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地熱發電技術(二):發電機組技術 - 蒸氣渦輪發電機

電力是現代文明生活的重要推手,發電機組將各式不同的機械能精油電磁感應轉化成電能,其中,以蒸汽動力推動渦輪的發電機組被我們稱為「蒸氣渦輪發電機」。早在十七世紀,蒸汽機的應用就已經非常普遍,更因此帶動了人類科技文明發展中的重要里程「工業革命」。由於環保意識抬頭,再生能源的發展勢在必行,其中地熱資源如同火力發電所採用的化石燃料,可以提供高壓蒸氣、熱水推動渦輪發電。根據地熱資源的不同,地熱蒸氣渦輪發電可以分作兩類:「乾蒸汽式」及「閃發蒸汽式」,而目前國際間多採用閃發蒸汽式地熱發電。雖然地熱蒸氣渦輪發電並無如火力發電排放廢氣,但在生產地下熱流體的同時,也有排出地層中有害氣體的疑慮,且其生產管線容易受到地下流體化學性質的影響,造成結垢、腐蝕等問題。因此,在營運時,必須有周全的考量,妥善維護及處理排氣,以避免環境破壞及發電量衰竭。
 
 

蒸氣渦輪,地熱電廠將高溫、高壓的蒸汽注入渦輪中,推動渦輪轉動,旋轉的機械能透過電磁感應被轉化成電能。 (圖片來源:Business Wire)
▲蒸氣渦輪,地熱電廠將高溫、高壓的蒸汽注入渦輪中,推動渦輪轉動,旋轉的機械能透過電磁感應被轉化成電能。 (圖片來源:Business Wire)

電力是現代文明生活不可或缺的血脈,他悄悄的推動著科技及文明的演進,為民眾帶來更加舒適及便捷的生活。而這些電能是透過發電機組將各種不同的「機械能」(風力、水力、蒸汽等)在磁場中轉動線圈,利用「電磁感應」轉化成電流而來,在各式不同種類的發電機中,又以「蒸氣渦輪發電機」最為常見。

 

蒸氣機問世,帶動渦輪發電

 

早在17世紀末,利用水蒸氣中所含的動能推動機械的蒸汽機便已經問世,如今人類對蒸氣動力的發展應用已經十分成熟。而所謂的「渦輪」則是利用流體推動旋轉原件的一種發動機形式。其中,風車、水車可以說是人類最早發明的渦輪發動機,他們分別以空氣及水兩種流體來推動扇葉產生旋轉。「蒸氣渦輪發電機」便是以蒸氣作為動力來源,推動渦輪扇葉產生機械能,將機械能轉換成電能的發電機組。蒸氣渦輪發電機的應用範圍十分廣泛,最常見的是用在火力發電,利用燃料燃燒加熱液態水,形成高壓蒸氣推動渦輪。除此之外也可以配合核能使用,利用鈾等放射性物質衰變連所反應所產生的熱來達到加熱效果。當然,蒸氣渦輪發電也適用於地熱發電。

 

 

地熱資源性質,改變發電模式

根據地熱資源的性質不同,可將地熱蒸氣渦輪發電分成「乾蒸汽式」及「閃發蒸汽式」兩類。當地熱資源較接近地表,地層壓力較小的情況下,地下泉水因壓力減小而成為完全氣態的蒸汽,此狀態下便可以直接生產地層中的水蒸氣以供「乾蒸汽式」發電(圖一)。乾蒸汽式地熱電廠直接產出地層中的水蒸氣,送至氣輪機推動渦輪發電,發電後的蒸氣經由冷凝後可以回注地層,維持地層流體儲量。乾蒸汽式地熱發電是最簡單的一種地熱發電法,全世界最早開始利用地熱能發電的義大利Larderello地熱區便是採用這種發電機組。但可以提供乾蒸汽的「熱岩資源」區域極為稀少,僅佔全世界地熱資源約10%,因此目前世界各國的地熱發電廠大多使用「閃發蒸汽式」發電機組。

 

一般來說適合開採的地熱資源多為「熱液資源」,意指在深層高溫岩層孔隙中含有大量的熱泉水與蒸氣混合的流體,在將地下熱流體生產出來後可以透過單段或多段「閃蒸」,一種利用降壓使高溫液體快速化為氣態的步驟,產生大量蒸汽,並經由氣液分離裝置分離出蒸汽,以蒸汽推動渦輪發電(圖二)。閃發蒸汽式發電最早出現在1958年紐西蘭,發展至今技術已經相當成熟、可靠。但閃發蒸汽式系統通常需要攝氏180度以上的高壓熱水來產生足夠的蒸汽以推動渦輪,否則發電效率低下。以台灣清水地熱為例,該地區在1500公尺深的地層溫度約為攝氏165度,且產出流體80%以上為熱水,若採用閃發式地熱發電則會浪費大量熱流,且無法產生大量蒸汽以推動發電機組,導致發電效率不如預期。為了更有效率的使用地下熱流,有人提出「總流式」發電機組,同時利用熱水及蒸汽兩相混合流體來推動經特殊設計的低壓渦輪。但「總流式」發電機組的技術尚未成熟,還有待開發,若能發展成功,便能有效降低地熱發電的溫度門檻,始地熱發電更加普及。

 

蒸氣渦輪地熱發電的方式是透過生產地下熱流推動渦輪以達發電的目的,但在地下熱流產出至地表的同時,地層中原有的有害氣體(二氧化碳、硫化物等)也隨之被排放到大氣層之中,如此結果有違地熱發電環保的初衷。同時地下酸性流體也容易侵蝕管線,溶於地下泉水的礦物質也容易在生產管線中結垢,影響流體生產並縮短電廠壽命。因此,在營運蒸氣渦輪地熱發電廠時,必須作出周全的評估考量,妥善維護設備以避免發電量的衰竭,這也是未來台灣地熱電廠所必須面對的重要課題。

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

審校:沈建豪

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