通霄發電廠二期更新改建計畫技術評估報告：三菱電力 M501JAC 燃氣渦輪機與先進管線工法整合分析 (Technical Evaluation Report for the Tungshiao Power Plant Phase II Renewal and Expansion Project: Integrated Analysis of Mitsubishi Power M501JAC Gas Turbines and Advanced Piping Construction Methods)

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一、摘要

本研究報告旨在針對台灣電力公司（Taipower）推動之「通霄發電廠第二期更新改建計畫（Tunghsiao Power Plant Phase 2 Renewal Project）」進行詳盡的技術可行性與工程效益分析。本計畫作為台灣能源轉型政策的關鍵樞紐，不僅肩負著填補核能與燃煤除役後的基載缺口，更需具備極高的運轉彈性（Operational Flexibility）以應對再生能源併網後日益嚴峻的鴨子曲線（Duck Curve）挑戰。

本報告聚焦於兩大核心技術範疇：

  1. 動力核心技術：深入剖析由三菱電力（Mitsubishi Power）所提供的 M501JAC 氣冷式燃氣渦輪機（Air-Cooled Gas Turbine）。該機型憑藉 1,650°C 級渦輪進口溫度（TIT）與氣冷式燃燒器的創新設計，實現了超過 64% 的複循環熱效率，並具備 30 分鐘內快速啟動的能力。報告將探討其熱力學優勢、燃燒器冷卻策略的典範轉移（Paradigm Shift），以及對應 2050 淨零排放目標的氫能混燒（Hydrogen Co-firing）技術路徑。
  2. 關鍵管線工法：針對電廠高溫高壓主蒸汽與再熱蒸汽管線（High-Energy Piping, HEP），特別是 P91/P92 潛變強度增強型肥粒鐵鋼（CSEF）之應用，分析潁璋工程（Ying Zhang Engineering）所採用之「冷作彎管（Cold Bending）」結合「感應加熱後熱處理（IH-PBHT）」整合工法。本報告將透過冶金學視角，論證此工法如何有效消除傳統銲接工法中易發生的 Type IV 潛變開裂（Creep Cracking）風險，並確保管系符合 ASME B31.1 2026 年版規範中關於冷卻速率的嚴苛要求。

綜合分析顯示，透過 M501JAC 機組的快速反應能力與 Cold Bending + IH-PBHT 工法對管系結構完整性（Structural Integrity）的保障，通霄二期計畫將能建構出一座兼具世界級效率、極致運轉彈性與長壽命週期的現代化電廠，為台灣西部科技走廊提供最穩定的電力後盾。

二、 專案背景與戰略地緣分析

2.1 台灣能源轉型架構下的燃氣發電定位

在台灣官方揭示的「2050 淨零排放路徑」中，電力結構正經歷劇烈的典範轉移。隨著再生能源（太陽光電與離岸風電）裝置容量的指數級增長，電網慣量（Grid Inertia）下降與頻率波動風險隨之升高。在此過渡期間，天然氣發電（Gas-fired Power Generation）被賦予了雙重任務：

  1. 低碳橋接能源：燃氣機組的二氧化碳排放量僅約為燃煤機組的 40% 至 50%，且無硫氧化物與粒狀污染物排放問題，是快速降低電力排碳係數的手段 1。
  2. 電網調節主力：相較於核能與燃煤機組起停耗時（數小時至數天），現代化燃氣複循環機組（GTCC）需具備「每日起停（Daily Start-Stop, DSS）」甚至「兩班制（Two-shifting）」的運轉能力，以補償再生能源的間歇性缺口。

2.2 通霄發電廠之戰略樞紐地位

通霄發電廠位於苗栗縣通霄鎮，地理位置極具戰略價值：

  • 負載中心支撐：其位於台灣中部與北部電網的交界處，直接供應鄰近的新竹科學園區（Hsinchu Science Park）與台中科學園區（Taichung Science Park）。這兩個園區是全球半導體供應鏈的核心，對電壓驟降（Voltage Dip）與供電可靠度的要求極高（需達到9999% 等級）。
  • 天然氣供應鏈：鄰近中油公司的通霄計量站與海底輸氣管線上岸點，擁有穩定的燃料來源。

