Stand-by模式下，MTU發電機設備維修管理之挑戰

1.前言

自2021年起，開始配合台電執行限電啟動發電機降載作業，詳如圖1所示，多次的長時間發電機運轉，各廠區發電機發生了許多異常狀況，因此讓大家了解到廠區發電機的使用模式已從原先備用變為常用，因此原先的保養維護模式必須改變，才可負荷常用的運轉模式，無論是使用模式或保養維護的改變，對於老舊廠區皆是巨大的挑戰。

目前台積廠區執行發電機啟動測試可分為雙週保無載測試及季保養有載測試，通常季保養有載測試發電機運轉時間約30分鐘至60分鐘，而配合台電執行限電啟動發電機降載動輒120分鐘以上，在長時運轉的模式下，發電機機組引擎冷卻水溫通常維持在較高的溫度下(85℃~95℃)，而引擎循環水路上常使用橡膠製的O-ring作為水封，而橡膠製品於高溫環境下，會加速其變質老化，因此在O-ring長期未更換的情況下，配合台電降載啟動發電機運轉後，經常會遇到發電機冷卻水泵、節溫器座或噴油嘴護套漏水的現象，而漏水狀況隨著發電機運轉時間會逐漸惡化，造成運轉時常會發生低水位，使發電機無法連續運轉，甚至造成噴油嘴故障異常，上述狀況將導致發電機無法運轉，造成廠區急電量不足狀況。

台積廠區內部發電機組類型皆為柴油發電機組，依其柴油引擎廠牌可分為MITSUBISHI、MTU、CUMMINS及CATERPILLAR，其中又以MITSUBISHI為大宗，而F12P1/2、F12P3、F14P1/2及F6共46台MTU機組，MTU柴油引擎多運用於船舶或軌道車輛等需長時間連續運轉之設備，MTU在符合其保養週期的狀況下，可以發揮其連續長時間穩定運轉且省油的特色，但若操作於Stand-by模式下，且保養模式為T/S 模式，引擎其相關元件仍會隨時間老化，若須維持引擎運轉的妥善率，須維持適切的保養週期，但會導致保養維護成本提高，本文將針對MTU柴油發電機組之保養維護週期及方式探討，尋求高經濟效益之維護保養模式。

2.文獻探討

2.1 MTU柴油引擎介紹

MTU隸屬於Rolls-Royce集團，是享譽全球的頂尖柴油引擎製造商，MTU作為陸上、水上、軍用、鐵路系統以及發電設備引擎的製造商，MTU一向以輸出功率大、效率高、體積小且耐用的柴油引擎產品在全球享有盛譽。

其中台積所使用的MTU 4000 Series自1992年開始研發時目標即為開發一台複雜性低、維護間隔長、運行成本低且使用壽命長的柴油引擎，1996年量產至今已賣出超過37,000台以上，為MTU 在生產中銷量最大的柴油引擎，且量產自今，已從台積使用的第一代改良到第四代，運轉大修時間也由6,000小時提升至36,000小時，充分展現了維護間隔長的特色。^[6]

MTU在柴油引擎各重要部件安裝感測器，監控各種數據，包括水溫、水位、柴油壓力、機油壓力、轉速、進排氣溫度和壓力等，並藉由獨特的引擎電子管理系統（MDEC）使柴油引擎在各種運轉條件下均有最佳的性能表現，同時也是眾多品牌中少數在大功率機組上使用電子控制共軌燃油噴射系統，達到低油耗和低廢氣排放。

1996 年與當時的競爭對手產品相比，4000 Series實現了 10% 的油耗降低，成功降低運轉成本。此外，MDEC可監控各感測器數據，如果超出設定範圍，則發出警報同時給出故障代碼，可方便快速的找出故障產生的部件與產生的原因，簡單故障可以根據維護手冊的指導進行排除，如果無法排除則可以將所看到的異常代碼提供給廠商，給出最初步的異常診斷，如圖2所示。^[5]

