火水力發電

一、 一般電力結構

    在一般電力結構中，由電量、供電量、尖峰負載、成本等，可分為基載、中載、尖載機組。基載機組需要滿足可長時間連續運轉且發電成本低的特性，因為長時間運轉，所以它的啟動速動不重要，如核能及燃煤火力等。中載機組介於基載及尖載特性之間的機組，意思就是供應那兩者之間的用電負載，它必須可接受調度，於早上清晨時升載或並聯發電， 於深夜用電離峰期間降載運轉，如調整池水力、燃油與燃氣汽力機組及複循環機組等。最後，尖載機組必須要有快速發、停電，如此可以滿足尖峰時度用電需求，如抽蓄水力、水庫式水力、氣渦輪機等。

    根據各機組發電的占比合理值，基載機組佔了大約55至65%，中載機組佔了大約15至30%，尖載機組佔了大約10至15%，而設定此合理值分布應該是根據一般用電量及尖鋒時段的佔比，以及評估各機組的花費所算出最合理的分布。此外，每天最低的用電量約為每天最高用電量的70%左右，也就是基本負載，然而部分中載機組於離峰期間仍並聯發電，所以基載機組合理值分布才是大約5、60%。
    台灣的各機組發電佔比台灣的各機組發電佔比，分別為基載佔了41.9%、中仔佔了48.3%、尖載佔了9.8%，與合理值比較下，明顯發現中載不尋常多了許多，之所以有這現象，是因為基載機組主要是由核能及燃煤火力發電效應，而可愛的台灣民眾很多都反核而且環保團體也認為燃煤火力發電是空氣汙染的一大主因，因此才造就了中載機組代替基載機組的特有現象。

二、  熱循環

    卡洛熱機循環是由卡洛循環原理組成的熱機，其過程主要是四個步驟的循環，由絕熱壓縮到等溫膨脹再到絕熱膨脹再到等溫壓縮。現實中的熱機都是以不可逆循環來工作，現實中相同狀態下沒有任何熱機的效率可以達到皆由可逆過程組成的可逆循環來工作的卡洛熱機的效率。

        郎肯熱機循環是由郎肯循環原理組成的熱機，其過程也是由四個步驟的循環，它是一種將熱能轉化為功的熱力學循環。首先將液體被水泵壓縮，液體會從低壓上升至高壓，成為高壓液。再將高壓液被注入鍋爐加熱，在恆定壓力下，高壓液吸收了外部熱源成為飽和蒸汽。飽和蒸汽膨脹後，會推動渦輪機發電，飽和蒸汽的溫度和壓力因此減少，並成為濕蒸汽。濕蒸汽然後進入冷凝器，被冷凝成為飽和液體。

   卡洛熱機效益一定≤1-(Tc/Th)，其中Th為熱機輸入熱的溫度（熱源溫度），Tc為熱機的環境溫度（冷源溫度），然而實際引擎的熱效率都會比卡諾循環效率要低，例如實際汽車引擎的熱效率大都低於35%。另外郎肯熱機是現在大多發電機中蒸汽渦輪發動機使用的熱力循環，現在的發電廠的蒸汽渦輪發動機有再熱循環，效率可以高達47%，若是加上燃汽渦輪發動機的複合循環，效率可以高達60%。

    其他常見熱機型式還有常用在汽車引擎上的奧圖循環，這類的引擎需要配合火星塞，其燃料多半是汽油或是氫燃料。還有卡車等用的柴油引擎常見的狄塞爾循環，這類引擎的燃料在氣缸壓縮時會自燃，因此不需要火星塞。還有燃氣輪機的布雷頓循環等等。

三、 電廠容量因素/廠內用電

    電廠的容量因素是特定機組全年實際發電量/特定機組理論上全年最大發電量，最常用來評估發電機組績效的衡量指標，其所代表的意義在於電力系統平均利用的水平，亦指發電機組年平均負載與裝置容量的比值。其中，全年實際發電量就是毛發電量，而廠內用電就是發電廠因運轉發電機所消耗於各項附屬設備之電能。

