CCPP 工法轉換之全生命週期評估 (LCA)、ESG 綜效與綠色價值深度研究報告 (In-depth Research on Life Cycle Assessment (LCA), ESG Synergies, and Green Value of CCPP Construction Method Conversion)

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一、摘要

在全球能源轉型與淨零排放（Net Zero）的宏觀趨勢下，燃氣複循環電廠（Combined Cycle Power Plant, CCPP）作為穩定基載與再生能源調節的關鍵設施，其建設與營運的碳足跡正受到前所未有的檢視。本研究報告針對「CCPP 管路預製工法（潔淨/冷彎/感應彎管）」取代傳統「現場銲接彎頭工法」之效益進行了詳盡的分析。研究範疇涵蓋 ISO 14040/14044 生命週期評估（LCA）、ESG（環境、社會、治理）三維綜效，以及具體的綠色價值財務模型。

分析結果顯示，CCPP 先進彎管工法在全生命週期中展現了顯著的優越性。在 LCA 構面，該工法透過消除高能耗的現場銲接與銲後熱處理（PWHT），並減少銲材消耗，顯著降低了「搖籃到大門」與施工階段的隱含碳（Embodied Carbon）；更關鍵的是，透過將管路轉彎半徑從傳統的 1.5D 延伸至 3D 或 5D，大幅優化了流體力學性能，抑制了迪恩渦（Dean Vortices）的形成，進而降低全廠管網壓降，預估在 25 年營運期內可節省數百萬度的泵浦能耗（Operational Carbon）。

在 ESG 綜效構面，該工法透過減少 50% 以上的銲口數量，直接降低了工業射線檢測（RT）的需求，從源頭消除了輻射暴露與化學廢液風險，大幅提升職業安全（Social）；同時，符合台灣 2025 年碳費徵收與國際供應鏈對範疇三排放的規範，強化了企業的氣候治理韌性（Governance）。

在 綠色價值構面，透過將節省的能耗轉化為碳權資產（Carbon Credits），並結合綠建築（EEWH/LEED）加分效益，該工法不僅降低了總擁有成本（TCO），更創造了額外的綠色溢價（Green Premium）。本報告結論指出，CCPP 工法轉換不僅是工程技術的升級，更是企業落實永續發展策略、提升資產長期價值的關鍵路徑。

二、緒論

2.1 全球能源轉型下的管路工程挑戰

隨著《巴黎協定》目標的推進，能源產業正面臨雙重壓力：一方面需維持能源供應的安全與穩定，另一方面必須激進地降低碳排放。燃氣複循環電廠（CCPP）因具備高熱效率與快速升降載能力，成為能源轉型期的重要橋接技術。然而，現代 CCPP 機組朝向更高溫、高壓發展（如 H 級、J 級燃氣輪機），其主蒸汽管線（Main Steam Piping）與高溫再熱管線（Hot Reheat Piping）需承受極端的工況，這對管路材料與施工品質提出了嚴苛要求 1。

傳統的管路施工高度依賴「現場銲接」，即將直管與標準彎頭（Elbows）在施工現場進行組對銲接。這種模式在勞動力短缺、工安標準提高及減碳壓力增大的當下，顯露出效率低、能耗高、品質不穩定等結構性劣勢。特別是對於 P91 等高階合金鋼材，現場銲接的熱處理控制極為困難，常成為電廠壽命管理的隱憂 3。

2.2 CCPP 工法轉換之定義

本報告所指之「CCPP 工法轉換」，係指將傳統的「直管+銲接彎頭」模式，轉換為以「工廠預製（Prefabrication）」為核心，利用「感應加熱彎管（Induction Bending）」或「冷彎（Cold Bending）」技術，直接將直管加工成型。

  • 技術核心： 利用高頻感應加熱或機械力，在不破壞管材連續性的前提下改變幾何形狀。
  • 幾何特徵： 轉彎半徑由標準的1.5D（1.5 倍管徑）增大至 3D、5D 甚至更大 5。
  • 連接特徵： 消除轉折處的兩道環口銲縫，僅保留直管段的對接銲縫。

2.3 研究目的與方法論

本研究旨在量化此工法轉換的多重效益，採用以下方法論：

  1. 生命週期評估 (LCA)： 依據 ISO 14040 系列標準，界定「搖籃到墳墓」邊界，計算材料、施工、營運各階段的碳排放與能源消耗。
  2. 物理模型模擬： 引用流體力學原理（Bernoulli equation, Darcy-Weisbach equation），比較不同彎管半徑下的流阻係數（K-factor）與能耗差異。
  3. ESG 框架分析： 參照 GRI 準則與 SASB 標準，定性與定量分析工法對環境、社會、治理的影響。
  4. 綠色金融評估： 結合台灣碳費機制與國際碳權方法學（如 CDM AM0020），評估減排量的財務價值。

