垃圾焚化發電系統原動機動態模型

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垃圾焚化發電系統原動機動態模型

陳榮芳*、陳盟仁*、林堉仁** * 國立高雄應用科技大學電機工程系 ** 義守大學電機系 E-mail: 1093318124@cc.kuas.edu.tw

摘要

本論文旨在開發垃圾焚化發電系統原動機模型。所選定的研究對象為一座由四組廢熱回收鍋爐及一部汽輪發電機所組成的實際系統。研究範圍除了推導系統組件的數學模型外，還利用SIMULINK 開發系統組件的模組，並且模擬原動機的動態特性。此外，為了讓模擬與實際運轉情形更接近，特別選定變動的垃圾熱值情況來進行模擬。模擬結果顯示，此原動機模型的特性與理論分析和實際運轉情形一致，這證實了這些模組的適用性。此研究最大的價值是可以做為垃圾焚化發電系統規劃、運轉、以及系統擴充的重要參考。 關鍵詞：垃圾焚化發電，原動機，動態模型，廢熱回收鍋爐。

1. 前言

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。一座垃圾焚化廠固然是以垃圾處理為首要任務，然而在經濟效益與能源利用的考量之下，大多數的垃圾焚化廠均設有汽輪發電機，將垃圾作為燃料來發電，以賺取利潤。國外先進國家焚化技術開發約始於 60 年代。歐洲的焚化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[1~3]。在台灣，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

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時國內垃圾焚化的代表。根據環保署所提供的垃圾資源回收廠興建工程執行現況，得知到94 年總共會有21 座垃圾焚化廠，垃圾總處理量為 2,1900 公噸/日，在環境的保護與改善方面確實功不可沒[4~5]。垃圾焚化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 [6~8]，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[9~12]。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，這也是垃圾焚化發電的特點。有鑑於此，本研究除了開發垃圾焚化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所組成的實際系統做為研究的對象，並且利用SIMULINK 開發系統組件模組。此外，為了讓模擬結果與實際運轉情形更接近，還選定了數種不同垃圾熱值的情形來進行模擬。模擬結果顯示，此原動機模型的特性與理論分析和實際運轉情形一致，證實了這些模組的適用性。

2. 垃圾焚化發電系統

2.1 系統架構圖 圖 1 為垃圾焚化發電系統架構圖，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[3]。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 垃圾焚化發電系統架構圖

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2.2 原動機模型 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 38 ㎏／㎝2a, 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 0.25 ㎏／㎝2a, 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2 為原動機方塊圖，包括垃圾熱值、燃燒控制器、廢熱回收鍋爐、以及汽輪機等四部份。圖2 原動機方塊圖 1. 垃圾熱值模型 垃圾熱值模型主要目的是用來推導垃圾燃燒時所放出的熱量，依據的是能量平衡原理。垃圾熱值模型可用下式表示 ) 1 ( W H Z LHV = × 其中，LHV 為垃圾的熱值，Z 為蒸汽量，H 為蒸汽焓值，W 為垃圾投入量。 2. 燃燒控制器 燃燒控制器主要功能是控制燃料的輸入量，這可由控制垃圾進料來達成，數學模型可用下式表示 ) 2 ( ) 1 ( ) 1 ( 1 1 1 2 3 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + Δ + + = ST R ST P ST CV _ref ω 其中CV 為控制閥開度，Δω 為轉速差，R 為速度調整常數，Pref 為參考功率，T3 為伺服

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閥的時間常數，T1 及 T2 為電驛的時間常數。燃燒控制器的模型可利用 SIMULINK 建立成模組如圖3 所示。圖3 燃燒控制器 SIMULINK 模組 3. 廢熱回收鍋爐模型 廢熱回收鍋爐主要功能是從高溫廢氣回收熱能，由汽鼓、升水管、降水管、蒸發器、以及過熱器等所構成，數學模型可表示成 ) 5 ( 1 ' ' ) 4 ( * ' ) 3 ( ' W W T S T D ST Q M P CV M P P k M + = = − =

[

]

[

' '

]

