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3D打印:打造世界效率最高重型燃气轮机9HA

来源:客户端

发布时间:2018-09-26 14:16:43

点击量:4917

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对于3D打印技术而言,由于其独特的分层制造原理,简单和复杂的形状几乎可以一视同仁,只需有合适的三维模型、合适的原料和打印机,就可以立刻打印部件;因为甩掉了模具,可以用较为便宜的价格,制造出传统模具工厂无法制造出的设计;如若设计需要后期修改,只需进行设计迭代,再次打印;若零部件出现损坏,3D打印亦可在破损处直接打印修补,只不过所采用的技术形式不同而已。

3D打印对工业制造的颠覆性可见一斑。经过三十余年的发展,3D打印早已走出研究院所并脱离了创客的自娱自乐。打开某宝,搜索“3D打印”,从钥匙扣到冰淇凌,总有一款能满足你的需求,甚至于明日中秋节的月饼亦可3D打印。但工业制造真正追求的,应该是所谓的“大音希声,大象无形”。 3D打印在当前发展阶段下,正是迎合了这一需求。

被誉为“制造业皇冠上明珠”的燃气轮机到今天已经发展了大半个世纪,想要继续进步,需要近乎登峰造极的技术能力与想象力。在不断攀登巅峰的过程中,3D打印技术可谓恰当其时,材料、计算机控制、激光等学科各个击破,弥补了传统制造方法的局限。举个例子,燃机界的翘楚——H级燃机,透平初温1500摄氏度,联合循环效率高达62.22%,极高的灵活性,超低的排放,人类百年工业文明的巅峰之作,就采拮了3D打印的精髓。     GE 9HA燃气轮机的核心部件之一——燃烧室燃料喷嘴和预混器就使用了增材制造工艺,微孔预混技术确保了GE低氮燃烧技术DLN2.6e的有效发挥,再结合众多同样尖端的技术,最终成就了法国布尚电厂9HA机组打破吉尼斯世界纪录的联合循环效率——62.22%。

3D打印究竟能成就多少改变?下面以GE 9HA燃机中的燃料喷嘴为例: 


 

DLN2.6e 中3D打印制造的先进预混喷嘴(Advanced Premixer)      


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。而这种结构,当前也只有3D打印可以做。

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。 


3D打印—成就全球最先进燃机

H级燃机体积庞大,GE的9HA燃机有约12米高(大概四层楼),重约400吨(约两头蓝鲸),在实际使用中,燃机本身还会有诸多“辅机”,以帮助充分回收废气余热等。除了体型庞大,零件众多,还需“辅机”兼容之外,发电行业还希望燃机24x7不间断工作,同时符合越发严苛的环保法规要求。这一切都需要H级燃机的设计与制造无限趋近完美——燃气轮机核心部件的精度误差最多几十微米。

GE 9HA燃机成为全世界效率最高的燃气轮机(没有之一),而增材制造为此做出了重大贡献。具体而言,3D打印技术在关键零部件上的充分应用,帮助GE 9HA燃气轮机的出力较传统制造方法增加了1%。而仅仅是这1%。GE在法国布尚电厂的9HA机组满足了大约68万个法国家庭的用电需求,也就是说,在原有能耗不变的情况下,这两个部件可帮助为额外6800个家庭提供光明。

如今,法国、俄罗斯、巴基斯坦、日本等多国电厂已经开始部署9HA燃机。2017年3月,哈电集团与GE签署了重型燃机合资协议,重点落实适合中国市场的9F级和9H级燃机的本地化制造;同月,哈电集团将华电天津军粮城项目的9HA燃机合同授予了GE。预计今年下半年可实现9HA机组交付,届时中国电力将有机会直接体验到3D打印技术为尖端发电设备带来的性能提升。


 


9月20日,西门子表示,世界上第一台用于工业燃气轮机的3D打印燃烧室已成功运行一年,没有出现任何问题。2017年,西门子在瑞典Finspång智能燃烧室制造计划(IBUMA,intelligent burner manufacturing)下生产了首台采用选择性激光熔化技术制造的32.8兆瓦SGT-7000燃气轮机燃烧室,并安装在了位于德国黑森州的意昂集团联合循环发电厂,目前燃烧室已经运行8000多个小时,结果令人印象深刻。

西门子指出,与传统方法相比,每个燃烧器头部都是一体化制造,而之前需要13个单独的零件和18次焊接而成。同时在设计上也有了很大改进,例如燃料进料管是燃烧室头部的一部分而不是外部燃料管,这将提高燃烧室的耐温能力,从而有助于延长部件的运行寿命,并最终延长燃气轮机的使用寿命。

而在去年,西门子的3D打印专家们还设计并制造了世界上第一台燃气轮机叶片,并在满负荷条件下进行了验证,每分钟转速为13,000转,温度超过1250℃。

Finspång工厂的项目经理Niklas Lange表示:“作为能源服务提供商,精确性和一致性是我们的绝对要求,3D打印不仅提供了这一点,而且根据我们的经验,与旧型号相比,它甚至可以提高性能。”

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