三、CCPP先進彎管工法與傳統銲接工法之技術深度比較

為了精確評估 LCA 與 ESG 效益，必須先從冶金學與製程工程的角度，深入剖析兩種工法的本質差異。

3.1 傳統銲接彎頭工法 (Traditional Welded Elbows)

傳統工法是將直管切斷，插入一個標準彎頭（通常為熱推製成型），然後進行兩道圓周銲接（Girth Welds）。

  • 製程限制： 標準彎頭的曲率半徑固定為1.5D（長半徑）或 1.0D（短半徑）。這種急劇的流向改變會在管內產生強烈的流動分離與紊流 7。
  • 冶金弱點： 每個彎頭引入了兩個銲接熱影響區（HAZ）。對於 P91 等潛變強鋼（Creep Strength Enhanced Ferritic Steels），HAZ 是微觀組織最脆弱的區域，容易發生 Type IV 潛變裂紋，導致管線早期失效 2。
  • 資源消耗： 需要大量的銲條、保護氣體（氬氣/混合氣）、研磨砂輪片，以及高強度的現場電力供應進行電弧銲接與銲後熱處理（PWHT） 10。

3.2 CCPP 感應彎管工法 (Induction Bending)

感應彎管是一種熱加工工法，利用感應線圈環繞管件，通過中頻電流產生渦流（Eddy Current），將管壁局部加熱至塑性變形溫度（如 P91 需精確控制在相變溫度以下或特定區間），同時由液壓推桿推進產生彎曲，並隨即進行噴水或空氣冷卻（Quenching） 12。

  • 幾何優勢： 可製造任意角度與半徑（通常 3D-5D），流線平滑。
  • 冶金優勢：
    • 無銲縫： 彎管本體無接縫，消除了銲道缺陷風險。
    • 整體熱處理： 工廠預製允許對整支彎管進行爐內正常化與回火（Normalizing & Tempering）或退應力處理，使晶粒組織均勻化，徹底消除加工應力，其材料性能優於局部加熱的銲道 15。
  • 能效優勢： 感應加熱的電熱轉換效率高達 90% 以上，遠高於電阻加熱或燃氣爐 17。

3.3 冷彎工法 (Cold Bending)

對於管徑較小或材質延展性良好的管線，採用常溫機械彎曲。

  • 特點： 完全不消耗熱能，碳足跡最低。但受限於回彈（Springback）效應與管壁減薄率，通常適用於 10 英寸以下或低壓管線 19。

表 3-1：傳統與先進工法關鍵技術參數對照表

技術指標 傳統銲接彎頭 (Welded Elbow) 感應彎管 (Induction Bend) 冷彎 (Cold Bend) 備註
連接界面 2 道銲縫 (Weld Joints) 0 道銲縫 (連續母材) 0 道銲縫 銲縫為洩漏與應力集中點
彎曲半徑 (R) 固定 1.5D / 1.0D 可變，通常 3D – 5D+ 可變，通常 >3D 半徑越大，流阻越小
熱影響區 (HAZ) 存在，且微觀組織不均 無 (或經全管熱處理消除) 無 (僅加工硬化) HAZ 為 P91 鋼失效主因
壁厚變化 彎頭通常加厚以補償 外弧側微量減薄 (<10%) 外弧減薄，內弧增厚 均需符合 ASME B31.1/B31.3
製造能耗 高 (推制+銲接+PWHT) 中 (感應加熱效率高) 極低 (僅機械功) 17
檢測需求 100% RT/UT + MT/PT 管體 UT + 測厚 外觀 + 尺寸 銲接需高強度輻射檢測

四、生命週期評估 (LCA) 深度分析

依據 ISO 14040/14044 框架，本研究將 LCA 劃分為三個主要階段進行量化與質化分析：搖籃到大門（材料製造）、施工安裝、營運使用。

4.1 階段一：搖籃到大門 (Cradle-to-Gate) — 材料與隱含碳

此階段評估從原材料開採、鋼鐵冶煉、管材成型到加工出廠的環境衝擊。

4.1.1 鋼鐵材料的隱含碳 (Embodied Carbon of Steel)

鋼鐵業是高碳排產業，每噸碳鋼的隱含碳約為 1.85 噸 CO2e 21。傳統工法與 CCPP 工法在直管的使用量上雖有消長（彎管工法需較長直管，傳統工法需採購彎頭），但關鍵差異在於「管件（Fittings）」的製造過程。

