2012/04/05
經濟部能源局
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■撰文：褚文欽、鍾炳利 ■圖片提供：台電公司
台電公司為我國重要電源開發、電力供應之國營企業，扮演提供用電、服務民生之角色，然而在供電的同時往往也增加碳排放量。在國家積極推動各項節能減碳政策下，為兼顧能源安全、環境永續及經濟發展，台電積極配合進行各項減量措施，肩負起企業社會責任。
為配合政府達成低碳社會的目標，台電除了發展風力及太陽能等再生能源發電外，於內部單位經研討提出多項減量措施，其中火力發電廠因燃用化石燃料，成為台電進行碳減量措施的檢討重點。不同類型的火力發電機組供電，會產生不同的碳排放量，例如：燃煤機組CO2碳排放係數為0.929公斤╱度，燃油機組為0.780公斤╱度，燃氣複循環機組則為0.432公斤╱度，雖然節約成果（發電量、燃料量、機組效率）相同，但因為機組使用不同的燃料，會產生不同的減排量效果，然而，台電仍然對各火力發電廠提出一致性的節能減碳要求。
8項重大節能減碳方案，熱效率提升至42.52％
在綜合考量下，台電除電源調度增加低碳排放量的燃氣複循環機組的供電量外，各火力電廠以提升機組熱效率，減少廠內用電、節約非生產性用電為主軸，檢討出多項重點改善案。因此，火力機組近幾年運轉資料顯示熱效率從96年的41.28％逐年提升至100年的42.52％，廠內用電率也從96年的4.61％逐年降低至100年的4.22％（詳表1）。
以下介紹台電火力發電廠已執行完成的8項重大節能減碳方案，包括：一、台中電廠二號機空氣預熱器熱元件改善；二、台中電廠燃煤機組空氣預熱器線上水洗；三、中一機鍋爐粉煤均流改善；四、中六機燃煤機組建置高階程序控制系統；五、汽力機組汽機轉子汰舊換新；六、協和發電廠四號機燃油機組送風機馬達改用變頻式驅動設備；七、通六機複循環機組氣渦輪機設備升級改善；八、南部發電廠控制室空調更換為高效能冰水式空調系統等，並分類為：燃煤機組、燃油機組、複循環機組，臚列改善內容供大家參考。
◎「熱效率」係指化石燃料燃燒的熱量可轉換成電量的能力，提升機組熱效率，代表相同的用電需求量下，可減少燃料用量，並立即減少碳排放量。
◎「廠內用電」泛指發電機組為達成發電目標，需配合運轉的輔機用電量（各式油泵、冷卻水泵、加熱器、風扇、皮帶機、環保設備、空調、照明等），減少廠內用電，代表在相同燃料用量下可增加機組供電量。
◎「非生產性用電」指辦公室用電（空調、照明、電腦等），節約非生產性用電相當於可減少碳排放量。
燃煤機組
台中電廠二號機空氣預熱器熱元件改善
空氣預熱器（Air Heater, AH）為發電製程中，將要送入鍋爐燃燒的空氣，利用端末熱燃氣做熱交換，將空氣預熱以提高效率的設備。台中一至四號機空氣預熱器原為三扇隔再生式（詳圖1），三扇隔中有一格為一次風（Primary Air）空氣通路，另一格為二次風（Secondary Air）空氣通路，第三格為燃氣（Gas）通路。當空氣預熱器轉子慢慢的迴轉，其金屬熱元件隨著轉動通過燃氣和空氣通路，於吸收高溫燃氣熱量後，將儲存的熱量交換給空氣通路的常溫空氣，經熱交換後，溫度上升的空氣，就被送進粉煤機與爐膛，做為輸送與乾燥粉煤及燃燒之用。
空氣預熱器上游有注氨去除氮氧化物的脫硝觸媒設備（Selective Catalytic Reduction, SCR），高溫燃氣通過空氣預熱器後，溫度會降至約200℃，此過程在空氣預熱器內容易形成硫酸氫銨結晶並產生堵塞現象。為減少硫酸氫銨結晶的堆積，造成在熱元件各層間的空隙產生堵塞，檢討後提出改善方案為將熱元件由5層改為3層，同時採雙氣封方式控制降低洩漏量；另由於鍋爐燃燒後煙氣中含有灰塵及煤渣，於空氣預熱器之熱元件上產生沉積而使空氣預熱器堵塞，因此增裝吹灰器即時以高壓空氣吹除沉積物。
