發電機限電運轉柴油機過熱問題與散熱器熱交換效率改善探討

1.前言

1.1 台灣的電力供應及限電狀況分析

台電發電廠產生電力後，由變壓器(Transformer)升壓至345仟伏特的超高壓(Ultra High Voltage)，再利用輸電線路輸送電力，透過超高壓變電所(Substation)、一次變電所等變電所分別降壓為161仟伏特、69仟伏特後，提供科學園區(Science Park)及工業區(Industrial Area)用電，並透過配電變電所、二次變電所及配電系統再降壓分別提供一般用戶或民生用電(圖1)。

圖1：台灣供電系統簡圖(引用自台電官網)

而當電力設備遭遇電源不足或輸配電設備受限制時，導致用戶暫停或減少用電，則稱為「限電」(Power Rationing)。限電乃電力公司為確保供電系統安全，避免全台灣大規模無電可用，迫不得已所採行之限制用戶用電措施。可由台灣電力公司(Taiwan Power Company, TPC)官方網站查詢全台灣今日用電資訊(圖2)、依區域別或能源別分類的用電曲線圖、備轉容量率及各機組發電量等資訊，能幫助我們及早為台電限電做預期及準備。

當台電發生電源不足，需實施限電時，除前一天向新聞媒體及台電公司網站發布限電相關訊息外，對於一千瓩以上之工業用戶亦會於限電前一日下午四時前個別通知(表1)。而相對於其他先進國家，我們國家對於工業用戶的限電賠償更為優惠，為0.3%/小時(表2)。

圖2：台電網站提供之供電資訊(引用自台電官網)

表2：各國限電賠償比較表(引用自台電官網)

1.2 緊急發電機的重要性

隨著半導體工廠快速擴張及製程技術節點的推進，穩定的電力供應對於維持廠區的生產環境影響愈發重要。對於台灣來說，除了野外飛蟲鳥獸會危害電力輸送外，夏季的颱風及午後雷陣雨造成的強風、閃電亦是對電力穩定供應的一大威脅。為了消除此危害，半導體工廠除了以「不斷電電源系統」(Uninterruptible Power System, UPS)來保護重要設備不受電力壓降(Voltage Drop)影響外，亦會設置「緊急發電機」(Emergency Generator)做為備援電力(Backup Power)來使廠區不受停電及限電影響，保障人員安全及重要設備維持運轉。其中受緊急發電機保護的負載中優先度最高為「生命安全系統」(Life Safety System)或稱「生命攸關系統」(Life Critical System)，該系統若失效，會產生人員重傷或死亡、設備嚴重毀損或環境危害，生命安全系統設備包含消防系統(Fire Fighting System)、電信系統(Telecommunication System)、緊急照明(Emergency Lighting)、門禁系統(Access Control System)、電梯(Elevator)、廣播系統(Public Address, PA)、外氣空調箱(Make-up Air Unit, MAU)、閉路電視(Closed-Circuit Television, CCTV)。受緊急發電機保護的負載也包含重要廠務系統(Facility System)及重要無塵室(Clean Room, CR)系統，該系統若失效，會造成廠區生產中斷、產品報廢、機台復機時間長、氣狀污染物(Airborne Molecular Contamination, AMC)濃度高等影響，相關設備如冰機(Chiller)、鍋爐(Boiler)、空氣排氣系統(Air Abatement system, AAS)、過濾排氣(Exhaust)、集中式廢氣洗滌塔(Central Scrubber)、廠務監控系統(Facility Monitoring and Control System, FMCS)、可程式控制器(Programmable Logic Controller, PLC)、監控及資料擷取系統(Supervisor Control And Data Acquisition, SCADA)、超純水(Ultra Pure Water, UPW)、廢水處理(Waste Water Treatment, WWT)、製程冷卻水(Process Cooling Water, PCW)、化學品供應系統(Chemical Dispense System, CDS)、自動物料搬運系統(Automatic Material Handling System, AMHS)。由此可見，緊急發電機的重要性不言而喻。

近年來由於台灣夏季供電緊迫及台電公司限電頻率升高，許多大能源用戶如台積電(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, TSMC)、台泥(Taiwan Cement Corporation, TCC)、中鋼(China Steel Corporation, CSC)、台塑(Formosa Plastics Corporation, FPC)會積極配合台電公司啟動廠內緊急發電機進行發電，以緊急發電機的電能扛下廠內部分負載，便能協助暫時分擔全台用電尖峰時刻的電網負荷，透過民間企業所設置的緊急發電機渡過電力危急時刻，避免造成區域性緊急卸載導致停電問題。是故，在各用電大戶的緊急發電機運轉需求未來可能逐漸由「備用」轉為「常用」的趨勢下，提升發電機的可靠度並避免跳機影響負載將成為一重要議題及研究方向。

