2011/11/05
經濟部能源局
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▓撰文：張育誠、焦鴻文、吳國光
能量轉換發電技術常見於大型的汽電共生系統當中，以蒸汽產生器（鍋爐），吸收熱能成為高溫高壓之過熱蒸汽後，隨後導入蒸汽渦輪機內，部分蒸汽膨脹作功，用以驅動發電機組來產生電力。但是要成為一座合格之汽電共生系統，生產蒸汽必須達100噸╱小時（TPH）以上，以一般傳統工業的中小型熱能用戶而言，其利用的蒸汽量僅在3～50噸╱小時，不適用大型蒸汽渦輪發電系統。然而國內鍋爐裝置容量多數為0.5～2TPH（最大可達6TPH），最大蒸汽壓力為10bars（大氣壓力單位），但工廠製程壓力大多僅需1～2bars，因此採取蒸汽鍋爐（Steam Boiler）＋小型汽電共生（Micro Combined Heat and Power, MCHP）的設計概念，其熱電轉換效率可達70％以上，其中所產生之能量轉換發電效果明顯，若是再加上蒸汽鍋爐複合式系統聯用方式，將可優於一般大型發電系統約35～45％（以低熱值計算）的效率，協助國內業者提升能源使用效率。
小型汽電共生複合式系統
於大型汽電共生系統當中，其系統之熱平衡循環流程為：工作流體（水、水蒸汽）經過蒸汽產生器（鍋爐），吸收熱能成為高溫高壓之過熱蒸汽後，隨後導入蒸汽渦輪機內，部分蒸汽膨脹作功用以驅動發電機組來產生電力，並由蒸汽渦輪機之抽汽段引出中、高壓蒸汽至脫氧槽、高壓飼水加熱器、低壓飼水加熱器、以及做為製程用蒸汽等。另一方面，蒸汽汽渦輪機末端抽引出剩餘蒸汽，直接進入冷凝器中，利用泵浦將海水抽入冷凝器中經熱交換後排回大海，蒸汽冷卻後成為飽和液態水送入低壓飼水加熱器，重新進行系統循環。一旦工作流體於過程中有所散失，則以補給水塔補充水量，隨時保持系統平衡狀態。
但是要成為一座合格之汽電共生系統，必須符合能源管理法中，所明訂之能源用戶生產蒸汽達中央主管機關規定數量（100TPH）者，換言之，當能源用戶之生產蒸汽達100噸╱小時以上時，裝設汽電共生系統可有效達到節約能源效益。但是考量國內小型鍋爐數量繁多（煙管式鍋爐47％＋貫流式鍋爐30％），實際運轉操作狀況皆低於額定操作壓力，具備節能潛力。以貫流式鍋爐而言，設備購置成本低、操作簡單、較不受空間限制之下，具備小型汽電共生複合式系統技術之應用潛力，並且貫流式鍋爐在國內具有龐大市場。
國內工業能源用戶端，為提供廠內或下游工廠之中、低壓製程蒸汽，通常皆是藉由小型蒸汽鍋爐加熱產生，其中由於鍋爐型式與燃料取得之便利性，多半採用燃料油居多。依據蒸汽鍋爐高效率作業顯示，國內燃油蒸汽鍋爐每小時蒸汽量介於10～55噸之間，鍋爐經常性操作負載為50～80％，排氣溫度在170～210℃，排氣含氧量在3～7％，鍋爐效率以82～87％最為普遍。
如圖1所示，在未裝配此壓降節能載具─蒸汽輪機時，製程設備熱能需求量取決於站位（1）和站位（3）的蒸汽焓值變化量；在裝配蒸汽輪機後，製程設備熱能需求量則取決於站位（2）和站位（3）的蒸氣焓值變化量。由於裝配蒸汽輪機，蒸汽作功後（其濕度亦上升約2～4％，即乾度約為96～98％），站位（2）的焓值低於站位（1），所以需補充熱能，以符合製程設備需求。補充熱能的方法包括：提高鍋爐出口飽和蒸汽壓力和溫度，以及增加蒸汽量。若是以廢熱回收方式補充熱能，則無須增加額外費用；若是以燃料燃燒釋放出化學能方式補充熱能，則需要增加額外的燃料。
燃燒效率及熱傳效率理論上視鍋爐設計（燃燒器、爐膛）而定，但是實際上常因不同的操作與維護而有所差異。一般鍋爐設計效率均可達90％以上，而國內輔導業界的經驗顯示，常無法到達此一標準，因此操作人員的運轉維護觀念是提升鍋爐效率頗為重要的一環。提升鍋爐效率的可能途徑不外是：一、提升燃燒效率；二、提升鍋爐內熱傳效率；三、氮氧化物（NOx）控制技術。為了讓熱能用戶能夠達到「提高化石燃料能源使用效率」的節能目標，除了提高鍋爐效率外，最直接的方法在於有效利用鍋爐產生的蒸汽，對蒸汽壓力能充分有效應用的壓降節能發電技術即是高效率的利用方式之一。
經濟效益與預估投資分析
就小型汽電共生複合式系統而言，成本投入分為兩部分：一、製造商的機組開發成本，其中，主要機組元件為：汽輪機（Steam Turbine）、齒輪箱（Gearbox）與發電機組（Generator）等3大部分；二、用戶端的機組購買、安裝、試運轉和操作成本。因此，對於小型汽電共生複合式系統之經濟效益與預估投資回收期（Payback Period），分析的流程為：
一、節能渦輪熱力分析：就給定的渦輪進╱出口條件，分析其熱力特性並預估發電量。
二、熱能需求分析：假設提高鍋爐出口的蒸汽壓力，以提供節能蒸汽渦輪機需求的壓力降為條件，分析額外的熱能供應需求。
三、成本分析：包括機組購買成本、安裝成本、技術諮詢和試運轉成本、燃料成本、保養╱維修成本。
四、經濟效益分析：裝置節能渦輪機商轉後，獲利直接呈現於用戶端基本電費（契約容量）和流動電費的節省。
五、投資回收期：由獲利與成本的比較，預估投資回收期。
結語
小型汽電共生系統之能量轉換技術為將蒸汽輪機和減壓閥並聯裝配，有效利用鍋爐蒸汽端和製程蒸汽端的壓力降，產生電力，同時，精準調整蒸汽壓力，可以達到能源、環保、經濟多重效益。從高能源效率機組和分散式發電系統的全球節能風潮和電力市場趨勢，以我國蒸汽用戶和蒸汽供應戶的節能需求，探討小型汽電共生系統之能量轉換的系統配置、熱力性能、發電特性分析，以下說明研究結果：小型汽電共生系統之能量轉換裝置機組主要零組件有蒸汽輪機、減速齒輪箱、發電機，結構簡單、機械特性佳、維修需求少且產品壽命達15年以上。由於原管路系統的壓力降透過減壓閥實施，造成能量損失，若以小型汽電共生系統之能量轉換裝置回收此浪費的能源，節能效益顯現，而且機組結構簡單、少維修、成本低，其購置成本和操作成本低，具經濟效益。（作者任職於工研院綠能所）
關鍵字：小型汽電共生系統,汽輪機,蒸汽,能源效率