TWI565216B - Integrated Application System for Marine Environmental Protection - Google Patents

Description

海洋環保發電應用整合系統

台灣以海洋立國，海洋是我們最豐沛的水資源，尤其是東部地區。政府非常重視東部產業發展，依據行政院經濟建設委員會96年定案之「東部永續發展綱要計畫」，綜合發展分析，東部地區適合發展觀光渡假、有機休閒、優質生活、文化創意及海洋生技等五大利基型產業，其中海洋生技產業即以深層海水藍金產業為發展主軸，台灣東部發展深層海水產業具備地理環境優異、水源優良充沛、佈管取水容易及多元開發潛力等優勢。

深層海水具有低溫、潔淨、高營養鹽及富含微量元素等特質，台灣東部海岸陸棚狹窄，海洋深度落差大，向海延伸約2公里處水深即超過200公尺，此外東部海域黑潮經過表層，導致物種多元、營養鹽含量高、底表層海水溫差大，被國際公認為全世界海洋多目標利用最具有潛力的地區之一，充分具備發展海洋生技之條件，發展方向包括水製造業、水產養殖、食品飲料、健康、美容、醫療、農業利用、能源應用等關聯產業。

環保節能、低碳排放政策是先進國家應有的責任與使命。行政院95年核定「深層海水資源利用及產業發展實施計畫」，大力推動「深層海水」藍金產業鏈的形成，如何在環保前提下多目標利用一直是值得思考的議題，一般認為，深層海水產業園區化、社區化及觀光化最適合的規劃方向。

產業發展首重用電，如何以最環保方式取得電力為本發明之目的。本發明關鍵技術即在於提高電廠熱功循環系統之溫度差，利用深層海水降低冷源溫度並搭配適切方式升高熱源溫度以增加發電效率。執行之道包括：一、檢討如何更環保、有效再利用既有火力電廠之大量熱排放；二、構思無碳排放之再生能源發電系統方案。

供電無虞的前提下，抽取上來之深層海水亦能善加規劃應用，將使相關產業群聚共生，達成藍金產業園區化、社區化及觀光化之發展目標。

朗肯循環(Rankine Cycle)為習知熱功循環系統，T-S變化如第5圖(狀態1→2→3→4→1循環)所示，其內之工作流體物質可選擇氨(NH₃)或水(H₂O)，端視操作條件而定。以水為工作流體，舉例說明如下：

狀態1→2：藉由泵浦對工作流體施功W_p以增壓，此過程近乎絕熱壓縮操作，理想可假設為定熵(entropy)操作。

狀態2→3：藉由鍋爐將工作流體加熱Q_in成為高壓過熱蒸汽。

狀態3→4：工作流體轉動渦輪機降壓作功W_t再轉換成電力，此過程近乎絕熱膨脹操作，理想可假設為定熵操作，蒸汽降壓後品質會下降，形成部分細水滴。

狀態4→1：藉由冷凝器排熱Q_out使工作流體相變化成為水。

循環作功量=Q_in-Q_out=W_t-W_p，相當於T-S圖狀態1→2→3→4→1循環所圍面積，熱功效率η=(W_t-W_p)/Q_in，一般W_p<<W_t，故可忽略泵浦施功量W_p，且H₁與H₂幾乎相等，熱功效率η=W_t/Q_in=(H₃-H₄)/(H₃-H₁)，H為工作流體熱焓值。有些大型電廠為提高熱功效率，渦輪機採分段方式加熱降壓，例如分成高壓段、中壓段及低壓段，此時朗肯循環T-S變化如第6圖所示。

卡諾循環(Carnot cycle)為習知理想熱功循環系統，參考第5圖(狀態1→a→3→4→1循環)所示，狀態1→a為可逆絕熱壓縮程序(施予系統功W_1a，未有熱交換)，狀態a→3為可逆恆溫膨脹程序(熱源溫度T_h，系統吸熱Q_in，未作功)，狀態3→4可逆絕熱膨脹程序(系統作功W₃₄，未有熱交換)，狀態4→1為可逆恆溫壓縮程序(冷源溫度T_c，系統放熱Q_out，未作功)，循環作功量=Q_in-Q_out=W₃₄-W_1a，相當於T-S圖狀態1→a→3→4→1循環所圍面積，大於朗肯循環(狀態1→2→3→4→1循環)所圍面積。因此，卡諾循環為最佳熱功效率狀態，卡諾熱功效率η_max=(W₃₄-W_1a)/Q_in=(Q_in-Q_out)/Q_in=(T_h-T_c)/T_h。基本上，卡諾循環是無法達成之理想熱功循環系統，但可以作為建置實際熱功循環系統之評估參考。

