西門子能源利用增材制造,，2030年燃氣輪機全部可用氫氣

2024年4月，南極熊獲悉,，西門子能源在增材制造氫燃燒和燃氣輪機方面取得了重大進展,。


△西門子能源發(fā)展表

Tad Steinberg是一名空軍退伍軍人，在佛羅里達州奧蘭多的西門子能源增材制造應(yīng)用中心工作,，在航空航天、工業(yè)燃氣輪機和金屬增材制造方面擁有豐富的經(jīng)驗,。他在2024年AMUG會議上發(fā)言時表示,，西門子能源在增材制造氫燃燒和燃氣輪機方面取得了重大進展。(增材制造用戶組 AMUG是一個專注于加速增材制造和 3D 打印的教育和進步的全球社區(qū),。 AMUG會議匯聚了來自世界各地的工程師,、設(shè)計師、管理人員和教育工作者,，分享增材制造方面的專業(yè)知識,、最佳實踐、挑戰(zhàn)和應(yīng)用開發(fā),。)

增材制造領(lǐng)域的氫燃燒和燃氣輪機
Steinberg表示西門子預(yù)計到2030年,，銷售的每臺新燃氣輪機都將能夠 100% 使用氫氣運行，與傳統(tǒng)上專注于天然氣和甲烷的做法發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變,。這一目標,，凸顯了西門子對能源領(lǐng)域創(chuàng)新的奉獻精神。

這一轉(zhuǎn)變的一個關(guān)鍵方面是西門子能源對增材制造的利用,，這在克服氫帶來的挑戰(zhàn)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用,。西門子既是增材制造領(lǐng)域的用戶，也是增材制造領(lǐng)域的服務(wù)提供商,，自 2008 年以來一直在利用這項制造技術(shù),。Steinberg指出，西門子在氫工藝領(lǐng)域參與了整個價值鏈,，從使用電解槽生產(chǎn)氫氣到儲存和傳輸?shù)取?br />

△西門子能源在增材制造方面的經(jīng)驗

改造燃氣輪機燃燒器以燃燒氫氣
Steinberg還詳細介紹了氫氣燃燒給燃氣輪機帶來的復(fù)雜挑戰(zhàn),，以及增材制造如何成為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵工具。Steinberg強調(diào)了從天然氣過渡到氫氣時遇到的困難,，主要是關(guān)注火焰行為和燃料系統(tǒng)要求的巨大差異,。Steinberg發(fā)現(xiàn)的主要挑戰(zhàn)之一是氫氣的火焰速度比天然氣快得多并且非常接近燃燒器的出口,，這需要調(diào)整燃燒器的設(shè)計以防止回火等問題。增加的火焰速度比天然氣快十倍,，帶來了一系列獨特的挑戰(zhàn),。

此外，氫燃燒需要更多的燃料才能達到相同的功率密度,，這使過渡變得更加復(fù)雜,。由于這些差異，與天然氣一起使用的密封和管道等部件可能不適合氫氣,，因為必須增加更多的流量才能獲得相同的功率密度,。

增材制造在西門子能源應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。增材制造允許快速原型制作,，使公司能夠快速迭代和測試新設(shè)計,，以滿足氫氣燃燒的獨特需求。Steinberg指出：“增材制造添加劑是幫助解決這些問題的一個'杠桿',，在開發(fā)過程中十分重要,，例如SGT 600 燃氣輪機已成功地使用 100% 氫氣運行。 “

Steinberg 還概述了西門子能源自 2008 年以來使用增材制造的漸進方法,，詳細介紹了西門子對氫的關(guān)注如何隨著時間的推移而演變,。從2012年最初的低氫氣百分比測試到近年來的重大進步，西門子穩(wěn)步提高了其燃燒器的氫氣能力,。到2018年,，西門子取得了重大進展，將增材制造整合到其開發(fā)周期中,，以進行快速原型設(shè)計和測試,。



