美国NETL总结先进超超临界高温合金研发进展

  

  美国国家能源技术实验室(NETL3月份发布报告[1],总结了研发团队17年来在先进超超临界(A-USC)高温合金技术和工艺方面的研发进展。先进超超临界燃煤电厂是主蒸汽条件处于超超临界的电厂,能够提高发电效率并减少碳排放,该条件下运行的锅炉和蒸汽轮机需要采用更高性能的高温合金材料。NETL在美国能源部(DOE)的资助下,与俄亥俄州能源工业公司(EIO)达成合作协议,开发在760340个标准大气压蒸汽条件下运行的先进超超临界锅炉和蒸汽轮机的先进材料,推进其商业示范。2015年,NETL确定镍基高温合金Inconel 740Haynes H282性能满足要求。该项目现阶段的研究任务是进行先进超超临界组件测试,将采用镍合金和其他先进合金制造在760238个标准大气压蒸汽条件下运行、可用于800兆瓦燃煤电厂的全尺寸先进超超临界组件,主要包括过热器组件、大直径厚壁管、蒸汽涡轮机转子和蒸汽涡轮机喷嘴支撑组件,以实现到2021年将先进超超临界材料应用于燃煤电厂的目标。报告主要内容如下。

  一、NETL在先进超超临界技术方面的研发成果

  1、先进超超临界工厂设计与经济学分析

  1)通过对多个先进超超临界锅炉设计方案的对比研究,发现镍的价格对经济分析至关重要,先进超超临界技术比其他减少碳排放的技术更经济高效。

  2)富氧燃烧锅炉的尺寸与空气燃烧锅炉相似,并且可以减少对流烟道的管道数量。

  3)通过改变当前先进超超临界锅炉的材料或设计,解决更高给水温度和膜式水冷壁温度问题。

  4)通过锅炉动态建模,实现对先进超超临界锅炉循环的最大爬坡率和控制的定量分析。

  2、锅炉机械性能

  1)存在能够满足760340个标准大气压要求的材料。

  2740/617/S304H/230合金的长期蠕变试验(2万~9.5万小时失效)对于评估材料稳定性至关重要。

  3)改进了锅炉和压力管道的美国机械工程师学会(ASME)标准规范。

  4)开发了新的测试方法。

  3、锅炉蒸汽侧氧化、剥落和露点腐蚀

  1)没有发现压力对蒸汽侧氧化的影响。

  21万小时的大量实验室测试数据表明,镍基合金耐蒸汽氧化。

  4、锅炉向火侧腐蚀

  1)测试了超过450个实验室和现场样品以确定合适的材料。

  2)保护层可为锅炉管提供向火侧腐蚀保护,防止高硫煤腐蚀。

  3)进行了先进超超临界合金在商用燃煤锅炉(温度高于760℃)的蒸汽回路测试,为下一阶段先进超超临界技术开发提供了重要数据参考。

  5、锅炉焊接

  1)超过30种材料、焊接金属和工艺组合是合格的。

  2)解决了Inconel 740合金焊缝的早期开裂问题,得到优化的740H合金,能够可靠焊接的最大厚度达3.5英寸。

  3)对于镍基高温合金焊接压力元件,焊接强度削减30%不会损害到焊接设计最大压力载荷。

  6、锅炉制造

  1)先进超超临界镍合金可以使用典型的锅炉制造工艺进行加工。

  2)在成本较低合金的热侧上,具有高强度镍层的复合水冷壁管显著提高了ASME相应锅炉设计标准的最大许用压力。

  7、汽轮机材料与制造

  1)首次对Haynes 282进行了示范试验。

  2 成功开发Haynes 282锻造工艺并锻造了44英寸直径的圆盘。

  3)锻造圆盘的详细表征显示出优异的晶粒尺寸控制,与标准的Haynes 282产品相比,具有优异的疲劳、蠕变疲劳(保持时间疲劳)和拉伸性能。

  4)开发焊接和焊接修复技术,用于汽轮机铸造及其与锅炉蒸汽管道的连接。

  5)测试所有关键镍基超合金的长期性能和微观结构稳定性。

  二、NETL下阶段将进行的研究内容

  1、建立先进超超临界组件的国内供应链,并最大限度地降低先进超超临界电厂开发的风险。

  2、验证由镍基超合金和其他先进抗蠕变合金制成的先进超超临界组件在稳态和循环工况下的先进设计和寿命预测方法。

  3、验证镍基超合金和其他先进超超临界组件的设计,使用寿命至少为30年。

  4、通过设计和制造,验证先进超超临界组件在稳态和变负荷工况下运行的稳定性效果。

  5、开发和验证制造、安装和维修方法,用于铸造和锻造镍基超合金先进超超临界组件及子组件。                           (岳芳)

 

  


 

[1] Progress on Advanced Ultrasupercritical Superalloy Technology and Process Builds on Nearly Two Decades of NETL-led R&D. https://www.netl.doe.gov/node/8486

原文始发于:美国NETL总结先进超超临界高温合金研发进展

 

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