隨著世界的原油的蘊藏量急速地減少，具有潔淨、永續、低含碳量、低污染等優點的再生能源，如太陽能、風力、地熱、海洋能及生質能等，已逐漸地受到世人的重視。這些潔淨能源如採熱功循環方式發電者，一般乃應用朗肯循環系統。海洋溫差即為海洋能的一種，封閉式海洋溫差發電即利用朗肯循環動力系統，將表層海水與深層海水之間的溫度熱能(溫度差)，轉換為推動渦輪機的旋轉動能，再利用發電機產生電力或直接輸出軸功率。當一海域的表層海水和深層海水的溫度差足夠時，便可以利用習知朗肯循環動力系統技術發電。基於這樣的條件，地球上最具有發展這種利用海洋溫差發電的地點便位於熱帶或亞熱帶海域。其原因在於，這些海域的表層海水溫度終年高達約20~30℃，深達600~1000公尺之深層海水溫度約為4~8℃。在上述熱源(即表層海水)和冷源(即深層海水)的溫度條件下，理想卡諾循環熱功效率約為4.0%~8.5%，而習知利用海洋溫差採朗肯循環發電的實際熱效率僅約為2.0~5.0%。

本發明提出關於海洋環保發電應用整合系統，設立於可取用深層海水之海岸邊，整合發電系統及海洋多元應用。關鍵技術即在於提高電廠熱功循環系統之溫度差，利用深層海水降低冷源溫度並搭配適切方式升高熱源溫度以增加發電效率。尤其是利用抽取深層海水作為冷卻流體可大幅降低朗肯循環中冷凝器平衡溫度，明顯增加熱功效率，T-S變化如第7圖所示，在渦輪機入口工作流體狀態條件不變下，約可增加T-S圖1-1’-4’-4所圍面積之汽輪機作功量。

本發明提出之海洋環保發電應用整合系統，執行之道如下：

一、整合發電系統及深層海水多元應用區，可搭配習知電廠之熱排放利用規劃建置或新建電廠系統時一併考量規劃建置，如第1圖所示，新建無碳排放發電系統係採朗肯熱功循環，特徵係利用環保加熱方式加熱工作流體形成過熱蒸氣，利用抽取自深海低於10℃之深層海水作為冷卻用水於冷凝器中冷凝工作流體，升溫後之深層海水可直接排放或導入深層海水多元應用區，其中環保加熱方式之熱源可來自火力發電廠之熱排放或由太陽能、風力轉換並輔以氫氣及氧氣混合燃燒加熱。

二、整合火力發電系統、溫差發電系統及深層海水多元應用區，兩發電系統採直接熱交換，可搭配習知電廠之熱排放利用規劃建置或新建電廠系統時一併考量規劃建置，如第2圖所示。兩發電系統均採朗肯熱功循環，特徵係設置一冷凝蒸發熱交換單元，其中火力發電熱功循環之工作流體流經該熱交換單元之冷凝區，溫差發電熱功循環之工作流體流經該熱交換單元之蒸發區，兩者行熱交換操作，即利用火力發電系統汽輪機排出高於40℃之水蒸汽及其流經冷凝區形成之凝結水作為溫差發電系統蒸發操作之熱源流體，並利用抽取自深海低於10℃之深層海水作為溫差發電系統冷凝操作之冷源流體，升溫後之深層海水可直接排放或導入深層海水多元應用區。

三、整合火力發電系統、溫差發電系統及海水多元應用區，兩發電系統採間接熱交換，可搭配習知電廠之熱排放利用規劃建置，如第3圖所示。兩發電系統均採朗肯熱功循環，特徵係利用火力發電熱功循環冷凝器排出高於35℃之冷卻用表層海水作為溫差發電熱功循環蒸發器之熱源流體，並利用抽取自深海低於10℃之深層海水作為溫差發電熱功循環冷凝器之冷源流體，冷卻後之表層海水與升溫後之深層海水可直接排放或導入海水多元應用區。

