發電機冷卻水箱保養技術與品質提升探討

1.前言

近年因台電備轉容量不足造成電力系統供電不穩定，在必要時台電端會要求大用戶利用發電機啟動參與降載，避免因供需不平衡造成電力系統崩潰。由於全球暖化以及科技發展，用戶負載量不斷上升，再加上台電發電機組老舊陸續淘汰換新，新機組來不及補充，導致近年來台電端備轉容量率更是不足。承上述原因廠內備用發電機狀態日益重要，如何讓發電機維持健康狀態保持可隨時啟動，已成為目前至關重要議題。台積電廠內發電機均為柴油引擎，當柴油引擎水溫過高常會造成散熱器內冷卻液沸騰、柴油引擎功率下降、潤滑油黏度降低、柴油引擎機零部件摩擦加劇，甚至會導致柴油引擎拉缸、汽缸墊燒毀等嚴重故障，如此可知柴油引擎冷卻系統對引擎影響甚鉅，本篇主要講述發電機水箱保養技術，及目前遇到發電機水箱問題探討與解決。

2.文獻探討

2.1 柴油發電機

2.1.1 柴油引擎

柴油引擎（Diesel Engine）是內燃機的一種。其主要特徵為使用壓縮產生高壓及高溫點燃氣化燃料，而不須另外提供點火。柴油引擎使用的原理稱為狄塞爾循環，為德國工程師魯道夫·狄塞爾在1892年所發明^[1]。

柴油引擎工作原理，一個完整週期主要分為四行程，進氣(Intake)、壓縮(Compression)、動力(Power)、排氣(Exhaust)如圖1，當進入進氣行程時進氣門打開，活塞位置由上死點(top dead center, TDC)往下死點(bottom dead center, BDC)下移，新鮮空氣進入缸內，如圖2，而壓縮行程時活塞位置BDC點往TDC點上移，引擎開始壓縮使溫度及壓力都變大，當壓縮行程將接近尾聲，噴油嘴會將柴油以霧化的方式噴出，在高溫高壓環境下爆炸產生動力，而動力行程時活塞位置TDC往BDC下移，帶動曲軸產生轉動力量，當引擎燃燒結束後進入排氣行程，最後排氣時排氣門打開，活塞位置BDC往TDC上移把廢棄全數排放出缸外，不斷重複使曲軸不斷轉動^[2]

柴油引擎的省油效率較佳、因此可以減少二氧化碳排放，而且柴油引擎在中低轉速即可提供高扭力的特性，對於日常的行車能提供較佳的實用性，因此大客車、貨車等商用車大多以柴油引擎驅動。但相反的它也具有污染較高的問題，長碳鏈有機化合物燃燒後易產生主要以碳粒為主的懸浮微粒（SS）與超細懸浮微粒（PM2.5），再加上高溫高壓下亦產生的氮氧化物（NOx）及硫化物（SOx）。

氮氧化物（NOx）：柴油引擎燃燒空氣中氮氣所生成的氮氧化物，在引擎燃燒室中為高溫高壓環境，迫使空氣中的N₂與O₂產生化學反應，進而產生氮氧化物，只要不是高濃度情況下人體都不會有危險，但是NO活性高，易與空氣中氧氣混合氧化成NO₂，NO₂是紅褐色有毒氣體，不僅影響視線，且會引起呼吸系統方面之疾病、肺部腐蝕與刺激^[3]。

硫化物（SOx）：一般柴油皆含有硫化物，而在燃燒時會產生SO₂及SO₃，但SO₃含量極低可忽略不計，而在燃燒情況下會有其他硫化物產生，如：SO、SO₂、S₂O；但由於它們化學反應能力極強，通常是以中間體型態出現在氧化反應中，而柴油引擎亦會生成些許硫酸鹽類的微小粒子，會引起機具腐蝕，且硫化物會影響氮氧化物的生成，而柴油引擎產生最多之SO₂對於人體黏膜（如：眼睛、喉嚨）以及呼吸系統有極大傷害^[4]。

2.1.2 柴油引擎發電機

柴油發電機優點引擎啟動迅速、機動性較高，可在短時間內因應負載變化運轉維護較容易，其缺點引擎造價費用較高，且機組件構造較複雜且噪音大發電成本高，故多使用在緊急發電機或小規模的發電系統使用(離島電力系統)^[5]。

