3D打印讓燃機效率突破65%不是夢
發表時間：2018年01月17日瀏覽量：
十九大報告提出，要推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系。傳統的發電行業如何借力新興的科技手段，在清潔能源的路上走出突破，讓經濟與環境和諧共生？3D打印或許將是啟動綠色能源新時代的關鍵按鈕！
增材制造，綠色智造
3D打印，也就是增材制造（AdditiveManufacturing，AM），是融合了計算機輔助設計、材料加工與成形技術，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的金屬材料、非金屬材料或生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。相對于傳統的制造工藝，3D打印對原材料去除、切削、組裝的加工模式不同，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，這讓復雜結構制造成為可能。近二十年來，增材制造技術取得了快速的發展，在工業領域內的應用猶如雨后春筍般蓬勃發展，2014年11月末，3D打印技術更是被《時代》周刊評為2014年25項年度最佳發明之一。
如果你對這項技術的概念還停留在“又快又準的萬能制造機”，那就有點out啦~3D打印可是兼具溫情與深度的科技手段。在工業發展的同時，為后代保留更多的青山綠水和可持續的資源，是每個工業人，更是GE人的追求。3D打印技術對于工業制造的優化正好可以助力于實現節能減排，促成“綠色智造”，這一“隱藏屬性”讓原本冰冷的工藝充滿了人類對自然應有的溫情與善意。今天，就讓我們來聊點認真的，看看3D打印如何提高燃氣輪機的聯合循環效率并減少發電環節的溫室氣體發排放。
3D打印之功：高效與低排放的博弈
更高效的燃機之路，是GE不懈的追逐。2016年，法國布尚電廠GE9HA機組以高達62.22%的聯合循環發電效率創下吉尼斯世界紀錄。不止如此，就在去年，GE先進的9HA.02燃機的聯合循環效率已經突破了64%，而這一突破不得不歸功于一個全新的3D打印的噴嘴模型。
64%的背后，有著效率和排放的博弈。為達到64%的效率，需要提高燃燒溫度，不免增加了氮氧化物（NOx）的排放。讓我們快速科普一波，氮氧化物的成因主要有三：熱力型、快速型和燃料型。天然氣作為燃機的常用燃料，含氮化合物及揮發物中碳氫化合物都很少，NOx的形成基本上就是熱力型。一般來說，在燃燒溫度小于1350℃時，熱力型NOx生成量很少，而當燃燒溫度升高時，熱力型NOx成指數級增長，而9HA燃機燃燒溫度在1500℃以上，如果不采取相應措施，燃燒溫度的提高將會導致排放的大幅上升而超標。
發電小詞典:提效又減排的微管預混技術
目前燃機廣泛采用的是干式低氮(DLN)燃燒技術，即通過對燃氣輪機燃料和空氣的預混，并合理控制摻混比例，使燃燒室內進行貧燃料燃燒，且燃燒火焰面溫度低于空氣里N2氧化生成NOx的起始溫度，從而控制NOx排放。
在9HA燃機上，GE采用先進的微管預混技術，用微孔管束替代之前大的旋流噴嘴。使用微管預混技術后，噴嘴有密集的進氣微管，在每個進氣微管的軸向位置有多個燃料孔。空氣通過進氣微管，微管預混噴嘴使用毫米級直管中的燃料和空氣的交叉流噴射混合方式。這樣使得燃料和空氣預混效率更高，混合更加均勻，速度也更快。同時設計流速高于火焰速度。這樣有利于富氫燃料的穩定燃燒。采用微管預混燃燒室后，高活性氣體燃料也可采用干式低氮燃燒器預混燃燒。有效地控制NOx的生成。更實現了燃料和空氣的更好均相混合，保證了更好的預混燃燒，為更高的聯合循環效率鋪平道路。
微管預混讓9HA在低氮燃燒技術中實現了微孔預混和全預混燃燒，滿足超低氮氧化物排放（在最低負荷至30%的工況下僅有25ppm氮氧化物排放)，支持燃機快速增減負荷。
為什么是3D打印？
微管預混噴嘴設計之初，工程師們果斷選擇了3D打印這一技術，由于其獨特的分層成形原理，在制作復雜的形態方面獨具優勢，可以更經濟地制造出傳統工藝無法實現的部件。在這場制造工藝的battle中，3D打印憑借“零焊接頭”設計完美勝出。如果通過傳統制造工藝，在機械加工廠生產這個噴嘴，將會用到數千個焊接頭，而3D打印技術生產則可免去這個麻煩，同時“零焊接頭”設計也避免了焊接導致的潛在的燃料泄漏，提高了機組運行可靠性。
工業未來，綠色崛起
對于3D打印，GE燃氣發電業務的燃氣輪機產品總經理GuyDeleonardo很是贊嘆，整整十年，GE將燃機的效率提高了一個百分點，但借助3D打印技術，實現這樣的提升僅需數年。省去了“光陰的故事”，3D打印譜寫出了一首“能效戰歌”。若聯合循環效率從63％提高到64％，一個大型燃氣電廠在整個生命周期內可節省約5億人民幣的燃料成本，另外，由于燃料消耗的減少，整個生命周期內減排氮氧化物近五百噸，電廠能夠實現更大的社會效益。
3D打印的“能效戰歌”響徹全球。截止目前，GE發電集團已經向世界各地的客戶提供了超過9,000個用于燃氣輪機的3D打印部件。用3D打印技術，GE完成了零部件的試制和滿負荷試驗，并有望將3D打印應用于更多燃機部件的設計和批量生產中。代表著先進技術的H級燃機采用了3D打印技術、陶瓷材料和先進燃燒技術，在不久的將來，GE的H級燃機將會推動燃氣電廠的聯合循環效率達到65%以上，從而打造更美好的綠色未來。來源：GE發電
