西门子能源利用增材制造在2030年前将燃气轮机的氢气运行率提高到100%

时间：2024-04-22 09:23 来源：中国3D打印网作者：admin 阅读：次

Tad Steinberg(斯坦伯格)在2024年AMUG大会上表示，西门子能源公司在增材制造氢燃烧和燃气轮机方面取得了重大进展。斯坦伯格是一名空军老兵，就职于西门子能源公司位于佛罗里达州奥兰多的增材制造应用中心，在航空航天、工业燃气轮机和金属增材制造方面拥有丰富的经验。

    西门子能源时间表。照片由Michael Petch拍摄。
增材制造领域的氢燃烧和燃气轮机
       斯坦伯格解释了西门子能源公司的意图，即到2030年，他们销售的每一台新燃气轮机都将能够100%使用氢气，这与他们对天然气和甲烷的传统关注有了重大转变。这是一个雄心勃勃的目标，突显了该公司致力于能源行业的创新，尽管客户采用率存在不确定性。
       这一转变的一个关键方面是西门子能源公司对增材制造的利用，这在克服氢气带来的挑战方面发挥了关键作用。该公司既是增材制造领域的用户，也是服务提供商，自2008年以来一直在利用这项技术。斯坦伯格强调了它的重要性，他说：“添加剂确实帮助我们加速进入[氢]空间，因为氢给我们带来了挑战。”在谈到西门子能源公司在氢气工艺方面的更广泛活动时，斯坦伯格指出，该公司参与了从使用电解槽生产氢气到储存和传输的整个价值链。西门子能源公司非常专注于整个氢工艺，他说道，并强调了他们将氢作为可行燃料来源的方法。

西门子能源公司与AM的合作经验。照片由Michael Petch拍摄。
改造用于氢气燃烧的燃气轮机燃烧器
        该演讲详细介绍了氢燃烧给燃气轮机带来的一些复杂挑战，以及增材制造如何成为应对这些挑战的关键工具。斯坦伯格强调了从天然气过渡到氢气时遇到的具体困难，重点关注了火焰行为和燃料系统要求的实质性差异。
斯坦伯格发现的主要挑战之一是，与天然气相比，氢气的火焰速度明显更快。他解释说，“（氢气的）火焰速度如此之快，而且非常接近燃烧器的出口”，这就需要调整燃烧器的设计，以防止回火等问题。增加的火焰速度是天然气的十倍，这带来了一系列独特的挑战。此外，氢气燃烧需要更高体积的燃料来实现相同的功率密度，这进一步使过渡复杂化。斯坦伯格指出，由于这些差异，使用天然气的密封和管道等部件可能不适合使用氢气。
        增材制造在西门子能源公司应对这些挑战的方法中发挥着至关重要的作用。增材制造允许快速成型，使该公司能够快速迭代和测试新设计，以满足氢气燃烧的独特需求。斯坦伯格指出：“添加剂只是帮助解决这些问题的一个杠杆。”他强调了添加剂在发展过程中的重要性，如SGT 600燃气轮机，该涡轮机在他们的车间中成功地使用了100%的氢气。
          斯坦伯格还概述了西门子能源公司自2008年以来使用增材制造的渐进方法，详细介绍了该公司对氢气的关注是如何随着时间的推移而演变的。从2012年的低氢百分比初步测试到近年来更大的进步，西门子稳步提高了其燃烧器的氢容量。到2018年，该公司取得了重大进展，将增材制造融入其快速原型设计和测试的开发周期。斯坦伯格强调了这一挑战的规模，重申了到2030年实现100%氢能的目标。“100%是一个很大的数字。这也是一个巨大的挑战。

氢和作为燃料的天然气之间的区别。照片由Michael Petch拍摄。
用于燃气轮机的3D打印燃烧器
斯坦伯格概述了一种分阶段改造燃气轮机以提高氢气使用水平的方法，强调了随着氢气浓度的增加，燃气轮机结构和控制系统的必要变化。他讨论了对涡轮机部件和控制机制进行全面改造的必要性，特别是超过70%的氢气浓度。斯坦伯格解释道，“超过30%，高达70%，你将不得不开始改变事情”，这表明涡轮机系统将进行重大重新设计，以提高氢气利用率。随着氢气使用率接近100%，他指出“几乎整个方案都必须改变”，包括控制和安全架构。演讲的一个关键焦点是增材制造在开发这些新型涡轮机部件中的重要性。斯坦伯格强调了AM在氢适应过程的快速原型设计和迭代燃烧器设计中的作用。增材制造的使用不仅加快了原型制作过程，而且有助于解决燃烧器尖端的侵蚀和氧化等操作问题。

AM金属燃烧器。照片由Michael Petch拍摄。
在不同的燃气轮机型号中选择一个通用的燃烧器进行改造是一项战略举措。通过选择SGT 600、700、900和750等多种型号中使用的燃烧器，西门子能源公司旨在最大限度地发挥其创新的影响，无论燃烧器是在罐式还是环形燃烧系统中。此外，斯坦伯格强调了他们的方法的双重好处：解决氢气燃烧挑战和操作效率。他表示，“我们可以同时解决这两个问题”，并指出西门子能源公司在氢气适应方面的创新也有助于解决燃气轮机中常见的磨损问题。
会议包括对开发周期的详细见解，从计算流体动力学（CFD）模拟到真实世界的测试，强调了增材制造提供的快速迭代和测试能力。斯坦伯格提到了发表在《燃气轮机世界》上的一项具体研究，详细介绍了西门子能源公司在这一领域的进展。
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