AH熱元件更新後，因減少AH堵塞機會，大幅降低AH水洗次數，亦提升空氣預熱器熱交換效率，降低鍋爐出口的燃氣溫度，直接提升鍋爐效率。中二機改善後，機組效率增加0.24％，每年可節省煤碳1萬962噸，以99年煤燃料CO2排放係數2.53公斤╱公斤計算，每年約可減少2萬7,734公噸的CO2排放量。
台中電廠燃煤機組空氣預熱器線上水洗
鍋爐須將大氣中常溫空氣經由風道送入幫助燃燒，燃燒產生的高溫燃氣與爐管熱交換後，再經過煙道送至煙囪排至大氣；空氣預熱器為鍋爐輔機設備，其一半位於風道，另一半位於煙道，以慢速迴轉方式將燃氣中的熱量回收交換至風道的空氣。
台中一至四號機於脫硝設備陸續裝設完成後，下游的空氣預熱器開始發生堵塞現象，嚴重影響運轉效率，機組須申請停機進行水洗清灰檢修工作。由於停機時間長達35小時，影響發電的穩定可靠，於是電廠推動在降載、不停機下運轉，以水洗方式來改善空氣預熱器的堵塞問題。經測試、檢討改進後，確立空氣預熱器水洗運轉操作模式，至目前為止，已成功使用數十次之多。
原先空氣預熱器水洗工作須申請安排機組停止運轉，工作結束後機組再起動運轉，機組啟停一次須消耗柴油100公秉約270萬元、用電量約45萬度約120萬元、其他約數萬元，以上費用合計粗估約400萬元。（註：機組每次起停費用會有差異）
中一機鍋爐粉煤均流改善
台中一號機裝置容量為550MW，裝設有24只燃燒器及火上風門（OFA ports），另有6台粉煤機，每台粉煤機出口各有4支粉煤分管（A/B/C/D），輸送粉煤至燃燒器，輸送不均將使鍋爐爐內燃燒溫度分布不均，導致爐管局部過熱而破管並影響鍋爐效率。粉煤流量分布不均主要是由於各粉煤分管的流阻不同以及不當的粉煤細度分布所造成，而各粉煤分管流阻不同，乃是由於各粉煤分管有不同的水平長度、垂直長度及90度彎管數量等因素所造成。此改善針對粉煤流量偏高之分管，逐步縮小粉煤分管上的節流閥開度，調整平衡粉煤流量，以達到流量偏差在10％以內的目標。
這項改善藉由多頻道測儀同步量測分管煤流之動態分布，現場節流閥配合調整改變粉煤偏流狀況，減少未燃碳量及注氨量，使鍋爐效率提升，達到節能減碳目的；均流後未燃碳量降低30％，注氨量由131kg╱h降至116kg╱h，也使鍋爐效率提升0.16％，每年可節省煤碳7,817噸，以99年煤燃料CO2排放係數2.53公斤╱公斤計算，每年約可減少1萬9,779公噸之CO2排放量。
中六機燃煤機組建置高階程序控制系統
高階程序控制系統（Advanced Process Control, APC）是架構在分散式控制系統之上，所發展出的先進控制系統，運用最佳化技術、類神經網路、模糊設備邏輯控制為基礎建構的專家系統。
APC改善係運用最佳化程式取代操作者操控的特定控制迴路，中六機APC程式安裝在Linux作業系統的電腦機器上，這個平台負責鍋爐最佳化工作，配合繁複冗長的數學運算式與機組運轉現況資料，預測出機組未來的變動情況，並送出運轉指令，使機組能於設定的安全範圍內運轉，同時在運轉成本考量下進行燃燒控制最佳化，達到提升機組效率之目的。
於改善完成後，預估可獲得機組淨熱耗率降低0.2％的效益，換算每度電熱耗率可減少4.752千卡，每年可節省燃煤量約3,206.6公噸，以99年煤燃料CO2排放係數2.53公斤╱公斤計算，每年約可減少8,110公噸之CO2排放量。同樣的高階程序控制系統（APC）在台中的五、七、八號機、燃煤興達電廠四號機及燃油協和電廠四號機已改善完成。
汽力機組汽機轉子汰舊換新
傳統蒸汽渦輪發電機組設計壽齡可達40年以上，當運轉至壽齡中期以後，各部組件因逐漸劣化導致機組性能衰退及容易發生故障，影響機組後期正常營運而須予汰換。
若以逐步更換原設計組件的維護方式，費用高昂且僅能維持正常運轉，無法改善原機組效率及減碳功能，實際效益有限。有鑑於此，經與原廠研討汰換新型組件及同步提升機組效率的可行性，評估後認為可行，於是「興達電廠一、二號汽機高中壓轉子╱內缸更新案」即在此一理念及環境下辦理實施，提高高壓汽機效率，高中壓汽機更新組件有轉軸、動葉片、靜葉片、內缸、高壓噴嘴、汽封片等。
