西門子能源利用增材制造，2030年燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)方面取得了重大進(jìn)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(dá)州奧蘭多的西門子能源增材制造應(yīng)用中心工作，在航空航天、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和金屬增材制造方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。他在2024年AMUG會(huì)議上發(fā)言時(shí)表示，西門子能源在增材制造氫燃燒和燃?xì)廨啓C(jī)方面取得了重大進(jìn)展。(增材制造用戶組 AMUG是一個(gè)專注于加速增材制造和 3D 打印的教育和進(jìn)步的全球社區(qū)。 AMUG會(huì)議匯聚了來自世界各地的工程師、設(shè)計(jì)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(shí)、最佳實(shí)踐、挑戰(zhàn)和應(yīng)用開發(fā)。)

增材制造領(lǐng)域的氫燃燒和燃?xì)廨啓C(jī)
Steinberg表示西門子預(yù)計(jì)到2030年，銷售的每臺(tái)新燃?xì)廨啓C(jī)都將能夠 100% 使用氫氣運(yùn)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(zhuǎn)變。這一目標(biāo)，凸顯了西門子對(duì)能源領(lǐng)域創(chuàng)新的奉獻(xiàn)精神。

這一轉(zhuǎn)變的一個(gè)關(guān)鍵方面是西門子能源對(duì)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(guān)鍵作用。西門子既是增材制造領(lǐng)域的用戶，也是增材制造領(lǐng)域的服務(wù)提供商，自 2008 年以來一直在利用這項(xiàng)制造技術(shù)。Steinberg指出，西門子在氫工藝領(lǐng)域參與了整個(gè)價(jià)值鏈，從使用電解槽生產(chǎn)氫氣到儲(chǔ)存和傳輸?shù)取?br />

△西門子能源在增材制造方面的經(jīng)驗(yàn)

改造燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器以燃燒氫氣
Steinberg還詳細(xì)介紹了氫氣燃燒給燃?xì)廨啓C(jī)帶來的復(fù)雜挑戰(zhàn)，以及增材制造如何成為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵工具。Steinberg強(qiáng)調(diào)了從天然氣過渡到氫氣時(shí)遇到的困難，主要是關(guān)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(shè)計(jì)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(dú)特的挑戰(zhàn)。

此外，氫燃燒需要更多的燃料才能達(dá)到相同的功率密度，這使過渡變得更加復(fù)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?yàn)楸仨氃黾痈�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(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的過程中發(fā)揮著至關(guān)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(cè)試新設(shè)計(jì)，以滿足氫氣燃燒的獨(dú)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(gè)'杠桿'，在開發(fā)過程中十分重要，例如SGT 600 燃?xì)廨啓C(jī)已成功地使用 100% 氫氣運(yùn)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(jìn)方法，詳細(xì)介紹了西門子對(duì)氫的關(guān)注如何隨著時(shí)間的推移而演變。從2012年最初的低氫氣百分比測(cè)試到近年來的重大進(jìn)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(jìn)展，將增材制造整合到其開發(fā)周期中，以進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)和測(cè)試。



燃?xì)廨啓C(jī) 3D 打印燃燒器

Steinberg概述了分階段改造燃?xì)廨啓C(jī)以提高氫氣使用水平的方法，并強(qiáng)調(diào)隨著氫氣濃度的增加，渦輪機(jī)的架構(gòu)和控制系統(tǒng)必須發(fā)生變化。他討論了對(duì)渦輪機(jī)部件和控制機(jī)制進(jìn)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(bào)的一個(gè)關(guān)鍵焦點(diǎn)是增材制造在開發(fā)這些新型渦輪機(jī)部件中的重要性。 Steinberg 強(qiáng)調(diào)了增材制造在氫適應(yīng)過程的快速原型設(shè)計(jì)和迭代燃燒器設(shè)計(jì)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?xì)廨啓C(jī)型號(hào)中選擇通用燃燒器進(jìn)行改造是一項(xiàng)戰(zhàn)略舉措，通過選擇用于多種型號(hào)（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(qiáng)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(yùn)營(yíng)效率。

Steinberg匯報(bào)的一個(gè)要點(diǎn)是對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)部件使用增材制造的經(jīng)濟(jì)分析。增材制造零件的初始成本較高，但可以獲得長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)節(jié)省和效率提升。 他承認(rèn)：“增材制造燃燒器仍然更昂貴，但庫(kù)存需求可以減少，庫(kù)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(fù)燃燒器
Steinberg詳細(xì)介紹了一種通過增材制造延長(zhǎng)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(jìn)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(zhǎng)了使用壽命。他詳細(xì)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(shí)，而標(biāo)準(zhǔn)的使用壽命是 10,000 小時(shí)。“此外，Steinberg分享了對(duì)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(yīng)用
西門子能源公司的 Ted Steinberg 在匯報(bào)中討論了西門子的技術(shù)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的實(shí)際應(yīng)用，特別強(qiáng)調(diào)了與 Braskem 在巴西的一個(gè)項(xiàng)目。重點(diǎn)是在連續(xù)處理工廠的燃?xì)廨啓C(jī)中利用氫氣，其中廢氣（主要是氫氣）通過渦輪機(jī)進(jìn)行回收和燃燒。

會(huì)議結(jié)束時(shí)，Steinberg承認(rèn)增材制造定價(jià)面臨著挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)所需的基礎(chǔ)設(shè)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(shí)都必須計(jì)入產(chǎn)品價(jià)格中，這也闡明了能源領(lǐng)域采用先進(jìn)制造技術(shù)的復(fù)雜經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)。

總結(jié)
Steinberg 在 2024 年 AMUG 會(huì)議上的演講深入探討了西門子能源對(duì)能源領(lǐng)域創(chuàng)新解決方案的承諾，特別是在適應(yīng)使用氫氣作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料來源方面。西門子的技術(shù)在不同的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景中的成功應(yīng)用以及對(duì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)方面的關(guān)注，表明了西門子的前瞻性思維方法。