  • 傳統彎頭製造： 需經過加熱、推制擴徑、整形、端面坡口加工等高能耗工序。其製程繁複，材料利用率較低（切除餘料）。
  • CCPP 工法： 直接使用標準直管進行彎曲，材料利用率高，且透過電腦排版（Nesting）優化切割，可減少約 15% 的管材廢料 22。廢鋼的減少直接對應於上游煉鋼碳排的避免。

4.1.2 銲接消耗品的碳足跡 (Carbon Footprint of Consumables)

這是最常被低估的環節。傳統銲接工法每增加一個彎頭，就增加兩道銲口。對於厚壁高壓管，單道銲口可能消耗數公斤的銲材與大量的保護氣體。

  • 銲材 (Welding Consumables)： 銲條/銲絲的生產涉及複雜的合金配比與藥皮製造，其單位重量的碳足跡高於普通鋼材（不銹鋼銲材約74 – 3.39 kgCO2e/kg）23。
  • 保護氣體 (Shielding Gas)： 氬氣（Argon）是空氣分離的產品，需透過深冷分離法（Cryogenic Distillation）製取，極度耗電。減少銲口意味著直接減少了這些高碳強度物資的消耗 10。

4.2 階段二：施工安裝階段 (Construction Phase) — 能源與廢棄物

此階段聚焦於現場作業的能源消耗與產生的廢棄物。

4.2.1 銲接與熱處理能耗 (Welding & PWHT Energy)

  • 銲接電弧能耗： 銲接機長時間運作消耗大量電力。
  • 銲後熱處理 (PWHT)： 對於 P91 管材，ASME B31.1 code 強制要求進行 PWHT。傳統工法使用包覆式電阻加熱片（Resistance Heating Pads），其熱效率較低，且熱量大量散失於環境中 18。相比之下，CCPP 感應彎管在工廠內進行熱處理，使用高效隔熱爐或感應加熱，能源效率提升 50% 以上 12。
    • 數據推演： 若一個電廠專案減少 1,000 個銲口，每個銲口 PWHT 平均耗電 200 kWh（含升溫、保溫、降溫），則直接節省 200,000 kWh 電力，約當減少 95 噸 CO2e（依台灣 2024 電力係數474 kgCO2e/kWh 計算） 26。

4.2.2 檢測廢棄物與運輸

  • 射線檢測 (RT)： 每個銲口都需進行 RT。傳統工法產生大量的工業底片、顯影廢液（化學危害物質）。CCPP 工法大幅減少銲口，從源頭削減了這些有害廢棄物 27。
  • 物流運輸： 傳統工法需分別運輸直管與大量彎頭、法蘭等管件至現場，增加了包裝廢棄物與運輸趟次。預製管段（Spools）雖體積較大，但可採模組化運輸，整體物流效率透過精實管理（Just-in-Time）可獲得優化。

4.3 階段三：營運階段 (Operational Phase) — 流體力學與長期能耗

這是 LCA 中影響時間最長（20-30 年）、累積效益最大的階段。

4.3.1 流體力學原理：從 1.5D 到 5D 的物理質變

當流體流經彎管時，離心力會導致流體向外側壁擠壓，形成壓力梯度。在 1.5D 的緊湊彎頭中，這種壓力梯度極大，導致內側壁流體分離（Flow Separation），並在橫截面上形成一對反向旋轉的二次流，稱為迪恩渦 (Dean Vortices)。這些渦流消耗了流體的動能，轉化為熱能耗散，表現為「壓降（Pressure Drop）」29。

  • 流阻係數 (K-factor)： 壓降公式為 ΔP=K˙Ρv2/2。
    • 標準1.5D 彎頭的K 值約為 0.30 – 0.75。
    • 5D 感應彎管的 k值可降至10 – 0.20 甚至更低 31。
    • 這意味著，單個轉折點的局部阻力損失可降低 50% 至 70%。

4.3.2 泵浦能耗模型模擬 (Pump Energy Simulation)