四、新建無碳排放發電系統及深層海水多元應用區，如第4圖所示，設立於可取用深層海水之海岸邊，該無碳發電系統包括朗肯熱功循環主發電設備、太陽能光電板及風力輔發電設備、海水電解設備、氫氣及氧氣儲存設備，特徵係利用太陽能、風力轉換並輔以氫氣及氧氣混合燃燒方式加熱朗肯熱功循環工作流體形成過熱蒸氣以推動渦輪機發電，利用抽取自深海低於10℃之深層海水作為發電系統冷凝操作之冷卻流體，升溫後之深層海水可直接排放或導入海水多元應用區。

以深層海水作為發電系統之冷卻水，放流大海時可避免溫水排放污染，並使附近表層海域營養鹽濃度略增，促進海洋植浮生長，吸引海洋生物，如魚類聚集，有海洋肥沃化之效果。由於其潔淨、富含營養鹽及礦物質成分，如善加多元應用，可促使相關產業群聚、活絡，達成園區化、社區化、觀光化之目標。

實施例1 ：溫差發電系統系統運轉操作分析

於可取用深層海水之海岸邊建置朗肯循環(Rankine Cycle)溫差發電系統，溫差發電系統之熱源可搭配習知電廠之熱排放利用規劃建置或新建電廠系統時一併考量規劃建置。循環系統內之工作流體物質可為氨(NH₃)或水(H₂O)，當熱源溫度低於100℃宜採氨(NH₃)為工作流體，當熱源溫度高於200℃宜採水(H₂O)為工作流體。溫差發電系統之冷源流體為每日抽取量100萬噸8℃之深層海水，熱源則來自搭配電廠之熱排放(訴求有效熱運用)或太陽能集熱鍋爐(訴求減少碳排放)。由於溫差較一般大型火力電廠小，渦輪機轉換成電能之修正係數保守以0.8計，不同條件下之相關估算數據如表1(η=0.6×η_max)、表2(η=0.8×η_max)所示，分析如下：

一、相較於傳統僅以海洋溫差發電之系統，冷源流體初始條件(抽取之深層海水初始溫度為8℃且抽取量相同)雖一致，但藉由熱源溫度提高，可使冷熱源溫差提升，輸出電力增加，如表1及表2實施態樣編號3與冬季、夏季僅以海洋溫差之輸出電力相比較所示。

二、溫差發電系統之實際熱功效率愈佳則輸出電力愈高，針對表1及表2同實施態樣編號之輸出電力相比較，表2(η=0.8×η_max)者大於表1者(η=0.6×η_max)。

三、當冷源流體初始條件與熱源均溫值條件一致之情形下，冷源流體帶走熱量愈多則輸出電力愈高，亦即不能只考慮提升冷熱源溫差。

四、整體而言，「熱源均溫值愈高」且「冷源流體帶走熱量愈多」則輸出電力愈高，亦即輸出電力最佳化要同時考量提升冷熱源溫差及提升冷源流體帶走熱量，不能只單方面考量。

五、抽取之深層海水通過冷凝器後允許最多升溫20℃左右，以避免放流大海時造成熱排放汙染。如抽取表層海水作為冷卻水則其排放時必然高於海水溫度，不可避免造成環境衝擊。

表1　溫差發電系統運轉操作數據分析(η=0.6×η_max；M=100萬噸/日)

表2　溫差發電系統運轉操作數據分析(η=0.8×η_max；M=100萬噸/日)

實施例2 ：火力電廠廢熱排放再利用方案

以A火力電廠為例，發電量為1300MW，渦輪機採分段方式再加熱及降壓，分成高壓段、中壓段及低壓段，朗肯循環T-S變化如第6圖所示。冷凝器係以抽取表層海水作為冷源流體，抽取量400萬噸/日，升溫8.5℃後放流回大海。經換算，A廠之熱排放量高達1647MW，發電量與熱排放量之比值為0.79。