目前台積公司發電機主要承攬商為安葆電能，型號及相對應廠區如表1，為新廠區常使用的Kohler 2000REOZM 發電機(圖3)，主要優點為維修費用較低，故新廠區常使用。

2.1.3 柴油引擎冷卻系統

柴油引擎由於運轉時汽缸溫度會上升，需透過冷卻水在引擎內部循環散熱。水冷引擎都透過齒輪驅動水泵來循環冷卻水，由水泵驅動的冷卻水經過引擎內部特製的水套將引擎的熱能帶走。吸收熱能後的冷卻水再將熱能傳遞給水箱，透過水箱本體與空氣接觸散熱。水箱通常經過特別設計，有多個微小葉片能夠增加水箱本體與空氣的接觸面積，增加散熱效率。

冷卻循環可分為「小循環」與「大循環」。小循環是指冷卻水僅在引擎內循環，而大循環則是冷卻水在引擎與熱交換器(水箱)間循環。由於引擎在冷車時溫度低，此時少量的冷卻水在引擎內作小循環，使引擎能迅速達到工作溫度；一旦引擎達到工作溫度，控制大、小循環轉換的節溫器(水龜)則會開啟，讓冷卻水能流至水箱內讓空氣將熱帶走，引擎溫度越高，水龜開啟的程度就越大，冷卻水的流量也越大，好帶走更多的熱量。冷卻水的循環是靠水泵帶動的，水泵則是由引擎的運轉所驅動，所以當引擎轉速越高，水泵浦的運轉效率也越高。所以冷卻水系統除了幫助引擎散熱外，還有維持引擎溫度的重要功能。

2.2 冷卻系統及常見故障

冷卻系統對於柴油發電機來說非常重要，是幫助柴油發電機散熱用的，在很多情況下都可能對散熱器造成腐蝕，影響其正常使用。腐蝕可以說是散熱器產生故障的最主要原因，因為在使用過程中，由於鰭片需要透過引進大量的空氣進行熱交換，故空氣中的水分子以及酸/鹼分子有機會附著於此，經長年累月不斷地腐蝕，最後水箱從外部腐蝕至內部造成漏水^[6]。

另外震動也是水箱漏水的元凶之一，由於發電機引擎為旋轉機器，故旋轉造成的震動會四處傳遞，並在交接脆弱處進行破壞，產生漏水風險。

❶公司內實際故障案例一

本公司F15P4 Gen#01發電機散熱水箱鰭管組，有多處滲漏狀況，造成發電機低水位無法正常使用。圖4為F15P4漏水位置(以白色膠帶做標示)，從圖4發現表面很多鏽蝕的痕跡，為證實酸鹼造成水箱外部鰭片腐蝕，擷取故障散熱水箱鰭管組(20cmX20cm面積)，以中性水沖瀝表面附著物，石蕊試紙測試沖瀝汙水PH值，結果為PH3~4顯示有酸性物質附著於鰭管組外部表面，由於發電機於半戶外易有其他粒子附著造成腐蝕。

❷公司內實際故障案例二

本公司F18P1 Gen 近期因為多次起停造成數台水箱漏水，主要漏水位置為水箱與水管三角斜撐連接處破裂造成，其主要原因為震動造成，為避免震動在上水管新增支撐架(圖5)，雖有效降低震動其震動值(圖6)，但水箱漏水事故依然頻傳，深入調查主要原因為裝支撐前水管已經有受損，經過多次起停使損傷位置更加嚴重，為避免發電機臨時因為水管破損導致無法正常發動，需要在未破損前預先發現即將破損位置，減少不確定因素造成停機，本篇使用染色探傷方式進行檢查，達到預防發電機無法正常啟動的不確定性的因素，常造成破水位置及架構圖片如圖7。

建廠初由於水箱與水管連接處三角斜撐(gusset)常有漏水問題，故原廠科勒(KOHLER)有針對該問題進行分析，並增加上水管支撐架來降低震動。於水箱與上水管連接處應力用最大三個點上(1~3)採樣震動數據(圖6)，從該三點可以清楚知道整體震動是否有轉移並降低，從現場實驗來看雖然安裝上水管支撐之前與安裝後，發電機均達到水箱原廠科勒(KOHLER)定義標準50mm/s以下，但安裝前後確實有降低震動，安裝上水管支撐效果確實顯著。

安裝上管支撐後水箱與水管連接處三角斜撐(gusset)頂點仍常常成為破裂點，判斷為未安裝上水管支撐前(本廠於運轉1~2年後才加裝)，發電機多次保養啟動震動造成宿疾隱患存在，後續增加上水管支撐為時已晚導致災情頻傳。