2.3 第二期更新改建計畫概況與 EPC 團隊

通霄二期計畫預計拆除既有的老舊機組，原址新建 5 部高效率燃氣複循環機組，總裝置容量約 2,833 MW（部分資料標示為 2,800 MW 級），預計於 2031 年全數完工商轉 3。

本計畫採 EPC（Engineering, Procurement, Construction）統包模式招標，由 三菱電力（Mitsubishi Power） 與台灣最大的工程統包商 中鼎工程（CTCI Corporation） 組成的聯合承攬團隊得標。

  • 合約規模：總金額約新台幣 1,547 億元（約 7,600 億日圓），創下中鼎集團成立以來的單筆合約金額新高 1。
  • 分工架構：
    • 三菱電力：負責核心動力區塊（Power Block）的設計與製造，包括 M501JAC 燃氣渦輪機、汽輪機（Steam Turbine）、發電機與廢熱回收鍋爐（HRSG）等主要設備，以及全廠控制系統。
    • 中鼎工程：負責周邊輔助系統（Balance of Plant, BOP）的細部設計、土木營建、設備安裝、管線工程及試車工作 5。

三、 三菱電力 M501JAC 燃氣渦輪機系統深度解析

M501JAC 機型代表了當前重型工業燃氣渦輪機（Heavy Duty Gas Turbine）技術的巔峰。從早期的 F 型（1,400°C 級）、G 型（1,500°C 級）演進至 J 型（1,600°C 級），再到最新的 JAC 型（1,650°C 級），每一次溫度的提升都意味著材料科學、冷卻技術與空氣動力學的巨大突破。

3.1 技術演進：從蒸汽冷卻 (Steam-Cooled) 到氣冷 (Air-Cooled) 的哲學轉變

在 M501G 與早期的 M501J 機型中，三菱電力採用了「蒸汽冷卻燃燒器（Steam-Cooled Combustor）」。其設計邏輯是利用底循環（Bottoming Cycle）產生的高壓蒸汽來冷卻燃燒器尾筒（Transition Piece），以此減少昂貴的壓縮空氣消耗，進而提升複循環效率。

然而，通霄二期選擇的 M501JAC (J-Series Air-Cooled) 則回歸並升級了氣冷技術。這一轉變基於以下關鍵考量：

  1. 解耦運轉（Decoupling）：蒸汽冷卻系統強制將燃氣渦輪機（Brayton Cycle）與汽輪機循環（Rankine Cycle）在啟動階段就緊密耦合。機組啟動時，必須等待輔助鍋爐產生足夠品質的冷卻蒸汽，限制了升載速度。氣冷式設計打破了此限制，使燃氣渦輪機可獨立快速啟動 6。
  2. 運轉靈活性：氣冷系統消除了蒸汽冷卻管路複雜的預熱與冷凝排水程序，大幅縮短啟動時間至 30 分鐘以內，並允許更低的最低負載（Turn-down Ratio），更適合需頻繁變動負載的再生能源電網 2。

3.2 熱力循環參數與核心性能指標

M501JAC 的性能數據展現了其作為世界最高效率機組的實力 8：

參數項目 (ISO 條件) 數值規格 技術深度解析
渦輪進口溫度 (TIT) 1,650°C 提升卡諾循環（Carnot Cycle）的理論熱效率上限。相較於 J 型機組提升了 50°C，這依賴於更先進的熱障塗層（TBC）。
壓比 (Pressure Ratio) 25 : 1 採用近似 H 系列的高壓比設計。高壓比雖然增加了壓縮功，但在高 TIT 下能顯著提升簡單循環效率並降低排氣溫度，優化 HRSG 的熱交換溫差。
單機輸出 (SC Output) 453 MW 極高的功率密度，單機即可支撐半個中型電廠的發電量。
複循環輸出 (CC Output) 664 MW (1-on-1) 搭配三壓再熱式（Triple Pressure Reheat）HRSG，總熱效率突破 64% (LHV)。
熱耗率 (Heat Rate) ~5,300 kJ/kWh 極低的燃料消耗，直接轉化為營運成本優勢與碳排放降低。
廢氣排放 NOx < 25 ppm 透過先進預混燃燒技術，無需注水即可達成低排放 8。