A廠為大型電廠，過熱蒸汽溫度540℃、壓力180 kg/cm²，冷凝平衡溫度40℃、壓力0.0752 kg/cm²，渦輪機轉換成電能之修正係數以0.9估計，蒸汽渦輪機作功量為1300/0.9=1444 MW，熱功循環系統之總需熱量為1647+1444=3091MW，熱功效率η為1444/3091=46.7%，相較於一般火力電廠已屬非常高之熱功效率。[本例之卡諾熱功效率η_max=(813-313)/813=61.5%]。

如A廠之鍋爐熱效率以90%估計，則應提供鍋爐之燃料熱量約為3091/0.90=3434 MW。淨廠熱效率約為1300/3434=37.9%。

如A廠控制維持渦輪機入口蒸汽條件不變，改抽取深層海水冷卻排熱並使冷凝平衡溫度下降，理論上確可提升熱功效率，參考第7圖，可增加1-1’-4’-4所圍面積之作功量。然而，此舉會改變A廠運轉狀態，恐有疑慮，例如：冷凝平衡壓力能否再降低？發電機輸出功率容量能否自1300MW再增加？渦輪機低壓段因降溫壓導致末端蒸汽品質下降(細水滴比例增加)可接受嗎？

假設A廠操作參數可配合調整且發電量可自1300MW再增加，但亦須額外提供系統使循環水加溫之鍋爐燃料量，反而增加A廠之碳排放量，不利於環保。假設A廠操作參數可配合調整且發電量維持1300MW不變，由於熱功效率提升，可減少鍋爐加熱所需之燃料量，然卻無法額外增加發電量。

因此，本發明決定在環保與發電並重考量下，不改變A廠原運轉狀態，提出火力電廠廢熱排放再利用實施方案，如下：

方案2-1：兩熱功循環工作流體採直接熱交換，如圖2整合系統。(A廠之熱功循環條件不變且熱排放量1647MW不變)

本方案需將A廠之冷凝器與新建溫差發電系統之蒸發器介面結合成為「冷凝蒸發熱交換單元」，其中A廠之工作流體流經該熱交換單元之冷凝區，溫差發電熱功循環之工作流體流經該熱交換單元之蒸發區，兩者行熱交換操作。此外，可沿用原海水抽取泵浦改成抽取深層海水，如抽取量大幅減少可節省泵浦運轉耗電量。

將A廠結合如表1實施態樣編號5條件規模(η=0.6×η_max；M=100萬噸/日)放大之溫差發電系統，8℃深層海水每日抽取量應為100×(1647/1012)=163萬噸，估計可自廢熱回收電力為34.1×(1647/1012)=55.5MW，整體增加55.5/1300=4.3%電力輸出，抽取之深層海水升溫成28℃，適合放流不會造成熱污染。

將A廠結合如表2實施態樣編號5條件規模(η=0.8×η_max；M=100萬噸/日)放大之溫差發電系統，8℃深層海水每日抽取量應為100×(1647/1027)=160萬噸，估計可自廢熱回收電力為46.2×(1647/1027)=74.1MW，整體增加74.1/1300=5.7%電力輸出，抽取之深層海水升溫成28℃，適合放流不會造成熱污染。

比較案2-1：A廠改抽取深層海水冷卻排熱且冷凝溫度維持不變。(A廠之熱功循環條件不變且熱排放量1647MW不變)

A廠改抽取8℃深層海水作為排熱冷卻用水，在熱排放量1647MW不變情形下，控制排放水升溫後不超過28℃以適合放流，經換算每日抽取量應達170萬噸即可，較原本每日抽取量400萬噸大幅減少，節省海水抽取泵浦耗電量，然無法額外增加任何電力輸出。其次，如維持每日抽取量400萬噸，抽取之深層海水僅升溫至16.5℃，尚能作適切之冷能相關多元應用，但同樣無法額外增加任何電力輸出。

方案2-2：兩熱功循環工作流體採間接熱交換，如圖3整合系統。(A廠之熱功循環條件不變且熱排放量1647MW不變)

本方案僅需將A廠冷凝器之冷卻用表層海水導入新建溫差發電系統蒸發器中作為熱源流體，本方案雖需新設深層海水抽取泵浦，但優點是無須改變原A廠系統之任何單元。

A廠火力發電系統冷凝器係以每日抽取400萬噸30℃表層海水作為冷源流體，抽取之表層海水乃升溫成38.5℃再導入溫差發電系統作為蒸發器之熱源流體。當溫差發電蒸發器內熱源流體平均溫度為35℃時，熱交換後表層海水會降溫成31.5℃，溫度雖略高，但至少大幅降低熱污染之虞。

