分散式資源回收發電系統在獨立運轉情況下的特性分析

©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

分散式資源回收發電系統在獨立運轉情況下的特性分析

陳榮芳1_、陳盟仁2_、林堉仁3_、呂世彬2 1. 經濟部商品檢驗局 2. 國立高雄應用科技大學 電機工程學系 3. 義守大學 電機系 E-mail: [email protected]

摘 要

本研究主要目的在探討一個實際的資源回收發電系統在獨立運轉情況下的動態特性。這個系統的組件 包括廢熱回收鍋爐、汽輪發電機、三相變壓器、電動機、以及靜態負載等。研究方法為先建立原動機與系 統組件的數學模型，接著利用 SIMULINK 與 SimPowerSystems 開發模組，然後將這些模組依系統架構連接， 最後進行正常運轉與短路故障運轉模擬。此外，為了讓模擬與實際運轉情形更接近，特別依垃圾的特性選 定變動的熱值來進行模擬。模擬結果顯示，在這兩種運轉模式下，資源回收發電系統的特性都是可以接受 的，亦即模擬結果與預期一致，並且可推論的，應可和實際運轉情形一致。此研究最大的價值是可以做為 資源回收發電系統規劃、運轉、以及擴充的重要參考。 關鍵詞：資源回收發電、廢熱回收鍋爐、汽輪發電機、熱值。

1. 前 言

近年來隨著科技進步與工業發展，造成經濟的快速成長及人民消費能力的提高，使得各類活動所產生 的汙染劇增，其中以垃圾為其大宗，由於今日社會高度的工業化，人口密集，在土地取得日益困難，以及 環保意識抬頭與提昇居住品質的前提下，垃圾焚化逐漸取代傳統的垃圾掩埋方式，成為目前國內外各都市 垃圾處理的主要方式。垃圾焚化處理後，不僅達到「減容」、「安定」、「無害」並能回收熱能用來發電或做 製程加熱使用。一座資源回收廠固然是以垃圾處理為首要任務，以解決地狹人稠，掩埋土地難以取得之困 境；然而在經濟效益與能源利用的考量之下，大多數的資源回收廠均設有汽輪發電機，將垃圾作為燃料來 發電，以賺取利潤。 國外先進國家資源回收技術開發約始於 60 年代。歐洲的技術可以說是世界其他地區的「導師」，不只 是技術進步，同時開發也比其他地區早。以德國為例，早在 1893 年即於漢堡市興建第一座焚化爐，經過多 年的發展使德國無論在焚化技術、能源回收、廢氣處理等方面，皆有相當成就。在美洲，美國很早就開始 發展垃圾焚化爐，1965 年時已有 299 座傳統集中處理的垃圾焚化爐，後來因為聯邦政府空氣污染物排放標 準日趨嚴格，使得大部分遭到關閉，目前美國有 114 座以上的垃圾焚化爐。在亞洲，以日本、新加坡起步 較早，尤其日本自 1960 年開始興建垃圾焚化爐以來，都市垃圾焚化爐在亞洲市場佔有率極高[1]、[2]、[3]。 在台灣，截至民國 97 年底，全國垃圾妥善處理率已將近百分之百，當中又以焚化處理比例最高。垃圾以焚 化處理起於民國 81 年內湖垃圾焚化廠正式運轉，此垃圾焚化廠亦是當時國內垃圾焚化的代表。目前運轉中 的大型都市垃圾焚化廠計有二十四座，這些焚化廠均設有餘熱回收發電設施，即利用熱交換原理，藉廢熱 回收鍋爐產生之大量蒸汽推動汽輪機，再帶動發電機以產生電能。因此，垃圾焚化廠亦稱作資源回收廠， 在功能上可視是一個發電廠。[4]、[5]

