3D打印，讓燃機效率突破65%不是夢

十九大報告提出，要推進能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。傳統(tǒng)的發(fā)電行業(yè)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(jīng)濟與環(huán)境和諧共生？3D打印或許將是啟動綠色能源新時代的關(guān)鍵按鈕！

增材制造，綠色智造
3D打印，也就是增材制造（Additive Manufacturing，AM），是融合了計算機輔助設(shè)計、材料加工與成形技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料或生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、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(shù)。相對于傳統(tǒng)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(fù)雜結(jié)構(gòu)制造成為可能。近二十年來，增材制造技術(shù)取得了快速的發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用猶如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，2014年11月末，3D打印技術(shù)更是被《時代》周刊評為2014年25項年度最佳發(fā)明之一。

如果你對這項技術(shù)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(yè)發(fā)展的同時，為后代保留更多的青山綠水和可持續(xù)的資源，是每個工業(yè)人，更是GE人的追求。3D打印技術(shù)對于工業(yè)制造的優(yōu)化正好可以助力于實現(xiàn)節(jié)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(yīng)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(lián)合循環(huán)效率并減少發(fā)電環(huán)節(jié)的溫室氣體發(fā)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GE 9HA機組以高達62.22%的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率創(chuàng)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(lián)合循環(huán)效率已經(jīng)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(fā)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(dāng)燃燒溫度升高時，熱力型NOx成指數(shù)級增長，而9HA燃機燃燒溫度在1500℃以上，如果不采取相應(yīng)措施，燃燒溫度的提高將會導(dǎo)致排放的大幅上升而超標。

發(fā)電小詞典:提效又減排的微管預(yù)混技術(shù)
目前燃機廣泛采用的是干式低氮(DLN)燃燒技術(shù)，即通過對燃氣輪機燃料和空氣的預(yù)混，并合理控制摻混比例，使燃燒室內(nèi)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(yù)混技術(shù)，用微孔管束替代之前大的旋流噴嘴。使用微管預(yù)混技術(shù)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(yù)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(yù)混效率更高，混合更加均勻，速度也更快。同時設(shè)計流速高于火焰速度。這樣有利于富氫燃料的穩(wěn)定燃燒。采用微管預(yù)混燃燒室后，高活性氣體燃料也可采用干式低氮燃燒器預(yù)混燃燒。有效地控制NOx的生成。更實現(xiàn)了燃料和空氣的更好均相混合，保證了更好的預(yù)混燃燒，為更高的聯(lián)合循環(huán)效率鋪平道路。

微管預(yù)混讓9HA在低氮燃燒技術(shù)中實現(xiàn)了微孔預(yù)混和全預(yù)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(yù)混噴嘴設(shè)計之初，工程師們果斷選擇了3D打印這一技術(shù)，由于其獨特的分層成形原理，在制作復(fù)雜的形態(tài)方面獨具優(yōu)勢，可以更經(jīng)濟地制造出傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的部件。在這場制造工藝的battle中，3D打印憑借“零焊接頭”設(shè)計完美勝出。如果通過傳統(tǒng)制造工藝，在機械加工廠生產(chǎn)這個噴嘴，將會用到數(shù)千個焊接頭，而3D打印技術(shù)生產(chǎn)則可免去這個麻煩，同時“零焊接頭”設(shè)計也避免了焊接導(dǎo)致的潛在的燃料泄漏，提高了機組運行可靠性。

工業(yè)未來，綠色崛起

對于3D打印，GE燃氣發(fā)電業(yè)務(wù)的燃氣輪機產(chǎn)品總經(jīng)理Guy Deleonardo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(shù)，實現(xiàn)這樣的提升僅需數(shù)年。省去了“光陰的故事”，3D打印譜寫出了一首“能效戰(zhàn)歌”。若聯(lián)合循環(huán)效率從63％提高到64％，一個大型燃氣電廠在整個生命周期內(nèi)可節(jié)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(nèi)減排氮氧化物近五百噸，電廠能夠?qū)崿F(xiàn)更大的社會效益。

3D打印的“能效戰(zhàn)歌”響徹全球。截止目前，GE發(fā)電集團已經(jīng)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(shù)，GE完成了零部件的試制和滿負荷試驗，并有望將3D打印應(yīng)用于更多燃機部件的設(shè)計和批量生產(chǎn)中。代表著先進技術(shù)的H級燃機采用了3D打印技術(shù)、陶瓷材料和先進燃燒技術(shù)，在不久的將來，GE的H級燃機將會推動燃氣電廠的聯(lián)合循環(huán)效率達到65%以上，從而打造更美好的綠色未來。

來源： GE發(fā)電