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)和應用開發(fā)。)

增材制造領域的氫燃燒和燃氣輪機
Steinberg表示西門子預計到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)生了重大轉變。這一目標，凸顯了西門子對能源領域創(chuàng)新的奉獻精神。

這一轉變的一個關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)揮了關鍵作用。西門子既是增材制造領域的用戶，也是增材制造領域的服務提供商，自 2008 年以來一直在利用這項制造技術。Steinberg指出，西門子在氫工藝領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雜挑戰(zhàn)，以及增材制造如何成為應對這些挑戰(zhàn)的關鍵工具。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對這些挑戰(zhàn)的過程中發(fā)揮著至關重要的作用。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過程的快速原型設計和迭代燃燒器設計中的作用。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 打印的能源應用
西門子能源公司的 Ted Steinberg 在匯報中討論了西門子的技術在現(xiàn)實場景中的實際應用，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。

會議結束時，Steinberg承認增材制造定價面臨著挑戰(zhàn)，因為這項技術所需的基礎設施和投資成本經(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，這也闡明了能源領域采用先進制造技術的復雜經(jīng)濟動態(tài)。

總結
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域創(chuàng)新解決方案的承諾，特別是在適應使用氫氣作為燃氣輪機的燃料來源方面。西門子的技術在不同的運營場景中的成功應用以及對生產(chǎn)經(jīng)濟方面的關注，表明了西門子的前瞻性思維方法。