西门子能源利用增材制造，2030年燃气轮机全部可用氢气

2024年4月，南极熊获悉，西门子能源在增材制造氢燃烧和燃气轮机方面取得了重大进展。


△西门子能源发展表

Tad Steinberg是一名空军退伍军人，在佛罗里达州奥兰多的西门子能源增材制造应用中心工作，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。他在2024年AMUG会议上发言时表示，西门子能源在增材制造氢燃烧和燃气轮机方面取得了重大进展。(增材制造用户组 AMUG是一个专注于加速增材制造和 3D 打印的教育和进步的全球社区。 AMUG会议汇聚了来自世界各地的工程师、设计师、管理人员和教育工作者，分享增材制造方面的专业知识、最佳实践、挑战和应用开发。)

增材制造领域的氢燃烧和燃气轮机
Steinberg表示西门子预计到2030年，销售的每台新燃气轮机都将能够 100% 使用氢气运行，与传统上专注于天然气和甲烷的做法发生了重大转变。这一目标，凸显了西门子对能源领域创新的奉献精神。

这一转变的一个关键方面是西门子能源对增材制造的利用，这在克服氢带来的挑战方面发挥了关键作用。西门子既是增材制造领域的用户，也是增材制造领域的服务提供商，自 2008 年以来一直在利用这项制造技术。Steinberg指出，西门子在氢工艺领域参与了整个价值链，从使用电解槽生产氢气到储存和传输等。


△西门子能源在增材制造方面的经验

改造燃气轮机燃烧器以燃烧氢气
Steinberg还详细介绍了氢气燃烧给燃气轮机带来的复杂挑战，以及增材制造如何成为应对这些挑战的关键工具。Steinberg强调了从天然气过渡到氢气时遇到的困难，主要是关注火焰行为和燃料系统要求的巨大差异。Steinberg发现的主要挑战之一是氢气的火焰速度比天然气快得多并且非常接近燃烧器的出口，这需要调整燃烧器的设计以防止回火等问题。增加的火焰速度比天然气快十倍，带来了一系列独特的挑战。

此外，氢燃烧需要更多的燃料才能达到相同的功率密度，这使过渡变得更加复杂。由于这些差异，与天然气一起使用的密封和管道等部件可能不适合氢气，因为必须增加更多的流量才能获得相同的功率密度。

增材制造在西门子能源应对这些挑战的过程中发挥着至关重要的作用。增材制造允许快速原型制作，使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。Steinberg指出：“增材制造添加剂是帮助解决这些问题的一个'杠杆'，在开发过程中十分重要，例如SGT 600 燃气轮机已成功地使用 100% 氢气运行。 “

Steinberg 还概述了西门子能源自 2008 年以来使用增材制造的渐进方法，详细介绍了西门子对氢的关注如何随着时间的推移而演变。从2012年最初的低氢气百分比测试到近年来的重大进步，西门子稳步提高了其燃烧器的氢气能力。到2018年，西门子取得了重大进展，将增材制造整合到其开发周期中，以进行快速原型设计和测试。



燃气轮机 3D 打印燃烧器

Steinberg概述了分阶段改造燃气轮机以提高氢气使用水平的方法，并强调随着氢气浓度的增加，涡轮机的架构和控制系统必须发生变化。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，特别是在氢气浓度超过 70% 的情况下。

此次汇报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。 Steinberg 强调了增材制造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，还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

在不同的燃气轮机型号中选择通用燃烧器进行改造是一项战略举措，通过选择用于多种型号（SGT 600、700、900 和 750）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燃烧系统还是环形燃烧系统中。此外，Steinberg强调了他们的方法的双重好处：解决氢气燃烧挑战和提高运营效率。

Steinberg汇报的一个要点是对燃气轮机部件使用增材制造的经济分析。增材制造零件的初始成本较高，但可以获得长期的经济节省和效率提升。 他承认：“增材制造燃烧器仍然更昂贵，但库存需求可以减少，库存管理和税收成本能够大幅度降低。”


△氢气和天然气作为燃料的区别

通过增材制造修复燃烧器
Steinberg详细介绍了一种通过增材制造延长燃烧器寿命的新方法。传统上，修理燃烧器需要切除部件的一部分并安装新的部件。然而，西门子能源公司进行了创新，将 3D 打印直接打印到现有的燃烧器上，从而显着延长了使用寿命。他详细阐述道：“我们将热交换器集成到燃烧器的尖端，现在已经超过了 50,000 小时，而标准的使用寿命是 10,000 小时。“此外，Steinberg分享了对开发这些燃烧器的迭代过程的见解，并指出其中涉及的大量投资和努力。


△西门子能源燃烧器宝座

3D 打印的能源应用
西门子能源公司的 Ted Steinberg 在汇报中讨论了西门子的技术在现实场景中的实际应用，特别强调了与 Braskem 在巴西的一个项目。重点是在连续处理工厂的燃气轮机中利用氢气，其中废气（主要是氢气）通过涡轮机进行回收和燃烧。

会议结束时，Steinberg承认增材制造定价面临着挑战，因为这项技术所需的基础设施和投资成本经常被忽视，这是朝着商业化发展中必须面临的挑战。所有成本实都必须计入产品价格中，这也阐明了能源领域采用先进制造技术的复杂经济动态。

总结
Steinberg 在 2024 年 AMUG 会议上的演讲深入探讨了西门子能源对能源领域创新解决方案的承诺，特别是在适应使用氢气作为燃气轮机的燃料来源方面。西门子的技术在不同的运营场景中的成功应用以及对生产经济方面的关注，表明了西门子的前瞻性思维方法。