壓降的降低直接減少了系統對泵浦揚程（Head）的需求。

  • 能耗公式：Phydraulic=Q˙ΔP。考慮泵浦與馬達效率η，實際軸功Pshaft=Q˙ΔP/η。
  • 模擬情境： 假設一個 CCPP 冷卻水系統循環流量Q=20,000m3/hr，全系統因採用 5D 彎管取代1.5D 彎頭，總動壓頭損失減少 2 公尺水柱（約 0.2 bar）。
    • 功率節省 ΔPkw=20000˙1000˙9.81˙2 / 3600˙1000˙0.85≒128kw（假設效率 85%）。
    • 年節省電量 = 128kw *8000hr/yr=1,024,000kWh。
    • 25 年全生命週期節省： 約 2,560 萬度電。
    • 碳減排效益： 25 年累積減排約 12,134 噸 CO2e（以474 係數計）。
  • 此一數據證明，營運階段的能效提升是 CCPP 工法最大的環境貢獻 34。

五、ESG 綜效分析

CCPP 工法轉換的效益不僅止於技術與成本，更深入滲透至企業的環境、社會與治理（ESG）績效中。

5.1 環境 (Environment)：深度脫碳與資源循環

  • 範疇三 (Scope 3) 減量： 對於業主（如台電、IPP 民營電廠）而言，管路建設屬於範疇三排放。CCPP 工法顯著降低了上游金屬製造與下游運輸的碳足跡，協助業主達成供應鏈減碳目標。
  • 空氣品質與污染防制： 銲接過程產生的金屬燻煙（Welding Fumes）含有錳、鎳、六價鉻等重金屬微粒，是主要空氣污染源。移除了 50% 的銲口，即減少了 50% 的有害燻煙排放，降低了對周邊環境與生態的衝擊 10。
  • 材料循環性： 單一材質的彎管（無異質銲材混入）在電廠除役後的回收價值更高，符合循環經濟原則。

5.2 社會 (Social)：職業安全與健康 (OHS) 的典範轉移

此面向是 CCPP 工法最具人本價值的體現。

  • 輻射防護 (Radiation Safety)： 傳統工法依賴大量的射線檢測（RT），使用 Iridium-192 或 Cobalt-60 等放射源。這需要在現場劃設輻射管制區，對周邊作業人員構成潛在風險。減少銲口，即是直接減少了放射源的使用頻率與暴露工時 27。
  • 呼吸道健康防護： 減少銲接作業直接降低了銲工吸入金屬燻煙與打磨粉塵（含二氧化矽）的風險，預防職業性肺病（如金屬燻煙熱、矽肺病）10。
  • 人因工程與作業安全： 將高難度的現場仰銲、窄縫銲接轉移至工廠內的自動化彎管機操作，消除了大量的高處作業（Work at Height）與局限空間作業（Confined Space），從本質上提升了安全性（Inherently Safer Design）。

5.3 治理 (Governance)：法規順應與供應鏈韌性

  • 氣候法規合規性： 台灣《氣候變遷因應法》已確立 2025 年開徵碳費。採用 CCPP 低碳工法可作為企業「自主減量計畫」的具體措施，爭取優惠費率（如從每噸 300 元降至 100 元或更低），直接降低法規遵循成本 40。
  • 綠色採購與供應鏈管理： 採用此工法符合 ISO 20400 永續採購指南，並能滿足台積電等高科技客戶對其供應鏈（電力供應商）的低碳要求，強化企業在綠色供應鏈中的競爭地位。
  • 工程品質治理： P91 鋼材的 Type IV 裂紋風險是電廠資產管理的重大隱憂。透過感應彎管與全管熱處理，大幅降低了潛在的災難性失效風險，提升了資產可靠度，這對於電廠的長期治理至關重要 2。

六、綠色價值分析與財務模型

將環境效益轉化為財務語言，是推動工法轉換的關鍵。

6.1 綠色建築與工廠認證效益

  • EEWH (台灣綠建築)： CCPP 工法有助於取得「二氧化碳減量指標」中的結構輕量化分數，且預製工法在營建廢棄物減量上可獲得顯著加分 43。
  • LEED (美國)： 在「能源與大氣 (EA)」類別中，優化的泵浦能效可貢獻積分；在「材料與資源 (MR)」類別中，預製化與廢棄物管理有助於取得學分 45。
  • 效益： 高等級的綠建築認證可提升企業品牌形象，並可能獲得容積獎勵或融資優惠。

6.2 碳權資產化 (Carbon Credit Monetization)

  • 方法學依據： 依據聯合國清潔發展機制 (CDM) 的方法學 AM0020 (Baseline methodology for water pumping efficiency improvements) 或黃金標準 (Gold Standard)，透過提升流體輸送效率所減少的電力消耗，是可被認證的減排量 47。
  • 碳資產計算：
    • 假設年節電量 1,000,000 kWh。
    • 年減排量 = 474 噸 CO2e。
    • 碳權價格：假設台灣碳權交易所或國際自願性市場價格為 USD 15/ton。
    • 年收益： USD 7,110。雖然單一專案金額看似不高，但若擴及全集團或結合長達 10 年的計入期（Crediting Period），將是一筆穩定的現金流。
  • 內部碳定價 (Internal Carbon Pricing)： 若企業內部設定碳價為 USD 50-100/ton（反映未來法規風險），則此工法的投資回報率（ROI）將顯著提升。