 

3.3 氣冷式燃燒器技術與間隙控制機制

M501JAC 的核心創新在於其冷卻空氣管理系統。為了在不犧牲效率的前提下使用空氣冷卻，三菱開發了一套精密的流量控制與間隙控制（Clearance Control）系統 9：

  • 雙模式冷卻切換 (Dual-Mode Cooling Strategy)：
    系統透過一個三通閥（Three-way Valve）來調節冷卻空氣的路徑，根據運轉需求在兩種模式間切換：

    • 彈性模式 (Flexible Mode)：在啟動、停機或負載劇烈變動時，冷卻空氣繞過渦輪葉片環（Blade Ring），直接進入燃燒器。此模式會使葉片環溫度較低，保持較大的葉尖間隙（Tip Clearance），防止因熱膨脹不均導致的動靜件摩擦（Rubbing）。
    • 性能模式 (Performance Mode)：在穩態滿載運轉時，冷卻空氣先流經渦輪葉片環進行預熱（同時冷卻葉片環），使葉片環熱膨脹並縮小葉尖間隙。縮小的間隙能大幅減少氣體洩漏損失（Leakage Loss），極大化氣動力效率。
  • 熱障塗層 (Thermal Barrier Coating, TBC)： 為了承受 1,650°C 的高溫，渦輪第一級動葉與靜葉表面採用了更厚的先進 TBC 塗層。這種陶瓷塗層具備極低的熱傳導係數，能使金屬基材溫度維持在可承受範圍內（通常低於 950°C），確保潛變壽命 9。

3.4 空氣動力學與壓縮機設計

M501JAC 的壓縮機設計源自於高壓比的 H 系列與 J 系列的實證經驗。

  • 高壓比挑戰：壓比提高至 25，意味著後段級數的葉片更短，端壁邊界層（End-wall Boundary Layer）的影響更顯著。
  • 受控擴散葉型 (CDA)：採用先進的三維受控擴散葉型設計，優化激波位置與附面層控制，防止流動分離（Flow Separation）。
  • 啟動防喘振 (Stall Margin)：高壓比壓縮機在低轉速啟動時容易發生旋轉失速（Rotating Stall）。三菱透過可變進氣導葉（IGV）與多級洩放閥（Bleed Valve）的精確控制，以及 T-Point 2 的實測驗證，確認了其在全轉速範圍內的氣動穩定性 9。

3.5 氫能混燒路徑與 2050 淨零承諾

通霄二期計畫的另一大亮點是其「氫能就緒（Hydrogen-Ready）」的特性，這直接呼應了全球與台灣的脫碳路徑。

  • 技術挑戰：氫氣的層流火焰速度（Laminar Flame Speed）約為天然氣的 7-8 倍，且絕熱火焰溫度更高。在傳統預混燃燒器中，極易發生「回火（Flashback）」與「燃燒震盪（Combustion Oscillation）」，導致硬體損壞或 NOx 飆升。
  • DLN 燃燒器解決方案：三菱電力的最新 DLN（Dry Low NOx）燃燒器透過優化燃料噴嘴幾何形狀與預混氣流速度，目前已驗證可安全混燒 30% 體積比的氫氣 10。
  • 升級路徑：
    • 2025-2030：機組具備混燒 30% 氫氣能力。以美國猶他州 IPP 專案為例，該廠同樣採用 M501JAC，預計 2025 年達成 30% 混燒 11。
    • 2045+：目標達成 100% 氫氣專燒。這將需要更換專用的 Multi-Cluster 燃燒器噴嘴，但核心渦輪機與壓縮機無需更換，大幅降低資產擱置風險。

四、 電廠高能管線 (High-Energy Piping) 之冶金挑戰

隨著燃氣渦輪機排氣溫度的提升，廢熱回收鍋爐（HRSG）所產生的主蒸汽（Main Steam, MS）與熱再熱蒸汽（Hot Reheat, HRH）條件已達到超超臨界（USC）等級，溫度常態性超過 600°C，壓力可達 170 bar 以上。在此極端工況下，管線系統的可靠度成為電廠安全的阿基里斯腱。

