2007/09/05
經濟部能源局
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▓撰文：曾安康、郭啟榮、鄭景亮
盱衡油價飆漲、京都議定書生效，各國大力推展節能政策及挹注新能源開發和提高利用效率，亦即針對溫室氣體減量和能源價格飆漲問題，將因應主軸放在核能及水力、開發再生能源、提高能源效率等方面。其中，提高能源利用為目前最直接且有效的治標方案。對此，國內工研院能環所於民國96年投入經濟部能源發展專案之開發與節能技術工業服務，以建立國內數百瓩級節能蒸汽渦輪機組自有能量為標的，期能開創工商產業在高效率利用燃料能源的使命。
本文簡述工業鍋爐裝配節能蒸汽渦輪系統的機組成本和效益研究，蒸汽用戶若安裝小型渦輪機，其建置操作費用的回收期低於2年，競爭效益顯著，兼具節能、經濟、環保等多重效益和貢獻。
產業現況及應用
一般製造加工業在採用蒸汽鍋爐提供熱能需求時，考慮蒸汽傳輸效率、管線尺寸限制、多樣化壓力需求和負載保持等，鍋爐供應蒸汽時，需提高蒸汽壓力（簡稱蒸壓），以竟其功，並因應製程需求，蒸汽在進入產線時，常需串聯一減壓閥，降低而保持穩定的蒸壓供給，此壓降將伴隨產生紊流和噪音，造成能源流失，且無法維持精準的穩定蒸汽。再者，蒸汽通過製程設備後，尚餘大量可用熱能，直接排放或冷卻回收亦造成能源浪費和熱污染問題。此直接解決方案即是利用一能量轉換裝置，有效將「壓力降」的能量轉換為電力或軸功輸出，且能精準調控製程設備的需求蒸汽背壓。本文所談節能蒸汽渦輪機（Energy Conservation Turbine, ECT）即為此類高效率裝置。
工業熱能系統搭配蒸汽渦輪機後，熱能利用依照階梯方式，其第一階段：於製程中的減壓用途，可與減壓閥並聯，將高壓蒸汽先導引至渦輪機，「蒸汽壓力降」將部分熱能轉換成渦輪旋轉動能，再利用發電機轉換成電力（或直接以機械軸功方式）輸出，利用經過渦輪的蒸汽，連通至製程設備以供應需求之蒸汽量和蒸壓，其蒸汽量控制由渦輪入口之蒸汽控制閥掌控、壓力控制則經由渦輪出口端的傳感器和調節閥達成。於第二階段，如蒸汽有效熱能（即蒸汽壓力）尚高時，應用於製程後的熱能回收，則裝設於管線尾端。
然則鍋爐為一般工廠主要耗能設備，國內利用鍋爐產生中、低壓蒸汽以供製程加熱，其使用燃料以燃料油居多。熱能用戶其利用的蒸汽量多僅在2～50噸╱小時，蒸汽壓力低於15大氣壓力，即適用小型蒸汽渦輪機之需求規格。因此德、美、日等國外公司甚早著力在數百瓩級蒸汽渦輪產品開發，成效斐然，其技術重點在：一、熱能供應系統節能工程規劃；二、高效率渦輪機設計與開發；三、機組的電力╱軸功輸出與廠房電力系統或設備整合；四、後勤服務。
原理與性能
節能蒸汽渦輪機的主要組件有：衝擊式渦輪機、減速齒輪箱、感應式（或同步）發電機、輔助系統（包括機組承座、潤滑油供應、冷卻系統）和控制單元。小型蒸汽發電渦輪機的工作原理簡述如下：
一、高壓蒸汽從進口端引導至渦輪噴嘴，其在噴嘴內將壓力能轉換成可動能，蒸汽離開噴嘴時，其速度每秒約為400～600公尺。
二、離開噴嘴後衝擊渦輪轉子葉片，對渦輪做功，產生渦輪轉子的旋轉動能，其轉速為14,400 RPM。再經齒輪箱減速至發電機操作轉速（3,600或1,800 RPM）後，由聯軸器傳遞至發電機，轉換為電力輸出。
三、流經渦輪後的低壓蒸汽，從出口端流入下游的製程設備，提供熱能。
四、渦輪轉子的轉速和進入製程的蒸壓值等，藉由可程式化邏輯控制器（PLC）所控制的蒸汽流量控制閥和壓力控制閥調整，以符合設定範圍和精準度。
該渦輪機具有：一、結構簡單╱零組件少、成本低；二、產品穩定度高，使用壽命長達12萬小時（15年）以上；三、維修需求少：機油更換頻率為每年1次，軸承╱軸封更換頻率為2～3年；四、氣密性佳，採二階段軸封設計；五、低噪音振動等產品特性。另外，節能渦輪與減壓閥並聯配置，不影響原來的蒸汽管路系統，且可將原本由減壓閥降壓的壓力能轉換成電力輸出，達到提高能源利用率的節能目的。
發電效益評估
儘管小型節能渦輪廣泛應用於國外工商界，然而，國內卻裹足不前。探究其癥結在於：若要利用國外機組，由於國內尚未建立機組開發、測試、安裝、運轉和維修等能力，僅能全盤委託國外，一則造成機組建置成本昂貴，一則系統分析和維修服務完全受制於他人，相當不便。在經濟效益分析方面，除了基值於機組購置費用、電價費用外，尚受燃料費用和機組每年運轉時數的影響，即與該發電機組蒸汽供應之運轉費用（主要操作成本）呈一次線性的遞增趨勢。
並且就提高能源利用效率的層面而言，100瓩和250瓩發電量的蒸汽節能渦輪機組，其節能貢獻度為每年分別可節省155和384公秉油當量，而根據國內市場分析資料指出，假定100瓩、250瓩發電量機組每年可各裝設100套，則每年可節省53,900公秉油當量，對於節能和抑制溫室氣體排放效果，成效顯著。（作者任職於工研院能環所）