重型燃气轮机发电机组制造用材料现状及发展趋势

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1、第10卷第3／4期燃气轮机发电技术2008年IO月重型燃气轮机发电机组制造用材料现状及发展趋势陈国锋(西门子中国研究院，北京100102)摘要：燃气轮机在过去几十年中取得了突飞猛进的发展。燃气轮机具有热效率高、污染少、耗水少等优点，参与联合循环的燎气轮机组能达到更高的热效率，因而燃气轮机在电力上的应用越来越广泛。进入2l世纪后，我国采取了“设备换技术”的方针，打捆招标引进并开展了国外最先进F级燃气轮机在国内的制造，使我国燃气轮机的生产制造实现了跨越式进步。与此同时，立足于国内，我国也通过“863”计划开展了自主发展燃气轮机的设计和制造技术并取得了重大突破

2、。材料足先进燃气轮机设计、制造技术的基础和保证条件，特别足高温材料，没有先进的高温材料就不可能设计制造出先进的燃气轮机。针对目前世界先进发电燃气轮机制造用材料进行了综合评述，并对未来燃气轮机用材料的发展趋势进行了分析。关键词：燃气轮机；制造材料；高温合金；0引言随着天然气资源进一步开发，贮存和输送技术的发展以及应用领域的不断扩大，特别是上世纪90年代移植航空燃气轮机的先进技术后，燃气轮机的单机容量与效率都得到了大幅度提升，而大容量、高效率的新型燃气轮机联合循环机组的开发和问世，使得燃气轮机在发电领域获得了前所未有的高速发展。近年来电力体制改革、环保力度加

3、大，使得这种具有设备与安装费用低、污染物排放低、热效率高，启停快、建设周期短、可靠性和可用率高、占地面积小与用水量少等特点的发电装置越来越受到重视。特别是在目前全球气候变暖和环境变化的前提下，人们对高热效率、低排放的发电设备的需求日益增多。燃气轮机燃用天然气时SO：排放几乎为零，而大型燃机NOx的排放小于25×lo‘，最新一代采用蒸汽冷却技术的H级燃气轮机NOx的排放可降到9x10。6以下。简单循环燃气轮机的热效率已从90年代初的30％一33％(LHV)提高到现在36％“38％，有些类型机组已超过40％。联合循环机组具有更高的热效率，F级的效率可达58％

4、，最新一代H级的接近或超过60％。图1给出了世界燃气轮机的发展过程及未来发展趋势⋯。发电燃气轮机主要应用于以下主要领域：新建发电厂作基本负荷与中间负荷运行(主要是联合循环机组)；电网调峰、应急备用与移动式电源；压缩空气储能电站；热(冷)电联供系统；老电厂改造；与燃料电池结合组成具有最高效率的燃料电池燃气轮机联合循环发电装置；煤炭清洁利用技术(整体煤气化联合循环IGCC与增压流化床联合循环PFBC—CC等)。本文不对燃气轮机整体结构设计、燃烧以及气动性能等方面进行论述，主要对燃气轮机各部件组成材料的要求和使用的材料进行综合评述，并讨论燃气轮机材料未来发展和

5、应用趋势。功率(升做事(D使『日温幢(D且二比(时195019801990时间20002010图1世界燃气轮机的发展过程及未来趋势燃气轮机发电技术第10卷和抗腐蚀的能力和微观组织稳定性以及铸造与焊接工艺性。透平动叶片是涡轮发动机上最关键的构件之一，虽然工作温度比导向叶片稍低些，但是受力大而且复杂，工作条件恶劣，因此对涡轮叶片材料要求有：高的抗氧化和抗腐蚀能力；高的抗蠕变和持久断裂的能力；良好的机械疲劳和热疲劳性能以及良好的高温和中温综合性能。涡轮盘的工作温度不会很高(400—700℃)，但在工作巾受热不均匀，盘的轮缘部位比中心部位承受较高的温度，容易产生

6、很大的热应力。轮盘中心部位在工作温度下应具有很高的拉伸强度，轮缘处在工作状态下应具有较高的蠕变强度，轮盘同时应具有良好的高、低周疲劳强度。为此对涡轮盘材料要求有：合金应具有高的屈服强度和蠕变强度；良好的冷热和机械疲劳性“It；线膨胀系数要小，无缺口敏感性，较高的低周疲劳性能。根据以上的要求可以看出，透平部件的材料几乎无一例外要采用高温合金。透平气缸有时也需要按热部件考虑，但由于透平气缸比较容易组织冷却，且设计上一般采用双层结构，将承力件和承热件分开。因此，透平气缸缸体材料目前基本采用球墨铸铁或铸钢材料。透平叶片材料决定了燃气轮机的发展，这可以从图2看出。

7、透平动叶是承受高温大应力的重要零件，要求高温下经受极高的离心力、振动应力和高温燃气的冲蚀。因此选材时首先要考虑持久强度。镍基高温合金最适合作动叶材料，这是由于镍有较高的熔点，合金基体韧性好，容易合金化，能在很大范围内加入强化元素提高高温强度和抗氧化性能。单晶和定向结晶可把使用温度提高到熔点的0．85倍，且高温时组织稳定，综合性能很好。透平静叶虽然工作应力较小，但要承受最高的燃气温度，钻基合金能全面地满足对静叶片的要求。随着高温材料的发展，镍基合金作前几级透平静叶获得越来越多的应用。为进一步提高零部件的工作温度和改善材料的性能，透平前几级静动叶要采用热障涂

8、层8-YSZ+MCrAIY(M为Ni、Co或Ni+Co)。2当代燃气轮机用材料进