超超临界发电设备、材料特种钢国产化及其应用20090401.ppt

标题超超临界发电设备、材料特种钢国产化及其应用,华能国际电力股份有限公司齐志刚,,前言主题词火力发电、超超临界、新型钢、国产化,一、前言,我国电力工业的发展规模，是从1949年新中国诞生后在党中央、国务院领导下和各地方、各行业的领导、专家工程技术人员和员工大力支持下，由1850MW基础上经过近60年几代人的艰苦奋斗，发展到2008年792.53GW规模,增长了428倍；目前稳居世界第二位，仅次于美国。技术水平也已处于世界前列。与之相应的电站用金属材料特别是高温用特种钢，超临界和超超临界用新型钢的国产化也取得了突飞猛进和长足的进步。,二、电力工业发展历程,2.1、解放前与建国初期（1949-1965）2.2、文革前至1978年（1966-1978）2.3、1979-目前2009年,表1.装机容量的变化,2.4中国近20年来电力工业发展的里程碑,1987年中国发电装机容量突破1亿千瓦；1995年03月突破2亿千瓦，发电1万亿度；2000年04月突破3亿千瓦，发电1.313万亿度；2004年05月突破4亿千瓦，发电2.187万亿度；2005年12月突破5亿千瓦，发电2.4万亿度；2006年10月突破6亿千瓦，发电2.834万亿度；2007年11月突破7亿千瓦，发电3.2559万亿度2008年底中国发电装机容量7.9亿千瓦,发电达3.4334万亿度;,2.4.1-1990年世界发电量前4名,1990年世界发电量前4名美国32028亿度苏联17646亿度俄罗斯10822亿度日本8573亿度中国大陆6212亿度全球总计198948亿度,2.4.2-2007年世界发电量前12名,美国43679亿度中国大陆32777亿度（比1990年增长5.24倍日本11600亿度俄罗斯10149亿度印度7747亿度德国6365亿度加拿大6324亿度法国5665亿度韩国4400亿度巴西4336亿度英国3975亿度西班牙3223亿度,2.5、我国火力发电机组的发展系列表2,2.6、我国火电机组机组的发展概况2、表3.（机组系列发展阶段、参数温度、压力的变化）,我国1955年生产出第一台6000KW中压火电机组，蒸汽压力3.82MPa，温度450℃；1960年生产出第一台50MW高压火电机组，蒸汽压力9.80MPa，温度538℃；1966年开始生产100MW-200MW超高压机组，蒸汽压力13.73MPa，温度538℃/538℃；1987年投产第一台300MW亚临界机组，蒸汽压力18.28MPa，温度538℃/538℃；2004年投产第一台超临界机组，蒸汽压力24.20MPa，温度566℃/566℃；（沁北）2006年第一台百万千瓦超超临界机组投产，压力26.25MPa，温度600℃/600℃。（玉环）,2.7、电站用钢的发展与变化,2.7.1锅炉用钢主要是受热面管道、联箱、再热器、过热器、省煤器、水冷壁，以及大口径厚壁的四大管道；表4.超临界机组锅炉用材,2.7.2锅炉用钢主要是受热面管道、联箱、再热器、过热器、省煤器、水冷壁，以及大口径厚壁的四大管道；,超超临界机组锅炉用材见表5.,2.8汽轮机用钢包括高中、低压转子、汽缸、叶片、螺栓等；,高中、低压转子、叶片、螺栓等材料见（表6.,2.9发电机用钢主要是发电机转子、护环等；（略）,不属于高温用特种钢，但属于高级特种钢（略）,三、发电设备材料国产化历程、现状及前景,3.1起步阶段上世纪50年代中60年代初;3.2独创为主阶段上世纪60年代初70年代末;3.3中西结合阶段上世纪80年代初一90年代中;3.4体制转轨阶段上世纪90年代中～2006;3.5抓住机遇，迎接新的挑战阶段（2009-2020年；,3.1我国发电设备材料必须立足国内1,1起步阶段上世纪50年代中60年代初。这个阶段，我国先从捷克引进中压机组制造技术，接着从原苏联引进高压机组制造技术，相继生产出6MW、12MW、25MW、50MW的中、高压火电机组，参数为3.5MPa/435℃和9.0MPa/535℃，这些机组的用钢为碳钢和低合金钢，主要从原苏联、捷克东德等国进口。