3D打印，让燃机效率突破65%不是梦

十九大报告提出，要推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。传统的发电行业如何借力新兴的科技手段，在清洁能源的路上走出突破，让经济与环境和谐共生？3D打印或许将是启动绿色能源新时代的关键按钮！

增材制造，绿色智造
3D打印，也就是增材制造（Additive Manufacturing，AM），是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料或生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的制造工艺，3D打印对原材料去除、切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，这让复杂结构制造成为可能。近二十年来，增材制造技术取得了快速的发展，在工业领域内的应用犹如雨后春笋般蓬勃发展，2014年11月末，3D打印技术更是被《时代》周刊评为2014年25项年度最佳发明之一。

如果你对这项技术的概念还停留在“又快又准的万能制造机”，那就有点out啦~3D打印可是兼具温情与深度的科技手段。在工业发展的同时，为后代保留更多的青山绿水和可持续的资源，是每个工业人，更是GE人的追求。3D打印技术对于工业制造的优化正好可以助力于实现节能减排，促成“绿色智造”，这一“隐藏属性”让原本冰冷的工艺充满了人类对自然应有的温情与善意。今天，就让我们来聊点认真的，看看3D打印如何提高燃气轮机的联合循环效率并减少发电环节的温室气体发排放。

3D打印之功：高效与低排放的博弈
更高效的燃机之路，是GE不懈的追逐。2016年，法国布尚电厂GE 9HA机组以高达62.22%的联合循环发电效率创下吉尼斯世界纪录。不止如此，就在去年，GE先进的9HA.02燃机的联合循环效率已经突破了64%，而这一突破不得不归功于一个全新的3D打印的喷嘴模型。

64%的背后，有着效率和排放的博弈。为达到64%的效率，需要提高燃烧温度，不免增加了氮氧化物（NOx）的排放。让我们快速科普一波，氮氧化物的成因主要有三：热力型、快速型和燃料型。天然气作为燃机的常用燃料，含氮化合物及挥发物中碳氢化合物都很少，NOx的形成基本上就是热力型。一般来说，在燃烧温度小于1350℃时，热力型NOx生成量很少，而当燃烧温度升高时，热力型NOx成指数级增长，而9HA燃机燃烧温度在1500℃以上，如果不采取相应措施，燃烧温度的提高将会导致排放的大幅上升而超标。

发电小词典:提效又减排的微管预混技术
目前燃机广泛采用的是干式低氮(DLN)燃烧技术，即通过对燃气轮机燃料和空气的预混，并合理控制掺混比例，使燃烧室内进行贫燃料燃烧，且燃烧火焰面温度低于空气里N2氧化生成NOx的起始温度，从而控制NOx排放。

在9HA燃机上，GE采用先进的微管预混技术，用微孔管束替代之前大的旋流喷嘴。使用微管预混技术后，喷嘴有密集的进气微管，在每个进气微管的轴向位置有多个燃料孔。空气通过进气微管，微管预混喷嘴使用毫米级直管中的燃料和空气的交叉流喷射混合方式。这样使得燃料和空气预混效率更高，混合更加均匀，速度也更快。同时设计流速高于火焰速度。这样有利于富氢燃料的稳定燃烧。采用微管预混燃烧室后，高活性气体燃料也可采用干式低氮燃烧器预混燃烧。有效地控制NOx的生成。更实现了燃料和空气的更好均相混合，保证了更好的预混燃烧，为更高的联合循环效率铺平道路。

微管预混让9HA在低氮燃烧技术中实现了微孔预混和全预混燃烧，满足超低氮氧化物排放（在最低负荷至30%的工况下仅有25ppm氮氧化物排放)，支持燃机快速增减负荷。

为什么是3D打印？

微管预混喷嘴设计之初，工程师们果断选择了3D打印这一技术，由于其独特的分层成形原理，在制作复杂的形态方面独具优势，可以更经济地制造出传统工艺无法实现的部件。在这场制造工艺的battle中，3D打印凭借“零焊接头”设计完美胜出。如果通过传统制造工艺，在机械加工厂生产这个喷嘴，将会用到数千个焊接头，而3D打印技术生产则可免去这个麻烦，同时“零焊接头”设计也避免了焊接导致的潜在的燃料泄漏，提高了机组运行可靠性。

工业未来，绿色崛起

对于3D打印，GE燃气发电业务的燃气轮机产品总经理Guy Deleonardo很是赞叹，整整十年，GE将燃机的效率提高了一个百分点，但借助3D打印技术，实现这样的提升仅需数年。省去了“光阴的故事”，3D打印谱写出了一首“能效战歌”。若联合循环效率从63％提高到64％，一个大型燃气电厂在整个生命周期内可节省约5亿人民币的燃料成本，另外，由于燃料消耗的减少，整个生命周期内减排氮氧化物近五百吨，电厂能够实现更大的社会效益。

3D打印的“能效战歌”响彻全球。截止目前，GE发电集团已经向世界各地的客户提供了超过9,000个用于燃气轮机的3D打印部件。用3D打印技术，GE完成了零部件的试制和满负荷试验，并有望将3D打印应用于更多燃机部件的设计和批量生产中。代表着先进技术的H级燃机采用了3D打印技术、陶瓷材料和先进燃烧技术，在不久的将来，GE的H级燃机将会推动燃气电厂的联合循环效率达到65%以上，从而打造更美好的绿色未来。

来源： GE发电