4.1 P91/P92 材料特性與選用邏輯

為了在減輕管壁厚度（降低熱應力）與維持高溫強度之間取得平衡，現代電廠普遍採用 9Cr-1Mo-V (P91) 及 9Cr-0.5Mo-1.8W-V (P92) 等「潛變強度增強型肥粒鐵鋼（Creep Strength Enhanced Ferritic Steels, CSEF）」。

  • 強化機制：
    P91/P92 的高強度源自於其複雜的微觀組織——回火麻田散鐵（Tempered Martensite）。其晶界與晶內散佈著細小的析出物：

    • M23C6 碳化物：主要分佈於晶界，阻礙晶界滑移。
    • MX 型碳氮化物 (V, Nb)(C, N)：細小且彌散分佈於差排（Dislocation）線上，透過「釘扎效應（Pinning Effect）」強效阻礙差排運動，從而提供優異的抗潛變能力 13。

4.2 銲接的罩門：Type IV 潛變開裂 (Type IV Creep Cracking)

儘管 P91/P92 母材性能優異，但在銲接過程中，熱循環會不可避免地破壞其精心調控的微觀組織，形成熱影響區（Heat Affected Zone, HAZ）。

  • 細晶熱影響區 (FGHAZ)：在 HAZ 的外圍，溫度剛好達到沃斯田鐵轉變溫度（Ac3）附近。此處的加熱使得原有的 MX 析出物發生部分溶解或粗化，且晶粒細化。
  • 失效機制：在隨後的高溫服役中，FGHAZ 區域的潛變強度顯著低於母材與銲縫金屬（強度削減係數 WSRF 可能低至6-0.7）。長期承受內壓環向應力（Hoop Stress）與管系熱膨脹彎曲應力下，此區域會優先產生潛變空孔（Creep Cavities），這些空孔逐漸串接形成微裂紋，最終導致沿晶斷裂。這被稱為 Type IV 開裂，是全球 P91/P92 管線失效的主因 15。

五、 潁璋工程 Cold Bending + IH-PBHT 整合工法技術分析

針對通霄二期這類高參數電廠的管線挑戰，台灣本土專業廠商 潁璋工程（Ying Zhang Engineering） 提出了結合「冷作彎管（Cold Bending）」與「感應加熱後熱處理（Induction Heating Post-Bend Heat Treatment, IH-PBHT）」的整合解決方案。此工法從根本上改變了管線的製造邏輯，將「銲接連接」轉變為「整體成型」。

5.1 從「銲接」到「整體成型」的典範轉移

傳統電廠管線施工採用「直管 + 鍛造彎頭（Forged Elbow） + 直管」的模式。每遇到一個轉彎，就需要切斷管線並進行兩道圓周銲接。

  • 傳統工法缺陷：對於一個複雜的管系，可能累積數百道銲口。每一道銲口都是一個潛在的 Type IV 失效點，且需要昂貴的非破壞檢測（NDE）與全生命週期的監測。
  • 潁璋整合工法優勢：利用冷彎技術，可在一根長達數十米的 P91 直管上連續彎製多個角度。根據統計，此舉可減少高達 75% 的現場對接銲縫，直接移除了大部分的潛在故障源，大幅提升系統的結構完整性 15。

5.2 冷作彎管 (Cold Bending) 之力學與應變控制

冷作彎管是在室溫下利用機械力（如 CNC 頂彎機或拉彎機）使管材產生塑性變形。

  • 應變計算：根據 ASME B31.1 規範，外層纖維的工程應變（Engineering Strain）計算公式為 ε= 100* r/R（其中 r為管半徑，R 為彎曲半徑）。
  • 加工硬化與幾何變異：
    冷彎會導致差排密度急劇增加，硬度從母材的 ~220 HBW 飆升至 300 HBW 以上。同時，外弧側壁厚會減薄，內弧側增厚，且管截面會發生橢圓化（Ovality）。