燃氣輪機 3D 打印燃燒器

Steinberg概述了分階段改造燃氣輪機以提高氫氣使用水平的方法，并強調(diào)隨著氫氣濃度的增加,，渦輪機的架構(gòu)和控制系統(tǒng)必須發(fā)生變化,。他討論了對渦輪機部件和控制機制進行全面改造的必要性，特別是在氫氣濃度超過 70% 的情況下,。

此次匯報的一個關(guān)鍵焦點是增材制造在開發(fā)這些新型渦輪機部件中的重要性,。 Steinberg 強調(diào)了增材制造在氫適應(yīng)過程的快速原型設(shè)計和迭代燃燒器設(shè)計中的作用。增材制造的使用不僅加快了原型制作過程,，還有助于解決燃燒器尖端的侵蝕和氧化等操作問題,。


△AM 金屬燃燒器

在不同的燃氣輪機型號中選擇通用燃燒器進行改造是一項戰(zhàn)略舉措，通過選擇用于多種型號（SGT 600,、700,、900 和 750）的燃燒器，西門子能源公司旨在最大限度地發(fā)揮其創(chuàng)新的影響,，無論燃燒器是在罐式燃燒系統(tǒng)還是環(huán)形燃燒系統(tǒng)中,。此外,，Steinberg強調(diào)了他們的方法的雙重好處：解決氫氣燃燒挑戰(zhàn)和提高運營效率。

Steinberg匯報的一個要點是對燃氣輪機部件使用增材制造的經(jīng)濟分析,。增材制造零件的初始成本較高,，但可以獲得長期的經(jīng)濟節(jié)省和效率提升。 他承認：“增材制造燃燒器仍然更昂貴,，但庫存需求可以減少,，庫存管理和稅收成本能夠大幅度降低�,！�


△氫氣和天然氣作為燃料的區(qū)別

通過增材制造修復(fù)燃燒器
Steinberg詳細介紹了一種通過增材制造延長燃燒器壽命的新方法,。傳統(tǒng)上，修理燃燒器需要切除部件的一部分并安裝新的部件,。然而,，西門子能源公司進行了創(chuàng)新，將 3D 打印直接打印到現(xiàn)有的燃燒器上,，從而顯著延長了使用壽命,。他詳細闡述道：“我們將熱交換器集成到燃燒器的尖端，現(xiàn)在已經(jīng)超過了 50,000 小時,，而標準的使用壽命是 10,000 小時�,！按送�,，Steinberg分享了對開發(fā)這些燃燒器的迭代過程的見解，并指出其中涉及的大量投資和努力,。


△西門子能源燃燒器寶座

3D 打印的能源應(yīng)用
西門子能源公司的 Ted Steinberg 在匯報中討論了西門子的技術(shù)在現(xiàn)實場景中的實際應(yīng)用,，特別強調(diào)了與 Braskem 在巴西的一個項目。重點是在連續(xù)處理工廠的燃氣輪機中利用氫氣,，其中廢氣（主要是氫氣）通過渦輪機進行回收和燃燒,。

會議結(jié)束時，Steinberg承認增材制造定價面臨著挑戰(zhàn),，因為這項技術(shù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施和投資成本經(jīng)常被忽視,，這是朝著商業(yè)化發(fā)展中必須面臨的挑戰(zhàn)。所有成本實都必須計入產(chǎn)品價格中,，這也闡明了能源領(lǐng)域采用先進制造技術(shù)的復(fù)雜經(jīng)濟動態(tài),。

總結(jié)
Steinberg 在 2024 年 AMUG 會議上的演講深入探討了西門子能源對能源領(lǐng)域創(chuàng)新解決方案的承諾，特別是在適應(yīng)使用氫氣作為燃氣輪機的燃料來源方面,。西門子的技術(shù)在不同的運營場景中的成功應(yīng)用以及對生產(chǎn)經(jīng)濟方面的關(guān)注,，表明了西門子的前瞻性思維方法。