柴油引擎為降低廢氣排放和柴油消耗，必須針對噴油量、噴油時間及燃油霧化三方面有準確的控制，傳統的機械噴油系統因為是由引擎運轉來驅動噴射泵浦，所以燃油壓力會隨著引擎轉速的不同而改變，機械噴油系統雖廣為柴油引擎採用，但因為其噴射泵浦是以機械方式驅動，無法依據引擎負載狀況提供精確的噴油量及噴油時間，導致無法充分燃燒完全，造成廢氣排放及柴油消耗量較差；而MTU 4000 Series採用高壓共軌噴射，每排氣缸上的噴油嘴及其各自的電磁閥共用一個高壓油軌，如圖3所示。燃油壓力由高壓泵產生，該泵通過曲軸箱末端的齒輪系驅動。電子控制系統控制輸送的燃油量通過電磁閥向噴油嘴輸送，噴油壓力也根據引擎負載量需求調節到最佳水平，進而達到較佳的廢氣排放和柴油消耗，控制系統如圖4所示。^[7]

綜上所述，MTU 4000 Series柴油引擎有著維護間隔長及運行成本低，並搭配MDEC引擎電子管理系統實現電控共軌噴射的技術，達到低油耗及低汙染的能力，在大型船舶及軍用船艦應用上有相當大的優勢，但其昂貴的售價及維護成本，也是其大多應用在軍用等重要設備的最大原因，因此如何達到經濟的維護保養便為本文所探討的重點。

2.2 MTU柴油引擎歷年維修歷程

統計tsmc F12P1/2廠區自2002年來MTU柴油引擎相關維修紀錄，將維修項目分成3大類，分別為電控系統、冷卻系統及供油系統，如圖5所示，由統計數據可知維修紀錄共計112件，其中供油系統佔27%、電控系統佔29%及冷卻系統佔44%。

首先針對供油系統的維修案例進行簡單的說明，供油系統30件維修案例中，共有28件為噴油嘴護套及噴油嘴相關O-ring更換，主要原因為橡膠材質之O-ring老化導致其失去彈性脆化、萎縮，導致柴油或水從檢視孔滲出，主要故障模式即分為漏油及漏水。

漏油主因為噴油嘴O-ring老化，如圖6所示，若老化狀況嚴重，可能造成柴油滲漏嚴重使運轉柴油壓力過低，致使發電機無法啟動；漏水主因為噴油嘴護套O-ring老化，如圖7所示，可能造成冷卻水滲漏導致低水位，無法啟動發電機。

接著說明電控系統維修紀錄，如前一章節所述，MTU為電控共軌噴射引擎，並且有著引擎電子管理系統MDEC進行運轉控制及異常監控，如圖8所示，整台引擎有許多感知器進行監控，廠內共33件電控系統維修紀錄，其中機油壓力感測器為16件，大多為停機時機油壓力為無法歸零，不影響啟動狀況，更換後即可復歸；另外冷卻水箱液位感知器更換件數共13件，異常時會於滿水位時輸出低水位警報，造成無法啟動發電機或是運轉中Trip。

值得一提的是近2年發生3次MDEC輸出模組異常的狀況，將導致發電機僅能加載至半載，甚至更低，異常原因為內部類比或者數位模組異常造成，較前述兩者電控元件相比，MDEC目前造價昂貴且交期長達3個月以上，因此須特別注意，建議各廠需將MDEC列為常備品。

最後說明冷卻系統維修紀錄，冷卻系統廠內共49件，占比達44%，其中水箱破裂更換共9件，其中多為鰭管組老化破裂，若輕微破裂則使用補漏劑進行止漏，若無效則更換水箱鰭管組，除了水箱外，大多為冷卻管路之水封或O-ring老化造成之漏水狀況，可分為些微滲漏者如上水管水封及水泵水封共12件，此種漏水狀況雖不會立即造成發電機無法啟動，但長時間仍會造成低水位導致無法啟動或運轉中Trip，且現場6S維持不易；而風扇皮帶及怠惰倫組共10件，將造成風扇無法正常運轉導致過溫，其中皮帶斷裂彈出容易造成周遭感測器線路損壞，節溫器相關7件，若為節溫器座水封漏水，造成長時間會導致低水位，無法啟動發電低或運轉中Trip，若節溫器異常將造成冷卻循環不佳，導致機組過溫Trip。

由上述異常紀錄可知，過往的維護模式皆為T/S 模式(Troubleshooting)，但由於發電機運轉模式已由備用轉為常用，故維護模式應改為PM 模式(Preventive maintenance)，以提高在發電機常用模式下的妥善率。

3.研究方法

參考原廠MTU 16V4000 Series柴油引擎操作手冊中保養維護頻率，將保養維護依週期或運轉時間分為W1-W6共6個層級進行分級保養，如表1所示。^[1]

