備用變常用 - 發電機保養新思維

1.前言

TSMC於各廠建廠時期皆會評估廠區內的緊急電力使用需求，藉此推算出緊急發電機的需求數量，以F14P7廠區為例，廠內配置21台KOHLER緊急發電機，每台可輸出2000kW發電量，故假使廠區因台電電網事故而停電時可藉由啟動所有發電機達到廠內孤島運轉以緊急短暫維持廠內基本用電。

近年來由於政府推動經濟發展，科技業與各類型企業相關廠房設備陸續興建，在全台用電需求量大增的情況下以及台電目前發電規劃朝向以再生能源取代核能，因供電規劃於現階段無法立即獲得解決並像以往提供全台穩定的電力，因此從2021年5月以來TSMC開始配合台電通知實行限電啟動廠區發電機，藉由廠內緊急發電機發電併入台電電網協助台電度過用電吃緊的窘境。

依照2020以前TSMC運轉經驗，發電機一年運轉時數大約為6小時(雙週保+季保+年保時數總和)，而2021年由於限電支援台電啟動發電機時數一年即達到22小時，發電機的年運轉時數大增意味著發電機組磨耗必定更加劇烈，故發電機的保養規劃、項目及成本必須重新檢視現行方案以改善目前的不足，本篇即以緊急發電機從備用變常用為出發點，針對發電機保養進一步探討。

2.文獻探討

2.1 當前台電面臨供電吃緊危機

近年因企業大量回台投資促使了經濟發展，同時也因全球氣候變遷等影響讓總用電量已創下歷年新高，在電網的佈局上經核能電廠陸續除役(圖1)符合政策需求新增了許多電廠的燃氣機組與再生能源因應，如何配合增減電廠的電力銜接以及穩定電力品質將是一大挑戰。回顧台電近三年統計(表1、圖2)的歷年最高尖峰負載即可看出歷史最高用電量出現在2021/7/27，當天瞬時尖峰負載已達到3884.42萬瓩^[1]，在2021年備轉容量率處於供電吃緊低於10%的狀態次數就有45次^[2]，且最低備轉容量率僅有3.84%已接近限電準備，預期未來會持續上修瞬時尖峰負載的歷史最高值。

2.2 台積公司配合限電狀況

為符合政府訂定2025年再生能源發電占比20％政策目標，現正積極推動太陽光電及風力發電，預計太陽光電裝置容量達20GW，離岸風力裝置容量則達5.7GW以上^[3]，因而更多的再生能源發電將併入台電電網，此舉雖可增加備轉容量但使用較為乾淨能源背後的隱憂即為電網的供電不穩定性提升，例如2021/5/17即因大量非基載再生能源併網量使備轉容量變化過大。加上台電於該年度的備轉容量不足、機組故障及操作失誤等因素，接續引起513, 517事故發生全台限停電^[4][5][6]。

有鑑於此，全台各科技廠房於2021年5月開始配合台電限電，於台電需求時段統一開啟廠內緊急發電機併入電網降低負載需量以支應台電隨時的供電能力不足，以TSMC為例，於2021年期間的5/9/10/11 四個月因為台電的部分發電機組歲修或故障，傍晚太陽照射強度下降後因大量非基載再生能源變化過大造成台電電力立即性供電能力不足，科技園區各廠房依台電緊急要求降載運轉，總計TSMC啟動發電機支援台電12次，發電714萬度(表2)，最多啟動台數為280台，已佔整體總數的70%(不含新廠機組)，對於緊急發電機的使用性質已不同，將相對更為頻繁。

TSMC各廠所配置的柴油緊急發電機主要功用在於台電電網發生事故而意外停電時啟動以短時間內緊急供應廠內基本用電，並非設計作為長時間支援台電電網供電能力不足之用，展望未來台電持續性的供電吃緊，廠內發電機的角色將顯得更加重要，因此發電機的保養已進入新的里程碑，從發電機保養週期、保養項目、運轉風險改善、發電機教育訓練等必須與時俱進，以下章節將依序探討。

3.發電機保養新思維

3.1 保養標準化與落實

統計台積公司2021支援台電限電後發生的發電機組異常案例(如圖3)，在設計缺失部分主要為兩大項：➀散熱水箱進回水水管焊接處震裂(共計七台)；➁保護電驛CT因雲母支架鬆脫造成振動摩擦破皮異常(共計三台)。此部分已針對同型機組完成強化。圖4所示，散熱水箱上出水管因出廠時無支撐強化導致長時間運轉可能因機組震動而導致水管焊接處破裂引起後續的水箱水外漏，此部分藉由增加支撐構件以達到強化改善。圖5所示，保護電驛CT因雲母支架縮脫而造成CT 與支架接觸面震動摩擦破皮，此部分藉由雲母支架與CT 間加熱縮套管防摩擦而達到改善，新廠區則是採用模鑄式CT直接免除此疑慮(圖6)。承圖3，非設計缺失部分則以橡膠類為大宗，與發電機廠商(安葆)雙方討論後定義出四年保、八年保，並且推動全台積公司北中南各廠區落實保養如表3^[7]。

