台灣地熱產業發展論壇 ORC地熱發電機組 · 發電容量150kW ~1,500kW...

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技 3

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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% -

Copyright 2017 漢力能源科技

Combined cycle

6

資料來源：ORMAT CO.

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

Geothermal Power Plant

資料來源：TURBODEN.

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

320kW ORC機組外型(水冷式)

Copyright 2017 漢力能源科技

ORC機組配置圖

15

Copyright 2017 漢力能源科技

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

16

Copyright 2017 漢力能源科技

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

17

半密式(半封式) 開啟式

進氣

Copyright 2017 漢力能源科技

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

18

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

20

Copyright 2017 漢力能源科技

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

21

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

23

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

機組配置：100~300kW螺桿膨脹機ORC

28

板式蒸發器 殼管式蒸發器

Copyright 2017 漢力能源科技

機組配置：100~300kW螺桿膨脹機ORC

29

Copyright 2017 漢力能源科技

機組配置：200~1,500kW渦輪ORC

30

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

渦輪ORC(熱水)

32

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

螺桿ORC(熱水)

34

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

Copyright 2017 漢力能源科技

螺桿ORC(熱水)

35

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

36

開發、製造：漢力能源

裝機地點：鋼鐵業/泰國

運轉：2016年2月

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

螺桿ORC(熱油)

38

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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

Copyright 2017 漢力能源科技

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。

40

Copyright 2017 漢力能源科技 41

Thank You

Q&A