台積使用柴油引擎使用模式為Stand-by 模式，故運轉時間較短，如F12P12廠區為例，引擎使用20年轉時間僅接近300小時，雖未達到運轉時數但元件亦隨時間老化，因此參考保養週期進行維護較合適。

接著將原廠MTU所定義的W1-W5細項列出，並與台積目前現行的保養模式進行比較。

其中，W6為引擎大修，需將引擎拖出至廠外執行細部拆解，並執行相關部件之磨耗進行量測，依照原廠定義部件公差判斷是否需更換^[4]，而台積發電機運轉時數較低，引擎部件磨耗程度有限，應未達大修標準，且大修工程浩大與金額昂貴，對於Stand-by模式發電機應用較不符經濟效益，因此本文不討論W6保養階層。

首先針對原廠W1保養層級進行與台積現行做法說明比較，由表2得知，W1內容為運轉測試前後點檢項目，目前台積每2週執行無載運轉測試，每1季執行加載測試，頻率較原廠定義高，若發電機引擎有異常提早發現，進行維修。

接著原廠W2保養層級進行說明比較，由表3得知，W2主要為機油及其濾清器相關保養及進氣系統檢查，原廠建議之機油保養方式為每6個月油品檢驗及2年更換機油及濾清器，若油品檢驗有異常則提早更換機油；台積施作方式不執行油品分析，但每1年更換機油與濾清器，台積發電機機組運轉時間較低，但機油及濾清器更換頻率較高，引擎機油的品質應較佳，而進氣系統檢查則為每年於年度保養實執行。

由表4可知，原廠W3保養層級，基本上皆為台積年保所施作項目，惟冷卻液台積不進行採樣，直接更換冷卻液更換更為嚴謹，值得一提的是需依照原廠手冊使用水箱精品牌且調配其建議濃度，使用錯誤的水箱精或不適當的濃度可能造成水泵水封腐蝕造成漏水。

另外汽門間隙部分原廠建議每年施作，但台積各廠目前未定義施作頻率，多以不定期施作方式執行。

 

由表5可知，原廠W4保養層級，台積部分為年保點檢項目，而空氣濾芯為年保執行2年更換，其中皮帶與引擎水管橡膠件為每1年點檢，而每4年執行更換，以及引擎螺絲裝配並未使用扭力板手點檢，僅使用目視及運轉異音聲響點檢。

此外高壓燃油泵、啟動馬達及引擎配線目前台積未施作，以T/S模式進行維護保養。

最後說明表6，原廠W5保養層級已需部分拆卸引擎，為目前台積現地可執行之最深度保養，台積於2022年定義4年與8年保養內容參考各廠區的運轉經驗，多為O-ring或Gasket老化造成引擎漏油或漏水，或是節溫器異常導致引擎運轉過溫問題，因此主要執行對應原廠W5保養層級的汽缸頭、冷卻水泵及引擎節溫器保養，其餘項目部分為雙週保或年保執行檢點，或以T/S模式執行維護保養。

4.結果與分析

承上章節，MTU原廠保養層級與台積保養週期進行比較，由圖9可知，對應至啟動測試的W1中，台積的雙週保/季保養中是完全符合，且施作頻率為雙週是優於MTU的每月；而在W2-W4的保養層級中雖施作頻率與MTU定義的週期不完全相同，但在施作的比例仍是相當高的；而W5未施作的部分，多為原廠定義滿8年就需更換的元件，而發電機為Stand-by模式，且MTU料件價格昂貴且交期長，若照單全收，所花費金額將相當可觀，相關料件金額可參閱表7。

接著，將針對台積1年保/4年保/8年保的施作內容進行分析並提供建議。

4.1 台積1年保養分析-建議冷卻液遵從手冊規範執行

台積1年保養項目相當廣泛，分布於MTU規範W2-W5保養層級中，針對1年保養項目中的機油、空氣濾芯、冷卻液及皮帶點檢，皆優於MTU所定義的施作頻率；而值得一提的是冷卻液的調配，在MTU的手冊中是有明確定義其適用的廠牌、濃度及pH，依照目前台積使用之水箱精廠牌Fleetguard DCA4之相關參數定義可參閱表8^[2]，濃度過高可能造成水泵水封腐蝕造成漏，濃度過低可能造成冷卻水管路鏽蝕，且冷卻液的調配皆須於外部將水及水箱精預混為正確濃度後再添至水箱中，如圖10所示，若直接將水箱精加入水箱中，未執行預混可能因冷卻系統中冷卻液濃度不均造成部分腐蝕或鏽蝕的狀況發生，因此在保養時須特別注意廠商施作的方法。

