高温材料在发电燃气轮机中的应用和发展

高温材料在发电燃气轮机中的应用和发展
发表时间：2016-04-27T16:09:42.910Z 来源：《电力设备》2015年第12期供稿作者：王家东[导读] 神华国华（北京）燃气热电有限公司在我国发电燃气轮机的发展中一直都想把效率更高、可靠性更强和使用寿命更长作为重要的发展目标和发展方向，而在发展的过程中，构件的材料发挥了十分重要的作用，所以一定要重视材料的选择，根据其特点还应该选择高温材料，以便能够更好的展现出其良好的性能。

（神华国华（北京）燃气热电有限公司北京 100000）摘要：在我国发电燃气轮机的发展中一直都想把效率更高、可靠性更强和使用寿命更长作为重要的发展目标和发展方向，而在发展的过程中，构件的材料发挥了十分重要的作用，所以一定要重视材料的选择，根据其特点还应该选择高温材料，以便能够更好的展现出其良好的性能。

本文主要分析了高温材料在发电燃气轮机中的应用及发展趋势。

关键词：高温材料发电燃气轮机应用发展
引言
近年来，燃气发电机在世界上发展十分迅速。

燃气发电机组是以天然气为燃料的新型节能环保发电机组，具有起动性能好、发电质量高、噪声低振动小等众多优势。

目前国内大型燃气轮机组多选用国外进口产品，高温材料的应用显得尤为关键。

随着燃气轮机的进气温度进一步提高，需要开发新型高温材料，如金属间化合物、难熔合金、碳－碳复合材料、陶瓷及其复合材料等，作为高温合金的替代材料，以减少冷却或者不使用冷却，从而提高燃气轮机的效率。

本文主要结合燃气轮机发电结构探讨高温材料在发电燃气轮机中的实际应用，以供参考。

一、燃气轮机浅析
作为旋转式动力机械，气体以连续流动的方式在燃气轮机中通过热能向机械能的转化，进而推动发电机组旋转。

纵观世界范围内，瑞士一家企业于二十世纪三十年代末制造出了第一台燃气轮机。

经历了多年的发展与完善，燃气轮机已经在坦克动力、机车动力、发电、管线动力等方面有所应用。

通过结构的不同进行划分，工业燃气轮机主要包括轻型燃气轮机与重型燃气轮机。

当前，燃气轮机在英国、美国、俄国等国家已经被应用到水面舰艇之上。

除此之外，轻型燃气轮机也成为输油输气及海上采油管线加压装置的重要组成部分，实现了 41. 6％的热效率( 简单循环)。

重型燃气轮机制造的主要特征是高度垄断，其中主要的核心制造企业包括西门子、GE（通用电气）、三菱、ABB等。

而P＆w R.R与 G则在轻型燃气轮机制造领域中占据主导地位。

在二十世纪五十年代末期，我国国内开始进行重型燃气轮机的制造。

当时制造企业包括哈汽场、南汽厂以及上汽厂，在 “厂校结合” 形式下，我国已经自主研发除了位列世界领先地位的燃气轮机，包括3500hp 机车用机组，1M W 、 3M W发电机组。

近些年来，我国不断升级工业化结构，也在不断改造升级我国的重型燃气轮机。

但值得注意的是，虽然取得如此进步，但我国燃气轮机设备不够集中，材料先进性尚待提高，完善工作仍需继续。

燃气轮机发电机组主要功能在于驱动发电机正常发电，联合蒸汽燃气循环为常见的发电机组，相比于通常的燃煤发电，采用联合蒸汽燃气循环具备环保节能、安装时间短、高效率、投入成本低、装置整体体积不大以及迅速启停的优势，其已经成为各工业领域重点发展方向。

二、燃气轮机发电结构
燃气轮机发电系统结构由压气机、燃烧室、透平、同步发电机组成。

当电网侧 AGC 指令与发电机的电磁功率不等时，先将功率偏差信号送至 PI 控制器输入端，通过PI 控制器调节燃烧室入口的燃料量，与经压气机压缩后的空气混合在燃烧室内燃烧，燃烧后的高温高压的燃气送至透平内膨胀做功，再经由发电机将机械能转换成电能。

