鍋爐給水泵增設液壓

聯軸器節能改善介紹台化公司工務部

摘要

汽電共生機組依其負載特性大多需要作尖離峰的調整，

但其輔機設備多為離心式轉動設備，常年處於定速運行狀

態，負載調節特性差，致使平時運轉以及離峰降載時，部份

電力耗損於控制閥的節流損失上，造成電力浪費。因此，對

鍋爐給水泵 (BFWP,BoilerFeedWaterPump)增設液壓聯軸器(HC,HydraulicCoupling)，利用液壓聯軸器調整泵浦轉速，控制給水量，以降低給水管路壓力，達到節能效果，此乃本文

擬介紹之重點。經實際案例顯示，上述改善方式節電效果佳，

其中以 150MWLT2機組為例，其尖峰可節電 280kW，節電8.6%，離峰更可節電達 710kW，節電 24.7%；150MWLT3機組尖峰節電 340kW，9.9%，離峰節電 689kW，22.1%。除節能效益佳外，另對於減少管件與閥體高壓之磨耗，及負載調

整之穩定性亦均有明顯改善。

一、前言

鍋爐所內用電，主要用於其輔機設備經調查主要輔機設

備，包括鍋爐給水泵、引風機及送風機佔全部用電量 58%，

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磨煤系統佔 17%，冷卻系統佔 20%，FGD系統及其他佔 5%。其中屬調節負載較差之離心轉動設備高達 83%，有很大的節能改善空間。

鍋爐利用燃料燃燒後的熱能，加熱鍋爐內的純水產生蒸

汽推動汽發電機後，需經由給水系統的脫氧器泵及鍋爐給水

泵加壓補充純水，因尖離峰需求電量變化的影響，鍋爐配合

升降載所需的給水量由給水系統控制閥調節控制。然而風車、

泵浦等主要輔機設備，多為離心式轉動設備常年處於定速運

行狀態，負載調節特性差，致使平時運轉以及離峰降載時，

大部份電力耗損於控制閥的節流損失上，造成電力浪費。本

公司鍋爐引風機、送風機等大型風車設備皆已採取調速改善，

進一步擬針對大型鍋爐給水泵之節能改善與經驗，提出重點

介紹。

二、鍋爐 BFWP節能改善重點

由於離心式泵浦之耗電量

與轉速的三次方成正比關係或

與其流量及揚程之乘積成正比，

故可於馬達與泵浦之間裝設調

速器，將鍋爐給水量控制模式由

「以控制閥開度節流控制流量」

改為「控制閥全開、轉速調節控

制流量」，可以大幅減少控制閥

節流壓降的能量損失，節省運轉

用電。其改善後示意圖，如圖 1及圖 2。

▲圖 1 改善前 ( 汽鼓液位由給水控制閥控制 )

▲圖 2 改善後 ( 汽鼓液位由給水泵轉速控制 )

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1.離心泵之操作條件離心泵浦之操作條件主要包括：泵送流體之密度、

溫度、黏性及操作時之流量、總揚程、轉速等。有時亦

包括驅動器之大小、能量供應、起動頻率、操作穩定性

及影響泵浦之環境因素。(如操作時所能容許之噪音範圍、管路之受力、軸之振動及爆炸危險等。)離心泵之性能曲線H(Q)(總揚程與流量之對應曲線 )