四、 火力電廠的空汙處理

     燃煤火力電廠內的空汙處理流程，包括脫硝、除塵、排煙脫硫。

          脫硝過程如下，鍋爐採用低氮氧化物燃燒器抑制氮氧化物形成，並經過選擇性觸媒還原設備經化學反應後降低氮氧化物濃度，煙氣在與觸媒接觸之前須注入氨氣進行化學反應，將NOx透過還原反應生成氮氣及水分，大幅減低氮氧化物之排放，其去除效率約可達80%以上。

  除塵則是煙氣經過靜電集塵設備去除塵粒達到淨化空氣之目的去除效率約可達99.8%以上，而靜電集塵設備收集之粒狀污染物即為飛灰，可再利用作為營建材料。

  排煙脫硫是利用高效率之濕式石灰石排煙脫硫設備，吸收煙氣中硫氧化物，去除效率約可達90%以上，硫氧化物與濕式石灰石排煙脫硫設備反應後所生產的脫硫石膏，可以再利用於防火板材。

五、 靜電除塵系統

     含塵氣體經過高壓靜電場時被電分離，塵粒與負離子結合帶上負電後，趨向陽極表面放電而沉積。在冶金、化學等工業中用以淨化氣體或回收有用塵粒。 利用靜電場使氣體電離從而使塵粒帶電吸附到電極上的收塵方法。在強電場中空氣分子被電離為正離子和電子，電子奔向正極過程中遇到塵粒，塵粒帶負電吸附到正極被收集。

六、  臨界燃煤發電技術

           臨界指的是水的物理意義，實際上水的物理性質只有「次臨界」與「超臨界」的分別，其區分在於主蒸氣壓力是否超過臨界壓力，而超臨界發電所用的熔爐，水不再有低於臨界壓力時相的變化，也就是不會有液相與氣相的介面。而「超臨界」與「超超臨界」是在發電業界的一種分類。「超超臨界」機組，業界各有不同的定義，國際上通常以主蒸汽壓力在28 MPa以上或主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度在580℃以上之機組定義為「超超臨界」機組。

七、 水力電廠常用水渦輪機

         伯爾頓輪機利用數道強力水柱直接衝擊轉子上之水杯。轉子極為類似一水輪。應用於高低落差大的地區，範圍由15M至1,800M。其功率可達200MW。

  法蘭西斯輪機的轉子有九片以上固定葉片，驅動的時候水自輻射方向進入，經過葉片後沿中心軸向流出。這種水輪機所應用之高低落差在3M至600M，其功率最大為800MW。

          螺旋片式輪機的轉子具有三至六個固定葉片，長相類似船之推進器。水流經轉子並驅動葉片。螺旋葉式輪機常應用於高低落差較低之場合，其範圍在3M至90M，功率可達100MW。

八、 水錘 (water hammer) 現象/效應?

    水流在水管中流動，此時若將管路下方閥門快速關閉，由於慣性作用，水流的慣性動量持續往前推擠，及會造成管內壓力急速上升。在如此的壓力下，往往造成管路損壞及噪音的汙染。這就是水錘效應。    水錘效應的大小取決於水流流量以及水位差(位能差)，瞬間流量以及水位差越大，造成的流速越快，水流的慣性動量越大，產生水錘效應之巨大壓力。尤其在水力發電上，水流流量及水位差都十分驚人，因此在輸水路與鋼管之間設有平壓塔，可以有效減緩水錘之壓力。    除了水力發電，在一般的家庭用水，也會有如此水錘現象，因此產生的噪音往往被誤認為鄰居製造的。還有曾經，台北市立動物園利用電磁閥，解決了抽水馬達抽水時因為虹吸現象所造成的水錘問題。另外，在蒸汽系統方面的機械方面也會有水錘現象，分別由高速冷凝水產生及蒸汽突然冷凝產生的水錘。在蒸汽管內由於散熱會產生冷凝水，蒸汽在管道內高速流動而帶動冷凝水造成了一股巨大的壓力，在冷凝水衝撞到關閉的閥門就會產生水錘現象;而當蒸汽的熱量逐漸散失，轉變成冷凝水，體積會小千倍以上，所以在快速接觸低溫的冷凝水，蒸汽的體積發生巨大的變化，由於體積減小會暫時形成真空狀態，因此管道內的冷凝水會被吸到這個真空的空間，產生水錘現象。