(7) 1 ) 6 ( ' ' 1 M M SC P M M SC P W D D S SH T − = − = 其中，M’為蒸汽從汽鼓流入過熱器的質量流率，Ms’為過熱蒸汽的質量流率，Mw’為升水管流入汽鼓的蒸汽質量流率，PT 為過熱蒸汽在控制閥的壓力，PD 為飽和蒸汽在汽鼓的壓力，CV 為控制閥開度，Q’為爐膛所釋放的熱量，CD 為汽鼓可容納蒸汽的容量，CSH 為過熱器可容納蒸汽的容量，TW 為水牆管的時間常數，K 為摩擦係數[13]。廢熱回收鍋爐的模型可利用SIMULINK 建立成模組如圖 4 所示。

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圖4 廢熱回收鍋爐 SIMULINK 模組 4. 汽輪機模型 汽輪機主要目的是將高溫高壓蒸汽的能量轉成機械功率，由固定葉片、活動葉片、噴嘴等組成，數學模型可表示成 ) 8 ( * 0 K P S S = +

其中，S0 為無載消耗率(No-load consumption, t/h)，S 為入口蒸汽量(Throttle steam flow, t/h)，K 為斜率(Slope of the curve, t/MWh)，P 為輸出機械功率(Load, MJ/Kg)[14,15]。

2.3 原動機系統 SIMULINK 模組 將上述開發的個別模組連結後，就形成了為原動機系統的模組，如圖 6 所示。此模組包括四部分－A 部分為垃圾熱值模組，B 部分為燃燒控制模組，C 部分為鍋爐模組，D 部份為汽輪機模組。圖5 原動機系統 SIMULINK 模組

D

C

A

B

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3.模擬結果與討論

3.1 模擬順序

1. 原動機穩態運轉模擬

四個爐穩定運轉，垃圾熱值輸入 1800~2500 kcal/ton，隨機變化時垃圾的投入量為 18.75 ton/hr，蒸汽壓力 40 kg/cm2，400℃蒸汽內焓值為 768.4 kcal/kg，原動機參考功率為 0.8 pu，總模擬時間1000 秒。 2. 原動機增載運轉模擬 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 18.75 ton/hr，蒸汽壓力為40 kg/cm2，400℃蒸汽內焓值為 768.4 kcal/kg，原動機參考功率原先為 0.8 pu，在300 秒時增加至 0.95 pu，總模擬時間 1000 秒。 3. 原動機卸載運轉模擬 四個爐在運轉，垃圾熱值1800~2500 kcal/ton，隨機變化時垃圾的投入量為 18.75 ton/hr，蒸汽壓力為40 kg/cm2，400℃蒸汽內焓值為 768.4 kcal/kg，原動機參考功率原先為 0.8 pu，在300 秒時降低為 0.5 pu，總模擬時間 1000 秒。 3.2 模擬結果 模擬一主要目的在了解原動機系統在穩態情況下，系統變數變化的情形，模擬結果如圖 6 所示。由圖 6a 可看出垃圾熱值在 0.72 pu 與 1.0 pu 之間變化，這與系統設計條件一致。由圖6b 輸出機械功率曲線可看出，原動機的輸出功率會隨著垃圾熱值變動而變動；然而，因為原動機參考功率設定的緣故，使得輸出機械功率在0.8 pu 附近變動。模擬二主要目的在了解原動機系統在增載情況下系統變數變化的情形，在此模擬中是透過參考功率的改變，使輸出功率由0.8 pu 增加至 0.95 pu，模擬結果如圖 7 所示。圖 7a 為垃圾熱值變化的情形，與系統設計條件一致。圖7b 為輸出機械功率曲線。由圖中可看出，輸出功率由原先的0.8 pu 最後提高到約 0.95 pu。模擬三主要目的在了解原動機系統在減載情況下系統變數變化的情形，在此模擬中是透過參考功率的改變，使輸出功率由0.8 pu 降低為 0.5 pu，模擬結果如圖 8 所示。圖 8a 為垃圾熱值隨機變化的情形，與系統設計條件一致。圖8b 為輸出機械功率曲線。由圖中可看出，輸出功率由原先的0.8 pu 最後降低至約 0.5 pu。由這些模擬結果可看出，原動機在穩態、增載、以及卸載運轉情況下的動態特性與理論分析一致，這證實本研究所開發模組的適用性。