與管線阻力曲線 HA(Q)之交點，即為離心泵之操作點。H(Q)是泵浦所能產生之揚程值。而 HA(Q)則為流體

從某一地方被泵送至他處時所需之揚程，乃與管線之安

裝情況有關。

如圖 3所示：H(Q)為泵浦在某一轉速時之性能曲線，而 HA(Q)則為管線阻力曲線，其交點 B即為操作點。

HA(Q)與管線之摩擦力有關，且與流速之平方成正比。若性能曲線H(Q)與管線阻力曲線HA(Q)任一改變，則操作點亦隨之改變。茲討論如下：

(1)第一種情形：H(Q)改變，但 HA(Q)保持一定。

▲圖 3 離心泵浦操作點之定義。

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例如改變泵浦之轉速，即會產生不同之性能曲

線。如圖 4所示即為：當轉速由 n1增加至 n3時，

H(Q)會向上移，使操作點由 B1變成 B3，此時揚程

及流量均較原來的增加。

另一改變 H(Q)之例子如圖 5所示：將數個大小相同、性能一致之泵浦並聯運轉，此時操作點亦由

B1變成 B3，流量及揚程皆相對增加。

▲圖 5 將 2 個及 3 個大小相同之離心泵浦並聯運轉時，則操作點沿著 HA(Q) 由 B1 增加至 B3。

▲圖 4 泵浦轉速由 n1 增加至 n3 時，則操作點沿著HA(Q) 由 B1 增至 B3。

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(2)第二種情形：HA(Q)改變，但 H(Q)保持一定。如圖 6所示，利用節流閥以改變管線之阻力，

使 HA(Q)改變，當節流閥全開時，操作點為 B1，此

時流量大、揚程小，若減少節流閥之開口，則得操

做點 B2及 B3等，此時因阻力增加，故揚程增加而流

量減少。

2.給水泵性能曲線評估由各種離心泵之操作條件可知，改變泵浦之轉速，

即會產生不同之性能曲線，相對的，泵浦之揚程及流量

也會隨之改變。故給水泵改善前，需先評估其改變轉速

後之性能曲線是否符合機組運轉條件，此為改善之重要

評估項目，否則泵浦轉速下降下，依離心式流體機械之

相似定律，其流量及揚程都隨之下降，進而達到節電效

果，惟此時若下降後之揚程無法克服系統所需阻力，則

會未竟其功，造成鍋爐操作上之障礙。

對於本文中所介紹之適例，BFWP擬由上圖 6之操作，改為上圖 4之操作，其事前評估如後述。首先改善

▲圖 6 節流閥口漸漸關閉時，則操作點沿著HA(Q) 由 B1 變至 B3。

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前定速泵浦「流量 -揚程」性能曲線固定，當離峰時段負載率小，減少給水量方式必須採控制閥節流方式，但

此時泵浦出口之背壓及揚程都上升，浪費電力，例改善

前離峰 LT3BFWP出口壓力高達 215kg/cm2，遠高於運轉

所需 132kg/cm2汽鼓壓力，如圖 7所示。

擬改善為變速泵浦，其「流量 -揚程」性能曲線可隨轉速變化，亦即轉速下降，其流量及揚程都隨之下

降，在尖峰時段泵浦的出口壓力由原本的 180kg/cm2降

至 149kg/cm2，離峰時段由原本的 215kg/cm2降至 138kg/cm2，可符合機組運轉所需 132kg/cm2汽鼓壓力，且明顯

達到節能的效果，如圖 8所示。

▲圖 7 改善前 ( 給水泵性能曲線 )。

▲圖 8 改善後 ( 給水泵性能曲線 )。

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改善前後的彙總比較，如圖 9所示，由於尖峰時段汽鼓壓力約 136~137kg/cm2，離峰時段約為 129~132kg/cm2，改善後，在不同負載的運轉條件之下，出口壓力

大大降低，仍然可以克服所需要的管損、高位差以及汽

鼓壓力，符合運轉的需求。

3.調速裝置選用工業上常見調速裝置分為三類，有變頻器 (VFD)、

永磁式調速器 (PMD)、液壓聯軸器 (HC)。其中設備低電壓且額定功率為 200kW以下適用變頻器，造價最低，經濟性佳，非常普遍。但 3.3kV以上之高壓變頻器，其設備之穩定度、造價高及造成系統諧波等問題，則仍待