將A廠結合如表1實施態樣編號1條件規模(η=0.6×η_max；M=100萬噸/日)放大之溫差發電系統，8℃深層海水每日抽取量應為100×(1647/1002)=164萬噸，估計可自廢熱回收電力為26.6×(1647/1002)=43.7MW，整體增加43.7/1300=3.4%電力輸出，抽取之深層海水升溫成28℃，適合放流不會造成熱污染。

將A廠結合如表2實施態樣編號1條件規模(η=0.8×η_max；M=100萬噸/日)放大之溫差發電系統，8℃深層海水每日抽取量應為100×(1647/1014)=162萬噸，估計可自廢熱回收電力為35.8×(1647/1014)=58.1MW，整體增加58.1/1300=4.5%電力輸出，抽取之深層海水升溫成28℃，適合放流不會造成熱污染。

實施例3 ：新建無碳排放發電系統方案，如圖4整合系統。

一種海洋環保發電應用整合系統，設立於可取用深層海水之海岸邊，整合無碳排放發電系統及深層海水多元應用區，該無碳發電系統包括朗肯熱功循環主發電設備、太陽能光電板及風力輔發電設備、海水電解設備、氫氣及氧氣儲存設備，特徵係利用太陽能、風力轉換並輔以氫氣及氧氣混合燃燒方式加熱朗肯熱功循環工作流體形成過熱蒸氣以推動渦輪機發電，利用抽取自深海低於10℃之深層海水作為發電系統冷凝操作之冷卻流體，升溫後之深層海水可直接排放或導入海水多元應用區，具備無碳排放、無廢棄物排放汙染、避免溫熱水排放污染、使附近海域營養鹽濃度略增及多元應用深層海水之綜合功效。

朗肯熱功循環之工作流體可視設計條件選擇使用水或氨，日照充足時主要係應用太陽能集熱板加熱，夜間或天候不佳時則適切降載並輔以氫氣及氧氣混合燃燒加熱以維持必要之穩定操作；該氫氣及氧氣主要係以海水電解產生且分別導入氫氣及氧氣儲存設備，有需要時再輸出使用；海水電解所需電力主要係由太陽能光電板及風力輔發電設備供應，必要時朗肯熱功循環主發電設備產生電力亦可支援。此外，氫氣及氧氣混合燃燒冷卻後會產生熱水，於廠區適切熱交換後可再利用，故海水電解兼具有海水淡化功能，電解後的濃縮海水可導入鹽與鹽鹵之製程系統，鹽與鹽鹵為食品、化妝品等製造之廣用原料。

當新建廠如表2實施態樣編號21條件規模(工作流體為80℃之過熱蒸氣；η=0.8×η_max；M=100萬噸/日)，η=14.1%， 估算發電量可達126.7MW 。熱源應提供熱量為1127 MW。

當新建廠如表2實施態樣編號23條件規模(工作流體為100℃之過熱蒸氣；η=0.8×η_max；M=100萬噸/日)，η=17.6%， 估算發電量可達165.4MW 。熱源應提供熱量為1176 MW。

當新建廠如表2實施態樣編號25條件規模(工作流體為150℃之過熱蒸氣；η=0.8×η_max；M=100萬噸/日)，η=25.0%， 估算發電量可達257.9MW 。熱源應提供熱量為1291MW。

當新建廠如表2實施態樣編號27條件規模(工作流體為200℃之過熱蒸氣；η=0.8×η_max；M=100萬噸/日)，η=30.8%， 估算發電量可達344.7MW 。熱源應提供熱量為1400MW。

台灣東岸易抽取深層海水，日照充足，冬季季風強勁，非常適合興建無碳排放、無廢氣及無廢水產生之環保再生能源電廠，永續應用作為供電基礎，必然可促進東台灣藍金產業園區化、社區化及觀光化發展目標。如新建廠平均發電量為300MW，一年運轉達8000小時，則一年發電量可達24億度，足供花蓮縣一年用電量。(備註：花蓮一年用電量約為23億度；100年台電全年總發購電量為2130億度。)