    • 潁璋技術指標：透過精密的模具設計與反彈補償（Springback Compensation）算法，潁璋工程能將橢圓度控制在 ≦8%（優於 ASME 要求），並確保壁厚減薄率在設計容許範圍內（通常需選用厚壁管 XXS 以預留減薄裕度）15。

5.3 感應加熱後熱處理 (IH-PBHT) 之熱力學控制

由於冷彎後的加工硬化與殘留應力會嚴重損害 P91 的韌性與抗腐蝕能力，必須進行後熱處理（PBHT）。潁璋工程採用的感應加熱（Induction Heating, IH）技術相較於傳統電熱片或爐中加熱，具有決定性的優勢。

  • 感應加熱原理：利用交變磁場在管壁內產生渦電流（Eddy Current），由內而外自身發熱。這解決了厚壁管（如 P91 XXS）傳統加熱時內外溫差過大的問題，能將徑向溫差控制在 ±10°C 以內 14。
  • 熱處理工法分類：
    1. 次臨界熱處理 (Subcritical PBHT)：
      • 條件：當冷彎應變 ≦20%且管徑 ≦NPS 4 時（或依據更嚴格的業主規範）。
      • 參數：加熱至 730°C – 780°C 持溫。
      • 目的：消除殘留應力，回復延展性，將硬度降至 275 HBW 以下，但不改變微觀相結構 15。
    2. 常規化與回火 (Normalizing & Tempering, N+T)：
      • 條件：當冷彎應變>20% 或R≦3D等大變形量時。
      • 程序：重新加熱至 1,040°C – 1,060°C 使組織完全沃斯田鐵化，隨後冷卻至室溫，再進行 760°C 回火。此過程能徹底消除加工硬化歷史，重塑均勻的麻田散鐵組織 15。

5.4 數位化製程監控與品質履歷 (Advanced Process Monitoring & Digital Traceability)

為了確保 P91/P92 材料在 IH-PBHT 過程中的升降溫速率與持溫精度完全符合 ASME 規範，潁璋工程導入了工業 4.0 等級的監測與記錄系統，透過四項關鍵技術確保製程的絕對可靠性：

  • 雙重測溫系統 (Dual Temperature Monitoring System)：
    為消除單一量測方法的盲點，採用「紅外線為主，電熱偶為輔」的混合監控策略。

    • 主測溫 – 紅外線測溫儀 (Infrared Thermometer)：作為主要的溫度監測手段。其非接觸式的特性可快速掃描管件表面，即時捕捉大範圍的溫度分佈，有效監控加熱線圈移動過程中的溫度均勻性，避免局部過熱或冷點 。
    • 輔測溫 – 電熱偶 (Thermocouple)：作為輔助驗證與校正基準。將 K-Type 或 N-Type 電熱偶直接點銲於管壁關鍵位置（如彎頭背脊、內弧與直線段交界處），提供接觸式的精準溫度讀數，確保紅外線量測的發射率（Emissivity）設定正確且無漂移 。
  • 數據完整性 (Data Integrity)：
    捨棄傳統紙本記錄器，全面採用 無紙記錄儀 (Paperless Recorder)。所有熱處理過程中的溫度-時間曲線（T-t Curve）數據均直接數位化並即時上傳至中央伺服器。此舉杜絕了人工抄寫錯誤或事後篡改的可能性，確保了數據的真實性與可追溯性。
  • 單元身分履歷 (Unit Traceability)：
    每一支經過冷彎與熱處理的管段（Spool）皆被賦予一組專屬的 QR Code 身分證明。透過掃描此條碼，業主與監造單位可即時讀取該管段的完整生產履歷，包括母材爐號、彎管參數、以及上述的 IH-PBHT 熱處理曲線圖。這構建了從工廠預製到現場安裝的完整數位化品質鏈 。

