熱電比之節能淺談

▓撰文：張育誠、吳國光、焦鴻文

一般汽電共生業者為達到最大經濟運轉效益之目標設定，主要在於滿足製程需求熱與汽輪機發電量兩者之間的匹配供應。當工廠在選擇合適汽電共生系統之裝置容量時，其系統所能提供之電力與熱能值，將有一定之相對比例值（即為熱電比）。此項電力與蒸汽能源需求量比值隨著不同產業類別，而會有不同發電機組之選擇。因此，必須透過系統之熱平衡圖，確定各項元件水或蒸汽流動之路徑方向後，利用已建立之熱力性質表基本資料庫中，使得各項元件熱焓值於輸出與輸入點相同後，隨之完成整個系統總熱焓值之質能平衡，進而可將系統每個元件進、出口之質能達到最佳化平衡狀態。

汽電共生系統近況

汽電共生系統設備，係指利用燃料或處理廢棄物同時產生有效熱能及電能之系統。截至民國100年7月止，國內合格汽電共生廠共計92家，汽電共生鍋爐大多數為民營企業所設置，經過23年的推動，汽電共生系統總裝置容量統計至100年5月為止已達7,938MW，相較於國內最大發電系統（台電）而言，兩者發電裝置容量約為1：4.15，換言之設置汽電共生系統有助於充分提供國內電力之使用。此外，汽電共生系統以全國的電力總裝置容量而言，也達到16.3％，相較於98年的總裝置容量提升3.2％，相當於減少110萬噸二氧化碳的排放（以0.612公斤CO2e╱kWh為計），此意謂著，大規模發電系統之能源利用效率僅達32～36％左右，而汽電共生系統則可達到80～90％以上，同時汽電共生系統所產生的電力除供廠內製程設備使用外，還可將多餘電力外售予台電公司，並可彌補台灣各區域供電的短缺。因此，汽電共生系統除了滿足廠內熱能（製程蒸汽）所需，並可發電自用，如此一來，可減少對外購電，有效利用能源，可說是節能減碳的重要推手之一。而如何建立高效率的運轉模式，以同時達到節約能源與高經濟效益的雙重目標，也成為目前汽電共生業者所追求的方向。

汽電共生系統運轉良窳之重要關鍵技術之一，為熱能與電力效能之最佳平衡分析技術。近年來國內外均有不少專家學者投入此方面之研究與發展。但是，汽電共生廠熱力質能平衡參數複雜、計算繁瑣，且彼此間關聯性強，因而造成平衡不易，若能有效調配控制，將可獲得較高之能源使用率，並同時達到節約能源之效。

何謂熱電比？

理想汽電共生系統運轉操作原理，主要來自於熱力學中的朗肯循環（Rankine Cycle），同時根據質量守衡定律（Mass Balance Law）、熱力學第二定律以及熱力性質（飽和╱過熱蒸汽）表等，決定汽電共生系統各狀態的熱力特性。因此，為求取供、需端兩者平衡模式，必須事先瞭解電力、熱能之需求比例，做為選擇汽電共生系統機組之依據。

熱電比（Heat-Power Ratio, HPR）或稱為電熱比（Power-Heat Ratio, PHR），係指在1年中，每日不同時段下汽電廠所產出之有效電能與有效熱能間比例，換言之則是毛發電量（Gross Power Generation）與有效熱能（Effective Heat）兩者間比例之關係式；其中發電廠所產出之電量中，內含該廠用電量者，稱為毛發電量；而有效熱能則是以製程蒸汽為主。

熱電比隨著不同型式之汽電共生機組而有所變動，因此整個汽電廠機組型式必須仔細選擇，並且建立最佳之操作運轉模式，以達到電、熱兩者相互匹配獲得最適當之電熱比。如此一來汽電共生機組則與一般電能、熱能分別獨立產出之機組效率來得更有效率。