3.研究方法

3.1 目前冷卻系統保養手法

在柴油發電機組整個機體當中,散熱水箱對於保障機組正常運行起著相當重要的作用，如果對其使用不當，輕者會損害柴油機和發電機組，更為嚴重時,可能會導致柴油機報廢。由於本公司發電機置於半戶外，灰塵及水氣較重的環境，散熱器的縫易被碎屑，昆蟲等物堵塞，而這將影響散熱器的效率。目前針對發電機冷卻水箱可以分為內部及外部保養兩種：

❶外部目視檢查：

• 檢查水箱外觀是否有卡石頭、灰塵或腐蝕
• 檢查冷卻水管、水箱有無滲液
• 檢查冷卻水幫浦是否有正常運轉
• 檢查冷卻系統基礎座是否有鬆脫滑落

❷內部保養：

內部定期每年年保進行更換冷卻液，年度保養放水，更換新冷卻水、加防鏽劑DCA4(5GAL X 1+0.5GAL X 7共8.5GAL)。在加水環節因冷卻水箱內部鰭片眾多，為避免加入大量空氣(氣泡)，造成後續發電機啟動後碰觸低水位(Cooling Water Low)，加水需要緩緩加排放空氣，以保持冷卻水系統內無氣。

3.2 改善水箱保養技術

於發電機組年度保養時，增列散熱鰭片清潔作業(利用壓縮空氣進行清潔)，維持散熱水箱最佳性能，並減少外部有害物質累積，造成鰭管組外部環境侵蝕損害，使用壓縮空氣時，佩戴安全護目鏡、安全帽、手套和其他必要的防護裝備可能會導致嚴重傷害。並目視檢查散熱器鰭片是否有孔洞和裂縫，檢查散熱器鰭片，從與正常氣流相反的方向吹壓縮空氣。建議可以使用染色探傷方式找出水管脆弱點，並於未破損前立即焊補，達到保養與預防標準。

3.3 水箱宿疾改善與水箱品質提升

3.3.1 各廠水箱比較

由表2不同廠區水箱型號差異中找尋相關性，目前安葆提供水箱廠牌及水箱型號如表2，水箱型號繁多但其中只有水箱型號為803322廠區，發生上水管破裂，其中F18P1已漏水台數累計達7台、F18P2為3台、F14P4為2台，故該型號需要做整體的檢討及改進。以目前來看可以知道水箱803322為2020年前出產水箱，由於經查為未經過嚴格QC環節造成該型號焊接品質不佳，因震動造成脆弱點產生。

3.3.2 非破壞性檢測方式

非破壞檢測(NonDestructive Testing, NDT)是一門工業基礎工程，也是一門應用科學。在技術上非破壞檢測方法，不僅會找到一個缺陷，但也可以用來衡量一些有關的缺陷，例如它的大小，形狀和方向。另外非破壞檢測也可以用來確定材料屬性，如斷裂韌性，成形性，以及其他物理特性。大致有放射照相檢測（Radiographic testing, RT）、超聲波探傷（Ultrasonic testing, UT）、目視檢測（Visual testing, VT）、滲透檢測（Penetrant testing, PT）、磁粉探傷（Magnetic Particle Testing, MT)，其中RT量測機器過大，要上水箱量測施作來說不方便，具放射性輻射危害問題，且成本較高故暫不考慮；UT缺點為量測物品太薄難以判斷損壞位置；然而MT需要有明顯斷裂面才會顯著，故較難做到預防效果。

PT檢測則是利用染劑附著在材料上，「以特定的滲透液對物件表面瑕疵加以檢測」。其原理係將滲透液以毛細作用滲入被測物件表面形成一連續及合理、均勻的鍍層，滲入被測物件內層空隙或裂縫，然後藉染色或螢光等，以辨別瑕疵。過程透過毛細現象進行滲透，經清水清洗後塗上顯影劑，可以明確知道焊道表面弱點，由於過往運轉經驗水箱破損絕大部分均為外部應力造成，故本篇使用PT檢測探傷具有效預防因外部應力造成的水箱破損。

為了避免水箱及上水管間油氣及表面烤漆影響結果，做染色探傷(PT)前有先針對檢測位置做去漆動作，去漆後進行表面清潔，接下來使用侵透液進行滲透20~30分後，使用大量清水及擦拭布進行清洗，最後噴上顯像劑，有紅斑點為損壞點或水管薄處(圖8)。