第1圖：發明方案整合發電系統及深層海水多元應用區，新建之無碳排放發電系統採環保加熱方式，冷源來自深層海水。

第2圖：發明方案整合火力發電系統、溫差發電系統及深層海水多元應用區，兩發電系統採直接熱交換。溫差發電系統熱源來自火力發電廠，冷源來自深層海水。

第3圖：發明方案整合火力發電系統、溫差發電系統及海水多元應用區，兩發電系統採間接熱交換。溫差發電系統熱源來自火力發電廠，冷源來自深層海水。

第4圖：發明方案整合無碳排放發電系統及深層海水多元應用區，新建之無碳排放發電系統，熱源由太陽能、風力轉換並輔以氫氣及氧氣混合燃燒方式產生，冷源來自深層海水。

第5圖：熱功循環T-S變化圖，工作流體狀態1→2→3→4→1為朗肯循環，工作流體狀態1→a→3→4→1為卡諾循環。

第6圖：朗肯循環T-S變化圖。渦輪機採分段方式再加熱及降壓，分成高壓段、中壓段及低壓段。

第7圖：朗肯循環T-S變化圖。在渦輪機入口工作流體狀態條件不變下，降低冷凝溫度約可增加1-1’-4’-4所圍面積之汽輪機作功量。

Claims (2)

1. 一種海洋環保發電應用整合系統，設立於可取用深層海水之海岸邊，特徵係整合既有火力發電系統、新建溫差發電系統及深層海水多元應用區，可更環保、有效再利用既有火力電廠之大量熱排放，整體增加4%以上電力輸出，兩發電系統均採朗肯熱功循環，將既有火力發電系統之冷凝器與新建溫差發電系統之蒸發器介面結合成為「冷凝蒸發熱交換單元」，其中既有火力發電熱功循環之工作流體流經該熱交換單元之冷凝區，新建溫差發電熱功循環之工作流體流經該熱交換單元之蒸發區，兩者行熱交換操作，即利用既有火力發電系統汽輪機排出高於40℃之水蒸汽及其流經冷凝區形成之凝結水作為新建溫差發電系統蒸發操作之熱源流體，並利用抽取自深海低於10℃之深層海水作為新建溫差發電系統冷凝操作之冷源流體，升溫後之深層海水可直接排放或導入深層海水多元應用區，具備增加溫差發電效率、避免發電系統溫熱水排放污染、使附近表層海域營養鹽濃度略增及多元應用深層海水之綜合功效，此外，沿用原海水抽取泵浦改成抽取深層海水，抽取量可大幅減少，節省泵浦運轉耗電量。
2. 一種海洋環保發電應用整合系統，設立於可取用深層海水之海岸邊，特徵係新建無碳排放之再生能源發電系統及深層海水多元應用區，該無碳發電系統包括朗肯熱功循環「主發電設備」、太陽能光電板及風力「輔發電設備」、海水電解設備、氫氣及氧氣儲存設備，利用太陽能、風力轉換並輔以氫氣及氧氣混合燃燒方式加熱朗肯熱功循環工作流體形成過熱蒸氣以推動渦輪機發電，利用抽取自深海低於10℃之深層海水作為發電系統冷凝操作之冷卻流體，升溫後之深層海水可直接排放或導入海水多元應用區，具備無碳排放、無廢棄物排放汙染、避免溫熱水排放污染、使附近海域營養鹽濃度略增及多元應用深層海水之綜合功效，其中：朗肯熱功循環工作流體日照充足時主要係應用太陽能集熱板加熱，夜間或天候不佳時則適切降載並輔以氫氣及氧氣混合燃燒加熱以維持必要之穩定操作；該氫氣及氧氣主要係以海水電解產生且分別導入氫氣及氧氣儲存設備，有需要時再輸出使用；海水電 解所需電力主要係由太陽能光電板及風力輔發電設備供應，必要時朗肯熱功循環主發電設備產生電力亦可支援；氫氣及氧氣混合燃燒冷卻後會產生熱水，於廠區適切熱交換後可再利用，故海水電解兼具有海水淡化功能；電解後的濃縮海水可導入鹽與鹽鹵之製程系統，作為食品、化妝品等製造之廣用原料。