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小型蒸汽壓降渦輪發電系統小型蒸汽壓降渦輪發電系統

節能示範應用與效益節能示範應用與效益 曾安康、李毓仁、鄭景亮

工業技術研究院

專題報導

一、產業現況及應用

製造業在採用蒸汽鍋爐提供熱能需求時，在考慮蒸汽傳輸效率、管線尺寸限制、多樣化壓力需求和負載保持，

鍋爐供應蒸汽時，需提高蒸汽壓力，依『高壓輸送，低壓利用』原則，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（Pressure Reducing Vavle, PRV），降低而保持穩定的蒸壓供給，此降壓動

作，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踵生。上述避免能源浪費的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 Steam Turbine, ECST）即利用工業製程中或製程後的有效蒸汽熱能，將之轉換為渦輪旋轉動能，

再生成電力。熱能系統搭配節能蒸汽渦輪機後，熱能利用循階梯方式(1)應用於製程中的減壓用途，蒸汽節能渦輪機可與減

壓閥並聯安裝，高壓蒸汽先導引至節能渦輪機，蒸汽壓力降將部份熱能轉換成渦輪旋轉動能，再利用發電機轉換成電力輸出

或直接以機械軸功方式輸出；(2)應用於製程後的熱能回收用途，則直接裝設於管線尾端，利用經過渦輪的蒸汽，直接連通

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（見圖1）。

然則鍋爐為一般工廠主要耗

能設備之首要，尤其汽電廠、石

化廠、鋼鐵業、化紡業、食品及

造紙業等。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。在此傳統工業

的熱能用戶其利用的蒸汽量僅在

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。因而德國KK&K

公司、美國Turbo-Steam、日本

Ebara、印度Turbo-Tech等公司

甚早投注數百瓩級蒸汽節能渦輪

產品開發和推廣，對於節能、經濟、環保成效斐然，其技術重點在於：(1)熱能供應系統節能工程規劃；(2)高效率渦

輪機開發；(3)電力系統整合技術；(4)後勤服務。工研院綠能所發展之小型蒸汽節能渦輪全方位工程服務，現階段透

過國際技術引進方式，建立基線工程，甚而接續開發自有設計生產、效能提升的產業結盟能量。小型機組其適用的蒸

汽流量範圍為2~50噸/小時、渦輪機組的蒸汽進出口壓力降大於3 bars、發電量可擴展至50~2,000瓩範圍。經鍋爐專

題研究評估現有鍋爐適合的裝機量約3,000套，新設鍋爐每年約300套，潛在商機龐大。業者裝置本渦輪產品除了可以

解決鍋爐負載問題外，並可降低用戶的電力契約容量，抑低尖峰用電壓力，避免限電生產損失，獲得經濟效益，開啟

圖1 小型節能渦輪機安裝於(a)製程中;(b)製程後的方式

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國內綠色節能產業。

二、原理與性能

在數百瓩級蒸汽壓降機組的產品定位上，首要考量皆以單級式渦輪為動力載具，各主要關鍵元件差異甚小，以本蒸

汽壓降示範系統而言，主要構成零組件有：單級衝動式渦輪機、行星式斜齒輪箱（Double Helical, Bull & Pinion）、

感應式發電機和機電控制系統、輔助系統等(包括機組承座、潤滑油供應和冷卻系統)，如下圖2。小型蒸汽節能渦輪

示範機組的工作原理敘述如下：

(一)高壓蒸汽從進口端引導至渦輪噴嘴，高壓蒸汽在噴嘴內將蒸汽壓力能轉換成蒸汽動能，蒸汽離開噴嘴時，其速

度約為 400~600 m/s。

(二)離開噴嘴的高速蒸汽直接衝擊渦輪轉子葉片，對渦輪做功，產生渦輪轉子的旋轉動能，其發電轉速為14,400∼

14,600 RPM。旋轉動能由齒輪箱減速至發電機操作轉速（同步轉速為3,600 RPM）後，由聯軸器傳遞至發電機，轉

換為電力輸出(見圖3)。

(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）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。轉速和壓力控制精準度分別可達轉速變異量≦0.5%、出口背壓變動量≦0.1 bar。