九、 水力電廠中的平壓塔/口(surge tank)的作用和工作原理

    水力發電廠中的平壓塔就是為了解決水錘現象所產生的壓力而設置的，而它也能防止水倒流以及提高送水壓還有使得管道的壓力完全消除。而它的工作原理就是設置一個高於水位許多的平壓塔，可在水流衝撞閥門時，將壓力宣洩至平壓塔，達到平抑壓力。

    通常在水錘現象嚴重的地方會設置平壓塔，例如經典的水力發電廠，而在公寓建築也會分段設計平壓塔，因為整棟大樓的洪水，如果都由頂樓水塔供應，放那麼大的水塔在大樓頂樓，如此頂樓的結構樓版都需要特別加強，整棟大樓頭重腳輕，如何防止高樓因為地震與鋒利的劇烈搖晃都是問題。

十、  空蝕現象(cavitation)

    液體在流動中受到壓力的快速冷卻會產生空穴，這個空穴就像是氣泡，裡面的壓力相對比較低，大約只有液體本身的蒸汽壓，而當環境的壓力變高時，周圍的液體向著氣泡中心衝去，在氣泡分裂或消失的瞬間，會產生強力的衝擊波。在日常生活中十分常見。

十一、  水力電廠內常用的三種水輪機分別有何優點和缺點

   常用的水輪機，依動作原理可分為三種，分別是衝擊式、螺旋槳及法蘭基斯水輪機。

  衝擊式水輪機又名佩爾頓式水輪機，是利用水流衝擊水車來取動能量，而早期的衝擊式水輪機，在水離開水車時，仍然有速度，因此浪費了許多動能，而佩爾頓的划槳設計，使得動輪跑在水射流速度的一半後，僅用極低的速度離開動輪，這樣的設計就可以幾乎擷取水流的衝擊能量，達到較高的效能。通常是廣泛使用於低流量，高水頭的水力發電廠中。

    螺旋槳水輪機又名卡布蘭式水輪機，是利用可變型態的扇葉，再利用水量推動螺旋槳旋轉。主要運作過程是在流體入口處為渦旋形管路，並環繞在水輪機導葉上，流體流入水輪機後會以切線方向流到導葉和螺線上，並經過螺旋槳類型的動輪上，來讓其旋轉。通常是廣泛使用於高流量，低水頭的水力發電廠中，而且它能在極低的水位差有效率地產生電力，這是一般法蘭基斯水輪機做不到的。但它的缺點是在設計，製造和安裝方面都是造價非常高昂。

    法蘭基斯水輪機又稱混流式水輪機，是現在最廣泛使用的一種水輪機型式，它利用水流的壓力和動能來帶動軸上的扇葉同心圓轉動來做功。在水由上而下衝擊強大的動力導入封閉而飽和的渦輪室，使水可以作用在整個水輪扇葉，並且利用此方式來從運轉中的扇葉獲得能量，部分的能量會因為水壓在扇葉中改變而喪失。在出水口，水流會作用在旋壓杯型流道上，因為其出口的低速和低漩渦狀態的關係，水流經此處時，僅剩下少量的動能和向左的位能。水輪機的出口管被設計為幫助水流減速並恢復其壓力。通常是廣泛使用於高流量，中水頭的水力發電廠，效率相較於其他水輪機還高，但缺點是不能在低水頭高度的環境下運作。