最后，当发电机实际输出功率与AGC 指令相同时，调节过程结束。

三、热部件对材料的要求
1、燃烧筒和过渡段。

在燃气轮机运行的过程中，燃烧室发挥着十分重要的作用，它也是整个燃气轮机所有部件中运行温度最高的一个，在正常的运行过程中，其还要承受严苛的工作环境，所以为了能够更好的保证燃气轮机运行过程中燃烧筒和过渡段的可靠性，一定要保证其在运行的过程中拥有充足的气体回流，同时对筒体的内部还要采取一定的保护措施，通常采用的是热障涂层，使用这种涂层能够很好的将筒内的温度控制在安全的范围内，同时还能够有效提高部件的传热性能和冷却性能，同时在制造的过程中一定要将筒壁的厚度控制在合理的范围内，同时还要在筒壁中留下冷却孔或者缝隙，除此之外还要注意的是一定要保证部件能够承受来自结构的重量，因此也一定要保证其强度和刚度，筒体在运行的过程中会在很大程度上受到温度的影响，所以在设计的过程中一定要留下足够的热胀空间，只有这样才能更好的保证部件的性能不会受到负面的影响。

为了能够更好的满足以上要求，在选择燃烧筒和过渡段材料的过程中一定要选择具有良好的耐高温性能、抗氧化性能、抗腐蚀性能的材料，同时材料还应该在高温的作用下保持良好的刚度和强度，并且还要在设备运行的过程中体现出良好的稳定性和安全性，考虑到这几点，在进行材料选择的过程中通常都会选择变形镍基高温合金。

2、透平导向叶片
透平导向叶片的主要功能是提高高温气体流转的速度，并加强对气体流向的引导。

其中第一级透平静叶其直接面对的是发电燃气轮机燃烧室喷薄而出高速高温燃气，因此，从这个角度来说，第一级透平静叶是承受了最高温度、最大热冲击力的透平零件。

这些从发电燃气轮机燃烧室喷薄而出的高速高温气体已然接近或已经超过了透平静叶及其四周构件的熔点，而导叶内部及四周一定要存有较强的冷却气流，在这冷热共同冲击的作用下，导叶只有承受住热应力才能不产生裂纹。

除此之外，因为透平导叶两端是固定的，因此它在承受冷热冲击时是不能自由膨胀的，如燃烧筒那样，其必须确保其不发生变形。

相比于同级动叶来说，导向叶片所承受的温度相对较高，较易受到高温腐蚀及氧化的影响、所以，即使透平导叶所承受的机械应力相对较小，但是由于热应力而导致变形扭曲、过度燃烧导致的烧伤及热疲劳等，导致导向叶片在实际工作中常常产生故障。

为了满足以上要求，选作透平导向叶片的材料必须满足良好的导热性和抗高温热疲劳性能、良好的高温韧性和抗高温蠕变性能、良好的抗机械应力性能、良好的抗高温氧化和腐蚀性能、良好的可焊性和可加工性以及良好的铸造性和组织稳定性。

一般考虑钴基高温合金作第一级透平导向叶片，但是由于钴基高温合金较为昂贵，有采用镍基高温合金来代替的趋势。

3、透平动叶片。

这一构件是燃气轮机所有构件中最为重要的一个构件，它需要在工作中承受高温和很大的应力，同时在器械运转的过程中需要承受很大的离心力、震动产生的应力和高温气体对材料的侵蚀作用，当前燃气轮机在运行中放出的一级高温气体能够达到 1300 度，和金属材料的熔点十分接近，所以为了能够更好的取得叶片在运行过程中的强度，一定要对其采取一定的保护措施，通常选用的是冷却和涂层处理，这也就意味着在制造的过程中只能采用铸造的方法。

在选择材料时一定要保证材料在高温的条件下还能保持很好的强度和韧性，同时还要有很好的耐久性和抗腐性，同时在铸造的过程中还要能够体现出良好的性能。

所以通常选用沉淀硬化型镍基高温合金。

四、高温材料在发电燃气轮机中的应用
1、通用电气（GE）。

GE 是目前全球最大的燃气轮机生产制造商。

从 20 世纪 50年代开始生产燃气轮机以来，GE 就不断地进行材料技术开发，通过实验室开发和彩虹试验推动 GE 燃气轮机材料及其加工技术的持续发展。

GE 的燃烧室材料改进的主要依据是提高持久强度，同时还要保持良好的抗氧化和抗腐蚀性能。

GE 的燃气轮机火焰筒材料采用的是Hastelloy X/HS188，火焰筒前段采用 Hastelloy X 制造，尾部采用 HS188 制造。

20 世纪 60 年代，GE 采用的火焰筒材料是 Hastelloy X/RA333 合金，随着燃气轮机进气温度的不断提高，燃烧筒后部开始采用钻基高温 HS188 合金，以提高持久强度。

从 20 世纪 50 年代早期的过渡段材料 AISI309 不锈钢，经过 60 年代早期开始使用的 Hatelloy X 和 RA-333 合金，到80 年代更好的 Nimonic263，材料使用温度提高到约 1400℃。