汽電共生系統所定義之熱電比關係，其中發電量係指發電機所產出之電能，為發電廠之輸出電能（Power, P）。有效熱能為工作流體（水或蒸汽）經由鍋爐內部吸收熱能成為高溫高壓之過熱蒸汽後，導入蒸汽輪機內，部分蒸汽膨脹作功用以驅動發電機組來產生電力，部分由蒸汽輪機之抽汽段引出中、高壓蒸汽做為製程用蒸汽等，則此二部分稱為有效熱能（Effective Heat, HE）。因此可將熱電比定義為有效熱能與輸出電力之比值。

根據國外文獻指出，節能率（Fuel Energy Savings Ratio, FESR）與熱電比之關係，以蒸汽渦輪機組之汽電共生系統，調整在適當的熱電比例下，可比一般熱能與電能分別產出之傳統動力機組，減少15％之燃料消耗量；若以柴油引擎系統而言，更可降低約25％之燃料消耗量，由於柴油引擎機組單機規模較小，容易達到高彈性化之尖峰、半尖峰、離峰之負載調度。但是，柴油引擎架構複雜、維修次數頻繁，因而成本偏高，並且比較相同重量條件下之蒸汽渦輪機機組，產電能力顯而不足。由此可知，熱電比之最適化調整不但可減少燃料消耗量，並可達到節約能源與降低空氣污染之雙重目標。

汽電共生系統型式分析

此外，若能調配機組之電熱比例，並配合利用時間電價策略，以及參考彈性化運轉模式，分別於尖峰、半尖峰、離峰各不同時段來調整機組運轉操作策略，以獲得汽電共生系統中鍋爐燃料、蒸汽與發電機組間之協同運作模式，不僅可以減少廢熱排放，更可提升能源利用率、有效降低化石燃料用量。當考慮汽電共生廠商業運轉時，則必須配合製程所需及購售電之考量，若能依據彈性化運轉模式，將可於汽電共生廠運轉中獲得最大之經濟效益。一般而言，業者在考慮設立汽電系統時，必須在符合廠內之經濟效益需求下，依據電力與熱能產出量，選擇合適的系統型式，一般會有以下3種系統型式之考量：

一、滿足熱能之需求

此種型式主要在提供製程蒸汽上需求，提高熱能利用率，其總體熱效率高。由於此種系統僅需滿足單一熱能產出，提供大多數蒸汽給蒸汽用戶，若有剩餘蒸汽時才進行發電，此時電力是屬於附加利益。

二、滿足電力之需求

此種型式剛好與上述型式相反，主要在於滿足電力上的需求，利用冷凝器進行電力供應調節。不僅可外售電力，並可提供廠內用電限制；唯一不足之處，則是冷卻水中剩餘熱量直接排入外界，造成熱效率降低，並需要大量之冷卻水進行熱交換，顯然較為不經濟。

三、最大產能之需求

此種模式主要是同時滿足電力與有效熱能兩種效益，利用調配機組之電熱比例，並配合彈性化運轉分別於不同時段來調整機組運轉操作策略。因此，可將剩餘之蒸汽與電力，以區域熱電模式，轉售附近工廠製程蒸汽及逆送電力公司等。

一般而言，汽電共生機組常見於用電尖峰時段應充分發電，此種作法有3個好處，一可減少於尖峰時段購入高價電力降低成本，二來可提供廠內自用電，三者可將剩餘電力回售給電力公司。一旦機組運轉進入離峰時段，則廠內就應該減少發電，必要時停止廠內發電，購入離峰時廉價之電力，因為此時汽電機組所需消耗的燃料與購入電力成本較高，因此較為不經濟。最大產能之需求模式不僅可以減少廢熱排放，更可提升能源利用率、有效降低化石燃料用量。

結語

汽電共生系統之運轉模式為熱力循環過程，其中間過程由熱能轉換為機械能（可稱為功），若愈多的能源用於輸出功，循環中所排出之廢熱則愈少，如此一來，可有效提高能量利用率。在系統中汽、電機組設備，必須隨時保持能量供需平衡，根據不同型式之汽電共生機組，建立最佳之操作運轉模式，以達到熱、電兩者相互匹配獲得最適當之熱電比，配合時間電價策略，並且參考彈性化運轉模式，分別於尖峰、半尖峰、離峰各不同時段來調整機組運轉操作策略。（作者任職於工研院綠能所）