我国在这个阶段组建了发电设备材料的研究队伍，金属试验室在有关研究院所和工厂相继建成，高温强度试验室也在有关研究院所建成，开始对引进的部分钢号进行复核试验研究，对引进材料在我国的适用性进行分析。这个阶段为我国发电设备材料的研制和开发莫定了基础。,3.2我国发电设备材料必须立足国内2,2独创为主阶段上世纪60年代初70年代末。六十年代初，中苏关系恶化，国际上对我国实施禁运。为使发电设备材料立足国内，开始独立研发国产钢种。在这期间共开发研制了28个钢号，每个钢号是由发电设备制造厂、冶金厂、发电厂、研究院所、高等院校等单位共同协作研发完成的。由于当时我国镍铬资源短缺和受极左思潮的影响，片面强调“外国有的我们要有，外国没有的我们也要有”，盲目执行当时提出的“硅锰钒钦硼，适量用钨铝，节掉镍和铬，大量用稀土”的元素政策。研制的28个钢号中有许多是无铬无镍耐热钢，结果违反了客观规律，很多材料不是力学性能不稳定，就是工艺性能不好，或组织稳定性差。大部分钢号只是被试用或少量采用，曾被大量采用的只有七个钢号，至今仍在使用的只有四个钢号，它们是管子用钢12Cr2MoWVTiB钢102，螺栓用钢20CrlMolVNbTiB1“钢和20CrlMolVTiB2”钢、焊接转子用钢25Cr2NiMoV。尽管如此，这个阶段的电站材料研发的机制是有效的，是能够出成果的，对这个阶段自行设计制造125MW、20OMW超高压机组起到了积极的推动作用。在这个阶段，我国的材料工作者虽然进行了大量的发电设备材料研制工作，作出了巨大的努力，也研制成功了一些优良的钢种，但由于当时环境和政策的影响，没有达到预期的效果。此阶段正值文革期间，生产不正常，冶金质量难以得到保证，钢材的数量、品种不能满足发电设备制造的需要。在后期，随着国际禁运的松动，我国大量从德国进口发电设备材料，使用了一批德国牌号的钢材，如St45.8、13CrMo44、1OCrMo910、F11X20CrMoWV121、F12X20CrMoVl21、19Mn5、BHW38、BHW35等，此外还使用了瑞典的HT79Cr-1Mo钢、瑞士的17CrMolV瑞士牌号为St560TS.在这个阶段，我国投运了按原苏联图纸生产的l00MW高压机组、自行设计制造的125MW、200MW超高压机组和30OMW亚临界机组。,3.3我国发电设备材料必须立足国内3,3中西结合阶段上世纪80年代初一90年代中。这个阶段是我国以经济建设为中心，全面实行改革开放的时期，各行业积极引进西方技术。在发电设备制造方面，80年代初引进了美国CE和WH公司的300MW和600MW亚临界机组制造技术。随着机组制造技术的引进，美国的一批发电设备材料也引入我国。这次引进与50年代那次引进不同，不是全部照搬引进机组的材料，而是中西结合。根据我国当时的发电设备用材情况，在引进型机组中采用了一些经多年使用考核证明各种性能良好的成熟钢种。引进的这些钢种主要有水冷壁、过热器、再热器管子用钢SA210C、TP304H、TP347H,，管道用钢SA106B、汽包厚板用钢SA299、高中压转子用钢30CrlMolV，低压转子用钢30Cr2Ni4MoV，螺栓和叶片用钢C-422、AISI403、17-4PH、高中压内外缸用铸钢ZGCr2Mo1和ZG15Cr1Mo等;这个阶段，我国进行了大量的引进机组材料的性能研究、引进机组材料与国内原有相同用途材料的性能比较研究、引进机组材料的国产化研制、电站锅炉用钢和汽轮机用钢的系列化研究。在此期间，国家化巨资建设大型现代化冶金企业，如宝山钢铁集团公司、天津钢管公司等，许多冶金企业也进行技术改造，引进国外先进设备和技术。原机械部所属的三大重机厂也先后建成了钢包精炼炉，上重厂还建成了200吨电渣重熔炉。重机行业引进日本室兰大锻件制造技术，使我国的大锻件生产有了突破性的进展。1988年1月在上海通过了一重、二重、上重生产的4根300MW汽轮机中压转子的鉴定，1989年8月在哈尔滨通过了二重厂生产的一套600MW机组大锻件鉴定。这套大锻件包括汽轮机高压、中压、低压转子、发电机转子和护环。至此，我国己经掌握了大型亚临界机组用大锻件的制造技术。与此同时，对引进的其它材料，如C-422、AISI403、17-4PH、R-26、GH4145、TP304H、TP347H、ZG15Cr2Mol、ZG15CrlMo等进行了国产化研制，并取得成功。