觀察。永磁式調速器在價格和適用性上，多使用於電壓

為 3.3kV或是 6.6kV以上之設備，且額定功率 300kW以下的設備，主要係其價格可低於液壓聯軸器，但穩定度

和價格均優於高壓變頻器所致。另高壓、大功率之設備，

液壓聯軸器之使用在國內則較為普遍，主要係經濟性

佳，構造簡單維修保養容易。惟需特別注意者，對永磁

▲圖 9 500t/h 鍋爐 BFWP 增設液壓聯軸器改善前後比較表。

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式調速器及液壓聯軸器而言，其低轉速下設備運轉效率

則較差，為其主要缺點。本文之改善適例，因均屬高壓、

大功率之 BFWP設備 (4,000kW)，故調速器則以選用液壓聯軸器為主。

4.調速器配置與改造重點表 1為增設液壓聯軸器的改造重點，項次 3針對設

備的基礎改造施工工期較長，期間無備用台可用，增加

運轉的風險，因此採用二階段的方式，先進行 RC基礎和安裝臨時底座的施工，恢復備用台的功能，等待定檢

期間再安裝液壓聯軸器以及試車。

以 SK4 機組為例，原基礎長度為 11,000mmL，加裝液壓聯軸器基礎需延伸 1,150mmL，合計為12,150mmL，原基礎寬度 3,430mmW不變，但基礎延伸周圍需各加 600mm開挖區域與液壓聯軸器之油冷卻器安裝及配管預留空間，不含大型施工機具之最小改善安

裝空間為 12,750mmL×4,630mmW，如圖 10所示。

▲圖 10SK4 增設液壓聯軸器設計圖藍色和黃色為增設範圍。

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在項次 4針對泵浦改為變速運轉後，現有的潤滑油泵容量會不足，這部分已經加大容量更新完成，另外項

次 7控制轉速的 scooptube無現場開度指示，已要求廠商提供。

另液壓聯軸器調速驅動器包含內循環油壓式、電動

馬達式以及氣缸式等三種。其中內循環油壓式的運轉可

靠度和反應度最好，但是費用較高，另外氣缸式雖然費

用最低，但較適合低轉速的設備使用，依本公司實際經

驗內循環油壓式與電動馬達式驅動器皆可適用高轉速給

水泵的 HC，其中電動馬達驅動器已經屬於廠商的模組化配備，價格較低，因此採用電動馬達式。

▼表 1 改善重點說明

項次 內容 改善對策

1.液壓連軸器安裝於泵浦與馬達間，馬達需往後移動。

考慮既有空間，B台空間不足，選擇A台進行增設改善。

2.既有基礎下方有基樁，馬達後移，基礎需配合補強。

馬達後移處基礎以植樁補強。

3.因液壓連軸器底部較深，既有基礎高程須降低，因施工工期長，施工期間給水泵無備台使用。

採用兩次施工方式，先進行基礎施工，施工後安裝臨時鋼座，泵浦與馬達直結，待定檢時再進行設備安裝及試車。

4.泵浦修改為變速，既有之軸驅動潤滑油泵規格不足。

潤滑油泵更新，規格增大。

5.由日本泵浦原廠購買液壓聯軸器費用較高。

液壓聯軸器改由本公司自行請購，但改善後，泵浦廠商仍須保證性能。

6.油過濾器僅有差壓開關及差壓指示計，無差壓錶，輔機現場巡視不易判讀。

目前由爐控於DCS 畫面監控，新設機組應要求廠商提供。

7.控制轉速之汲油桿 (scooptube) 無現場開度 (%) 指示，僅能從控制室 DCS畫面顯示。

要求廠商提供。

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5.操作模式改善後的操作模式在初開車時選擇液壓連軸器控制

