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中电新闻网:走向巅峰——我国首个700℃关键部件验证试验平台投运纪实
2016年01月07日
 
       2015年12月30日,我国首个700 ℃关键部件验证试验平台在华能南京电厂成功投运,标志着我国新一代先进发电技术——700 ℃超超临界燃煤发电技术的研究开发工作取得了重要阶段性成果。验证平台的建成,表明我国已经初步掌握700℃先进超超临界发电技术所涉及的高温材料冶炼、部件制造加工和现场焊接等关键技术,具备了后续开展700℃温度条件高温镍基合金材料和高温部件设备的现场试验验证的条件,是700℃先进超超临界发电技术由实验室研究迈向工程示范应用过程中关键一步。

  12点30分,随着现场总指挥的一声令下,平台阀门正式开始切换至700℃工况运行,运行人员沉着冷静操作,在无数双眼睛的注视下,平台主蒸汽出口温度按预定目标缓慢上升,至12点50分,成功达到并稳定在700℃左右。现场总指挥宣布:验证平台主要参数指示正常,各系统运行稳定,主蒸汽温度达到700℃设计温度,标志着验证平台建设取得圆满成功!

  控制室里掌声雷动......

  发展700℃技术意义重大

  我国一次能源结构为多煤、贫油、少气,煤炭是我国能源的基础。热力学基本定律告诉我们,提高火电机组的蒸汽温度和压力参数,可实现机组发电效率的大幅提高,从而使燃煤发电产生的污染物及CO2排放显著下降,对于实现火电结构优化和技术升级、保证我国能源工业可持续发展具有重要意义。

  目前,超超临界燃煤发电技术的主蒸汽温度已经达到600℃等级,压力约为28MPa。为进一步提高蒸汽参数,欧盟、美国、日本等发达国家提出了发展主蒸汽压力超过35MPa、主蒸汽温度超过700℃的新一代先进发电技术——700 ℃超超临界燃煤发电技术。与目前先进的600℃超超临界发电技术相比,700℃超超临界燃煤发电技术的供电效率将由约44%提高至48%至50%,煤耗可降低40至50克/kWh,相应减少粉尘、NOx、SO2等污染物以及CO2温室气体的排放量约14%。

  目前,我国已经具备自行研发、建设超(超)临界机组的能力,已有大量国内设计生产的600MW~1000MW的超(超)临界机组建成,并且运行良好。面对全球倡导发展低碳经济的大环境,优化火电结构、采用更高参数的先进(蒸汽温度达到700℃)超超临界机组将成为我国发电行业技术发展的主导方向之一。

  700℃技术开发材料与验证是关键

  机组主蒸汽温度达到700℃及以上,对关键部件(如过热器、再热器管、联箱、弯头、阀门、汽轮机等)材料性能的要求进一步提高。目前在600℃等级燃煤电站中广泛使用的铁素体/马氏体耐热钢的耐热强度性能不足、奥氏体不锈钢则存在热疲劳等问题,均不能满足700℃超超临界燃煤发电机组高温部件的使用要求。研究表明,为了保证机组的运行安全与可靠性,须使用镍基合金等高温合金材料。

  尽管镍基合金在航空、航天、石化等行业已有数十年的应用经验,但由于服役条件不同、尺寸差异大等原因,将其应用到700℃超超临界发电技术领域并不是一个简单的技术转移和扩大应用范围的问题。因此,700℃技术研究的一个核心问题是:研制成本合理、易于加工和现场安装使用并能够在电站条件下实现长周期安全稳定服役的新型镍基高温材料。

  根据国际上600℃、700℃等级超超临界机组研制的成功经验,对于在实验室里所研制、筛选出来的高温合金候选材料和部件,在完成相关实验室研究后,在实际运行的机组(宿主机组)上进行实炉挂片试验验证,是相关技术走向实际工程应用必不可少的一个关键技术环节。通过验证试验平台的建立及运行,可以对700℃高温合金材料性能及其制造工艺可靠性进行现场验证和试验研究,获得相关材料和部件在实际服役环境下的重要运行数据,积累设计、制造、安装和运行经验,大大降低700℃超超临界燃煤发电机组的工程示范应用风险,对于推动700℃技术的发展具有关键作用。