然而，发电设备材料国产化问题在这个阶段仍没有得到根本解决，有些国产化研制成功的品种也没有形成批量生产或大批量生产，大口径钢管、汽包厚板几乎全靠进口，汽轮机、发电机转子锻件也没有完全立足国内。在这个阶段，我国投运了引进美国CE和WH公司技术生产的300MW、600MW亚临界机组。,3.4我国发电设备材料必须立足国内4,4体制转轨阶段上世纪90年代中～2006。这个阶段，我国由计划经济向市场经济大步迈进，国家政府机构实施改革，原机械部、冶金部、电力部等国家机构撤消，原部属研究院所转制，冶金企业、重型机器厂、发电设备制造厂等面临困境，企业效益大幅度滑坡。“九五”的超临界机组项目因依托工程不能落实而搁浅。原有的由国家各部委组织、行业归口所牵头、国家拨经费、下项目的科研体系被打破，市场经济下的发电设备材料国产化研制体系没有形成，电站材料工作者面临无经费、无项目的馗尬境地，一些高温长时试验被迫停止，有的高温试验室已经关闭。发电设备材料的研究和国产化工作处于低潮。在这个阶段，所进行的发电设备材料方面的工作，一是对国家在“八五”期间投资改造的六家冶金企业的产品进行评定，但评定后这些产品并未批量生产。二是超临界机组终于在沁北电厂落实了依托工程，开始启动超临界机组材料的研究工作，但研究经费少、研究机制存在问题。沁北超临界锅炉由日立出图、东锅制造，基本上都采用亚临界机组材料。汽轮机由三菱提供高中压部件，哈汽主要负责制造低压部分。高中压转子仍采用亚临界机组用的30CrlMo1V钢锻件，高中压内缸和主汽阀采用9-12Cr铸钢和锻钢，高中压叶片全部由三菱直接提供。依托工程虽然落实了，但真正需要研究的912Cr钢转子等，连试验用料都难以搞到。在这个阶段，我国火电设备制造技术至今没有明显进步，仍停留在300MW、600MW亚临界机组的水平上。而日本的25MPa、600/610℃、1050MW机组已在运行，法国的30.5MPa、582/600℃机组和德国的29MPa、600/625℃机组即将在今明年投运。欧洲在20年以前，为实现600～620℃的超超临界火力发电，制订了COST50、COST501计划，对12Cr钢进行研究。1998年开始实施COST522计划，有15个国家参加，目标是30MPa、650℃超超临界机组材料。以西部丹麦电力公司为中心的欧洲总部于1998年开始进行37.5MPa、700℃的超超临界火电机组材料的研究，预计在2015年完成。德国政府从1999年开始实施MARCKODE2计划，对30MPa、700℃超超临界机组材料进行研究。日本政府也已开始进行35MPa、650℃超超临界机组材料的研究。,3.5我国发电设备材料必须立足国内5,2005-目前，庞大的市场需求拉动了对高等级材料的需求，从2002-2006年电力体制改革后五大电力集团的成立竞争局面促使电力建设高潮如火如荼，规模达到2-3亿KW,从而促使对电站材料的庞大需求，价格水涨船高、数量供不应求，交货期一延再延；成为三大动力厂的瓶颈；上述情况促使的国家下决心领导、组织并支持冶金、机械、军工和民营企业纷纷引进技术设备上马，国内大规模的科学、扎实、严谨的研发、评审、鉴定、推广工作以及市场需求，使得国产化取得令人刮目的成就。目前经过几年的努力，超临界和超超临界机组所需的高等级材料除个别牌号在做试验外已经基本上研发完成，先后通过评审、鉴定并应用,国家压容委、中机联、中电联、电力规划院、三大动力、上海发电成套院、钢研总院、西安热工院都曾组织参与了多种超临界和超超临界新型材料的研发、评审鉴定。又如宝钢特钢、北方重工、武汉471、攀成钢、以及民营的江浙、国内等企业的努力奋斗，有效地解决了超临界和超超临界机组的制造瓶颈。一、二重1.5万吨水压机的技改历时4年完成，也将陆续有效解决百万等级机组汽轮发电机转子400-600吨级重型铸锻件的紧缺和国外的垄断局面。这促使我们想起毛主席在上世纪60年代就我国原子弹、核潜艇的研发决策时所言“先解决有没有，再解决好不好。”新型材料的自主化或者叫国产化不应是权宜之计，而应当是长远之计，不能设想国外会将高科技的关键技术和工艺轻易地转让给我们，有时侯有钱并不能买来一切。