1.3 本研究方向簡介

本研究以竹科F8設置之動態不斷電系統(Dynamic Uninterruptible Power System, DUPS)為例，探討當廠區配合台電限電降載運轉時，DUPS的柴油引擎(Diesel Engine)散熱效果，研究柴油引擎過熱導致跳機與散熱水箱的熱交換效率之間的關係，並進一步分析散熱器、冷卻水、管壁結晶等因素如何影響熱交換效率，進行研究並提升緊急發電機運轉可靠度。

2.文獻探討

2.1 動態不斷電系統的原理介紹

台積電F8目前運轉中的動態不斷電系統(DUPS)共12台^[1]，其機組部件構造主要分為發電機(Generator)、儲能器(Induction Coupling, IK)、柴油引擎(Diesel Engine, DE)三大部分(如圖3)。機組照片可見圖4、圖5。

圖3：TSMC F8 DUPS 機組主部件架構

圖4：TSMC F8 DUPS 機組全景照片

圖5：TSMC F8 DUPS 機組單機組照片

DUPS機組之優點是同時擁有不斷電系統的「抗壓降」功能以及緊急發電機的「防停電」功能。市電正常時，市電持續給儲能器充能，維持其轉動之能量; 當市電異常，如壓降或停電發生時，利用儲能器的轉動慣性(Rotational Inertia)達到維持輸出電壓及頻率之功能，並且10秒內柴油引擎會啟動來代替市電持續給儲能器轉動力學能，此時DUPS便作為緊急發電機的功能，供應下游負載電力(如圖6)。而與UPS不同的是，市電異常發生時，UPS是利用電池放電來供應負載，依電池並聯串數不同通常可維持5~10分鐘; 而DUPS是利用柴油引擎發電來供應負載，依廠內柴油貯存量可供12小時以上。

圖6：DUPS正常模式及緊急模式運轉方式

2.2 關於DUPS柴油引擎的介紹

DUPS柴油引擎照片如圖7。柴油引擎優點為啟動迅速且機動性較高，如停電或壓降等電力事故中，可在短時間內快速因應電力來源端電力變化啟動機組，並可隨負載功率變化調整運轉輸出。DUPS柴油引擎資訊如表3。DUPS柴油引擎製造商為Mitsubishi，型號為S16R-PTA，最大輸出功率為1552KW。值得注意的是引擎最高水溫限制為95℃，為避免高水溫造成機組損壞或引發連帶事故，當過溫時引擎將強制停止。由於DUPS無自動卸載功能，當異常跳機使負載容量超過機組輸出容量時，系統將強制不對相跳旁路以保護電力系統安全，此時下游負載便會有壓降風險。故柴油引擎的冷卻系統及散熱器功能性及效果分析對系統可靠度是十分重要的，並將於以下章節進行探討。

圖7：TSMC F8 DUPS機組柴油引擎照片

2.3 發電機冷卻水溫度的流力分析之相關研究

緊急發電機的可靠性對於維持供電設備穩定運轉至關重要。渦輪發電機(turbo-generator)定子繞組(stator winding)最常見的故障機制之一是絕緣體在相對較高的工作溫度下長期運行。高溫主要來自冷卻系統的惡化，包含冷卻管道堵塞或熱交換器結垢，通常只需清潔即可解決。相關論文^[2]研究發電機在穩態運行時，定子冷卻水路正常或不同程度阻塞時的定子溫度場。結果顯示，當冷卻水路堵塞程度變高，發電機的引擎運轉溫度也隨之提升，如圖8所示，主要原因為堵塞造成的流速變慢及材質間熱交換效率降低所導致。

圖8：論文研究中，發電機定子溫度與堵塞係數關係圖。其中x軸為定子進水口至出水口，y軸為溫度，kd為堵塞係數

2.4 散熱器的構造及原理

水箱散熱器(Radiator)是發電機的一個重要部件，因為需要良好的散熱，所以它通常裝設於引擎側後端出風口與外氣連接處。水箱散熱器主要功能為冷卻發電機，使引擎運轉溫度避免運轉時過溫導致異常停機。當水箱散熱量不足，會使冷卻系統中的冷卻液溫度過高，進而使冷卻液沸騰而無法冷卻發電機。部分研究亦整合電腦輔助工程分析技術(Computer Aided Engineering, CAE)及計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)來執行散熱器的優化設計工作。DUPS散熱水箱及散熱風扇如圖9。

圖9：TSMC F8 DUPS機組散熱水箱照片

3.研究方法

3.1 導水管堵塞及熱交換器結垢分析

散熱導水管堵塞為最主要影響熱交換效率的原因之一。章節2.3中研究顯示冷卻水溫將隨堵塞係數上升而顯著上升。為探討導水管堵塞對TSMC F8 DUPS造成之實際影響及未來可改善方向，我們實際以DUPS 3號、4號作為研究機組，更換其散熱水箱內之散熱鰭片及導水管，挑選此兩台機組原因為其位於整個機房的中心，為機組最集中且散熱較差區域，作為研究對象之參考價值高。

