700℃超超临界发电技术开发进展概况

开发计划(简称为：A-USC)，目标是使发电效率达到50%以上。
2010年7月23日，国家能源局宣布成立国家700℃超超临界 燃煤发电技术创新联盟，并于2011年6月24日召开了第一次理 事会，正式启动了我国700℃技术开发计划。 2012年9月19-20日,国际能源署清洁煤中心（IEA CCC）在维 也纳组织召开了首次先进超超临界燃煤发电技术国际研讨会， 700℃联盟秘书处组织主要研究开发单位参加了本次会议。
HR3C/TP310N P92
outlet
Alloy 617 HCM12 7CrMoVTiB1010/T24
intlet
13CrMo44
Steam flow 12 kg/s
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1. 欧洲 AD700计划
安装在部件验证试验回路中的阀门结构和材料
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1. 欧洲 AD700计划
安装在部件验证试验回路中的镍基合金A617管道出现了裂缝
Candidate materials for 700°C Technology: Alloy 617B Alloy 617occ Ni-based alloys Alloy 263 HR6W
Dipl.-Ing. Marc D. Jedamzik, 700°C steam generator technology – HPE activities and scope of work in R&D projects
锅炉材料的加工
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2. 美国A-USC(760)计划
锅炉材料的验证试验 • 已经在一台已经投运的锅炉 上安装了试验回路，在760 ℃ 的工作条件下为，来验证试验 室试验结果，计划2013年中开 始运行。
• 验证的材料包括: Super304H, HR3C, HR6W, Haynes 230, Haynes 230 with an Amstar thermal spray, Inconel 617, Inconel 617 with EN33 laser cladding, Inconel 617 with EN622 laser cladding, Haynes 282, and Inconel 740
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1. 欧洲 AD700计划
1.4 锅炉技术开发
除了更换新的部件 材料外， 与600 ℃机组的锅炉没有大 的变化。
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1. 欧洲 AD700计划
水冷壁
过热器和再热器
高温高压联箱和管道
Alloy 617
T91*/T92*
T23/T24
T max
T12
选材要点： —蠕变强度 —蒸汽氧化 —*现场焊后热处理
7: Coatings
Develop the materials technology to fabricate and operate a A-USC Steam Boiler with Steam Parameter up to 1400°F (760°C)
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2. 美国A-USC(760)计划
617 Double MS & HRH
740 Double MS &HRH
740 Single MS & HRH
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2. 美国A-USC(760)计划
管道长度的比较
使用740H可以使管道的长度更长
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2. 美国A-USC(760)计划
管道投资费用的比较
• 两组蒸汽温度分别为 704/704和℃ 732/760℃ • 管道的价格分别采用 $55/kg, $77/kg, $110/kg • 在相同的条件下， 617 管道的费用约是 740H的两倍。
732/760°C 704/704°C
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2. 美国A-USC(760)计划
2.4 蒸汽初参数 确定蒸汽温度为760℃有如下考虑： •蒸汽初参数要能发挥材料的最高性能，镍基合金允许蒸汽温 度达到760℃ ；
•760℃机组的经济性要高于700℃机组；
•传统的锅炉和汽轮机的设计可以使蒸汽温度达到760℃ ；
Ferritic steel
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1. 欧洲 AD700计划
Thermie 1000 MW DR: IP Turbine 汽轮机中压缸
10 % Cr steel
Ni base alloy
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1. 欧洲 AD700计划
1.6 示范机组方案
• 蒸汽压力 • 蒸汽温度 • 再热蒸汽温度 35.0 MPa 700 ℃ 720 ℃
2.3 740H与617管道比较
Extrusion Dimensions courtesy of Wyman Gordon Pipe & Fitting
与 617相比，740H可以使管道的直径和壁厚更大。
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2. 美国A-USC(760)计划
EPRI对740H与617在704/704℃时主汽和再热管道进行了比较
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1. 欧洲 AD700计划
1.7 发电成本分析
% COE Increase as Steam Conditions Increase from 600C to 700C
14.0% CAPEX Study A, Coal B 12.0% CAPEX Study B, Coal A Alstom Study - $4.50/MMBtu 10.0% EPRI Study - $4.50/MMBtu
2. 美国A-USC(760)计划
740H 具有更高的许用应力，在相同的设计条件下可使管道的壁厚变薄。
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2. 美国A-USC(760)计划
Inconel® 740H Pipe after Extrusion at Wyman-Gordon Pipe & Fittings
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2. 美国A-USC(760)计划
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2. 美国A-USC(760)计划
2.5 锅炉技术开发
1: Conceptual Design 2: Material Properties 3: Steamside Oxidation 4: Fireside Corrosion 5: Welding 6: Fabricability 8: Design Data & Rules (including Code interface)
% COE Increase from 600-->700C
8.0%
6.0%