6.3 總擁有成本 (TCO) 與投資回報率 (IRR)

儘管 CCPP 感應彎管的初期採購成本（Unit Price）可能高於標準彎頭，但若納入 TCO 模型：

  • 節省成本：
    • (-) 現場銲接工時與工資（極高昂）。
    • (-) 銲材消耗。
    • (-) NDT 檢測費用。
    • (-) PWHT 能源與設備費。
    • (-) 25 年泵浦運轉電費。
    • (-) 碳費支出。
  • 增加成本：
    • (+) 感應彎管加工費。
    • (+) 直管材料費（長度增加）。
  • 結論： 綜合分析顯示，對於高壓、合金材質（如 P91）的管路系統，CCPP 工法的 TCO 通常低於傳統工法，且 IRR 隨著碳價的上升而顯著提高。

七、結論與建議

7.1 綜合結論

本研究證實，CCPP 工法轉換（從銲接彎頭轉向感應/冷彎管）是一項具備高度「技術-經濟-環境」綜效的工程決策。

  1. LCA 面向： 成功實現了從材料製造、施工安裝到長期營運的全生命週期減碳，特別是營運階段的流體力學能效提升，提供了長期的減排紅利。
  2. ESG 面向： 解決了管路工程中最棘手的職安問題（輻射、煙塵），並不僅是被動合規，更主動創造了氣候治理的績效。
  3. 價值面向： 將工程優化轉化為可量化的綠色資產（碳權、能效節省），提升了專案的財務可行性。

7.2 策略建議

  • 設計階段導入 (Design-in)： 建議業主在 FEED（前端工程設計）階段即規範採用 3D/5D 彎管設計，避免沿用1.5D 傳統規格，以鎖定流體力學優勢。
  • 建立數位履歷： 建立管路系統的數位雙生（Digital Twin）或碳履歷，詳細記錄每一處彎管節省的銲口與能耗，作為未來申請碳權或綠色融資的確信依據。
  • 深化 P91 管理： 針對 P91 等高階合金，應強制採用感應彎管並配合全管熱處理，以徹底解決 Type IV 潛變裂紋的長期隱患，確保資產壽命。

透過此工法的全面推廣，能源產業將能在確保電力供應穩定的同時，邁出淨零轉型的堅實一步。

(本報告引用之數據與技術細節均基於 2024-2025 年間最新的產業研究、國際標準（ISO, ASME, CDM）及台灣法規現況。)

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  42. Important Regulations Announced to Ready Taiwan for Carbon Pricing Era, https://www.moenv.gov.tw/en/news/press-releases/14443.html
  43. Impact of Fixed External Shading Devices on Green Educational Building Assessment in Hot Summer and Warm Winter Climate, https://knowledge.lancashire.ac.uk/id/eprint/56249/1/Impact%20of%20Fixed%20External%20Shading%20Devices%20on%20Green%20Educational%20Building%20Assessment%20in%20Hot%20Summer%20and%20Warm%20Winter%20Climate.pdf
  44. Comparison of Assessment Systems for Green Building and Green Civil Infrastructure, https://www.mdpi.com/2071-1050/11/7/2117?type=check_update&version=2
  45. Modular Building and the USGBC’s LEED™, https://www.dineconstruction.com/downloads/Modular_09V3LEED.pdf
  46. Decarbonization of Modular Construction and LEED v5 Certification – California State University, Sacramento, https://scholars.csus.edu/esploro/outputs/journalArticle/Decarbonization-of-Modular-Construction-and-LEED/99258267596001671
  47. Baseline methodology for water pumping efficiency improvements — Version 1.0 – CDM, https://cdm.unfccc.int/methodologies/DB/M7NHYQUZZFPZFHM3KR7RBV8E5EI5DA
  48. AM0020: Baseline methodology for water pumping efficiency improvements — Version 2.0, https://cdm.unfccc.int/methodologies/DB/TH0MTJC0KYJYYMQLL9B71Q9QJHOPZ9
  49. Methodology for Energy Saving in Pumping Systems – Global Carbon Council, https://www.globalcarboncouncil.com/wp-content/uploads/2024/01/GCCM002-V1.pdf
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