[發明專利]高溫蒸汽渦輪機設備

有效

• 申請號: 200810091714.2
• 申請日: 2008-04-09
• 公開（公告）號: CN101285406A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發明（設計）人: 今野晉也;齊藤英治;巖崎淳;北村雅樹
• 申請（專利權）人: 株式會社日立制作所
• 主分類號: F01K11/02
• 分類號: F01K11/02;F01D1/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 張斯盾

技術領域

本發明涉及主蒸汽溫度為675℃以上，輸出為100MW以上的高溫蒸汽渦輪機發電設備。

背景技術

為了提高蒸汽渦輪機發電設備的發電效率，有效的是提高主蒸汽溫度。現在，主蒸汽溫度超過600℃的蒸汽渦輪機發電設備已經工業應用，主蒸汽溫度650℃級的蒸汽渦輪機的開發得到發展。另外，以進一步提高效率為目標，使主蒸汽溫度在700℃以上的蒸汽渦輪機的開發也得到發展。

在以主蒸汽溫度700℃以上為目標的蒸汽渦輪機中，因為以往用于轉子材料的鋼鐵材料的耐用溫度為650℃左右，所以，需要使轉子材料等為Ni基超合金。Ni基超合金與鋼鐵材料相比，雖然強度高，但價格也高，另外，大型鍛造品的制作困難。現在，非常適合大型鍛造品的制作的Ni基超合金的開發·選定以及論證作業有所發展，獲得了可通過一部分的Ni基超合金，制作重量為10噸級的鍛造品的希望。但是，一般的大型蒸汽渦輪機的轉子的重量為30～40噸。因此，研究了通過焊接，連結多個鍛造材料，作為轉子的焊接轉子方式。另外，也研究了僅分割溫度高的部分，作為小型的高溫渦輪機的頂置渦輪機方式(例如，參照專利文獻1)。

[專利文獻1]E.Saito，et?al.，“Development?of?theUltra-Supersritical?Steam?Turbine?for?Large?Coal-fired?PowerPlants”，Proc.Power-Gen?International，(2004)

在以主蒸汽溫度700℃以上為目標的蒸汽渦輪機設備中，重大的課題是在使用Ni基超合金，形成渦輪機、鍋爐的高溫部的技術的基礎上，減少與以往的鋼鐵材料相比高價的Ni，還有在一部分的Ni基超合金中大量含有的高價的Co，Mo的使用量。

在焊接轉子方式中，若使30～40噸的轉子全部為Ni基超合金，則Ni使用量很大，因此，需要使溫度高的部位(相當約10噸)為超合金，使溫度低的部位為12Cr鋼等的鋼鐵材料，將兩個部位接合。因為溫度高的部位重量最多10噸左右，所以，能夠減少Ni使用量。

但是，由于是異種材料的接合，所以在高溫長時間的使用中，由于因材料之間組成的不同引起的元素的擴散，接合部變質，因此，難以確保可靠性。另外，作為鋼，使用高溫強度方面優異的鐵素體鋼，但是，在鐵素體鋼和Ni基超合金中，由于Ni基超合金的熱膨脹系數大，兩者的熱膨脹系數不同，存在因接合時的熱應力產生裂痕、因使用時的熱應力產生疲勞損壞成為問題的可能性。因此，需要使用熱膨脹小的Ni基超合金。

在Ni基超合金中，存在大量含有Fe，并且具有高強度的Ni-Fe基超合金。但是，因為Fe增大了線膨脹系數，所以，Ni-Fe基超合金作為焊接轉子材料不好。為了使Ni基超合金的線膨脹系數與鐵素體鋼為相同程度，在不添加廉價的Fe的基礎上，需要大量添加減小熱膨脹的Mo。

大量含有Mo的Ni基超合金雖然適用作為焊接轉子材料，但是，因為沒有含有廉價的Fe，大量含有比Ni價格高的Mo，所以存在成本問題。在頂置渦輪機形式中，因為沒有焊接部，所以可靠性高，另外，能夠使用低成本的Ni-Fe基超合金，但是，由于增加了一臺渦輪機，存在成本上升的問題。

接著，就使供給于蒸汽渦輪機的高壓蒸汽產生的鍋爐側的課題進行闡述。

大型蒸汽渦輪機設備的鍋爐一般高度在70m以上，越在上部溫度越高，供給到蒸汽渦輪機的高溫高壓蒸汽的配管從鍋爐上部延伸到處于地面的渦輪機室，因此，其長度達到100m以上。

在主蒸汽溫度675℃以上的蒸汽渦輪機設備中，因為鋼鐵材料的耐用溫度為650℃左右，所以，上述的高溫高壓蒸汽配管需要用Ni基超合金制作。由于該蒸汽配管具有600mm左右的外徑，100mm左右的壁厚，其長度達到100m以上，所以，配管的總重量比渦輪機使用的Ni基超合金的量多很多。