上一段落提及Y2021年台積公司面對限電挑戰所做的發電機改善，這些部分主要是針對事故後的處理，而一套好的保養必須兼顧未來可能會發生的其他事故進一步提出預測及有效措施，與發電機廠商(安葆)進一步探討後^[7]增加了22項保養項目(表4)，預期未來各廠區按表操課將大幅減少發電機事故。

3.2 運轉風險改善

發電機本體需要維護改善外，環境條件也是重要的一環。從廠內供油系統、消防設施到對外的排水系統、空污環境都是需要考量且曾經遇過的問題點，為增強發電機的運轉穩定度，召集全台積廠區互相交流並分享運轉經驗後，提出了共通性需要改善的問題，藉由各廠Lesson Learnt進行八大運轉風險控管。

❶地下油槽管路改明管(法規調整)

於民國110年09月08日行政院環境保護署訂定「防止貯存系統污染地下水體設施及監測設備設置管理辦法」須符合第7條第5項規定，新設、更新之地下儲槽系統，其輸送設備設置二次阻隔層。但輸送設備可隨時以目視檢查且周圍未直接接觸土壤及地下水環境者，不適用之。

限期以第32條規定中華民國一百十年一月一日前，已完成建造、建造中、完成工程招標程序或未經招標程序已訂立工程施作契約，其設施未符合本辦法規定者，應依下列規定，檢附改善計畫提報直轄市、縣（市）主管機關，並於規定期限內完成改善，並依儲槽容積訂定期限 ^[8]。

改善手法將柴油灌充區之柴油輸送暗管鄰近土壤挖除，將暗管改為明管後，並新設水溝並在上方蓋格柵板，最後將水排至油水分離槽，改善後可隨時目視檢視柴油輸送管，各廠區已逐步進行明挖方式並配合改善；同時新建廠區於建廠發包時Design-in。

❷發電機廢氣防治(無塵室/CDA進氣口)規劃不同樓層/面向

廠區因受到氣候改變影響，啟動發電機組時由排煙管路排氣會因為環境條件改變如颱風或沉降氣流，使廢氣向下或往廠區內方向移動，導致將廢氣引入MAU或CDA進氣口的風險。改善方式依據各廠狀態進行調整:➀透過排煙管路修改遠離MAU或CDA進氣口，分別將前後段機組往左右延伸排煙口，結構支撐排煙口，增加強風穩定度；➁以管理方式為發電機保養啟動前考量風向以及擴散條件(是否颱風前後、下大雨等因素)，若評估可能造成大量排氣進入無塵室進氣口則擇日再開啟保養。

❸地下柴油儲槽有進水風險，風險廠區隨保養檢測含水量

地下儲槽為非完全密閉間，須要有戶外透氣孔來做洩壓保護，可能透過對外管路滲入水分形成積水或入水的風險，除了發電機於平常保養時檢查油水分離濾心判斷柴油是否含水外，可針對其他部分進行強化。➀若戶外透氣孔無逆止閥型式須加遮蓋設施，避免水分流入；➁定期檢測日用儲槽與地下儲槽含水量。(圖7)

❹消防Pump油槽未裝設回油管

消防儲油槽以消防Pump補油進行灌充，當儲槽滿溢時須有回油管避免因過量補油，使柴油經由儲槽上方之排氣管洩漏，部分廠區並未有回油管，因此評估新增回油管路疏導過量補油之柴油，以及新增第二道補油液位停止控制電路，當液位達到 H與HH 時，分別送出訊號以停止補油，建立兩道保險機制。(圖8)

❺發電機環境警報溫度 57℃

近期因台電限電需求上升，發電機使用次數與時間增加，發現當所有發電機組啟動並加載運轉時，發電機房內溫度逐步上升，使發電機房上方半密閉空間溫度提高，導致溫度偵測器警報。既有廠區為符合消防灑水噴頭68℃限制，將溫度偵測器設定在57℃進行告警，故發電機全載運轉下有機會發生，後續新廠已改採消防灑水噴頭93℃、溫度偵測器86℃之設計。後續改善手法依據各廠與ISEP評估後進行調整 : ➀將既有廠區修改成新廠區同等溫度設備進行改善；➁以管理方式將發電機有載啟動後開始IR SCAN天花板溫度偵測器，當達到50℃時通知ERC隔離警報，並於發電機停機前必須降載到最低功率(每台機組200kW)冷卻運轉10分鐘後才可停機。

❻柴油灌充區之油水分離槽水位高度警報影響動作邏輯

為確保灌充區排放雨水而非柴油，油水分離槽第四槽即將滿溢前，都會先前往現場以人工目視確認後再進行排放，故平常抽水判斷功能需要放置手動，因此需要能自動進行油水判斷並且能自動排放。目前改善方式為採用「雙浮球機制」(如圖9)，設計原理為油水分離槽第一槽多設置柴油浮球(如圖10)，當此柴油浮球浸泡的液體(正常狀況下只有水)含有柴油時將因柴油浮球比重較柴油大而下沉，藉此連動停止油水分離槽第四槽的抽水馬達，避免異常滲漏的柴油被誤抽至廢水處理池而造成環境汙染。

