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省電一億度,減碳十萬噸

位於基隆北部海濱的台電協和火力發電廠,響應政府節能減碳政策,將四號機送風機馬達由直接驅動改為變頻驅動系統。在民國100年商轉後隨即創造龐大節能效益,四年間節省了一億度電,減少了十萬噸二氧化碳排放。

「四年節省了一億三千八百萬度電,減少了十萬七千六百公噸的二氧化碳排放」是一個什麼樣的概念?以台電公佈資訊來計算:103年台灣每戶家庭月平均用電量為298度,「一億三千八百萬度電」可供應台灣38,600個家戶用電一整年,可點亮315,068支LED路燈一整年,可節省電費約7億元。再依能源局與林務局的數據推估,「十萬七千六百公噸」二氧化碳相當於274座大安森林公園可吸收的碳排放量,等同於4億2千萬台燃油汽車同時於路上行駛一公里的碳排放量。這樣的節能減碳效益,是不是相當驚人! 

在全球為溫升2°C的減排目標共同努力的當口,相信您一定想知道,這樣的可觀效益來自何方,又是以何種技術方案達成這般卓越成效。請和connects一同來到基隆北部海濱,探訪台電協和火力發電廠的增效節能故事。

登白米甕砲台遠眺「三根煙囪」

 

50年代,隨著經濟起飛,全台用電量突破百萬千瓦,原以水力發電為主的供電型態已無法滿足整體用電需求。為提高總發電量與供電可靠度,台電於民國61年興建了協和電廠,作為調節北區用電的基載/中載運轉電廠。

位於基隆港西側的協和電廠,其東側為白米甕砲台,與和平島的台船基隆廠隔海相望。廠區面積達59.7公頃,並築堤填海了8公頃作為機組設施的主要用地。廠內有四部全燃重油機組,每部機組的裝置容量為500MW,總計2000MW,四部機組於民國74年全數完工商轉。 

由於火力電廠以石油、媒炭、天然氣作為燃料,煮水產生蒸汽,藉以推動汽輪機旋轉,將動能轉換成電能而產出電力。因此用來排放燃燒廢氣的大煙囪,堪稱火力電廠的一大特徵,而鳥瞰協和電廠的最佳地點便是別名「荷蘭城砲台」的白米甕砲台。登上砲台公園,海風徐徐,基隆港與協和電廠盡入眼簾,聳立的三根大煙囪似乎已融入山海之間。 

台電於民國79年起陸續增設靜電集塵器、排煙連續監測系統、廢水處理設備等,顯著降低溫室氣體排放與空氣懸浮微粒,令列為國家三級古蹟的白米甕砲台依舊吸引眾多攝影愛好者、遊客前來,甚至成為偶像劇《光陰的故事》的取景地。

 

專訪電氣經理葉恩明

收起「登砲台望電廠」的休閒心情,採訪車駛進協和電廠大門,越過幾個小丘,來到電氣經理葉恩明的辦公室。葉經理在「協和電廠四號機燃油機組送風機馬達改用變頻式驅動設備」一案(簡稱協四機案)中,扮演專案經理的角色,也是催生「省電一億度,減碳十萬噸」傲人效益的關鍵推手,以下為專訪摘要。

connects總編輯劉文綺(簡稱劉):請簡述協四機案的背景。 

協和電廠電氣經理葉恩明(簡稱葉):談到節能減碳,燃用化石燃料的火力電廠常是眾矢之的。配合國家減碳政策,台電積極提出多項改善方案,民國96年到100年間將火力機組的熱效率從41.28%逐年提升至42.52%,廠內用電率也從4.61%降低至4.22%。協四機案就是當時八大節能減碳方案的其中一項。

劉:提升機組熱效率、節約非生產用電、減少廠內用電等,都是一般常見的火力機組減碳策略。當初提案以「送風機馬達改用變頻控制」為主軸的原因是? 

