Don’t buy it. Think again, think different.

則宇的媽跟我邀稿，說這期的愛在新樓主題是「傳家寶」，要我說說有甚麼希望能傳承給孩子的事物或想法。

可我們家不是甚麼富裕家庭，沒什麼傳家的寶貝留下來。我也不是人生目標放在要給孩子留財產的人，未來他們姊弟倆長大只能一切靠自己。所以我要傳承給他們的絕對不是甚麼物質上的東西。

如果說有甚麼我想要傳承給孩子的，我想來想去，或許只有標題這句話「Don’t buy it. Think again, think different.；別輕信人言，多想想，換個方式思考」。

晴晴與則宇都算是樂觀的人，雖然有情緒管理的問題要克服，但大抵上來說是很能融入群體，也願意相信他人的人。

能有這樣的小孩，且又是那麼健康活潑，我深深地感到滿足與喜樂。其實我想他們就算是到一般的幼稚園，之後跟著進入一般的升學環境，也一樣是能夠存活下來的。

但則宇的媽與我一起選擇了讓他們進入新樓。

要問我為甚麼這麼選擇? 因為我們覺得一個快樂的童年是他們的權利，也是他們人格健全發展的關鍵。至於升學所需的知識，如果能保有學習的熱忱，那我們只需等待他開竅的那一天。

以我一個走過填鴨教育的人的觀點來看，我全然的反對過早介入的填鴨教育。看到在信仰不能輸在起跑點的雙語教育幼稚園中，整天呆坐在教室裡上所謂腦力開發的小孩，我真懷疑這樣生產線化的教育體系能帶給小孩甚麼東西?

我相信每個小孩都是不同的個體，有不一樣的個性、不一樣的興趣、不一樣的特長、與不一樣的處世態度。我們能做的只有讓他們順性發展，而不是企圖把他們捏成一樣的形狀。

以上的想法，我想多數新樓的家長都跟我類似，不然也不會把小孩送到這裡來。

但，我希望的更多。

我相信，一個人的人生是由一連串的決定形塑而成。只是我們在做決定的時候，卻不見得有做過詳實而公正的思考，我們往往因循著團體的決定而決定，也常常存在許多思考的謬誤。往往在盲從的時候，卻相信我們是依循自己的自由意志。

晴晴常受制於自己的好面子、控制慾強這些原因，不斷地再重複一些錯誤的決定；弟弟則是常因為自制力差、情緒管理能力差而感到困擾。

但當然他們也有相應的長處，晴晴的自信、表達；弟弟的體貼、專注都是他們各自擁有的大能力，只要有適當適時的引導，必將會成為他們人生中重要的基石。

要說我希望傳承給他們的東西，不如說是我自己也期望的東西，那就是自由，思想上的自由，一個錨，能幫助我們明辨是非，認清自己位置與價值的自由。

這理想太大、太難，以致我自己也在追尋之中。

但願我能做一個好的引導者，與我的孩子一起同行，讓他們理解我的思想、我的意志。面對所有知識、所有輿論、所有理念，都能夠Don’t buy it. Think again, think different.，能夠自由地做出自己的選擇。

這就是我所希望的傳承。

火力發電的改進方式

火力發電的改進方式

在台灣，雖然核能發電吵得沸沸揚揚，但當今發電方式，超過75%仍以燃燒化石燃料為主，其中燃燒石油或天然氣的發電方式，就約佔總發電量的50%上下，如果能提升石油與天然氣發電廠的效率，降低燃料的耗損，雖然無法根本性的解決污染的問題，但伴隨效率的提升而來的，便是CO2排放量的降低，也是一個對環保有莫大助益的方式。本文則將就如何利用燃氣渦輪提升燃氣效率深入討論。

I.        傳統火力發電原理
右圖中左下方鍋爐裏的水被熱源燒成蒸汽後，送至汽輪機再推動發電機發電；使用過的蒸汽則送至冷凝器，由海水將其冷卻成水，再送至鍋爐重複使用。
這個發電循環中有多處會損失熱能，以致傳統的火力發電廠發電效率僅約在25-35%之間。審視這個循環，其實有兩個明顯的熱能散失處可以改善:

A.      加熱鍋爐的熱源
使用更有效率的加熱方式，將可提升整個系統的效率，本文將討論使用燃氣渦輪機作為熱源，以提升發電循環的整體效率，亦即所謂的[汽電共生]

B.      蒸氣循環
如能透過設計二次利用已加熱的水蒸氣，亦可提高系統的整體效率。

II.      加熱鍋爐的熱源

 