  为此,国家能源局于2011年设立了国家能源应用技术研究及工程示范项目“700℃超超临界燃煤发电关键设备研发及应用示范”,由国家能源煤炭清洁低碳发电技术研发中心(挂靠华能清洁能源研究院)组织牵头,并设课题“关键部件验证试验平台建立及运行”,开展平台验证试验研究,课题由华能清洁能源研究院负责承担。

  华能集团公司对于课题的顺利执行给予了大力支持。2012年,华能集团公司确定将华能南京电厂2号机组作为试验平台的宿主机组。2014年10月28日国家能源局发文,命名华能南京电厂为“国家700℃超超临界发电技术关键部件验证试验平台”电厂,命名2号机组为“国家700℃超超临界发电技术关键部件验证试验平台宿主机组”。在此基础上,课题组开展了验证试验平台的研究开发与设计工作。

  验证试验平台技术先进功能完善

  700℃试验平台由华能清能院负责整体方案设计,在材料试验研究、选择、系统设计等方面,充分借鉴了欧洲COMTES700、HWT I/II等试验平台的成功经验,也对国外平台出现的问题进行了针对性的设计完善,验证试验平台总体技术先进、功能完善。

  为了高质量完成试验平台的试验验证工作,课题组在深入研究分析的基础上,确定了验证平台如下基本设计原则:

  一是验证试验平台具备完善的试验研究功能,对主要试验部件,包括水冷壁、过热器、集箱、高温管道及其附件(管件、调节阀、旁路阀、阀门等)均可进行验证试验;试验所用的高温材料涵盖了目前国内、外主要的700℃机组备选材料,如国外生产的617B、740H、282以及国产的GH984G、C-HRA-1、C-HRA-3等。

  二是所验证试验的高温合金材料以国产材料为主,进口材料为辅。最终确定的方案中,进口与国产材料在种类上相当,在用量上国产材料占比超过了80%。

  三是验证试验平台的制造加工以国内制造为主,国外制造为辅。包括水冷壁、过热器、集箱、高温管道及管件等均由国内厂家制造。对于技术水平与试验精度要求极高、国内相关基础相对较弱的镍基阀门,采用阀门材料国内冶炼并制成锻件、由国外阀门厂来料加工的方式。

  根据项目要求,并结合华能南京电厂锅炉条件,试验平台设计蒸汽温度725℃、蒸汽流量10.8t/h、蒸汽进口压力26.8MPa。

  为达到将主汽温度提高到700℃以上,满足对关键部件验证的目的,试验平台可以分为炉内和炉外两部分。其中,炉内部分主要由水冷试件和过热试件组成,通过两级加热,将宿主机组484℃的蒸汽加热到725℃。炉外部分则主要包括大管道试件、阀门试件、连接管、吊架及管件试件等。最后,通过喷水减温,将蒸汽温度从725℃降至550℃以下送回宿主机组。

  在方案整体设计的基础上,华能清能院牵头组织上海锅炉厂和中南电力设计院共同完成了试验平台的施工设计。

  试验平台宿主机组华能南京电厂2号320MW超临界机组,为从前苏联引进1994年建成投运的老机组。机组设备十分陈旧,原始图纸和设计资料匮乏,要将700℃验证试验平台这一最先进的技术设备植入到其“年迈”的体内,难度可想而知。课题组人员先后十余次深入现场,与南京电厂技术人员认真探讨交流,缺乏的图纸资料就现场测绘、缺少的数据就根据现场测量和实际运行数据反推核算。最终,课题组数易其稿,顺利完成了施工设计,并在2014年12月通过华能集团公司组织的专家评审。

  协同创新突破镍基合金生产制造难题

  国内高温合金材料的研究开发,虽然起步较晚,但通过近几年的攻关,正在逐步开发形成国产700℃高温合金材料研发与生产制造体系。作为我国首个700℃试验平台,对国产材料进行研究和验证是根本目的。而国外材料虽然具有良好的研究和应用的基础,但实际性能国内掌握有限,同时也有必要与国产材料进行对比研究。为此,试验平台集合了国内外众多高温合金材料制造厂家,国内包括宝钢特钢、山西太钢、中科院金属研究所等,国外包括国际超合金、哈氏合金、沙士基达、山特维克等。

