空燃比異常對發電機組運轉影響探討及維修經驗分享

1.前言

台電根據經濟部發布的「電源不足時期限制用電辦法」，訂定執行及通報機制，以備轉容量率及備轉容量多寡(圖1)，分第一階段(低於6%)、第二階段(低於900MW)與第三階段(低於500MW)^[1][2]。當進入供電橘燈的第一階段，台電可向大電力用戶要求啟用自備發電機，提供可維持運轉之發電供應量。

台積電廠區於2021/5至2021/10期間已配合台電限電運轉達八次(過去一年無此紀錄)顯示未來幾年台電供電吃緊及廠區配合發電機運轉將會越來越頻繁(圖2)，且以竹科廠區為例因配合限電運轉造成之異常紀錄及維修金額花費已遠超歷年紀錄，小狀況如漏油、漏水已不計其數，情況嚴重如渦輪異常、引擎空燃比異常(圖3)均顯示目前廠務對於備用發電機轉為常備發電機的應對尚未完全到位。

本次研究目的期望藉廠區異常案例分析目前於限電運轉、保養及維修上不足之處，並著重在機組引擎空燃比異常維修及應對對策提供經驗分享，使未來廠區在發電機引擎維修上能夠加速及精準地對於異常真因的判斷。

2.文獻探討

2.1 柴油發電機引擎運作原理

柴油發電機的基本結構是由柴油機和發電機組成，柴油機作動力帶動發電機發電。台積電常見之柴油發電機為多缸四行程的柴油機，工作原理為柴油機通過燃燒氣缸內的燃料產生動能，驅動氣缸內的活塞往復的運動，由此帶動連在活塞上的連杆和與相連的曲軸中心作往復的圓周運動而輸出動力。一個工作循環包括有四個活塞行程（活塞由上止點到下止點之間的距離的過程）：進氣、壓縮、燃燒（作功）和排氣行程。

當活塞由上向下運動時進氣門打開，經空氣濾清器過濾的新鮮空氣進入氣缸後被壓縮，使得汽缸溫度和壓力增高，當活塞將要到達最頂點時，噴油器把經過濾的燃油以霧狀噴入燃燒室中與高溫高壓的空氣混合立即自行著火燃燒，形成的高壓推動活塞向下作功以推動曲軸旋轉，完成燃燒行程，最後排氣門打開排氣完成排氣行程。每個行程曲軸旋轉半圈。經若干工作循環後，柴油機在飛輪的慣性下逐漸加速進入工作帶動發電機的轉子轉動，利用「電磁感應」原理，發電機輸出產生感應電動勢，經閉合的負載迴路就能產生電流。^[6]

2.2 發電機保養重要性

柴油機能夠提供穩定可靠的急電供應靠的是日常保養落實，除例行性地冷卻散熱系統檢查、潤滑油確認、燃油管路檢查、電瓶檢查等，近年也將原廠建議項目依年限納入保養項目中，如氣門間隙校調、噴油器定期清潔、氣缸正時校調及進氣中冷器更換等等，皆是對柴油機組空燃比維持有著莫大幫助。^[4]

2.3 機組引擎空燃比異常影響

俗說「預防勝於治療、保養重於修理」這話用於發電機再恰當不過，早期的保養及適當地維護將可省下許多維修的時間及昂貴的修理費用，特別是與燃料、空氣相關的系統影響甚鉅。燃料系統異常如柴油供油泵壓力異常、柴油高壓噴射泵堵塞及噴油嘴積碳，間接造成氣缸燃料供應不足、噴油霧化不量及氣缸壓縮比偏差，而產生柴油機啟動困難、燃燒不完全、積炭增多、輸出功率不足及黑煙等問題；空氣系統異常如引擎進排氣門間隙偏移、進氣量不足及排氣堵塞，間接造成氣缸壓縮比偏差、機組不當振動及輸出功率不足問題。

綜合上列描述當引擎空燃比異常時對於機組表現是非常顯著的影響，嚴重情況甚至伴隨高溫、機組異常振動連帶造成一連串元件受損，故當柴油機異常處理時不單僅是完成單一元件更換即可完成修繕，常需伴隨備料、維修時程長及後續機組全盤檢視等費用。

3.研究方法

近年來經常性配合台電限電啟動發電機運轉，其對於系統重要性愈趨重要，故藉由發電機引擎空燃比異常經驗分析，了解相關異常前預知、異常後判讀，並深入探討機組運作原理，了解當系統發生異常時，藉快速判斷異常縮減整體備料及維修作業時間。本文藉由F12B廠區異常案例情境，提供維修思維探討及異常處理經驗分享。

3.1 發電機引擎機組異常前後判讀機制建立

發電機穩定運作來自引擎柴油機中進氣系統與柴油燃料比例適當調配，使得燃料能夠於一個進程期間達成柴油完全燃燒的計量比，則稱為空氣燃料比。故可得知當機組空燃比異常，可於機組功率輸出狀況、排氣狀況及引擎溫度檢視做到第一時間異常判斷進行異常隔離。

3.1.1 SCADA輸出功率驟降警報機制建立

發電機監控本身並未對機組輸出功率驟降幅度進行隔離停機機制設立，故當單機異常功率驟降時無法直接反應至監控台，導致異常發生當下無法立即進行現場處理及故障隔離(如圖4)，又因機組為群組定功輸出運作，故針對發電機群組進行輸出功率動態監控管理，當單機離群時觸發警報進行現場巡檢確認；因應各廠異常經驗及原廠建議進行離群設定值建立，可顯見以百分比(%)定義輸出功率驟降警報值，無法直觀利用於發電機定功輸出下管理，依據原廠建議輸出功率變動值±50KW，取平均值±100KW(兩倍)設定為上下限，作為現行機組引擎異常監控管理機制(圖5)。

