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台灣地熱產業發展論壇
ORC地熱發電機組
漢力能源科技(股)公司
徐菘蔚
July 27, 2017
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地熱發電
dry steampower plant
(乾蒸汽)
flash steampower plant(單/雙閃發)
binary cyclepower plant
(複循環)
ORC Kalina Cycle SCO2
(資料來源:Wiki,2012) 2
100C~200C
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台灣傳統地熱發電潛能(工研院資料)
主要地熱區 儲集層溫度(℃) 發電潛能(MWe)
大屯山 245 514
清水 200 61
土場 170 25
廬山 180 41
知本 170 25
金崙 160 4820
40
500
60
MWe
大屯山
知本
金崙
清水
土場
廬山
火山型系統•pH value: 2.0 - 5.0•SO4
=
•儲集層溫度: 180℃ - 293℃•代表性地熱區: Tatun
非火山型系統•pH value: 7.0 - 9.0•NaHCO3
•儲集層溫度: 120℃ - 230℃•代表性地熱區: Chingshui
•乾度:5~15%•以熱水為主•適合Binary cycle•單一機組需求
→0.5~1 MW
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有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle)
利用低溫沸點工質(冷媒),將熱源、冷源溫差能轉換為電力輸出
ORC工作原理
4
膨脹機
冷凝器
液體泵
入口出口
入口
1
2
3
4
出口
蒸發器
G
發電機
熱源
冷源
ORC
迴路系統
熱源供熱(熱水、蒸汽或熱媒油)
冷源排熱(水冷式或氣冷式)
1
2
3
4
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穿臨界ORC應用於地熱
5
PWPS 美國 TAS Energy美國
機組功率 Pilot: 500kW
Next: 5MW
22MW
熱源溫度 150C 138C
建置時間 2012 (Italy) 2012 (U.S)
工作流體 Unknown R134a
發電核心 Turbine Axial Turbine
發電量提升 15~20% -
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Combined cycle
6
資料來源:ORMAT CO.
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ORC地熱發電系統圖
(1)ORC發電次系統
(2)地熱取熱/回注
次系統
(3)冷卻水排熱次系統
(4)機電控制次系統
7
地熱系統
生產井
回注井
ORC發電機組
併網供電
孤島功能
排熱系統
水冷
風冷
蒸發冷
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水冷式ORC發電站
8
1
供熱及取熱 23
4
ORC機組 冷卻水排熱
機電/控制
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蒸發冷ORC發電站
9
1
供熱及取熱
2
3
4
ORC機組
蒸發排熱
機電/控制
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風冷式ORC發電站
10
1
供熱及取熱
2
3
4
ORC機組
空氣排熱
機電/控制
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地熱乾度對發電量影響
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
OR
CN
et
Po
we
r (k
W)
蒸汽乾度
地熱溫度=150C, 流量=50TPH, Troom=27C
水冷式
風冷式
蒸發冷式
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Geothermal Power Plant
資料來源:TURBODEN.
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Geothermal ORC(水冷式)R245fa Screw Expander ORC: 60Hz, 380V,3φ 感應式(異步)發電機
發電機發電功率, kW 320.0
機組淨發電功率, kW 289.5
系統淨發電功率, kW 249.8
熱源: 地熱水(乾度 5%) 冷源: 冷卻塔循環冷卻水
流量 ,T/h 26.5 流量, T/h 415.0
入口溫, ℃ 150.0 入口溫, ℃ 27.0
出口溫, ℃ 70.0 出口溫, ℃ 33.0
供熱量, kW 3,271.9 排熱量, kW 2,881.0
季節 冷卻水入水溫
℃
冷卻水出水溫
℃
發電機發電功率
kW
機組淨發電功率
kW
系統淨發電功率
kW
冬季 22.00 28.12 331.86 301.80 261.87
春秋季 27.00 32.99 320.02 289.56 249.86
夏季 32.00 36.76 305.30 274.63 235.24
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320kW ORC機組外型(水冷式)
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ORC機組配置圖
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地熱ORC關鍵元件/技術
膨脹機機組
熱交換器
螺桿機 感應式
發電機
Axial Turbine
Radial Turbine
蒸發器
預熱器
冷凝器
復熱器
同步式
高速發電機
平行軸齒輪組
動力傳輸
行星式齒輪組
Gear Free PLC