❼發電機系統相關電器接點防水能力不足(水霧區域)

發電機房除了多為發電機與灑水系統外，還有相關電器接點設施如變壓器、發電機Busway電力接點、消防電控元件等電力元件，因消防水霧噴灑當下有可能造成電力短路或異常，因此需要加強防水功能，改善方式依照各廠區經驗做為參考，如變壓器安裝裝甲盤、Busway電力接點遮蔽材質改防水用料、電控元件區域增加遮蔽空間等。

❽發電機房未設置地排(水霧區域)

如同第七項說明，發電機房水霧區域灑水設備啟動，倚靠大水量撲滅火勢，因大部分廠區發電機房位於高樓層，若無排水設施將宣洩至各區域造成淹水問題，此時需要路徑做排水，設置方式依廠區發電機組及發電機房配置等各自的現況進行引接、改接等排水管理。

3.3 運轉參數管理

以往各廠區發電機組運轉保養實務上會到現場操作發電機啟動並記錄現場各參數值後回填FAM表單作為紀錄，藉由檢視各參數值是否符合PMOI定義的spec上下限而判斷機組正常與否。雖然當下參數值可判斷發電機組的好壞，卻無法看出長時間以來每台發電機是否有老化、離群的現象。

發電機組有非常多的參數可以做為運轉指標，舉凡引擎運轉參數(油量/可運轉時數)、電氣運轉參數(電壓/頻率/功率)、油量運轉參數(油壓/水溫/轉速)等，依據不同的參數顯示當下運轉狀態，不論是從建廠到保養或維修機組都是接近於相同時期完成，故特性應趨於相近，以單一數據來看僅可說明發電機正常與否，若用長期趨勢來看並以群組檢視可觀察各項特性下的微妙變化，與機組互相比較後更可了解好跟不好的差異，因此現階段各廠區皆已進一步建立運轉參數的回傳紀錄(圖11)，都可藉由群體的運轉紀錄數值確認趨勢(圖12)，觀察趨勢圖將能進一步發現每一台發電機潛在的風險，提早研究改善。

3.4 人員培訓與精進規劃

不論是台積員工或維護廠商都是不可或缺的角色，需要更良好的經驗與深度的學習，因此要不斷的自我學習，計畫培育人才以及精進學習格外重要，一起共同成長並更加深入了解，依序將規劃內容分為四個階段，基礎培養、技術訓練、訓練中心以及專業指導進行說明(如表5)。

❶基礎培養：發電機知識首重於基礎培養上取得對發電機的認識與技術教學，以既有的知識中更容易獲得與閱讀，如藏經閣、SOP或checklist等資訊，藉由前人經驗了解發電機在操作與流程上的相關知識。相對於廠商在一般維護人員上需要有內部機械與電控技術認證，確認在廠內施作人員都具相關經驗與訓練的良好基礎。

❷技術訓練：藉由現場的實際經驗與觀察讓人做中學，在平常的保養維護中，透過現有FAM表單內容與作業觀察，學習並了解整個流程，不斷的加強與調整外，使手法更加完善。發電機現場的查修與維護需要仰賴廠商的技能，除了保養前需要技術認證外，皆須取得原廠保養合格證明，確保維修與品質。

❸訓練中心：為了提高本身的專業度需要有個專門訓練的地方，提供更好的學習環境如廠務學院或外部建置的訓練中心等，透過專業人員的解說與現場模擬，可以更了解發電機的冷卻系統、控制系統或引擎構造等平常無法深入了解的細節。同時廠商的專業度也需要提升，即使資深人員也需要定期深造、學習。

❹專業指導：以往發電機較為複雜的問題無法被維護廠商解決時，需要更深入的專業探討與指導，此時外援的方向可尋求原廠技師或學界專家來進行顧問或授課，取得更有利的專業參考。

4.未來展望與結論

隨著今年持續限電措施甚至可能更加頻繁，在緊急發電機從「備用」轉為「常用」狀態下，勢必需要改變以往不同的保養機制以及增進應變知識因應，面對發電機可能長時間使用的挑戰下，各廠區除了針對發電機進行改善外，還新增保養項目來防範發電機事故的發生；而在運轉管理方面，將所有發電機運轉資訊完整呈現於Power SCADA作為發電機啟動妥善率指標，藉由參數趨勢圖來有效分析發電機機況，提早發現潛在風險，除了持續修正與改進發電機運轉條件外，還需精進培訓規劃來不斷增加自我知識與克服挑戰。

面對大環境改變所帶來的嚴峻挑戰，現今的發電機保養已不單只靠現有的人力、技術、知識，更要結合現有資源如參數平台和業界交流等，並以現有資源進行快速應變，盡量減少間接性廠區急電系統維護負擔為最大目標。