葉:從幾個面向來看。首先,進氣量是影響燃燒的關鍵因素,透過送風機將空氣送進鍋爐,促進燃燒。進氣量大,火力就旺盛,發電量就高。相反的,進氣量小,發電量就下降。隨著燃油價格變動,協和電廠調整為中/尖載電廠,必須經常配合系統調度,機組出力(發電量)常有大幅度的變動。當初四部機組的送風機馬達皆以定速運轉,採用出口風門控制來調節送氣量,因此有相當可觀的節流損失。 

協四機案是一個降低節流損失,並將之轉化成理想的節能減碳改善專案。早在民國73年,我就在台電月刊發表過《交流迴轉輔機應用靜態變頻裝置控速與效益探討》一文,從理論上證明變頻控速馬達驅動系統的節能效益。近十年後,在台電內部文件中意外發現當年的賴東陽副廠長也曾提出此改善構想。能在民國100年2月順利啟用,而且累積至今的數據與理論曲線吻合,這實在是完成了身為工程人將理論具體實踐的願望。  

 

葉恩明
電氣經理
協合火力發電廠
台灣電力公司

「一億三千八百萬度電」可供應台灣38,600個家戶一年用電,可點亮315,068支LED路燈一年,可節省電費約7億元。

劉:請簡述協四機案的系統架構。 

葉:協四機送風機的滿載風量高達609,200 CFM,滿載馬力達5950 HP,是個大傢伙。考量電廠24小時待命的連續運轉需求,身為重要輔助機械的送風機,於建廠之初便設計為滿載之下兩台均需全時運轉,任一台故障將導致發電量降半載輸出,故設備的可靠性相當重要。 

ABB傳動與控制工程部資深工程師李浩銘(簡稱李):在協四機案中,ABB提供了中壓變頻器ACS1000、24 pulse的乾式變壓器、電源開關控制盤各兩套,並另外增設旁路開關作為馬達設備大修後全加壓啟動試運轉,或變頻器隔離檢修用。控制系統方面有PLC和人機介面各一套,加上設備冷卻系統,組成整套節能方案。

劉:請分享運轉後的四號機與其他三部機組在低載時的用電差異。 

葉:當四號機負載在166 MW時的廠內用電為4.8到5.0 MWh,同樣負載的一號機廠內用電量則達9.2到9.6 MWh。跟改造前的三號機做比較,當三號機負載為169 MW的時候,用電量已是四號機的兩倍之多,達11.9到12.2 MWh。

劉:在協四機的成功案例後,協三機也採用了相同的改善策略,可否分享兩者之間的節能效益與使用心得。 

葉:協四機案的顯著節能效益及性能,讓台電內部相當的肯定,也讓外部廠商更有信心來投標。剛好協三機由他廠得標,讓我們有了比較與研究的機會。 

變頻器是整個能效提升計畫的靈魂角色,屏除相同元件項目,我推測變頻器效能是造成差異的關鍵。基體閘換向閘流體(Integrated Gate-Commutated Thyristors, IGCT)是ABB中壓變頻器的一個特色元件。1997年ABB將IGBT與閘控閘流體(Gate Turn-off Thyristors, GTO) 整合為一,發展出IGCT,使其具備高速關斷能力,關斷電壓高、低導通損失等優點。從系統觀點來看,使用的元件數量越少,不但損失少,故障率相形之下也較低。 

可靠度高是另一個優點。在今年蘇迪勒、杜鵑颱風來襲的時候,造成三號機與四號機的中壓變頻器雙雙停俥。然而復電之後,ABB的ACS1000並無損傷,但三號機的變頻器卻因此事件造成內部動力元件損壞。當時適逢颱風用電量較低,要是在系統尖峰用電時發生異常,影響供電,那還得了。 

李:根據這幾年在市場上的觀察,ABB的直接轉矩控制(Direct Torque Control, DTC)技術的確讓ABB變頻器與其他產品有所區隔。DTC技術運用轉矩和磁通作為控制馬達所需的變數,系統架構相對簡單,對馬達很好調控,試俥也快速。最重要的是擁有國際專利的DTC技術,具有快速的轉矩響應,可於運轉時量測直流電壓和輸出電流,經由電機模型換算出轉速,使變頻器得以因應負載變化調整最佳反應並維持高精度控制,其波形接近理想型,讓節能效果大大顯現。 

另外,為協四機案特別定製的24 pulse乾式變壓器也是一大功臣。相較於坊間6 pulse或12 pulse的設計,24 pulse的變壓器對系統產生的諧波極小,而且效率可大於98%。如果與傳統的油浸式變壓器或氣體變壓器作比較,乾式變壓器的高安全性是重要亮點。當事故發生時,乾式變壓器不會洩漏油體而爆炸延燒,不會產生窒息氣體造成意外災害的再擴大,加上其環保以及幾乎不需維護的特性,與電廠、重工業用戶的需求一拍即合。