在興一、二號機更新後，以興二機為例之改善效益為：高壓效率由原設計84.8％提升為87.9％，中壓效率由原設計92.1％提升為93.2％，熱耗率改善23.2Kcal╱kWH（相對汽機原設計值），每年可節省煤碳1萬5,970噸，以99年煤燃料CO2排放係數2.53公斤╱公斤計算，每年約可減少4萬404公噸之CO2排放量。
燃油機組
協和發電廠四號機燃油機組送風機馬達改用變頻式驅動設備
空氣為燃料燃燒的必要條件，送風機將空氣送入鍋爐爐膛幫助燃燒，故為發電機組重要輔機設備。為滿足用戶用電量的變化，協和發電廠為中尖載電廠，燃油機組發電量經常配合調度而大幅度變動，協四機送風機馬達以定速運轉，採用控制風門方式輸送空氣，故有相當可觀的節流損失；針對協四機現狀進行檢討改善，希望能產生節能減碳的可觀效益。
此改善案將原送風機風門控制方式改善為變頻控制方式，其方式為於馬達與電源間增裝變頻轉速驅動器，透過人機界面的操控信號操作控制變頻器，由變頻器控制送風機轉速來變更風量，取代原有的風門開度控制風量，大大減少能源的秏用。
協四機於改善後估算每年可節省電量約3,079萬度，以99年燃油機組CO2排放係數0.78公斤╱度計算，每年約可減少2萬7,734公噸的CO2排放量。
複循環機組
通六機複循環機組氣渦輪機設備升級改善
通霄電廠六機氣渦輪機主要設備構造，包含空壓機、燃燒器、燃燒室及內襯、熱氣殼、氣機四級動靜葉片等。由於既有氣渦輪機進氣溫度能否提高，主要受限於氣渦輪機燃燒室及氣機動靜葉片等主要配件是否能承受較高之熱燃氣，以避免無法承受高溫而損壞。
為提升既有機組效率，減少燃料耗用，達到CO2減量目的，故規劃通六機氣渦輪機設備升級計畫（原11N2升級為11N2M型），可增加氣渦輪機運轉溫度，有效提高機組效率，預估熱耗率可減少131KCal╱kWH，每年節省天然氣用量達1,113.2萬立方公尺，以99年天然氣燃料CO2排放係數2.09公斤╱立方公尺計算，每年約可減少2萬3,266噸之CO2排放量。
南部發電廠控制室空調更換為高效能冰水式空調系統
空調設備為電廠控制室必要的設施，經年累月不停地運轉使用，用電量相當大，空調設備的檢討改善有其必要性；降低空調用電的方法很多，像是提高使用區域的設定溫度、改善熱交換器（冷凝器、蒸發器）效能、提升使用區域的斷（隔）熱效果等，均為有效之節能省電方式。
此次南部發電廠空調設備改善區域為複循環電廠氣渦輪機組（GT11～32）現場控制室的空調設備，涵蓋控制室（約27.2坪）、併聯開關室（約12.1坪）、4.61kV開關場控制室（12.1坪）共3個單元區。改善前該區域共配置8台分離式冷氣，使用至今已逾16年，除因設備老化造成冷卻效果不佳而影響效率外，故障率偏高、維修材料取得不易，著實也為機組運轉安全上的一大隱憂。
依該區域空間實際大小及熱負荷重新進行評估，並選用適當噸數及具節能標章（高效能）的冰水主機。評估結果，以高效率省能氣冷式冰水機（40,000Kcal╱H）2台，搭配送風機的運用，重新規劃該區域的空調設備。
改善成果為：以空調設備中一半運轉、另一半備用模式預估，每年節省用電量為41.1萬度，以99年電力排放係數0.612公斤CO2╱度計算，每年約可減少251.5公噸CO2排放量。
結語
台電公司於電源端，已完成前述8項火力發電廠提高效率設備的改善與營運管理，未來將採用更高效率的機組如超超臨界鍋爐及高效率氣渦輪機複循環機組，充分利用能源及減少碳排放。至於負載端的管理亦同步進行，如更新高效率的馬達，採用省電燈泡、日光燈、LED，裝設定時器、溫控器控制亮度、溫度等，以節約用電。最後，期盼節能減碳的觀念可以透過教育與宣導的方式深入每個人心中，成為全民運動，共創綠色環保的地球。（作者為台電公司火營組課長、發電處處長）
關鍵字：燃煤機組,燃油機組,燃氣複循環機組,熱效率,碳排放係數