【视角】现阶段台湾工业节能技术应用

提升ORC关键元件效率

高等熵效率膨胀器：膨胀器影响ORC机组热效率权重占70%以上，为ORC机组主要核心技术。发电量200千瓦时，以螺杆膨胀机为热功转换核心，并直接驱动发电机产生电力，其等熵效率65%～75%。发电量200千瓦时，以高速涡轮机为热功转换核心，以减少体积和重量，且其等熵效率达75%～85%，但需配置减速机构以耦合发电机组(或采用高速发电机)。

高效能蒸发器：蒸发器沸腾工作流体，产生蒸汽，以推动膨胀器。沸腾热传属双相流技术领域，因此建立蒸发热传增益壳管式蒸发器技术，以提升系统热效率，并降低热传面积需求、减少体积，可降低蒸发器制造成本。

高效能冷凝器：冷凝器冷凝做功后(流经膨胀器后)的汽态工作流体为液态。冷凝热传属双相流技术领域，因此建立冷凝热传增益壳管式蒸发器技术，以提升系统热效率，并降低热传面积需求、减少体积，可降低冷凝器制造成本。

高等熵效率升压泵：升压泵加压冷凝器流出的液态工作流体，并送入蒸发器内。目前用于冷媒工作流体的升压泵等熵效率40%～50%，仍有技术研发和突破空间。升压泵加压液态工作流体，虽然其等熵效率低，但耗损功率仅占机组热效率5%～10%。

在经济面上，还需考虑岛内用户端低温废热规模、现行电价、经济效益和制造端获利能力。比较各国和地区小型ORC机组发电容量和售价，并预估商品化ORC机组的发电容量将介于30～500千瓦，售价为1000～1200美元/千瓦。以此ORC价格，并依据ORC废热发电用户端热源条件(烟气、制程冷凝水、废蒸汽等)、取热困难度、排热条件和厂区工程等因素，一般ORC用户端投资回收期在2～5年间。以装置容量为200千瓦的ORC机组运用于15℃热源为例，假设机组售价1000美元/千瓦，周边设施建设成本为1500美元/千瓦，年运转时数为8000小时，净发电量为总发电量70%，总建设经费初估为新台币1500万元。机组寿期设定为20年，年运维成本为机组成本的8%，折现率为6%，则年均化发电成本为1.25元/度，回收年限为3.8年。

目前岛内已建立螺杆机ORC系统工程(包括用户端需求分析、冷/热源可发电量分析、系统热力性能分析/优化、规格制定、机组配置、P&I规划、系统整合/调适)、关键元件开发(包括螺杆膨胀机、蒸发器、冷凝器等)、机电控制等核心技术，并在工研院中兴院区建造10～100千瓦和150～500千瓦两座ORC机组性能测试实验室，可变动冷热源温度和流量，提供ORC机组的热力性能测试和耐久测试。期间也结合岛内精密机械、机电和冷冻空调优势产业，并与螺杆式压缩机大厂合作，改型量产的螺杆式压缩机为螺杆式膨胀机，成功开发10千瓦、50千瓦螺杆机ORC机组。至此，岛内ORC机组自制率达百分之百，且热力性能优于国际同级产品。

如今岛内低温废热回收发电技术尚在起步阶段，其中螺杆机ORC发电技术已有成熟技术，可建设10～300千瓦发电量的机组。涡轮ORC发电技术目前正在研发中，适合200～1000千瓦的单一机组发电量，预计在2016—2017年左右可出现正式商转机组，进一步带动产业技术升级。

鉴于岛内工业部门低温热能条件和目前产业技术能力，现阶段发展发电容量500千瓦的ORC产品。ORC机组热能转换引擎核心(膨胀器)采用螺杆膨胀机或涡轮机(见图2)，依发电容量、膨胀器热效率和经济效益划分产品型态和研发方向：

发电容量200千瓦时，以螺杆膨胀机为ORC引擎核心：螺杆膨胀机属于容积式动力元件，一般设计于低速运转(转速3600转或3000转)，其工作风量为100～1500立方米/小时;若有大风量应用需求，转轴和螺杆尺寸线性增大，造成机械和转子轴系设计困难，且不符合经济效益，则必须诉诸动力式离心式压缩机。螺杆膨胀机系由螺杆压缩机衍生而来，工作风量100～150立方米/小时，相对应的ORC机组发电容量为10～200千瓦。改型、调适岛内自行研发的螺杆压缩机产品为螺杆膨胀机，可快速切入市场。