3.3.3 散熱水箱連接水管品質提升

上述由於第一階段改良尚未達到防止漏水效果，經多次商討後我們與科勒、安葆達到共識切斷三角斜撐以拯救目前發電機目前已傷到的脆弱位置，科勒(KOHLER)使用有限元素分析(Finite Element Analysis, FEA)方法分析應力，並針對目前水箱結構進行改良，切斷目前使用的三角斜撐搭配第一階段改倆的上水管支撐進行分析。

分析軟體使用(Ansys 2020 R2)進行結構的整體分析，原本有三角斜撐(架構一、圖9)應力分X、Y、Z軸方向應力單位為MPa(壓強單位，Mpa是單位面積受到的壓力)，與改良後進行分析比較(圖10、圖11)，由表3清楚看出切斷三角斜撐後，加上上水管支撐，明顯有效降低應力在水箱以及水管連接面上於X、Y、Z任何方向，更改後除了可以解決目前三角斜撐弱點外，也可以降低連接面應力一舉多得。

4.分析結果

染色探傷結果

因本廠運轉經驗水箱及水管破損均為外部應力造成破裂噴水，故使用上述染色探傷(PT)方式進行預防，F18P1整廠共40台發電機進行檢測，其檢測受試溫度為28℃、滲透時間10~15min、顯像時間5~10min、檢測規範及接受基準使用CNS 11047規範，檢測結果共5台發電機具有破損風險發電機組，其中有2台是支援台電發電造成水箱破損機組待修補中，檢測後已焊補修復完成。另外3台則是尚未漏水機組，從測試後圖片可以看出，均出現在三角斜撐與水管連接處，破損位置及檢測結果如圖12，從圖可明確看出較深色處(粉紅色)為檢測出破損或弱點處如紅框，由於主要目的要看水箱與水管焊接是否有裂痕，雖有其他深色處但不再此範圍內，且也不會造成水箱漏水故忽略不計。

本廠某幾台發電機已焊補過多次，管材已凹凸不平粗糙不堪，經數次與廠商協調討論，除了著手進行三角斜撐的移除之外，切割上水管進行管材更換，為避免太長以及減輕震動，將水管切成兩段式(架構三、圖11)，透過軟管連接達到減震以及減輕管重功效如圖13，並針對移除後發電進行量測震動數據收集，使用震動量測儀器，使用原廠與改裝後發電機組進行震動量測點1~6進行比對，且發電機組加載至500kW、1000kW、1500kW，如表4，可以明顯看出改良後震動確實變小，且兩者間符合原廠震動仍符合>50mm/s標準。

雖然改良後數據前後差距不大，但架構三確實可以減輕震動，也可以解決原本三角斜撐所造成的脆弱點問題，適用在發電機水管破損後放水拆水箱，進行架構三改良。

 

5.結論

由於發電機冷卻系統對整體機組非常重要，故冷卻系統保養及妥善率更不容小覷，綜合上述提出結論把增加的保養項目及改善發電機上水管架構做總結，未來在廠區保養上可以新增外部清潔保養，來確保發電機散熱系統之散熱功能。

另外在水箱水管破損之宿疾上進行改良，雖然架構一、二、三，均符合柯勒原廠50mm/s震動標準，但以現場實際運轉經驗來說，確實架構一具有脆弱點產生，故需更改至架構二和三，本廠依據水箱損壞及健康程度進行判別，先使用染色探傷(PT)預先找出破損之機組以及修補多次之發電機組，進行架構三改良，其餘正常狀態之發電機組，一律改良成架構二型式，其原因為架構三需要付出很多人力及時間成本，故需視目的進行修改，所以本廠僅針對水管破損之發電機組進行架構三的改善，其餘沒有破損之發電機改良成架構二。

2022年底廠商有針對既有廠區水箱以出廠年份2020以前出產及水箱型號(803322)進行三角斜撐切除共切除187台；在新設廠區由於出廠年份及水箱型號均不同，也未曾有案例新設廠水箱破損等相關問題，故持續觀察且暫不處理。

目前改良下來發電機組均未出現漏水現象，且改良後操作運轉時數已達數小時尚未重複發生。以目前運轉經驗來說，改良後確實完整提昇了發電機組妥善率，希望未來時間拉長遠可以進一步驗證架構二、三改善後的成效。