此小型蒸汽壓降節能渦輪系統具有(一)結構簡單，零組件少，成本低。(二)產品穩定度高，產品壽期達15年以上。

(三)保養/維修需求少。(四)氣密性佳：二階段高壓蒸汽氣密設計。(五)低噪音和振動等產品特性。

從能量守衡的觀點來看：蒸汽渦輪出口的蒸汽可以完全供製程設備利用，機組的能量轉換效率損失僅受蒸汽流力性

能、機械(齒輪箱)效率和發電機效率影響，發電效率可達65%，優於一般熱機系統的發電效率(數百瓩級的燃氣渦輪機

發電效率為15~25%、往復式引擎發電機為25~40%、燃料電池為30~40%)。另外，本節能渦輪系統與減壓閥並聯配

置，不影響原來的蒸汽管路系統，而且將原本由減壓閥降壓的壓力能轉換成電力輸出，可以達到提高能源利用率。

三、示範系統安裝測試

為使國內蒸汽產業用戶能進一步工程實務的瞭解與運轉簡單可靠的認知，俾助於評估應用的可行性及利基，本研究

執行經濟部能源開發專案的節能方針，針對示範工程細部的規劃，透過國外技術引進方式，自行在台安裝和運轉完成

100kW壓降發電系統。

示範系統設定以食品生產加工業為技術應用目標，主要針對其菇類培養產線在熱交換或高溫殺菌（所需壓力為1

kg/cm2,g）的過程中，在高壓鍋爐端至用汽設備所需供汽減壓手段時，壓降渦輪發電技術即可在鍋爐端（供汽錶壓為

圖2 節能渦輪的動力傳輸機制 圖3 蒸汽節能渦輪機的主要元件

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8kg/cm2,g）至製程端（殺菌釜工作壓力為1 kg/cm2,g）之間，達成減壓節能的效果；若以蒸汽流量3TPH的方式穩定

供應，則發電容量將可產出100kW以上的性能表現。

在機組設計、開發、構裝工作推展時，須就機組尺寸繪製GA圖(general arrangement diagram，如圖4)，作為用

戶端現場佈置機組的場址規劃用途，以決定機組的裝置位置和方法，其中需考慮機組的安裝方式和地基是否符合規

範需求。同時，需就用戶端蒸汽條件、廠房控制系統和機電設備需求等，設計P&I圖(piping and instrumentations

diagram)，作為機組安裝、儀器/傳感器、監控系統配置和試運轉的藍圖。此外，本研究加裝發電量紀錄之瓦時計模

組，作為併網回饋電力之依據；並且透過電腦端HMI人機程式分別由原廠控制器PLC獲得機組熱力特性參數，包含蒸

汽進出口壓力、流量控制閥開度、發電機轉速、以及各項安全保護訊號等；另一由數位式集合電錶，經過電力記錄

平台控制器PLC，執行發電參數之點資料擷取(皆為每秒紀錄之瞬時數據)，包含三相位之電壓、電流、以及瓦時電量

等。電腦性能展示畫面及硬體資料通訊方式如圖5和圖6說明。試車得知本機組實際在設計點之運轉情形下，淨發電量

約在97~102kW範圍（圖7），以渦輪機理想之絕熱效率約59%的條件下，能量轉換的理想值為137kW，依兩者比值

即獲得本機組之實際能量轉換效率在71~75%的範圍。至今年七月止，已可靠運轉發電達57小時以上，總淨發電量為

3,635度（KWHR）。

四、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，台灣國內卻裹足不前。探究其癥結在於：若要利用國際上的機

組系統，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人，造成不便。就工研院綠能所依產品架構及成本效益分析軟體估算，以