此外，W3保養層級中的檢查汽門間隙，原廠建議每年檢查，目前台積未定義，建議可參考現今MHI每4年執行。

4.2 台積4年保養分析-建議執行噴油嘴護套更換，同時進行噴油嘴清測及汽門間隙調校

MTU W4保養階層中共9項次，僅有2項次未執行，分別為高壓燃油泵檢視孔點檢及DC發電機點檢，因僅為目視點檢不須部分拆卸，建議依照手冊於年保時執行點檢。

而台積目前MTU機組皆運轉近20年，皆須執行4年保養，但若全廠發電機若全數一次執行，費用相當驚人，1台發電機4年保費用為334,340元，以F12P1/2 18台發電機為例，全數執行須花費約6,000,000元，因此勢必針對有異常現象之發電機優先進行保養維護，藉由 雙週保 / 季保 / 年保 點檢確認發電機狀況，並參閱表9執行排程。

此外，建議於更換噴油嘴護套時同時施作汽門間隙調整(參考MHI週期)及噴油嘴清潔測試，即可不須重複施工及更換相關O-ring，可降低重工重料費用，如圖11與圖12所示^[1]。其中，噴油嘴MTU定義每8年更換，但其價格昂貴如表7所示，藉由專業噴射器維護廠商執行定期清潔測試可降低噴油嘴異常機率，若其噴/回油量有些為異常，仍可藉由清潔及調校修復，若霧化效果降低，亦可參考更換副廠噴頭(Nozzle)，可大幅降低維護成本，如圖13所示^[7]。

4.3 台積8年保養分析-建議年保養滿載運轉使用IR SCAN檢測節溫器及水泵健康狀況

MTU W5保養階層中共22項次，有11項次未執行，部分為Charge Air迴路未納入項目中，依F12P1/2運轉經驗，尚未發生過異常，是否需更換仍需探討；噴油嘴建議每4年執行檢測；而高壓油泵及其感測器更換，目前仍為T/S 模式。

接著針對8年保養進行建議排序，請參閱表10，其中汽缸頭Gaskets若老化，造成運轉時大量洩漏當下可能造成引擎故障曲軸潤滑不足導致損壞，整台引擎需大修甚至報廢，因此有些為滲漏建議優先執行8年保。

此外，水泵及節溫器之功能是否正常，可利用ATC找出運轉溫度較高機組，再輔以IR SCAN於滿載運轉時確認其上下水管溫差，若溫差過大可能是水泵或部分節溫器異常，可於季保養全檢，找出水循環較差機組進行優先更換，讓經費能花在刀口上，如圖14所示。

4.4 MTU行車電腦MDEC更換策略

MDEC 為 MTU 柴油引擎的控制中心，為MTU電控引擎的技術核心，但電子元件隨時間老化仍會造成電控異常，而F12P1/2經驗皆為發電機無法正常加載，且MDEC造價昂貴(900,000元)且交期長(6M)，為縮短維修時間，可利用MDEC硬體更換方式解決此問題。

MDEC 內含數位 / 類比兩獨立硬體模組，一台發電機僅使用數位模組或類比模組，而F12P1/2發電機此兩種控制方法皆有使用，若發生類比模組故障，但其數位模組正常，僅需將此硬體模組與一台使用數位控制的發電機進行交換，兩台發電機便能正常運轉，反之亦然，如圖15所示。

而MDEC的全新備品仍是需要的，但可以等到類比 / 數位控制兩者模組皆異常再更換新品，如此一來便可縮短維修時間，降低運轉風險，也達到節省花費的目的。

5.結論

本文藉由與研究原廠各保養階層內容及週期，探討台積目前MTU保養完整度，找出目前的保養弱點並提出建議，並且利用廠區運轉經驗及相關工具進行保養優先順序排程，以降低特色為長時間運轉且須依照運轉時間及週期保養的MTU機組操作在Stand-by模式下的保養費用，在有限的保養下，達到有效提升妥善率的目的。