根據行政院環保署 97 年統計資料，國內已營運焚化廠之發電機設計容量合計約 558MW。焚化廠汽電 共生系統經廢熱回收產生電能達 2,967GWh 以上，除部份供廠方自行使用外，尚存 2,271GWh 以上的電量可 售予台灣電力公司，售電率可達 76.54%，售電收入更高達 3,437,852,000 元，對於焚化廠操作營運及管理助 益良多[6]。 資源回收發電的相關文獻雖然不少，但是大多數都是在探討廢熱的利用與環保等問題[7]、[8]、[9]，對 於發電系統的研究反而不多。幸運的是，在傳統火力發電及汽電共生發電的文獻中，有不少是對於汽輪發 電系統的研究以及模型的建立[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，這些研究中都沒有探 討到熱源熱值變動情況下，汽輪機動態特性變化的情形，這也是資源回收發電的特點。 有鑑於此，本研究除了開發資源回收發電系統原動機模型外，也選定了一座由四組廢熱回收鍋爐及一 部汽輪發電機、三相變壓器、電動機、以及靜態負載等所組成的實際系統做為研究的對象，並且利用 SIMULINK 及 SimPowerSystems 開發系統組件模組。研究項目包括原動機特性模擬以及資源回收發電系統 增載與卸載運轉模擬。為了讓模擬結果與實際運轉情形更接近，特別選定了數種不同垃圾熱值的情形來進 行模擬。本研究最大的價值是可以做為資源回收發電系統規劃、運轉、以及系統擴充的重要參考。

2. 資源回收發電系統

2.1 系統架構 圖 1 為資源回收發電系統架構圖，系統組件包括四組廢熱回收鍋爐、四組伺水泵、兩部凝結水泵、一 部汽輪發電機、以及其他附屬裝置[2]。垃圾焚化發電系統架構類似於火力發電系統，相同之處在於兩者都 是利用加熱鍋爐產生高壓高溫蒸汽來推動渦輪發電機，產生的廢氣則經過處理後排放，不同之處則在於垃 圾焚化發電的熱值變動較大。 圖 1 資源回收發電系統架構圖 2.2 資源回收發電系統單線圖 圖 2 為一個典型的資源回收發電系統單線圖，系統組件包括汽輪機及附屬設備、同步發電機、激磁系 統、三相變壓器、電動機及靜態負載等組件。 2.3 原動機模型 本研究所採用的資源回收發電系統包括四組廢熱回收鍋爐、四組伺水泵、兩部凝結水泵、一部汽輪發 電機、以及其他附屬裝置。資源回收發電系統架構類似於火力發電系統，相同之處在於兩者都是利用加熱 鍋爐產生高壓高溫蒸汽來推動渦輪發電機，產生的廢氣則經過處理後排放，不同之處則在於資源回收發電

的熱值變動較大。 垃圾燃燒產生熱量，經由燃燒控制器控制輸出。蒸汽進入汽輪機後，流經一系列固定安裝於汽輪機機 殼上，不作任何機械運動的葉片噴嘴（Stationary nozzles）。蒸汽流經固定葉片時，壓力下降，體積膨脹， 流速加快後，高速的蒸汽直接衝擊安裝於汽輪機軸上的動葉輪葉片（Impeller）上，使得汽輪機軸高速轉動， 每次作功循環共歷經「降壓-膨脹加速-衝擊」等階段。蒸汽從入口端到排放端，將原本富含能源的高壓高溫 蒸汽（絕對壓力 38kg/cm2, 395℃）逐級釋放能量轉換成機械能後，變成低壓低溫的排放蒸汽（絕對壓力 0.25kg/cm2, 60℃）。兩者之間的能量差即為輪機軸所吸收的動能，再將此動能傳遞至發電機軸，作為發電動 力來源[3]。 圖 3 為原動機方塊圖，包括 A 部分垃圾熱值、B 部分燃燒控制器、C 部分廢熱回收鍋爐、以及 D 部分 汽輪機等四部份。此系統的狀態變數可表示成(1)。 1 1 2 2 2 3 3 4 4 4 1 0 0 0 T X 1 1 0 0 X T T P X 1 0 0 0 T X 1 -1 0 0 T T − ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ ⎤ − ⎢ ⎢ ⎥ ⎢ ⎢ _{⎥ =} ⎢ ⎥ − ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ 1 1 2 3 v 3 4 1 0 X T R Pr ef X 0 0 + R X VHR C 0 T X 0 0 Δω ⎤ ⎥ _{⎡ ⎤} ⎥ _{⎢ ⎥} ⎥ ⎡ ⎤ _{⎢ ⎥} ⎥⎢ ⎥ _{⎢ ⎥}⎡ + ⎤ ⎥ ⎢ ⎥ _{⎢ ⎥}⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _{⎢ ⎥}⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ _{⎢ ⎥}⎢⎣ ⎥⎦ ⎢ ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ _{⎢ ⎥} ⎢ ⎥ _{⎢⎣ ⎥⎦} ⎢ ⎥ ⎢ _{⎥⎦ (1)} 其中VHR 為垃圾熱值，Δω 為轉速差，R 為速度調整常數，Pref為參考功率，T1為電驛的時間常數，T2 為伺服閥的時間常數，CV控制閥開度，T3為水牆管時間常數，T4為功率轉換時間常數，p 為微分運算子。 圖 2 資源回收發電系統單線圖