4.0%
2.0%
0.0% 0 -2.0% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
-4.0%
-6.0%
CO2 Allowance Price ($/ton CO2)
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1. 欧洲 AD700计划
1.9 小结 欧洲700 ℃机组的主要的试验研究工作已经完成，现在 正在开展后续的研究试验工作，如采用617B替换617的相关 试验等； 由于镍基合金材料的价格昂贵，大幅度提高了工程造价， 目前阶段，根据不同的研究结果，700 ℃机组发电成本与 600 ℃机组相比增加1.5—13%，在燃煤机组都装设CCS的情 况下，发电成本可降低6%； 为使700 ℃机组的发电成本具有市场竞争力，必须在主设 备和电厂系统设计方面，想尽一起办法来减少镍基合金的使 用量。
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2. 美国A-USC(760)计划
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2. 美国A-USC(760)计划
Federal – State – National Laboratory Non Profit – For Profit Cost Sharing Consortium
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2. 美国A-USC(760)计划
2.2 材料开发
• 示范机组功率
• 商业机组功率 • 净效率（低位热值）:
500 MW
700–1100 MW ≥ 50 %
• 标准煤耗
• 总投资超过10亿欧元
＜ 246g/kWh
• 地点：德国 Wilhelmshaven, E.ON (Alstom,Siemens,KEMA,Elsam等2004 年完成的投资效益分析)
选材要点： —蠕变强度 —蒸汽氧化 —高温烟气腐蚀
选材要点： —蠕变强度 —蒸汽氧化 —负荷变化率（壁 厚和物理特性）
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1. 欧洲 AD700计划
1.5 汽轮机技术开发
Alstom 的 700℃ 机组概念设计（1000 MW）
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1. 欧洲 AD700计划
汽轮机高压缸
Ni base alloy
Байду номын сангаас21
2. 美国A-USC(760)计划
2.1 计划内容及实施进度
2001年，美国能源部（DOE）提出开发蒸汽参数为 35MPa/760℃并结合富氧燃烧的先进超超临界燃煤机组，净 发电效率达到45—47%（HHV），CO2的排放减少约15—22%。 为实现上述目标，DOE与俄亥俄煤炭发展办公室（OCDO）启 动了“超超临界燃煤电厂锅炉材料”研究计划，进行锅炉部 件先进材料的评估和研发。 2005年，DOE/OCDO又启动了“超超临界燃煤电厂汽轮机材 料”研究计划，进行汽轮机部件材料的评估和研发。
Age Hardenable = A-USC 760°C (1400°F)
30
100 80 60 40
Steels = USC 620°C (1150°F)
Solid Soln’ = A-USC ~700°C (1300°F)
10 8 6 Haynes 230 750 800
9-12Cr Creep-Strength Enhanced Ferritic Steels (Gr. 91, 92, 122)
1.2 材料开发 开发用于运行温度高于650℃的镍基合金，用于末级过 热器和再热器、蒸汽管道、汽轮机高温段部件；
开发用于运行温度在600℃～650℃之间的过热器和再热 器的奥氏体钢，以尽可能减少昂贵的镍基合金材料的使用 量； 开发用于运行温度在600-650℃的联箱和连接蒸汽管道 的马氏体钢。
700℃超超临界发电技术开发进展概况
孙 锐
清洁高效燃煤发电技术协作网 2012 年会 2012.10.20 重庆
内
0. 前言 1. 欧洲 AD700计划 2. 美国A-USC(760)计划 3. 日本A-USC
容
4.我国700℃计划
2
0. 前言
在600℃等级超超临界发电技术成熟后，欧洲及美国等国家 先后启动了蒸汽初温达到700℃以上的先进超超临界发电技术
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1. 欧洲 AD700计划
1.3 COMTES700部件验证试验 在德国E.On公司Scholven电厂机组上装设了部件验证试验回路； 验证试验回路系统及工作参数如下：
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1. 欧洲 AD700计划
验证试验回路中的锅炉部件和材料
Alloy 617
Alloy 740
Sanicro 25
P92
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1. 欧洲 AD700计划
1.1
阶段
计划内容及实施进度
内容
可行性研究 材料开发及性能 试验 部件验证试验准 备工作
材料加工性能试 验 部件验证试验
示范电厂建设
整个计划为17年(1998年～2014年)，到2010年，前三 个阶段的工作已全部完成，第四个阶段—示范电厂的建 设没有进行。

4
1. 欧洲 AD700计划
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1. 欧洲 AD700计划
锅炉材料开发的目标： 105h蠕变断裂强度达到100MPa； 具有较好的抗蒸汽氧化性能； 具有较好的抗烟气腐蚀性能； 具有较好的冷热加工性能。
6
1. 欧洲 AD700计划
锻造和机械加工的镍基合金617管子(O.D. 220 mm x 50 mm)
State of the art production line when COMTES700 piping of manufactered
Source: Saarschmiede
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1. 欧洲 AD700计划
热挤成型的镍基合金 263管子 （ I.D. 310 x 67 mm）
310 x 67 mm Extrusion by Wyman & Gordon, Livingstone, Scotland
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1. 欧洲 AD700计划
阀门锻件
550 600 650
Advanced Austenitic Alloys (Super 304H, 347HFG, NF709, etc.)
700
o
Average Temperature for Rupture in 100,000 hours ( C)
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Stress (ksi)
Minimum Desired Strength at Application Temperature
Average Temperature for Rupture in 100,000 hours ( F)
500 1100 1200 1300 1400 70 Inconel 740 300 CCA617 Std. 617
o
Nickel-Based Alloys
Haynes 282
50
Stress (MPa)