5.5 關鍵技術門檻：ASME B31.1 (2025/2026) 冷卻速率規範

本報告特別指出，潁璋工程的技術方案不僅符合現行規範，更前瞻性地滿足了 ASME B31.1 2026 年版（2026 年 1 月生效） 的嚴苛要求。

  • 新規範要求：針對 P91 Type 2 材料，在常規化（Normalizing）後的冷卻過程中，從 1,650°F (900°C) 降溫至 900°F (480°C) 的區間內，冷卻速率不得低於 9°F/min (5°C/min) 15。
  • 冶金學依據：若冷卻速率低於此臨界值，P91 會在沃斯田鐵晶界上析出「初析肥粒鐵（Pro-eutectoid Ferrite）」。這種軟相不具備潛變強度，會成為高溫下的破裂源。
  • 潁璋的解決方案：傳統的爐內退火因爐體熱容量大，往往冷卻過慢（尤其在厚壁管中心）。潁璋工程利用感應加熱線圈的可移動性，配合強制的內部/外部壓縮空氣冷卻系統（Air Blast），能精準控制冷卻速率遠高於 5°C/min，確保 100% 麻田散鐵變態，這是確保通霄二期管線壽命長達 30 年以上的關鍵技術細節。

5.6 經濟效益與全生命週期成本 (LCC) 分析

採用 Cold Bending + IH-PBHT 工法對通霄二期專案的具體效益如下：

評估維度 傳統銲接鍛造彎頭工法 潁璋 Cold Bending + IH-PBHT 工法 效益分析
結構完整性 弱 (Type IV 風險點多) 強 (母材連續性佳) 降低非預期停機風險，提升電廠可用率 (Availability)。
現場施工 需大量高空銲接與熱處理 主要為預製工廠內預製 減少 75% 現場銲道，縮短安裝工期，降低高空作業安衛風險 19。
檢測成本 高 (每道銲縫需做 RT/UT/PAUT) 低 (彎管本體僅需做硬度與厚度檢測) 顯著降低建置成本與後續歲修的檢測費用。
流體效率 彎頭處易有流場擾動 R 值可客製化 (如 3D, 5D) 更平滑的流道減少壓損 (Pressure Drop)，對追求 0.1% 效率提升的 GTCC 至關重要 21。

六、 結論與展望

通霄發電廠第二期更新改建計畫，不僅是台灣電力供應能力的擴充，更是一場深度的技術革新。透過本報告的綜合分析，我們可以得出以下結論：

  1. 動力系統的躍進：三菱電力 M501JAC 機組的導入，標誌著台灣大型燃氣電廠進入了「氣冷時代」。其 1,650°C 的渦輪進口溫度與氣冷式燃燒器的靈活調度能力，完美契合了台灣電網在高再生能源占比下的頻率調節需求。其氫能混燒的預留設計，更為 2050 年的資產合規性買下了保險。
  2. 管線工程的典範轉移：潁璋工程的 Cold Bending + IH-PBHT 整合工法，成功解決了 P91/P92 高溫材料最棘手的 Type IV 潛變開裂問題。透過將 2026 年版 ASME 規範中關於冷卻速率的嚴格要求落實於工程實務，並結合紅外線與電熱偶雙重監控、無紙化記錄及 QR Code 履歷等數位化手段，該工法確保了電廠主動脈（主蒸汽管線）在未來數十年的頻繁冷熱循環中，仍能維持卓越的結構強度與可追溯性。

總結而言，三菱電力的先進熱機技術與潁璋工程的高端管務加工工法，在通霄二期計畫中形成了完美的互補。前者提供了高效靈活的動力源，後者構建了安全可靠的輸送網。這兩項技術的結合，將確保通霄發電廠在未來三十年持續作為台灣經濟發展與能源轉型的堅實後盾。

參考文獻

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  21. The Production Process of ASTM A335 P92 Pipe Bends, http://www.metalspiping.com/the-production-process-of-astm-a335-p92-pipe-bends.html
  22. CTCI E-Newsletter No.467 | CTCI Successfully Transformed Tunghsiao Power Plant into Taiwan’s Most Efficient Combined Cycle Power Plant, https://www.ctci.com/e-newsletter/EN/467/discover-reliable/
  23. Taiwan awards 2.8 GW CCGT power project to Mitsubishi Power and CTCI | Enerdata, https://www.enerdata.net/publications/daily-energy-news/taiwan-awards-28-gw-ccgt-power-project-mitsubishi-power-and-ctci.html
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