏的关键指标。
超临界与超超临界汽轮机组用材在高温、高压、高腐蚀环境下表现出的稳定性和耐久性，直接决定了机组的运行效果。
通过实际运行案例和数据分析，我们可以得出以下采用耐高温材料如镍基合金和钴基合金的机组，在高温环境下仍能保持良好的强度和稳定性，大大提高了机组的运行效率。
超临界锅炉重要部件金属材料的选用分析
美国原来的集箱和蒸汽管道以 P11 和 P22 等 低合金钢为主，但是经常发生热疲劳失效，主要 就是管孔间的管桥裂纹。自出现了在 593℃下安 全使用的 HT9、HT91、HCM9M、HCM12 和 P91 等钢 种后，虽然其焊接和热处理存在一定的难度，但 是还是受到了欧洲一些国家如德国、荷兰和比利 时等的广泛应用。从蠕变强度方面考虑，在 9Cr 钢的基础上改良而来的 P91 钢要比 HT9、HT91 和 HCM9M 等钢种优越，因此近 20 年来被广泛于 593℃下的集箱和主汽管道上。现在，欧洲大部
540～545/540～570℃，此时过热器和再热器的 最高壁温分别达到 580～595℃和 590～650℃。 因长期在高温下工作，锅炉受热面管尤其是过热 器和再热器不仅对以高温蠕变断裂强度为首的 高温强度有要求，还对高温耐腐蚀性（主要是向 火侧的腐蚀）和抗氧化性（主要是蒸汽侧的氧化） 以及耐酸性、安装施工和检修过程中的加工性、 焊接性及长期使用后的稳定性等都有一定的要 求。表 2 为超临界锅炉用钢管的必要特性。
合理的选择超临界机组参数极其重要。从金 属材料的角度出发，我国的超临界机组起步参数 应选择 23.5～25MPa，538～540℃/538～566℃ 比较适宜，主要原因是该参数的超临界机组使用 的大部分材料，现有的亚临界 300MW 和 600MW 机组材料能够基本满足要求，金属材料方面的困 难不是很大，而且该参数在国外成熟的超临界机 组的参数范围之内，经过多年运行实践证明是成 功的。
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中国科协 2005 年学术年会 11 分会场暨中国电机工程学会 2005 年学术年会论文集
道大，但是集箱上却焊着大量的过热器、再热器 及导汽管道，有些还是异种钢焊接。所以超临界 锅炉运行使用的集箱对热疲劳强度的要求比蒸 汽管道还要高。由于温度和压力的需要，超临界 锅炉的集箱和蒸汽管道大部分都是厚截面部件， 再从经济的角度出发，则主要以铁素体类型钢为 主，近年来已经向高铬合金钢的方向发展。
超超临界压力1000MW机组高温蒸汽管道材料的选用
收稿日期226作者简介徐大伟(32),男,硕士,从事电站设备材料研究和贸易工作。
超超临界压力1000MW 机组高温蒸汽管道材料的选用徐大伟1, 于海田1, 吴非文2(1.大唐集团公司-中国水利电力物资有限公司,北京100045; 2.西安热工研究院,西安710032)摘 要:P91、P122、E911和P92材料是目前国内外超超临界压力1000M W 机组高温蒸汽管道经常选用的材料。
从技术角度对以上4种材料进行比较分析;同时以上海外高桥第3发电有限公司三期工程高温蒸汽管道选取为例,提出了意见和建议。
关键词:超超临界压力机组;高温管道材料;选材中图分类号: T K 225 文献标识码:A 文章编号:16712086X (2009)0620456205Choosing of High 2tempera tur e Steam Pipe Ma ter i alsf or 1000MW U ltra Super cr it ical Pr essur e U n itsXU Da 2wei 1, YU Hai 2tian 1, W U Fei 2wen2(1.Chi na Natio nal Water Resources &Elect ric Power Materials &Eq uip ment Co.,Lt d.,Chi na Dat an g (Group )Corpo ratio n ,Beiji ng 100045,China ; 2.Xi πa n Thermal Power ResearchInstit ute Co.,Lt d.,Xi πan 710032,China)Abstract :At pr ese nt ,P91,P122,E911and P92a re f reque ntly ta ke n as high 2te mpe ra tur e stea m pipe ma terials f or 1000MW ult ra superc ritical pressure units a t home a nd a br oa d.A c ompa rison is being made a mong a bove 4mate rials f r om t he technical angle.Ta king t he e nginee ring pr ojec t of the 3r d sta ge ,Shanghai W aigaoqiao N o.3Powe r Ge ne ration Co.,L t d as an exa mple ,suggestions ar e p ut f or wa rd f or t he ma terial choosing of high 2te mpe rat ure stea m pip es.Keyw or ds :ult ra superc ritical pressure unit ;material f or high 2temper ature piping;material choosing 1000MW 超超临界压力机组高温管道设计的关键是选择合适的材料,一般需要从蠕变强度、抗高温蒸汽氧化性能、抗热疲劳性能、长期组织稳定性和焊接性能等几方面加以考虑。
超(超)临界机组新型材料及其特性
光谱培训班讲义超（超）临界机组新型材料及其特性山西省电力公司电力科学研究院一、超（超）临界机组及其用钢二、超（超）临界机组部分新型材料标准简介三、超（超）临界机组新型材料特性简介二〇一四年十一月超（超）临界机组新型材料及其特性一、超（超）临界机组及其用钢特点1、超（超）临界机组参数火力发电机组锅炉的参数：2、超（超）临界机组的用钢某一600MW超临界机组的用钢实例：锅炉部分四大管道部分汽机部分3、超超临界(USC)机组新型耐热钢应用概况：主蒸汽管道选用HCM12A（P122）的日本超超临界机组电厂锅炉制造厂容量MW汽机参数主蒸汽管过热器管（不锈钢）投入运行时间橘湾Tachibanawan2 日立BHK1050 25/600/610 HCM12A SUPER304H 2001.07舞鹤Maizun1 900 24.5/595/595 HCM12AHR3CSUPER304H2004.08常陆那珂Hitachinaka1日立1000 24.5/600/600 HCM12A SUPER304H 2003.12 矶子Isogo（新#1）600 25.5/600/610 HCM12A SUPER304H 2002.04敦贺2号TSSURUGA2# 700 24.1/593/593 HCM12AHR3CSUPER304H2000.10芩北2号REIHOKU2# 700 24.1/593/593 HCM12AHR3CSUPER304H2003.07野5号HIRONO5# 700 24.5/600/600 HCM12AHR3CSUPER304H2004.07东厚真4号700 25/600/600 HCM12A SUPER304H 2002.06 日本超（超）临界机组使用NF616（P92）的情况No. 出厂年代数量制造商火力发电站锅炉功率蒸汽条件1 1996年小口径管13吨石川岛播磨重工业新日铁/东海7号147MW566℃/538℃/16.6MPa2 1997年小口径管147吨石川岛播磨重工业电源开发/橘湾1号1050MW600℃/610℃/25MPa3 1998年大口径管*60吨巴布科克日立电源开发/橘湾2号1050MW600℃/610℃/25MPa合计220吨*：尺寸Φ500×70t，Φ596.9×97t，Φ635×106tP92钢在欧洲电站项目应用实例国家项目名称内径×壁厚（mm）部件主蒸汽温度（℃）蒸汽压力（bar）安装时间丹麦VESTRAFT3#机组240×39直管主蒸汽560 250 1996年丹麦NORDJYLLANDSET 160×45 集箱582 290 1996年德国KIEL/GKWESTFALEN480×28159×27集箱循环蒸汽545650531801997年1998年丹麦AVEDORE 2/ELKRAFT400×25490×30主蒸汽管道580（主蒸汽）600（再热蒸3001999-2001年目前我国正在建造的600MW和1000MW级超超临界(USC)（压力P=25~26.5MPa，温度t=600/600℃）机组数台，根据有关资料介绍，拟采用的新型耐热钢方案有多种，现归纳整理出三方案，仅供参考。
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超超临界机组锅炉高温材料的选择和应用
根据现今全球超超临界机组中百万千瓦级的动态发展情况，分析已有的机组参数。
超超临界锅炉用耐高温材料与其参数是紧密联系在一起的，研究并开发应用超超临界锅炉的高效性能、方便加工和经济性新型材料，是未来发展的主要方向。
标签：超超临界锅炉；高温材料；选择及应用
在国民经济稳定持续增长的大背景中，人们不断的增加电力需求和国家实施节能减排的政策，建设容量大、效率快、参数高及节能好的机组是我国电力的发展趋势。
提高锅炉的蒸汽压力、温度以及其他参数都能有效提高发电厂的发电效率，其中温度的影响效果最明显。
现今国际上超超临界机组的参数为初压力24.1-31MPa，其主蒸汽/再热蒸汽的温度是580℃-600℃/580℃-610℃，用USC作表示。
而其使用金属材料的耐高压、耐高温与焊接问题是如何提高蒸汽参数这个问题中所存在的首要技术难题。