发电容量200千瓦时，以涡轮机为ORC引擎核心：涡轮机属于动力式动力单元，属于高速旋转机械(一般转速>10，000转)。虽然涡轮机也可设计于小功率发电机组，但其涡轮转子叶片高度小，涡轮等熵效率因间隙损失增大而下降，造成ORC机组发电效率低。机组发电容量增大时，涡轮机的等熵效率因间隙损失降低而提升，因此热力性能表现优于螺杆机ORC。而且，高转速也大幅缩减涡轮机和转轴尺寸，产品可以达到紧致设计要求。

由于岛内具备优势的机械、冷冻空调、电机和热交换器产业，同时具有小型ORC机组产品系列研发能力，若同时建立现场冷源、热源需求分析、发电量优化分析、机组建造和后勤维修等工程能力，且研发具有价格优势的ORC产品，则可解决上述国际小型ORC机组仅提供单一产品和局限冷源、热源使用情形。

工业节能管理技术开发

依据政策性需求及岛内产业现况，以及参考国外能源通讯技术发展，台工业主管部门目前正在积极推动开发适用于工厂等耗能场所的节能管理技术，以及智慧电表系统所需各项关键软硬件技术，同时采用系统建设验证及产业的推广模式，提供能源管理相关技术工具，提升能源使用效率，协助台湾企业达到二氧化碳减排目标，并促进岛内能源资通讯产业成长。以下为近年来的主要研发成果。

符合美规的智慧电表通讯模组与测试平台：已完成符合ANSI  C12.22的通讯转译软件和ANSIC12通讯相容性测试工具与环境，协助岛内企业快速完成符合ANSIC12规范的智慧电表，并进入国际市场。另在2011年完成研发的DLMS/COSEM测试测试平台，协助大同公司在两周内通过两件符合IEC62056的智慧电表产品认证，有效缩短认证之间并降低成本投入，以利厂商开发原型产品。

电表网络系统通讯效能评估与自愈管理技术：完成在无线通讯网络受干扰的环境下可自动侦测通讯效能降低，并启动拓朴重建、通讯备援、警报等自愈功能，避免出现电表信息无预警遗失状况;目前正在研发电力线网络层通讯管理技术，包括网络路由器自动产生、路由器失效时的拓朴更新与节点故障侦测与修复。

电表网络安全的金钥管理技术：已完成自动化DLMS/COSEM-based金钥管理机制开发，包括电表安装阶段的金钥初始化机制与电表运行阶段的金钥更新机制，其中电表安装阶段的金钥初始化机制解决DLMS标准电表与集中器需事先输入配对金钥问题，可大幅提高电表布建的速度，并建立自动化PKI凭证管理机制，可随时侦测集中器是否被窜改。

燃烧系统模型构建技术：以数据导向的应用完成燃烧系统内各元件的描述，快速建立燃烧系统的模型，用以了解制程参数间的关连性。并与台塑公司完成企业先期合作案，以此建模软件搭配在线软件工具，完成聚乙烯生产制程的MI虚拟仪表建设方案。

燃烧系统优化操作技术：通过燃烧空气量的微量调整，在符合空污管制范围内，有效提高汽电锅炉的燃烧效率，减少0.5%～1%的燃料使用，并减少燃料使用量与空气污染物(NOx)排放，以实测石化头份厂的汽电共生炉(60兆瓦)为例，每年约可节省新台币600万元的燃料费。

风机系统最适化控制技术：完成具风机性能分析、模组化设备管理与即时监测功能的图控软件及具备模糊决策控制的动态追随节能控制器模组，可通过无线感测网络(WSN)进行各种类比/数字感测资料收集与控制功能，满足管路压损、功耗最小化等限制条件的风机并联最适化运转控制技术，节能效益可提升5%～10%以上，该技术预计导入新竹科学园区笃行污水处理厂进行应用示范。

非接触超音波流量仪表产品技术：完成具备无线感测传输的流量计仪表模组及夹管式探头，适用于管径范围50～300毫米，实现最高流速20米/秒的测量能力，实际验证误差<±2%。