3Dプリントによりガスタービンの効率65%を達成可能

中国共産党第19回全国代表大会の報告は、エネルギーの生産と消費の革命を推進し、クリーンかつ低炭素で安全かつ効率的なエネルギーシステムを構築することを提案した。従来の発電業界は、どのようにして新興技術を活用してクリーンエネルギーの飛躍的進歩を実現し、経済と環境の調和ある共存を実現できるのでしょうか? 3D プリントは、グリーンエネルギーの新時代を開始するための重要なボタンとなる可能性があります。

付加製造、グリーンスマート製造
3D プリンティングは、アディティブマニュファクチャリング (AM) とも呼ばれ、コンピューター支援設計、材料処理、成形技術を統合した製造技術です。デジタルモデルファイルを基礎として、ソフトウェアと CNC システムを使用して、押し出し、焼結、溶融、光硬化、スプレーなどにより、特殊な金属材料、非金属材料、または生体材料を層ごとに積み重ね、物理的なオブジェクトを生成します。 3Dプリントは、従来の製造プロセスと比較して、原材料の除去、切断、組み立てなどの処理モードが異なり、材料の蓄積による「ボトムアップ」製造方法であり、複雑な構造の製造を可能にします。過去20年間、積層造形技術は急速な発展を遂げ、産業分野での応用は雨後の筍のように急増しました。2014年11月末、3Dプリント技術はタイム誌によって2014年のベスト25発明の1つに選ばれました。

この技術に対するあなたの概念がまだ「高速で正確な万能製造機械」に限定されているなら、それは少し時代遅れです。3D プリントは、温かみと深みを兼ね備えた技術手段です。業界が発展する一方で、将来の世代のためにより多くの緑の山々、澄んだ水、持続可能な資源を保護することは、すべての業界関係者、特にGEの人々の追求です。 3Dプリント技術による工業製造の最適化は、省エネと排出削減を実現し、「グリーンスマート製造」を推進するのに役立ちます。この「隠れた特性」により、本来冷たいプロセスに、人間が自然に対して持つべき温かさと優しさが満ち溢れます。今日は、3D プリントがガスタービンの複合サイクル効率を向上させ、発電プロセスにおける温室効果ガスの排出を削減できる仕組みを真剣に考えてみましょう。

3D プリントの力: 高効率と低排出の両立<br /> GE はより効率的なガスタービンの開発を常に追求しています。 2016年、フランスのブーシャン発電所のGE 9HAユニットは、複合サイクル発電効率62.22%でギネス世界記録を樹立しました。それだけでなく、昨年、GE の先進的な 9HA.02 ガスタービンの複合サイクル効率は 64% を超えましたが、この画期的な進歩は、まったく新しい 3D プリントノズルモデルによるものです。

64% の背後には、効率と排出量の間の駆け引きがあります。 64% の効率を達成するには燃焼温度を上げる必要があり、必然的に窒素酸化物 (NOx) の排出量が増加します。ちょっとした科学の授業をしましょう。窒素酸化物の主な原因は、熱、急速、燃料の 3 つです。天然ガスはガスエンジンの一般的な燃料です。揮発性物質には窒素化合物や炭化水素がほとんど含まれておらず、NOx の生成は基本的に熱によるものです。一般的に、燃焼温度が1350℃未満の場合は、発生するサーマルNOxの量は非常に少ないですが、燃焼温度が上昇すると、サーマルNOxは指数関数的に増加します。9HAガスタービンの燃焼温度は1500℃以上です。対応する対策を講じない場合、燃焼温度の上昇により排出量が大幅に増加し、基準を超えてしまいます。

発電用語集: マイクロチューブプレミキシング技術により効率が向上し、排出量が削減されます<br /> 現在、ガスタービンでは乾式低窒素（DLN）燃焼技術が広く使用されています。つまり、ガスタービンの燃料と空気を事前に混合し、混合比を適切に制御することで、燃焼室内で希薄燃料燃焼が行われ、燃焼炎の表面温度が空気中のN2酸化の開始温度よりも低くなり、NOxが生成され、NOxの排出が抑制されます。