1 高温材料的选择
开发具有更好耐高温性的耐热钢是发展高效超超临界火力发电机组的关键技术，让他们适用在更高的温度范围。
现今全球在管道及锅炉的用钢发展可大致分为两方向：
（1）发展铁素体耐热钢，马氏体、贝氏体及珠光体耐热钢都被统称作铁素体耐热钢；
（2）发展奥氏体耐热钢。
全球先进国家所研制推广以及普通采用新的耐热钢种有三大类：a.新型细晶强韧化铁素体耐热钢；b.新型细晶奥氏体耐热钢；c.高铬镍奥氏体钢。
2 高温材料的应用
在过热器以及再热器的用钢方面，不仅需要满足蠕变的强度，还必须满足蒸汽侧抗氧化的性能以及向火侧抗腐蚀与冲刷的性能。
所有的铁素体钢几乎不能用在蒸汽温度高于565℃的过热器或者再热器中，这里使用奥氏体钢在需要耐高温的部件上。
这里对几种高温材料进行详细描述。
2.1 T91/P91
T91具有良好的力学性能，其结构及性能具有较好的稳定性，焊接与工艺性能优良，具备较高的持久与抗氧化性。
和TP304H作对比，T91的导热系数相对较高、热膨胀系数相对更低、持久强度中的等强温度相对较好以及等应力温度相对更高，并分别到达625℃及607℃。
T91和T9钢作对比，T91的持久强度是
600℃，是T9钢的三倍，同时还继承了T9钢优秀的抗高温腐蚀性能。
T91使用的最高温度是650℃，最佳温度是585℃-625℃，该钢经常使用在制造不超过650℃壁温的过热器、再热器以及屏式过热器等的重要组成部分，也可以代替亚临界锅炉中过热器与再热器的TP304H以及TP347H，也能使用在压力容器与核电的高温受压部件中。
P91通常使用在制造不超过600℃壁温的过热器、再热器集箱以及主蒸汽管道中，它应用在超临界机组中的优越性十分显明。
2.2 T92/P92
T92/P92是新型9%Cr马氏体热强钢，比奥氏体的热膨胀系数与导热系数更加优异。
T92具有优良的强韧性、焊接与加工性能；抗蒸汽的氧化性能基本与T91相同；通过焊接试验，证明了T92的抗裂性较好，止裂在预热温度100℃；650℃的持续强度满足多种要求。
和T122作对比，T92在性能方面略占优势，但价格却相对高昂。
高W含量可能会因为长期运行发生蠕变脆化，将P92使用在厚壁部件的时候，会有IV型裂纹的趋向，因此，这些都需要更多的时间来进行评估。
因为T92/P92的性能优良，能代替TP304H与TP347H在电站锅炉的过热器以及再热器中的应用，能通过改善其运行的性能从而减少甚至避免异种钢接头，其实际意义非常重大。
如果使用在亚临界锅炉中，可代替T91与TP347H厚壁管。
P92通常使用在苛刻的蒸汽条件下，主要使用在集箱与蒸汽管道上。
P92是已有的锅炉最高温度区以及超临界压力锅炉管子的使用钢，该钢势必会广泛应用在主蒸汽和再热蒸汽管道上。
2.3 Super304H
因为氮所具备的固溶强化作用，所以Super304H比18Cr-8Ni型不锈钢的强度水平高，而且其塑性和TP347H相差无几；十万小时的650℃持久强度的外推数值为128MPa。
Super304H具有良好的焊接性，结构稳定性好，并且抗蒸汽的氧化性和抗高温的腐蚀性能良好。
在650℃的高温中该钢许用应力高于TP304H 的90%，高于TP347H的48%，高于TP347HFG的21%，并且略微高于HR3C 的5%。
仅从抗氧化性或者抗腐蚀性来看，Super304H和TP347HFG相近，但其综合性价比略微占有优势。
Super304H℃使用的最高温度是700℃，通常使用在超超临界机组锅炉中的过热器与再热器上。
因为其性能优异，不管是从其可靠性以及经济性来看，它都属于以后超超临界机组锅炉中的过热器与再热器非常重要的首选材料。
2.4 HR3C
HR3C是结合TP310H以及TP310Cb的特征并加以改善的25Cr-20Ni型的奥氏体耐热钢，它的公称成分是0.1C-25Cr-20Ni-Nb-N。
因为在HR3C中加进了许多的Cr，Ni以及相对较多的Nb以及N，它的抗张强度比常规不锈钢18Cr-8Ni
高，它的许用应力与持久强度也比TP310以及常规不锈钢18Cr-8Ni高，抗高温的腐蚀性能也明显比18Cr-8Ni和19Cr-11Ni优异，而且其抗蒸汽的氧化性能也非常的优秀，炸接的接头也同样满足规范要求。
在临界压力参数的条件下，HR3C通常使用在制造循环流和大型发电锅炉温度不超700℃的过热器、再热器、屏式过热器和各种耐高压，耐高温或者抗硫、抗氯等环境腐蚀的管件。
3 结束语
超超临界机组发电是一个有前途的清洁煤发电技术，因为超超临界的蒸汽参数条件，使机组中一些关键部件性能具有更高的要求，合理的进行选材确保机组的安全性与可靠性。
新钢种还处在应用的起步阶段，需要不断的进行探究和归纳其在运用中显现的问题，从而推动其稳定发展以及运行。
参考文献
[1]毛建雄.700℃超超临界机组高温材料研发的最新进展[J].电力建设，2013（18）：69-76.
[2]梁军.超超临界火电机组钢材选用分析[J].电力建设，2012（10）：74-78.。