器，依汽鼓液位採單元素啟動，漸漸增加轉速，啟動時

轉速慢慢提升，可避免最小流量閥突然動作，延長最小

流量閥使用壽命。接下來調整液壓聯軸器轉速並將給水

控制閥逐漸加大開度至 100%全開 (液壓聯軸器轉速與控制閥控制需匹配，確保汽鼓液位穩定 )。等汽鼓液位穩定後，轉速依給水流量、汽鼓液位切換成三元素自動

控制。改善前復車低載運轉時，給水控制閥控制不易，

改善後由轉速控制，輔以給水控制閥開度控制，低載操

控穩定度佳。圖 10為 DCS運轉的畫面。

在 103/2/8SK4(500t/h 機 組 ) 實 際 跳 脫 測 試，08:54:38無液壓聯軸器之 #B台手動跳脫，08:54:41有液壓聯軸器之 #A台自動起動，馬達降壓起動約 3秒，液壓聯軸器由啟動至全載 (0→ 3,380rpm)約為 4秒，全程8秒。#B台跳脫時汽液位 0CM，#A台啟動後最低降至

▲圖 10DCS 控制畫面

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5.1cm，水位差只 5.1cm，以 SK4汽鼓正常液位保有水量 0~LL(-28cm)約 2.8t，500t/h鍋爐全載運轉無補水至LL跳脫預估為 20秒。350t/h鍋爐計算汽鼓保有水量正常液位 0~LL(-25cm)約 2.8t，全載運轉無補水至 LL跳脫為 28秒。故上述若改為電動馬達驅動，規格為 13秒內即可提供輸出轉速約 90%rpm估算，故經評估驗證結果，較經濟實惠之電動馬達驅動器在緊急啟動供水之模

式下，也應可適用。

三、改善成效

1.改善前後用電比較由表 2可觀察到各給水泵增設液壓聯軸器後明顯有

節電之效果，其中 LT2機組尖峰節電 280kW，8.6%，離峰節電 710kW，24.7%，平均節電 489kW；LT3機組尖峰節電 340kW，9.9%，離峰節電 689kW，22.1%，平均節電 510kW；SK4機組尖峰節電 280kW，9.1%，離峰節電 526kW，19.8%，平均節電 400kW。三部機組總共合計 1,399kW。

▼表 2 本公司國內廠已完成改善統計

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2.本公司推廣改善進度表 3為目前本公司所有給水泵節能的改善進度，除

了新港公用廠 SK3和彰化公用廠 G7/G8等三部機組繼續進行改善以外，其他六部機組都已經改善完成，預估

全部改善後可以省電 3,909kW，每年的效益達到 8仟 2佰 87萬。

3.改善前後設備外觀比較圖 11為鍋爐給水泵液壓聯軸器增設前的相片，而圖

12紅色虛線為增設的液壓聯軸器。

▼表 3 給水泵節能改善進度

每年效益 :3,909kW×8,000hr×2.65/kWh( 全國平均工業電價 )=82,871 仟元

▲圖 11 改善前的鍋爐給水泵。 ▲圖 12 改善後的鍋爐給水泵。

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四、結論

鍋爐給水泵是汽電共生廠所內用電最大之設備，

以 150MW 發 電 機 組 (500t/h 鍋 爐 ) 而 言， 額 定 功 率 約3,800kW~4,000kW之間，但經暸解，均尚存有很大節能空間。另由於該設備堪稱所有輔機設備之心臟，故其重要性及穩定

性之考量，通常既設機組要改善 BFWP時，會較裹足不前。但本文主要介紹 500t/h鍋爐給水泵增設液壓聯軸器案例，泵浦流量由控制閥開度控制改為轉速控制後，節能效益佳外 (約1.5年可回收 )，製程控制穩定度與閥類等管件磨耗皆獲得改善，值得投資，可提供業界先進參考。

參考文獻

1.Voith(2011)“Operatingmanualtype:562SVTL33code:FormosaS14LT

2BFP91800147810en.

2.Torishimapumpmfg.co.,LTD(2000)“LT-2projectboilerfeedwaterpum

p(SL823)deaeratorfeedwaterpump(SL714)finaldrawing.

3.泵浦百科全書，機械月刊出版社，2002 年元月第三版。

4.汽電共生系統能源查核及節約能源案例手冊，經濟部能源局 / 工

業技術研究院，2005 年。

5.汽電共生廠節能減碳之策略簡報，台化公司游楨德，2010 年。

33