  作为提供材料总类和数量最多的合金材料生产商,宝钢特钢克服了很多实际困难,边研制,边生产,从小炉试制到工业生产,很多工艺参数都是在摸索中逐步调整完善,在失败中曲折前行,直到最后所有的出厂成品均达到了验证材料入选技术条件要求,不知不觉两年多的时间过去了。

  在平台关键部件的制造中,在华能清能院的统一组织协调下,国内三大锅炉制造厂通力合作,上海锅炉厂负责水冷试件的制造加工,哈尔滨锅炉厂负责过热试件的制造加工,东方锅炉厂负责镍基集箱管道的制造加工。有一位国内专家感慨:这是国内首次由三大锅炉厂共同制造完成的“锅炉”,值得“载入史册”。将平台采用的近十种不同镍基高温合金材料制作成一个完整的设备,工艺技术十分复杂,三大锅炉厂克服了镍基材料氩弧焊工艺与质量控制、异种钢材料的焊接与热处理、镍基集箱大管道的加工与焊接等难题,现场质量检验验收均一次全部合格。

  平台的其它参与单位,包括国内的江苏电装、上海昌强、国电富通、北冶焊材以及国外的希西艾阀门厂、滨特尔阀门厂、凯士比阀门厂、HP阀门厂也全力配合,齐心协力完成了包括镍基阀门、吊架、管件、零件等的生产加工,为现场安装创造了条件。

  精心组织高质量完成试验平台安装调试

  在华能清能院的统一组织协调、华能南京电厂全力配合下,试验平台现场安装工作于2015年11月1日开始正式进行。安装工作主要由江苏电建一公司负责,东方锅炉厂负责镍基材料的施焊工作,西安热工院负责材料质量监检,西北电力工程监理负责工程监理。在现场工期紧张、镍基焊工人员不足时,哈尔滨锅炉厂义务派来高水平焊接专家支援。在镍基管附件焊接裂纹现场无法处理时,上海锅炉厂主动提供技术指导,并将缺陷件送回厂里修复。

  初冬的南京,寒流来袭,验证试验平台炉外设备安装主要位于炉顶70米平台上,温度已是零度以下,凛冽的寒风阵阵刮来,简易的围挡里,灯火通明,焊火飞溅,人们忙碌着,脚步匆忙,却没有喧哗,没有嘈杂,交流声急促而短暂,责任与追求似乎使人们忘记了身边的严寒。

  辛勤的汗水与不懈的努力换来了一个个工程控制节点的如期实现:

  2015年11月1日,试验平台开工建设,外围常规材料部分开始安装建设。

  11月25~27日,镍基关键部件陆续到货,开始镍基部分的安装、焊接。

  12月2日,全长达到10.87米的水冷试件和16.87米的过热试件吊装就位,标志着大型吊装工作顺利完成。

  12月9日,试验平台高温高压蒸汽管路基本完成安装,水压试验成功完成。

  12月14~16日,试验平台完成冲管试验。

  12月25日,试验平台完成静态调试试验。

  12月27日,试验平台完成平台保温工作,具备投运条件。

  12月28日11:30,宿主机组点火、试验平台随之投用。

  12月29日,试验平台实现550℃下备用旁路稳定运行。

  12月30日,试验平台成功升温至700℃,主要参数达到设计值,标志着平台建设取得成功。

  我国首个700 ℃关键部件验证试验平台在华能南京电厂的成功投运并实现700℃运行,是国家能源局、江苏省经信委、江苏省电力调度中心等政府部门和单位大力支持的结果,是三十多家参与单位相互合作、共同努力的成果,是电力技术进步和电力设备“中国智造”的最好体现,标志着我国700℃技术的发展迈入了一个新的阶段。

  700 ℃关键部件验证试验平台的建成投运只是一个起点,后续还将开展长期的运行试验研究,积累相关试验数据,最终实现700℃技术的工程示范应用。成功来之不易,未来还将任重道远。
 
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