譬如说将来要发展更高参数（700℃和760℃）的发电设备和材料，伴随着高参数、高效的美好结果，就要首先解决材料预研问题，准确地讲700℃和760℃参数下所用的材料已经不是一般意义上的钢，而是高温合金，（包括受热面炉管、转子、叶轮、叶片、阀体、阀芯等等涉及高温高压的材料），从研发到商品化应用一般需要10-20年时间，临时抱佛脚肯定是行不通的。我们应当有所准备。机会永远留给有所准备的人。,3.6国产化应用现状,3.6.1煤电和核电仍将要在电力建设中唱主角;而这就造成对超级管道的庞大需求。按照有关行业专家测算，每万KW对煤电和核电机组大约需要90吨各类大中小规格的锅炉压力容器管道材料，其中外径≥325MM、壁厚≥40MM的大口径无缝合金锅炉管道约占23，由此可以推算出8000万KW煤电和核电机组建设容量，每年约需要18.4万吨，按照合金比占70框算也需要12.9万吨的“超级管道”。这里需要指出的是“{超级管道”就是超临界和超超临界机组的主蒸汽管道和再热热段蒸汽管道所使用的P91、P92、另外还有HR3C、SUPER304、347H等新材料（包括大锻件和焊接材料）已经成为锅炉、汽机主机制造的瓶颈。用于火电和核电的高温高压管道系统的原材料-国外称之为超级管道资源高度紧张。国外的大口径制造和供货商的排产计划已排至2010年2季度甚至更长，特别是用于300MW级亚临界、600MW超临界、1000MW超超临界机组的超级管道，受产能和需求拉动等因素的影响，国外的大口径制造和供货商均已停止报价，其原因在于无法预测铁矿石、废钢、焦炭等资源价格走势。最近五大发电集团不是都在面临着国外管道供货商的频繁的调价吗此外在发展清洁能源、超超临界燃煤机组、核电、风电机组我们还有一系列问题要解决如大锻件问题、核岛用材问题、风电用材问题等等。。。。。。3.6.2尽管钢铁行业的产能规模;已达5.3亿吨／年，实际产量2006年为4.4亿吨，但特种钢仍然在大量依赖进口，这种进口模式从“一五”期间就开始了，现在情况正在发生变化。需要指出的是电站（包括核电、风电、燃气蒸汽联合循环机组）用钢，牌号、规格多、批量小、技术要求高；一直是国内冶金行业的难点，在计划经济时代是不太受重视的；作为钢铁行业历来重视的是长线产品，对电站行业的迅猛发展和技术水平的更新换代之频繁似准备不足。国产化就是最直接、最有效、最快捷的解决途径，解决得好将有助于国内产业技术水平的提升同时也扶植了民族产业，符合国家的产业政策；对电力用户来说，则可以有效的解决资源的短缺，以打破和抗衡欧美日对我国的技术封锁和资源制约。,3.7ECCC对P92、E911持久强度的重新评估表7.,目前，2007版已发布有关P92的许用应力数值；欧洲的EN10216-22002A22007标准和ASMEB31.1-2007附录A.其中的X10CrWMoVNb9-2,与2005版相比没有变化。,3.8ASME对P92、P122许用应力的重新评估表8.,当采用美国管材时，许用应力按ASMEB31.1-2007附录A选取。关于P91管材，2007版EN10216-2和ASMEB31.1-2007许用应力有所提高，提高了7.6Mpa，8.55。关于P122管材，由于高温持久强度下降20以上，据了解各大锅炉厂已不再采用。,四、结语和几点建议,文集中三大动力厂均介绍了各自应用国产化的超临界和超超临界新材料的经历。做为最终用户，各电力集团也对此寄予厚望。华能在2007年6月对国产化的超临界和超超临界新材料几个生产厂（冶金、军工、船舶）进行了技术性考察，并于2007年8月组织和邀请国内四个行业专家和领导举行了研讨会并形成会议纪要，专家们给与了肯定。经批准2007年11月发出了第一批4个厂八台机组（2X600MW超；6X300MW亚）共计3000MW的四大管道完全国产化的订单，目前已基本交货完毕。华能在国产化问题上坚持了科学、严谨、务实、支持以及一视同仁的态度，制定了相应的采购规范标准和程序，我们敢于创新、敢于对工程负责。,4.1.未来2-3年电力的发展趋势,4.2几点建议,紧跟世界材料科技的步伐，自主创新并逐步实现跨越；研究国家产业政策的变化，跟着市场走但要有一定的预见和前瞻性；跨行业的产学研研发与应用机制；跨行业的协调、沟通机制及措施；,,谢谢大家,