3.1.2 預防保養及現場管理機制建立

除了發電機組運轉監控管理機制，現場勤加巡檢及落實保養才是預防異常的關鍵點，藉由F12P6機組噴油嘴異常案例分析，當噴油嘴積碳堵塞使得引擎運作產生不正常震動，連帶影響水箱外管線龜裂及內部水箱鰭片滲漏水，同時氣缸不完全燃燒造成排氣側高溫，高溫引發渦輪機油潤滑不足，最終造成渦輪軸心斷裂機組停機；回頭檢視配合台電限電運轉前半年期間，該機組已有多次狀況反應(滲漏水、外管線破管)而卻不知曉，可見於現階段發電機常備運轉保養內容及異常預防機制之不足(圖6)。除根據原廠建議之項目規劃增列四年期(含噴油嘴清潔保養)、八年期保養，另針對運轉中➀引擎排氣溫度進行運轉中IR監測掌控機組引擎空燃比運作狀況(圖7)及➁進行機組運轉震幅量測排定噴油嘴更換順序，達成預防止血之效(圖8)^[4][5]。

3.2 發電機引擎機組空燃比異常原因分析及異常處理思維方向

引擎機組異常免不了需要進行長時間停機全檢、維修人力投入，故機組運作原理及各元件連結相關性評斷，將影響後續維修備料時程及成本花費。

發電機引擎系統運作主要來自進氣系統、燃油系統及潤滑系統環環相扣運作(圖9)，當任一環節出現問題均會造成整體系統連帶危害，且經驗來看機組分為左半及右半氣缸調節供氣、供油以達成機組輸出功率需求，故當單半邊供給系統異常時，因機組為滿足輸出功率需求會要求機組增加供氣、供油造成原正常側機組過度運轉，而產生柴油燃燒不全黑煙排放、柴油供給過剩引擎排氣側高溫，機組高溫造成渦輪潤滑不足異常堵死、排氣岐管破管等狀況。故當異常維修處理時，需要系統性的檢視可能原因，避免因直觀地異常狀況，錯估真因造成後續維修方向及時程。

本文針對案例異常狀況及維修歷程進行經驗分享，並且提供現場維修經驗及維修規劃思維(圖10及圖11)，期望藉此作為後續他廠遇到問題時之借鏡及參考^[7]。

❶異常關聯性分析: 依據前述異常當下狀況分析可能原因，如圖12，引擎空燃比異常經常性連帶影響輸出功率不足，故藉由廢氣排放狀況及現場機組運作狀況如氣缸溫度、排氣側溫度、機組異音及異常震動進行初步推斷可能原因及查修方向 (圖13~圖16) :

❷依異常判斷需求作業及備料時程，藉由(圖17)提供一階段短、中程維修判讀檢查，目的力求機組先行復歸可試運轉。其中以下案例依進氣系統、燃料系統及潤滑系統三項進行圖說，藉以儘速完成短、中程初步檢視。

進氣系統來自空濾、進氣渦輪、中冷器、引擎進排氣門及排氣渦輪將廢氣排至戶外，欲加速回線安排試運轉情境，可先進行渦輪扇葉外觀及滲漏油狀況檢視、氣缸汽門間隙校正、排氣岐管破管檢視、氣路及水箱中冷氣氣密測試達成運轉回線快速檢視。(圖18~圖21)

燃料系統來自柴油一次泵打油、柴油濾心過濾、高壓噴射泵供給至各噴油嘴及噴頭提供引擎氣缸燃料供應，可先進行柴油一次泵保壓測試、噴油嘴清潔及採以氣缸內視鏡檢視內壁及活塞狀況後達成運轉回線快速檢視。(圖22~圖24)

❸通常於短、中程檢測到的異常，常常僅是異常後帶來之結果，故先行讓機組回線後進行加載運轉後才能夠抓出真因所在，並於藉由機組運作、排放狀況及溫升紀錄，盤點可能原因後進行一次性備料及更換規劃，以避免盲目地更換造成維修及備料時程延宕。(圖25)

3.3 發電機引擎機組異常耗材及維修時程分享

發電機引擎相關主要元件不乏均需要藉原廠生產始能夠提供，長交期項目不在少數，現階段除了建議發電機代理商於國內進行備品採購，本文亦將針對相關備品交期及施工時程進行條列供後續廠區維修方向及備品事前採購評估。(圖26)

4.結論

隨著緊急備用發電機轉為常備發電機使用狀況下，現階段保養手段及運轉管理機制已無法滿足台電限電下常態運轉需求，各廠區除了勤加保養自家機組外，亦需於長時間運轉挑戰下，藉由SCADA及現場監控管理強化來防範發電機事故的發生，於異常發生時立即進行異常隔離避免危害擴大；而在異常案例分享方面，藉由機組引擎異常案例提供維修思維方向、備料及施工排程擬定，以力求於常態運轉期間，加速完成異常機組回線速度，避免於支援台電供電時，反造成廠區發電機備援能力下降。

現今發電機已並非僅是做為廠內緊急電力供應使用，機組相關維護知識已不單僅是週間的保養運轉、季加載運轉及年保養，更多的是需要去了解機組引擎空燃比知識及運轉趨勢，藉由保養來做為異常前預防，長交期備品規劃擬定，才是未來發電機面對常態運轉下的最大挑戰。