Диссертация (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 6

Усилия разработчиков натекущем этапе исследований сконцентрированы на вопросах подбора материалов, разработкетехнологий и испытаниях как самих материалов, так и изготовленных из них элементовкотельного оборудования и турбины. Повышение температуры и давления требует изучениясвойств как уже используемых, так и новых для паротурбостроения материалов, защитных итермобарьерных покрытий, обладающих достаточной длительной прочностью в условияхУСКП, коррозионной стойкостью в среде высокотемпературных продуктов сгорания,стойкостью к окислению в среде высокотемпературного пара, эрозионной устойчивостью. Дляэтих материалов требуется как разработка самих новых материалов, так и технологий литья,сварки толстостенных деталей, ковки, обработки давлением, механической и термическойобработки, нанесения покрытий.При переходе от условий ССКП к УСКП, как показано на рисунке 1.10, в номенклатурепригодныхдляиспользованияконструкционныхматериаловначинаютпреобладатьвысокопрочные тугоплавкие сплавы с большим содержанием никеля [77], которые имеютхудшие для энергетического оборудования теплофизические характеристики по сравнению смартенситными сталями, применяемыми в условиях ССКП.

Их относительно низкаятеплопроводность и высокий коэффициент термического расширения замедляют выравниваниетемпературвэлементахконструкциииувеличиваюттермическиенапряжения,способствующие изменениям в кристаллической структуре и растрескиванию. Учитываявозрастающие требования к маневренности ТЭС, эти особенности аустенитных сталейнеобходимо будет компенсировать дополнительными конструктивными и технологическимиприемами и применением никелевых сплавов.На рисунке 1.11 представлено распределение жаропрочных материалов по конструктивнымэлементам оборудования паротурбинного энергоблока с ультрасверхкритическими параметрами пара. Основными элементами, требующими замены традиционных материалов на новые жаропрочные и жаростойкие сплавы в связи с переходом на повышенные параметры пара, являются пароперегревательные поверхности, в особенности выходные пакеты пароперегревателей,и сборные паровые коллекторы котельного агрегата, высокотемпературные паропроводы острого пара и пара промежуточного перегрева, блоки стопорно-регулирующих клапанов, внутрен-25ние корпуса высокотемпературных цилиндров и роторы паровой турбины, а также первые ступени проточной части.25,5 МПа520 °С/540 °С28,5 МПа600 °С/620 °Саустенитные35,7 МПа700 °С/720 °Сникелевые36,7 МПа730 °С/760 °Сникелевыеферритныеферритныеферритныеаустенит- ферритныеныеаустенитныеРисунок 1.10 – Изменение сортамента сталей в зависимости от параметров пара паросиловыхустановокРисунок 1.11 – Распределение жаропрочных материалов по элементам оборудования энергоблока с УСКП параХарактеристики и области применения некоторых существующих пригодных дляиспользования в условиях УСКП сплавов приведены на рисунке 1.12 и рисунке 1.13 [77-84].26800Темпратура, °С750Ферритныестали сАустенитныеповышеннымсталисопротивлениемползучести700650600550УлучшенныеаустенитныесталиНикелевые сплавыФерритныестали500450400Рисунок 1.12 – Жаропрочность различных сталейРисунок 1.13 – Допустимые области использования различных видов сталейКлючевыми конструктивными элементами угольной ТЭС, определяющими возможностьдостижения заданных параметров УСКП, а также надежность и экономичность электростанции,являются элементы поверхностей нагрева, паропроводов, коллекторов и турбинного оборудования (ротор турбины, лопатки паровых турбин, литые элементы корпусного оборудования).

Втаблице 1.5 приведен перечень свойств, которые должны обеспечивать материалы для оборудования, работающего при повышенных температурах и давлении.27Таблица 1.5 – Требования к материалам теплоэнергетического оборудованияКоррозионКоррозионнаяУстаЖароная стойстойкость в среде лостнаяпрочкость в паро- продуктов сгорапрочностьвой средения топливностьПоверхно+++сти нагреваПаропрово++–дыРотор паровой турби++–ныЛопаткипаровой++–турбиныЛитые элементы кор++–пусного оборудованияПримечание: * – в случае применения сварных роторовВязкостьПластичностьТехнологичностьпри изготовленииэлементов оборудованияСвариваемость––+++++++++++++*++++···+++++Основными расчетными критериями, определяющими выбор материала для котельного,паропроводного и турбинного оборудования, предназначенного для работы при повышенныхтемпературах, которые вызывают ползучесть, в соответствии с действующей на территорииРоссии отраслевой нормативной документацией [85, 86] являются уровень длительной прочности и предел ползучести (на 1 % деформации) за ресурс 1×105 и 2×105 часов при рабочих температурах.

При этом материал должен обладать высокой пластичностью и вязкостью, удовлетворительной коррозионной стойкостью в пароводяной среде и среде продуктов сгорания топлива (для поверхностей нагрева), высокой технологичностью в условиях металлургического имашиностроительного производств (при выплавке, ковке, горячей деформации, сварке и термообработке).Для толстостенных элементов оборудования (коллекторов, паропроводов, роторов турбин ипрочего) также важен необходимый уровень вязкости основного металла и сварных соединенийдля предотвращения опасности хрупких разрушений в условиях пусков оборудования и проведения гидравлических испытаний.В отдельных случаях необходимо учитывать специфические условия работы материалов,вызывающие потребность в расширении требований оценки соответствующих свойств как стали, так и ее сварных соединений: при циклических нагрузках – оценку циклической прочности,при активном воздействии среды – оценку коррозионно-механической прочности и др.Целенаправленные работы по созданию жаропрочных материалов для котельного, паропроводного и турбинного оборудования ведутся за рубежом (в США, Европе, Японии, Китае,Индии и Корее) [86-92] в рамках реализации государственных целевых программ, направленных на разработку технических и технологических решений для создания блоков УСКП.