圖4 蒸汽壓降渦輪機的GA圖

圖6 性能數據擷取和通訊方式圖7 壓降機組設計點性能測試

圖5 即時性能數據之電腦畫面

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100瓩和250瓩常用發電容量的小型節能渦輪機組為例進行機組成本和市場定價研究，其利潤分別可達39%和56%之

概屬利基型產品；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。對發電成本和投資回收期的

影響，以燃料油的熱值為價格比較基礎，可知若渦輪機組的進/出蒸汽壓力差可取自既有管線的蒸汽壓力差或利用廢

熱/廢蒸汽加壓原有鍋爐，則其投資回收期：100瓩機組可進一步降至1.2年以內、250瓩機組可降至0.8年以內（見表

1~2）。而且，台灣具有優勢的精密機械和機電產業，透過技術引進與開發節能渦輪機組，再輔以就地服務國內用戶

的商業契機，提供用戶有關系統工程諮詢、分析和後勤支援、服務，可以新創我國節能產業。

並且100瓩和250瓩發電容量的蒸汽節能渦輪機組的節能貢獻度，以台電新型火力發電機組的發電效率和原油當量

為基準。表3列可看出每一100瓩、250瓩發電量節能渦輪機組每年分別可節省89和221公秉油當量，皆可省下台電機

組所需燃料耗量的一半以上，對於節省能源和抑制溫室氣體排放效果，成效顯著。（筆者目前任職於工研院綠能所）

燃料價格(元/10,000仟卡)燃料價格(元/10,000仟卡) 12.0 12.0 10.0 10.0 8.0 8.0 6.0 6.0 4.0 4.0 2.0 2.0 0.0 0.0

發電成本(元/度)發電成本(元/度) 1.291.29 1.11.1 0.90.9 0.70.7 0.510.51 0.310.31 0.110.11

投資回收期(年)投資回收期(年) 2.342.34 1.941.94 1.651.65 1.441.44 1.281.28 1.151.15 1.041.04

電力輸出＆熱值

電力輸出＆熱值需求需求

發電量/機組發電量/機組 kWkW 100 100 250 250

燃料熱值供應量/小時燃料熱值供應量/小時 MJ/hrMJ/hr 385 385 980 980

每年運轉時數每年運轉時數 hr/yrhr/yr 7,920 7,920 7,920 7,920

每年發電量每年發電量 kW-hrkW-hr 792,000 792,000 1,980,000 1,980,000

每年燃料耗量每年燃料耗量 MJMJ 3,049,200 3,049,200 7,761,600 7,761,600

原油當量需求(註一 )原油當量需求(註一 ) KLOEKLOE 81 81 205 205

燃料需求

燃料需求

發電效率發電效率(台電新型燃煤機組發電效率)(台電新型燃煤機組發電效率)

44.5%44.5% 44.5%44.5%

燃料熱值需量燃料熱值需量kW-hrkW-hr 1,780,000 1,780,000 4,450,000 4,450,000

MJMJ 6,408,000 6,408,000 16,020,000 16,020,000

原油當量需求原油當量需求 KLOEKLOE 170 170 426 426

原油當量節省/年原油當量節省/年 KLOEKLOE 89 89 221 221

表1 燃料費用變動對100 kW節能渦輪機組的經濟效益分析表1 燃料費用變動對100 kW節能渦輪機組的經濟效益分析

表2 燃料費用變動對250 kW節能渦輪機組的經濟效益分析表2 燃料費用變動對250 kW節能渦輪機組的經濟效益分析

燃料價格(元/10,000仟卡)燃料價格(元/10,000仟卡) 12.0 12.0 10.0 10.0 8.0 8.0 6.0 6.0 4.0 4.0 2.0 2.0 0.0 0.0

發電成本(元/度)發電成本(元/度) 1.291.29 1.081.08 0.880.88 0.670.67 0.460.46 0.250.25 0.050.05

投資回收期(年)投資回收期(年) 1.631.63 1.341.34 1.141.14 0.990.99 0.870.87 0.780.78 0.710.71

表3 每機組可節省的公秉油當量分析表3 每機組可節省的公秉油當量分析