控制器
Micro-Chip
DCS
SCADA Supporting
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轉子 發電機轉子
發電機定子軸承
進氣
排氣
轉子 發電機轉子
發電機定子軸承
聯軸器排氣
軸封
X 需聯軸器:有對心、振動問題
X 需軸封:有老化及工質洩漏問題
X 需散熱風扇:降低發電機效率
O 不需聯軸器:膨脹機、發電機轉子同軸
O 不需軸封:膨脹機、發電機安裝於一機匣內
O 不需風扇:工質直接冷卻發電機
膨脹機+發電機
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半密式(半封式) 開啟式
進氣
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螺桿機ORC 高效能雙螺桿轉子-軸系
高效率螺桿機齒型專利
高穩定度轉子-軸系
高效率&高可靠度發電機 感應式發電機
頻率(Hz):50/60
電壓(V):220, 380~460,3K/6K/10K
產品特性 產品系列
發電容量10kW ~300kW
依據用戶端工況,優化設計,提供最適機組
100% 掌控研發及自製技術
操作範圍寬廣
發電量20%~130%額定發電量內順暢運行
半密式構型,無機械式軸封、無洩漏之虞
產品壽期超過20年
低維修需求、低維修成本
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渦輪類型
19
(Source: Concept NREC)(Source: J.E. 2011 )
Pressure ratio: 2:1-25:1
1- to 4- stage
Axial turbine為主
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渦輪機ORC 高效能渦輪機
軸流式渦輪,結構簡單
剛性轉子,操作區間無共振
等熵效率≧78%
高效率&高可靠度發電機 感應式發電機
頻率(Hz):50/60
電壓(V):380~460,3K/6K/10K
產品特性 產品系列
發電容量150kW ~1,500kW
依據用戶端工況,優化設計,提供最適機組
100% 研發及自製能力
半密式構型,無機械式軸封、無洩漏之虞
產品壽期超過20年
低維修需求、低維修成本
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併聯式感應發電機
膨脹機
市電或電網
虛功率(KVAR)
實功率(kW)
電力輸出異步(感應式)發電機
利用市電或電網提供虛功率,維持發電機定子磁場
產生的實功率併入市電,供廠區用電
發電機的電壓、頻率與市電同,無須併聯盤與同步裝置
缺點
電機缺乏獨立激磁電路,必須與市電系統連接,獲取虛功率
市電系統發生當機,無法維持定子激磁時,發電機無法運轉
同步式發電機
可獨立發電
缺點
需併聯盤與同步裝置
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ORC發電站電力圖
22
冷卻水循環泵
熱水(熱媒油)循環泵
冷卻塔風扇
ORC發電機
ORC工質泵
ORC油泵
ORC控制器
週邊設施電力 ORC自耗電力
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配電系統
同步發電機
(併網系統)
同步發電機
(獨立系統)
感應發電機
(併網系統)
併網方式 同步盤自動控制 --- 直接併網
電壓調整 AVR自動 AVR自動 跟隨電網
頻率調整 同步盤自動控制 調速器自動 跟隨電網
負載容量調整 視膨脹機特性 受附載限制 視膨脹機特性
獨立運轉 可* 可* 不可
設備可靠度 高 中 高
運轉,維修成本 中 中 低
系統建構 中 中 簡易
功率因數 高 高 稍低,可電容補償
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產品經濟期與操作維護產品壽期
ORC機組壽期> 20年、軸承壽期(L10): 6萬~8萬小時
機組操作全自動控制(起機、運轉、發電、停機、事故處理等)、離點操作範圍寬廣
無須專人照料(Install & forget)
維護保養
24
項目500
hrs
3,000
hrs
6,000
hrs
10,000
hrs
15,000
hrs
20,000
hrs
25,000
hrs
30,000
hrs
油位 △ △ △ △ △ △ △ △
冷凍油過濾器 △ △ △ △ △ △ △ △
電氣絕緣 △ △ △
管路及外觀 △ △ △
蒸發器 △ △ △
冷凝器 △ △ △
潤滑油 ○ △/○ △/○ △/○
△:檢查或清潔○:更換
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ORC主機淨發電量 vs.熱水需量
25
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1,000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220
主機淨發電量
(kW
)
熱水需量(t/h)
T Hot Water = 140C
T Cooling Water
22C27C32C
T Cooling Water
22C
27C
32C
T Hot Water = 95C
T Cooling Water
22C27C32C
T Cooling Water
22C
27C
32C
主機淨發電量 = 總發電量 – ORC自耗電力
561.2kW
496.0kW
223.4kW
154.7kW
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機組配置: 10~50kW螺桿膨脹機ORC
2626
PLC
Hermetic TypeTwin-Screw Expander
Generator Set
Brazed Plate TypeEvaporator
Oil Separator
Oil Pump
Shell-n-TubeCondenser
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27
27
Steam: JIS 10K
Cooling WaterJIS 10K