Ито-28гом данных мероприятий должно стать создание к 2020 г. демонстрационных блоков с рабочими параметрами пара в интервале температур от 700 до 760 °С и давлений от 30 до 35 МПа,КПД не менее 50 % и высокой экологичностью [93].В реализацию указанных программ вовлечены ведущие научно-исследовательские, проектные, металлургические и энергомашиностроительные компании мира, среди которых можновыделить Alstom Power (США, Франция), Siemens (Германия, Франция), Electric Power ResearchInstitute (Научно-исследовательского института электроэнергетики EPRI, США), InternationalEnergy Agency (Международное энергетическое агентство IEA, Великобритания), Vallourec(Германия, Франция), Centre Sviluppo Materiali (Центр исследования материалов CSM, Италия),Babcock & Wilcox (США), Foster Wheeler (Швейцария), Riley Power (США), Oak Ridge NationalLab (Национальная лаборатория Оак Ридж, США), BOHLER Edelstahl GmbH & Co KG (Германия) и другие.К настоящему моменту участниками программ определен перечень кандидатных материалов для основной номенклатуры элементов котельного, паропроводного и турбинного оборудования и ведется промышленная отработка технологий изготовления основных конструктивныхэлементов оборудования.

В таблице 1.6 приведен перечень кандидатных материалов для работыпри температурах более 700 °С [90-92, 94-97].Таблица 1.6 – Кандидатные материалы для работы при температурах более 700 °ССША2001 (DOE/OCDOProject)760 °СЕвросоюз1996 (AD-700,OMTES)700 °С/720 °СInconel740H,Nimonic263,Alloy617m,Sanicro25Inconel740H,Alloy617mРотор паровой турбиныAlloy617,Alloy625Лопатки паровой турбиныHaynes282,Nimonic 80Alloy617,WaspaloyInconel740, Alloy625Год начала работ попрограммам работМаксимальная рабочая температура параПоверхности нагреваПаропроводыЯпонияКитай20082010700 °С700 °С/720 °СInconel740,Alloy617/617m,Nimonic263,Sanicro25Alloy617/617mAlloy617 (B),Alloy263, Alloy740,USC800, HR35,HR6WAlloy617 (B), HR35,HR6WNF709R, Sanicro25,GH2984G,Inconel740HAlloy617FENIX-700, LTES,TOS1X, Alloy141,USC 141USC141GH2984G,CCA617CN,G115/G112н/дн/дВ настоящее время зарубежными компаниями проводятся работы по освоению технологийизготовления элементов оборудования из вышеперечисленных материалов и ведется подготовка к проведению испытаний модельных элементов оборудования (пароперегревателей, клапанов, элементов турбины и других) в условиях ТЭС.29Для создания отечественного блока УСКП в России имеются предпосылки, в частностиразработаны и освоены в промышленном производстве мартенситные стали марок 10Х9МФБ,10Х9В2МФБР и 10З9К3В2МФБР, выдерживающие температуру пара до 650 °С, и сталиаустенитного класса типа ЭП-184 и 12Х18Н16М2ТР – для работы при температурах пара до680 °С [98-101].

Трубы из этих сталей изготавливаются отечественными заводами (в том числеПАО «Уральская кузница», ОАО «Металлургический завод «Электросталь», «Челябинскийтрубопрокатный завод», ОАО «Первоуральский новотрубный завод», ОАО «Волжскийтрубный завод», ОАО ТКЗ «Красный котельщик» и ЗАО «Энергомаш (Белгород) – БЗЭМ»),освоены гибочные и сварочные процессы, имеется технологическое оборудование [102]. В тоже время, несмотря на значительный опыт отечественного материаловедения в частиразработки никелевых сплавов для работы оборудования ГТУ при сверхвысоких температурах,исследованияпоразработкематериаловитехнологийдляэлементовкотельного,паропроводного и паротурбинного оборудования с температурой пара более 700 °С на ресурсдо 200 тыс.

часов в России не велись.1.2.2 Экономические аспекты перехода на повышенные параметры параС повышением параметров пара помимо технических проблем возрастающее значениеприобретает и экономический аспект – стоимость элементов конструкций из жаропрочныхникелевых сплавов увеличивается с повышением жаропрочности экспоненциально [103] иболее чем в 10 раз превышает стоимость хромомолибденовых сталей, применяемых всовременных ССКП котлах. В абсолютных величинах стоимость, например, трубы изжаропрочного никелевого сплава находится на уровне $55-110/кг [77].

Детали, изготовленныеиз этих сплавов для работы при характерных для УСКП температурах и давлениях, получаютсятолстостенными, следовательно, материалоемкими и дорогими (рисунок 1.14). Поэтому приоптимизациивыбораматериалатребуетсяодновременноучитыватьтехническиеиэкономические аспекты. Детали из более качественного (и дорогого) материала будут иметьстенки тоньше и могут оказаться предпочтительными как по стоимости из-за меньшего расходаматериала, так и по техническим параметрам.В поисках путей снижения стоимости исследователями различных стран активная работаведется и в части изготовления составных высоконагруженных деталей из различных по техническим характеристикам и стоимости классов материалов.