2、西门子
西门子燃机透平叶片是用高温合金钢制造，可经得住高机械应力和热应力。

燃机透平的前三级的叶片表面都有涂层，以防止高温腐蚀。

燃机透平空心的转子内部设计为空心结构，在燃机运行时有空气流动，可以使它的温度变化和气缸几乎一样快，使燃机具备快速启停的优越性能。

西门子Ｆ级燃气轮机透平初温从E级的1170℃提高到1320℃，前两级动叶和静叶都采用了PWA1483单晶叶片，以全面满足透平初温提高的要求。

该合金是 Pratt&Whitney 公司开发的第一代单晶高温合金，具有良好的抗腐蚀和铸造性。

西门子燃机与美国 GE和日本三菱燃机的燃烧室不同，美国 GE 和日本三菱燃机是采用火管式分体燃烧器，燃烧室是分体的，一般分为 18 至 20个左右火焰筒，燃烧后的热气流汇集到第一级透平中，推动透平做功。

而西门子燃机的燃烧室为一个整体的环形结构，24 至燃烧器在同一个燃烧室中燃烧，为适应燃烧室内部的高温工况，燃烧室内部为陶瓷隔热瓦结构，由约 500 块陶瓷隔热瓦和金属隔热瓦组成环形空腔，使内部温度场分布均匀。

由于陶瓷隔热瓦无法进行通过螺丝进行固定或弧形过渡，因此制作了若干金属隔热瓦，表面喷涂热障涂层，作为陶瓷隔热瓦拆卸和安装的起始点，以方便检修。

由于燃烧室内部的温度高达1400℃左右，因此隔热瓦也不可避免的要采用空气冷却技术，以确保安全稳定运行。

在隔热瓦安装就位之后，隔热瓦背面与缸体之间形成一定间隙的空间，作为冷却空气通道，以便从压气机出口来的压缩空气进入到空间内，形成流的气垫层保护，对隔热瓦背面进行有效的冷却，确保隔热瓦迎火面不超温。

3、三菱
三菱重工从技术引进到开始发展燃气轮机，慢慢走上自主开发的道路，目前成功开发出了世界第一台进气温度达到1600℃的J级燃气轮机，并经过了长期联合循环测试（T点），其中M701D机组透平动叶采用的是镍基高温合金UDIMET520和INCONELX750,这两种合金都属于变形高温合金，强度低于常用的 in738l 。

M701D机组的进气温度提高到了1350℃，刚开始三菱采用了持久强度更好的in738lC 作为前 3级动叶，第4级继续采用Ｕ520 。

针对以后开发的机组，三菱全部采用自己开发的材料MGA1400 。

MGA1400 比Ｕ520和IN738有更好的性能。

三菱燃烧室使用的HASTELLOYＸ是一种常用的燃烧筒材料。

过渡段使用的材料TOMILLOY是三菱自己开发的一种专门用于过渡段的固溶强化镍基高温合金.
五、新型高温材料的应用和发展
目前实现降低热部件的本体温度的常用方法是提高冷却效果，同时采用热障涂层进行隔热。

热障涂层配合冷却技术虽然能够显著地延长热部件的寿命，但对降低热部件本体温度的能力有限。

不能满足“未来级”燃气轮机的要求。

鉴于此，世界各国的研究者都试图开发新型高温材料来满足未来燃气轮机的要求，考虑了氧化物弥散强化高温合金（ODS）、金属间化合物（IMC）、高熔点合金、陶瓷及其复合材料、金属基复合材料和碳一碳复合材料等。

但是这些材料受制于现有技术和自身的缺点，还没有在重型燃气轮机应用的报道。

可喜的是已有纤维增韧陶瓷基复合材料（CFR-CMC）成功应用于发电燃气轮机燃烧筒的报道，如何把新型耐高温材料成功用于燃气轮机涡轮叶片及其它热端部件仍是材料工作者继续努力的方向。

结语
就当前的大形势来看，发电燃气轮机要进一步向着低污染高效率的方向来发展，要实现这一重要目标就一定要采取相关的措施提高透平的进气温度，但是这也对透平内部所使用的构件材料提出了一定的要求，所以当前出现了很多新型的构件材料，这些材料可以减少部件冷却的时间，从而更加有效的提高燃气轮机的性能，当前很多发达国家已经在这一领域有了很大的进展，这些研究成果为我国发电燃气轮机的发展提供了非常重要的基础和保障。

本文通过分析燃气轮机的发展现状，探讨了燃气轮机发电系统的正常运行，并由此分析了高温材料在发电燃气轮机中的应用，包括通用电气、西门子及三菱，进而对高温材料在发电燃气轮机中的发展前景进行论述，以供参考与借鉴。

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