圖10為散熱鰭片更換前後照片，而圖11為換下的鰭片細部放大照片，可以看出部分鰭片有金屬白化及銹蝕現象，顯示使用逾20年且長時間於高溫高濕度環境下，散熱鰭片難以避免的劣化現象。此問題與原廠討論後建議進行全面汰換，以維持機組散熱需量。

圖10：TSMC F8 DUPS機組散熱鰭片更換前後照片

圖11：TSMC F8 DUPS機組散熱鰭片更換前細部照片

為了更進一步了解水箱內部導水管情況，我們將汰換下來的水箱切開以做觀察。圖12為水箱剖面照片，我們發現導水管內部有出現結晶及菌絲，經分析研判為冷卻系統非完全密封，外氣中灰塵及菌類接觸冷卻水，經過長時間累積使水質劣化導致。與原廠討論後將冷卻水更換頻率由每5年換一次改為2年，提高更換頻率維持冷卻水品質，以防止菌絲堵住導水管造成散熱效率不良狀況發生。

圖12：散熱鰭片剖面照片

3.2 冷卻水水質化學檢驗及劣化分析

在循環冷卻水中，由於養分的濃縮及水溫的升高，給細菌和藻類繁殖創造了迅速繁殖的條件。大量細菌分泌出的黏泥能使水中漂浮的灰塵雜質和化學沉澱物黏附在一起，形成沉積物黏附在水管表面上。圖13為DUPS更換下來的冷卻水照片，內部累積大量菌類及灰塵。黏泥積附在換熱器壁上，除會引起腐蝕外，還會使冷卻水的流量減少，從而降低換熱器的冷卻效率。控制冷卻水內微生物生長有許多方法，包含控制水質(氧含量及PH值)、清洗(換水)、阻止陽光照射、旁流過濾、投加殺生劑(Biocide)。與原廠研討後，投加殺生劑，也就是俗稱的加藥，為後續可執行的項目。

圖13：已使用5年的冷卻水，內部累積大量菌類及灰塵

為研究冷卻水隨汰換年份之水質變化程度，我們取樣6組不同年份更換的DUPS冷卻水樣本進行化學分析，分析方法使用行政院環境保護署環境檢驗所之檢驗法，又稱NIEA(National Institute of Environmental Analysis)，分別分析導電度、懸浮固體、氫離子濃度指數(pH值)、正磷酸鹽、氨氮、生化需氧量六項指標(表4及圖14)。其中生化需氧量係指水中易受微生物分解的有機物質，在某特定時間及溫度下，被微生物的分解氧化作用所消耗的氧量。一般所稱的生化需氧量係以20℃培養5日後所測得的結果。生化需氧量可表示水中生物可分解的有機物含量，間接也表示了水體受有機物污染的程度。

圖14：DUPS冷卻水化學分析結果圖

結果顯示，隨汰換時間遠到近，生化需氧量大致呈現下降趨勢，表示使用愈久的冷卻水，水中生化需氧量較高，更容易導致水中菌類的生成，其分泌出的黏泥積附在換熱器壁上，使冷卻水的流量減少，而降低換熱器的冷卻效率。

4.結果與分析

引擎冷卻水溫升測試

比較DUPS 3號、4號，更換散熱水箱前後之水溫隨時間變化如表5及圖15所示。其中負載定為1082kW原因為若調至滿載1336kW會導致水溫>95℃而跳機，故選擇調整至約8成載，也更符合停電、限電或壓降時，機組實際運轉負載狀況。實驗結果顯示，更換水箱後之穩定水溫，相較更換前有下降約4~5℃，確實能有效提升散熱效率以降低水溫。

圖15：DUPS散熱水箱更換前後水溫-時間關係圖

5.結論

本研究以竹科F8設置之動態不斷電系統為例，研究DUPS的柴油引擎散熱效果，並進一步分析散熱器、冷卻水、管壁菌絲等因素如何影響熱交換效率。除了探討導水管堵塞及熱交換器結垢外，亦分析水質劣化原因並研究改善方案。

實驗結果顯示更換水箱後之穩定水溫，相較更換前有下降約4~5℃，確實能有效提升散熱效率以降低水溫。而為了控制冷卻水內微生物生長，目前有兩項方案，其一為將冷卻水更換頻率由5年改為2年，其二為投加殺生劑。而第一項已執行完畢，並持續觀測後續兩年內成效，若效果隨越接近兩年期限啟機時水溫有上升趨勢導致跳機風險，才會繼續執行第二項加藥方案。