Condensate : JIS 10K
Cooling WaterJIS 10K
機組配置:10~50kW螺桿膨脹機ORC
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機組配置:100~300kW螺桿膨脹機ORC
28
板式蒸發器 殼管式蒸發器
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機組配置:100~300kW螺桿膨脹機ORC
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機組配置:200~1,500kW渦輪ORC
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螺桿ORC(地熱水)
31
製造:漢鐘
示範機組:2012年
裝機地點:地熱區/台灣宜蘭
產品特性
工質:R245Fa
發電功率: 60kW
注油式雙螺桿膨脹機
殼管式蒸發器
殼管式冷凝器
多級離心泵
熱源條件
地熱水、溫度140°C
冷源條件
冷卻塔循環冷卻水、溫度 30°C
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渦輪ORC(熱水)
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製造:漢鐘
科研/示範機組:2013年/2014年
裝機地點:工研院/台灣
ORC 產品特性
工質:R245fa
發電功率: 250kW
軸流式單級渦輪機
殼管式蒸發器
殼管式冷凝器
多級離心泵
熱源條件
熱水,溫度 100°C
冷源條件
冷卻水
冷卻塔循環冷卻水,溫度 30°C
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螺桿ORC(熱水)產品特性
工質:R134a
發電功率: 220kW
注油式雙螺桿膨脹機
殼管式蒸發器
殼管式冷凝器
多級離心泵
33
製造:漢鐘
裝機地點:石化業/台灣
商轉:2014年10月
熱源條件
熱水,溫度 82°C
冷源條件
冷卻塔循環冷卻水,溫度33°C
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螺桿ORC(熱水)
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製造:漢力能源
用戶:運轉展示
裝機地點:泰國
運轉:2015年5月
產品特性
工質:R134a
發電功率: 20kW
注油式雙螺桿膨脹機
板式蒸發器
殼管式冷凝器
多級離心泵
熱源條件
熱水入口溫 = 90°C
冷源條件
冷卻水入口溫 = 32°C
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螺桿ORC(熱水)
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開發、製造:漢力能源
機組運送:2015年7月
裝機地點:太陽熱能發電/中國新疆
運轉:2016年10月
產品特性
工質:R245fa
發電功率: 10kW
注油式雙螺桿膨脹機
板式蒸發器
殼管式冷凝器
多級離心泵
熱源條件
熱水入口溫 = 120°C
冷源條件
冷卻水入口溫 = 28°C
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螺桿ORC(煙氣熱水)產品特性
工質:R245fa
發電功率: 230kW
注油式雙螺桿膨脹機
多級離心泵
硬焊型板式蒸發器
殼管式冷凝器
熱源條件
煙氣增溫熱水,溫度140°C
冷源條件
冷卻塔循環冷卻水,溫度 32°C
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開發、製造:漢力能源
裝機地點:鋼鐵業/泰國
運轉:2016年2月
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螺桿ORC(低壓蒸汽)
開發、製造:漢力能源
裝機地點:食品業/菲律賓
商轉:2016年4月
熱源條件
1 bar,g低壓飽和蒸汽
冷源條件
冷卻塔循環冷卻水,溫度 32°C
37
產品特性工質:R245fa
發電功率: 136kW
注油式雙螺桿膨脹機
硬焊型板式蒸發器
殼管式冷凝器
多級離心泵
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螺桿ORC(熱油)
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開發、製造:漢力能源
出廠允收測試: 2016年3月
裝機地點:天津/中國
產品特性
工質:R245fa
發電功率: 210kW
注油式雙螺桿膨脹機
多級離心泵
殼管式蒸發器
殼管式冷凝器
熱源條件
熱油溫度 180°C
冷源條件
冷卻塔循環冷卻水,溫度 30°C
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螺桿ORC (煙氣熱水)產品特性
工質:R245fa
發電功率: 220kW
注油式雙螺桿膨脹機
多級離心泵
殼管式蒸發器
殼管式冷凝器
熱源條件
熱水溫度 135°C
冷源條件
冷卻塔循環冷卻水,溫度 34°C
39
製造:漢力能源
出廠允收測試: 2016年6月
裝機地點:鋼鐵廠/台灣高雄
商轉:2016年11月
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結語
台灣地熱資源因乾度低,適合採用ORC發電機組發電。
全球地熱ORC自2000年起蓬勃發展,渦輪技術、軸封技術、
同步電機併網技術、雙相流熱交換技術、風冷技術等均成
熟發展。我國地熱發展應以500kW~MW級機組為開發目
標,並致力於提升系統與關鍵元件穩定性、效率等,以期
使地熱資源獲得最佳化利用。
國內已具備自製ORC技術,且有完好的示範經驗。應加速
各地熱區資源整合開發,結合國有ORC設備,建立MW級
地熱電廠,提供穩定的綠色能源。
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Thank You
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