圖 3 原動機方塊圖 2.4 同步發電機模型 三相同步發電機的數學模型轉換為 d-q 軸後，可表示成(2)。 qs s q r d mq r md r md qs ds r q s d r mq md md ds kq mq kq kq kq fd md fd fd md fd kd md md kd kd kd v r pL L pL L L i v L r pL L pL pL i v pL 0 r pL 0 0 i v 0 pL 0 r pL pL i v 0 pL 0 pL r pL i ω ω ω ω ω − − − ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ _{− − −} ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢= − + ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ _{− +} ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ _{− +} ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ₍₂₎ 上式中vds、ids為d 軸定子電壓及電流，vqs、iqs為q 軸定子電壓及電流，vkq、ikq為q 軸阻尼繞組電壓及 電流，vfd、vkd、ifd、ikd 為激磁電壓、d 軸阻尼繞組電壓、激磁電流、d 軸阻尼繞組電流，rs、rfd、rkd、rkq 為定子電阻、激磁繞組電阻、d 軸阻尼繞組電阻、q 軸阻尼繞組電阻，Ld、Lq、Lfd、Lkd、Lkq為 d 軸電感、q 軸電感、激磁繞組電感、d 軸阻尼繞組電感、q 軸阻尼繞組電感，Lmd、Lmq為d 軸互感、q 軸互感，p 為微 分運算子[18]、[19]。 2.5 激磁系統模型

同步發電機利用端電壓回授信號經由自動電壓調整器（Automatic Voltage Regulator，AVR）來改變磁激 電壓，進而控制同步發電機端電壓的目的[20]、[21]。圖 3 為 IEEE Type 1 激磁控制系統方塊圖。此系統的 狀態變數可表示成(3)。 R R 1 A A 1 A s A A A A 2 2 REF 3 E E 3 2L E E 4 4 2L F F E E E F E F F 1 _{0 0 0} 1 _{0 0 0} T T X K 1 K X K V 0 0 0 0 T T T T X X V p X _{0 0} ( K S ) ₀ X _{0 0} 1 ₀ X T T X X X K K ( K S ) 1 _{0 0 0} 0 0 T T T T T − ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢− − ⎥ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤ − ⎡ ⎤ ⎡ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥₌ ⎢ ⎥₊ ⎢ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ − + ⎢ ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎢ _{− + −} ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎢ _⎥⎦ (3)

圖 3 IEEE Type1 激磁控制系統方塊圖 2.6 感應電動機模型 三相感應電機的數學模型轉換為 d-q 軸後，可表示成(4)。 qs s ss m qs ds s ss m ds qr m r m r rr r rr qr dr r m m r rr r rr dr

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⎦ ⎣ ⎦

(4) 其中vds、ids是d 軸定子電壓及電流，vqs、iqs是q 軸定子電壓及電流，vdr、idr是d 軸轉子電壓及電流， vqr、iqr是 q 軸轉子電壓及電流，rs、rr是定子電阻及轉子電阻，Lss、Lrr是定子電感及轉子電感，Lm是磁化 電感，p 是微分運算子。

3. 模擬結果與討論

3.1 SimPowerSystems 模組架構 圖 4 為資源回收發電系統獨立運轉的 SimPowerSystems 模組架構，包括兩部份－A 部分為汽輪發電機 模組，B 部分為無限滙流排模組[22]、[23]。

圖 4 資源回收發電系統 SimPowerSystems 模組架構 3.2 模擬項目 3.2.1 模擬一：正常運轉模擬 圖 5 為正常運轉模擬的時序圖。在時間為 0 秒時，四個爐穩定運轉，垃圾熱值 1800~2500 kcal/ton， 隨機變化時垃圾的投入量為 18.75ton/hr，蒸汽壓力為 40kg/cm2，400℃蒸汽內焓值為 768.4kcal/kg，發電 機僅供電給靜態負載。接著，5 台電動機依序起動，總模擬時間 30 秒。 圖 5 資源回收發電系統模擬時序圖 3.2.2 模擬二：三相接地故障模擬 23 秒前的運轉情形與上述相同。在 23 秒時 11.4kV 滙流排發生三相接地故障，23.3 秒時故障排除， 總模擬時間 30 秒。