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3.3 模擬結果與實際運轉結果比較 為了進一步證實所開發出來的原動機模組的適用性，特別將模擬結果與實際運轉結果比較。由圖9 可明顯看出模擬結果（以＊表示）與實際運轉結果（以虛線表示）非常接近。

4. 結論

本研究開發了垃圾焚化發電系統原動機的動態模型，並且選定一座由四組廢熱回收鍋爐、及一台汽輪發電機所組成的實際系統為研究對象。本研究中，除了推導原動機系統各組件的數學模型外，也利用SIMULINK 開發各組件的模型，並且進一步模擬了原動機系統在穩態、增載、以及卸載情況下的動態特性。值得一提的是，為了讓模擬結果與實際運轉情形更接近，本研究選用了變動的垃圾熱值的情形來進行模擬，並且將模擬結果與實際運轉情形比較。結果顯示，此原動機系統模型的特性與理論分析和實際運轉情形一致，這證實了這些模組的適用性。此研究最大的價值是可以做為垃圾焚化發電系統規劃、運轉、以及擴充的重要參考。圖6a 垃圾熱值圖6b 原動機輸出機械功率圖6 穩態運轉模擬原動機系統變數變情形

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圖7a 垃圾熱值圖7b 原動機輸出機械功率圖7 增載運轉模擬原動機系統變數變情形

圖8a 垃圾熱值圖8b 原動機輸出機械功率圖8 卸載運轉模擬原動機系統變數變動情形

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參考文獻

[1] 章裕民，焚化處理技術，文京圖書有限公司，82 年 11 月。 [2] 曹本善，垃圾焚化廠興建與操作實務，詹氏書局，90 年 6 月。 [3] 曹本善，“垃圾焚化廠汽輪發電機之構造、控制與收益”，機械月刊，第二十四卷第九期， 87 年 9 月，pp.314-325。 [4] 郭景宗，“垃圾焚化廠興建營運民營化後本土技術之發展與市場展望,”機械月刊，第二十四卷第九期，87 年 9 月，pp.326-331。 [5] 蔡景文，“新的垃圾發電方式及其問題點”，電機月刊，第二卷第二期，81 年 2 月，pp.88-91。 [6] Kajikawa, T., “Thermoelectric Power Generation Systems Recovering Heat from Combustible Solid Waste in Japan,” IEEE 15th International Conference on Thermoelectrics, 1996, pp. 343-351.

[7] Palanichamy, C., N. Sunder Babu, C. Nadarajan, “Municipal Solid Waste Fueled Power Generation for India,” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 17, No. 4, 2002, pp. 556-563.

[8] Rae, G. W., “Waste to Energy: the New Frontier,” Engineering Science and Education, 1994, pp. 105-111.

[9] de Mello F. P., “Dynamic Models for Fossil Fueled Steam Units in Power Turbine System Studies,” IEEE transactions on Power System, Vol. 6, No. 2, 1991, pp. 753-761.

[10] de Mello, F. P., “Boiler Models for System Dynamic Performance Studies,” IEEE Transactions

on Power System, Vol. 6, No. 1, Feb 1991, pp. 66-73.

[11] F.P. de Mello, “Dynamic Models for Combined Cycle Plant in Power System Studies,” IEEE

Transactions on Power System, Vol.9, No.3, August 1991, pp.1698-17081.

[12] Hannett, L. N., A. Khan, “Combined Turbine Dynamic Models Validation from Tests,” IEEE

Transactions on Power System, Vol. 8, No. 1, 1993, pp. 152-158.

[13] Ordys, A. W. et al., Modelling and Simulation of Power Generation Plants, London: Springer-Verlag, 1994.

[14] Moran, M. J., H. N. Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 5th ed., WILEY Press, 2004.

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