GE は 9HA ガスタービンで、従来の大型渦流ノズルを微細多孔性チューブ束に置き換え、高度なマイクロチューブ予混合技術を採用しています。マイクロチューブ予混合技術を採用した後、ノズルには高密度の吸入マイクロチューブが設けられ、各吸入マイクロチューブの軸方向位置には複数の燃料穴が設けられています。空気は吸気マイクロチューブを通過し、マイクロチューブ予混合ノズルはミリメートルレベルの直管内で燃料と空気を混合するクロスフロー噴射方式を採用しています。これにより、燃料と空気をより効率的に、より均一に、より速い速度で予混合できるようになります。同時に、設計流量は炎の速度よりも高くなります。これは水素を多く含む燃料の安定した燃焼につながります。マイクロチューブ予混合燃焼室を採用することで、乾式低窒素バーナーを使用して高活性ガス燃料も予混合燃焼することが可能になりました。 NOxの発生を効果的に抑制します。また、燃料と空気のより均一な混合を実現し、予混合燃焼を改善し、複合サイクルの効率向上への道を開きます。

マイクロチューブ予混合により、9HAは低窒素燃焼技術においてマイクロホール予混合と完全予混合燃焼を実現し、超低窒素酸化物排出量（最小負荷30%の条件下で窒素酸化物排出量はわずか25ppm）を達成し、ガスタービン負荷の急速な増減をサポートします。
なぜ 3D プリントなのか?マイクロチューブ予混合ノズルの設計開始時に、エンジニアは3Dプリント技術を決定的に選択しました。独自の層状成形原理により、複雑な形状を作る際に独自の利点があり、従来のプロセスでは実現できない部品をより経済的に製造できます。この製造プロセスの戦いにおいて、3D プリンティングは「溶接ヘッドゼロ」設計により見事に勝利しました。このノズルを従来の製造プロセスを使用して機械加工工場で生産する場合、何千もの溶接ヘッドが使用されます。しかし、3Dプリント技術により、このトラブルを回避できます。同時に、「溶接ヘッドゼロ」設計により、溶接による潜在的な燃料漏れも回避され、ユニットの動作信頼性が向上します。
産業の未来、グリーンの台頭GE のガス発電事業部門のガスタービン製品担当ゼネラルマネージャーである Guy Deleonardo 氏は、3D プリントに非常に感銘を受けています。GE は 10 年間にわたってガスタービンの効率を 1 パーセントポイント向上させてきましたが、3D プリント技術の助けを借りれば、このような改善を達成するのに数年しかかかりません。 3Dプリンティングは「時間の物語」の代わりに「エネルギー効率の戦いの歌」を作曲しました。複合サイクル効率が63％から64％に向上すれば、大型ガス火力発電所はライフサイクル全体で約5億人民元の燃料費を節約できます。さらに、燃料消費量の削減により、ライフサイクル全体で窒素酸化物排出量を約500トン削減でき、発電所はより大きな社会的利益を達成できます。
3Dプリンティングの「省エネ戦歌」が世界に響き渡る。 GE Power はこれまでに、世界中の顧客に 9,000 個を超えるガスタービン用 3D プリント部品を納入してきました。 GEは3Dプリント技術を活用して、部品の試作とフルロードテストを完了しており、今後さらに多くのガスタービン部品の設計と量産に3Dプリントを適用する予定だ。先進技術を代表するHクラスガスタービンは、3Dプリント技術、セラミック材料、先進的な燃焼技術を採用しています。近い将来、GEのHクラスガスタービンはガス発電所の複合サイクル効率を65％以上に押し上げ、より優れたグリーンな未来を創造します。
出典: GEパワー

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