3.3 模擬結果 3.3.1 模擬一：正常運轉模擬 模擬結果如圖 6 所示。由圖 6(a)可看出，隨著負載的投入，原動機的輸出功率會增加。由圖 6(b)可看 出，因為原動機具有負載追隨性，使得發電機轉速隨著電動機的加入而有 0.01 pu 的變動，最後會穩定在 1.0 pu。圖 6(c)顯示發電機端電壓隨著電動機的起動而變動，最後電壓維持在 1.0 pu。圖 6(d)顯示激磁電 壓會隨著端電壓的變動而變動，電壓下降時激磁電壓增加，電壓上昇時激磁電壓下降。圖 6(e)顯示隨著 負載的投入，發電機的輸出功率會增加。圖 6(f)~6(o)顯示 5 台電動機的轉矩與轉速都會受到系統電壓變 動的影響。 3.3.2 模擬二：三相接地故障摸擬 模擬結果如圖 7 所示。由於故障發生前的情形與模擬一相同，因此觀察重點在故障發生時以及排除 後的情形。圖 7(a)顯示故障發時發電機端電壓降為 0；故障排除後，在短暫振盪後回復到 1.0 pu。圖 7(b) 顯示故障發生時激磁電壓快速增加，甚至達到飽和；故障排除後，在短暫振盪後達到穩定值。圖 7(c)顯 示，系統發生故障時，發電機的輸出功率有明顯的暫態；故障排除後，在短暫振盪後達到穩定值。圖 7(d) 顯示，系統發生故障時，原動機的輸出功率因受到發電機輸出功率的影響而變動，但是因為有機械慣性 的緣故，暫態情形較為緩和。圖 7(e)顯示，因為原動機具有負載追隨性，使得發電機轉速明顯受到電功 率變動的影響；故障排除後轉速回復到 1.0 pu。圖 7(f)~7(o)顯示 5 台電動機的轉矩與轉速在故障發生時都 明顯下降，故障排除後，在短暫振盪後達到穩定值。 此模擬的重點是在觀察故障發生所造成的暫態現象，因此設定故障時間為 0.3 秒。實際的故障持續時 間會因保護電驛的特性而不同，故障發生的影響大小則視故障時間、地點、接地阻抗、以及保護電驛設 定而異。

4. 結 論

本研究主要目的在探討一個實際的資源回收發電系統在獨立運轉情況下的動態特性。研究中除了推導 各系統組件的數學模型外，也利用 SIMULINK 及 SimPowerSystems 開發各組件的模型，並且進一步模擬動 態特性。模擬結果顯示，在正常與三相故障運轉模式下，資源回收發電系統的特性都是可以接受的，亦即 模擬結果與預期一致，並且可推論的，應可和實際運轉情形一致。此研究最大的價值是可以做為資源回收 發電系統規劃、運轉、以及擴充的重要參考。

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[23] SimPowerSystems User’s Guide, Hydro-Quebec TransEnergie International, 2009

(a)汽輪機輸出功率 (f)1 號電動機轉矩 (k)3 號電動機轉速

(b)發電機轉速 (g)1 號電動機轉速 (l)4 號電動機轉矩

(c)發電機輸出電功率 (h)2 號電動機轉矩 (m)4 號電動機轉速

(e)發電機激磁電壓 (j)3 號電動機轉矩 (o)5 號電動機轉速 圖 6 資源回收發電系統正常運轉模擬變數變動情形 (a)發電機端電壓 (f)1 號電動機轉矩 (k)3 號電動機轉速 (b)發電機激磁電壓 (g)1 號電動機轉速 (l)4 號電動機轉矩 (c)發電機輸出電功率 (h)2 號電動機轉矩 (m)4 號電動機轉速 (d)汽輪機輸出功率 (i)2 號電動機轉速 (n) 5 號電動機轉矩

(e)發電機轉速 (j)3 號電動機轉矩 (o)5 號電動機轉速 圖 7 資源回收發電系統故障運轉模擬變數變動情形