 

ABB的直接轉矩控制技術具有快速的轉矩響應,可因應負載變化調整最佳反應,其波形接近理想型,讓節能效果大大顯現。

劉:協四機案執行過程中的最大挑戰為何。 

葉:協四機是民國74年8月商轉的,到民國99年要進行改造時,面臨了兩大挑戰。首先,要解決在既有空間內增設新設備的空間裕度問題。經過一次次的評估討論,才底定以廠房東側的原輔助鍋爐房做為新電氣室,以容納中壓變頻器、變壓器、冷卻系統、開關盤、控制系統等設備。其次是變頻系統與鍋爐燃燒系統的界面整合,每一條線,每一個訊號都要重新查驗,以確保試運轉時能順利,畢竟電廠是禁不起一點的小失誤。 

李:對承攬商來說,挑戰永遠是「跟時間的競速賽跑」。從正式進廠施工開始,常常都緊盯著不停跳動的工程碼表,想著哪邊可以同步進行,想著如何讓工序更順暢。工程進行需配合電廠的大修時程,那緊湊的三個月,我永遠不會忘記。也要感謝當時共同參與現場執行的詹明勳、楊博安以及整個業務後勤團隊,有大家的分工相挺,才能戰勝時間的挑戰。 

劉:協四機案除了可觀的節能成果之外,還有哪些附加效益。 

葉:光現在站在電氣室裡,我們能不用扯著喉嚨大聲交談,對長期在這裡工作的同仁們來說,就是個福音了。基於工安考量,在廠裡行走活動,安全帽是必要的裝備。其實以前,耳塞是另一個天天要帶的必備品,因為全速運轉的送風機系統,隆隆作響,長時間下來真的很辛苦。現在真的是好多了! 

李:考慮到噪音與更全面的節能問題,安裝於室內的變頻器冷卻系統選用水冷式(water cooled),而非氣冷式設計。主因是當變頻器容量大於2 MVA時,水冷式為最節省能耗的散熱做法。這次四號機所裝載的ACS1000高達5.8 MVA,單台容量達到全台最大,總系統容量也是全台最大,可千萬不能因此而顧此失彼,反而增加用電量。 

變頻器內部的冷卻水循環系統將運轉中所產生的熱能透過water/water的熱交換器,將熱能帶出至外部水循環系統,並由冰水主機的壓縮機進行熱交換後,再送至冷卻水塔將熱能排出。此外,於外部水循環系統增設冷水儲能桶,做為緩衝,能於冰水主機故障時為現場人員爭取維修時間,大大增加變頻器運轉的可靠度。使用水冷系統還可減少電氣室的空調設置與變頻器內所需的強制冷卻風扇,既省了荷包也降低了風扇的噪音。

葉恩明經理(左)介紹協和電廠四號機組的控制系統。
ABB資深工程師李浩銘(左)說明ABB開關盤的技術優勢。

一度電的價值

採訪車駛離協和電廠,隨著著名的基隆地標──「三根煙囪」變得越來越模糊,心中對於所謂一度電的價值卻越來越鮮明。從理性層面來看,一度電可看5個小時的電視,可用3.3個小時的電腦,可轉動2個小時的洗衣機,可吹0.5個小時的冷氣。若說現代人的生活,是由一個又一個的「一度電」所組成也不為過。

從地球未來的永續來看,以燃油機組碳排放係數0.78公斤/度計算,一度電的碳排放量要花費一顆樹41分鐘的時間吸收。協四機案從民國100年2月啟用至民國104年10月為止,總計減碳達十萬七千六百公噸,相當於一千萬顆樹一整年的碳吸收量。電費的節約、效能的提升,甚至是居住環境與工作環境的改善,都隱含在節約每一度電的價值裡。 

電廠所有辛苦的工作人員則體現了創造每一度電的價值。和著汗水的一線人員、緊盯控制面板,調度掌控發電程序的監控人員、巡檢電廠設備的稽核人員等等,每一度電的產生都仰賴電廠同仁的通力合作。 


所以,不要再小看「一度電」了,讓我們珍視每一盞燈光後的心力。
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