A.      燃氣渦輪機的沿革
1791年，第一個使用近代燃氣渦輪熱力循理原理的設計專利由一英國人John Barber獲得。1930年，另一個英國人Sir Frank Whittle發明了今日我們所知道的燃氣渦輪機。
1935~1945，由於當時使用於航空之往復式汽油機，其輸出馬力達到3,000~3,500馬力時，就發現引擎機構複雜，重量增大。於是渦輪噴射引擎(Turbo-jet engine)蓬勃發展，廣受航空器歡迎。該引擎捨棄活塞(Piston)之方式，組合了壓縮機(Compressor)，燃燒室(Combusion chamber)及渦輪機(Turbine)，使用燃氣以旋轉運動，獲得動力(Thrust)。法國之Mosserchmidtl在1939年，將Hes 3 B(推力500kg)，裝於噴射飛機(Jet aircraft)，成為世界上第一架成功之創作。由此啟發，其發展勢如破竹。靜止推力由一開始的1,000~3,000kg至目前已達4,500~10,000 kg水準。
1941年末期，西屋公司(Westinghouse Corporation)開始從基本的設計，製造全由美國人來完成的燃氣渦輪機。工程師們設計了第一部軸流式(Axial-flovo)壓縮機及環狀燃燒室，這兩種設計觀念，後迭經修改一直沿用至今，仍是大多數發動機的基本概念。
應用在軍事的燃氣渦輪機主要為動力大、噪音高、高燃油比的渦輪噴射引擎，以達到高速飛行的目的。除了使用於戰機等軍事用途之外，後來的民間航空器也使用燃氣渦輪機來推動螺旋槳或渦輪葉片(渦輪導扇引擎)，如波音及空中巴士等客機使用的都是渦輪導扇引擎，因引擎噪音小且燃油比低，廣為民航機所使用。使用燃氣渦輪機來推進船隻的觀念應追溯至1937年，pescara活動活塞式發動機就曾實驗地使用燃氣渦輪。 1957年實驗船〝Willian Patterson〞號，就以六部活動活塞做動力，推動兩部渦輪機橫渡大西洋。
1956年JOHN SERGEANT裝置了一部耗油率僅0.532ib/hp/hr，且效率很高的發動機。由於使用再燃器(Regenerator)以回收排放氣體之廢熱使其效率提高很多。

B.      燃氣渦輪機運轉原理

一具基本的簡單燃氣渦輪機，其中包括有一具壓縮機(Compressor)、燃燒室(Combustion chamber)和渦輪機(Turbine Wheel) :
空氣由進氣口管路導入壓縮機，增高其溫度與壓力後，進入燃燒室與噴射嘴噴入之燃油混合，經火星塞點火燃燒，持續一段時間後點火停止，而其燃燒則繼續，因其混和高壓空氣燃燒的特性，能使燃油幾乎完全燃燒，釋放出所有熱當量。而高溫，高速膨脹的燃氣進入渦輪轉子總成，其動能與熱能為葉輪所吸收，轉換成機械能，使渦輪轉動。渦輪轉子與壓縮機以同一軸連接，因此，在壓縮機亦被帶動旋轉，進而引入更多高壓空氣。在一個設計為將1大氣壓加壓為5大氣壓再進行燃燒的燃氣渦輪系統中，壓縮機約耗去39.6%的燃氣渦輪機輸出，亦即理論最高發電效率不會超過60%，且如果計入燃料的燃燒效率的話，整體的複合發電效率約莫在37%的水準。

最後高溫高速燃氣經過噴管噴出，在飛行器以反作用力提供動力。當然若不是在交通載具的用途，噴發的高速燃氣是沒有用的，但若結合蒸氣渦輪機組，則此燃氣渦輪機可作為一個很有效的熱源型式，除了燃氣渦輪機本身可以帶動轉軸(shaft)進而轉動發電機發電，噴發的熱源也可以用來加熱鍋爐或管線產生高壓水蒸氣。

C.      燃氣渦輪機特性
由Brayton循環分析得知，渦輪機之效率取決於操作壓力及溫度能否提升。􀁺 因此提升壓縮機之氣動力特性、燃燒室之燃燒效率、渦輪葉片之冷卻技術及耐熱材料之研發，有助於整體效率之提升及重量之降低。

1.      軸向壓縮機之作動
渦輪機驅動轉子葉片而將流體加速導入定子葉片，使得流體之動能轉變為壓力能。葉片外型氣動力特性之改良能提升其效率。

2.      燃燒室之作動

a.      主燃區：形成迴流區以穩定火焰，避免吹熄，此區為富油燃燒。

b.      中間區：引入空氣淡化油氣，在此區結束前大部分燃燒過程結束。

c.       稀釋區：注入之空氣於燃燒室壁面形成保護膜，隔絕高溫燃氣之侵害，並調整進入渦輪機之燃氣溫度。

3.      渦輪機之作動
在定子葉片中，流體之壓力能被轉變成動能，藉以推動轉子葉片，提供壓縮機驅動力。葉片外型氣動力特性之改良能提升其效率。

D.     燃氣渦輪機之污染防治技術

1.      多軸設計
大部分現代渦輪引擎採用多軸設計，以因應各部不同之操作情況(負載、轉速)。

2.      多級燃燒技術
燃燒前預混空氣/燃料，藉以消除燃燒時可能發生之局部高溫，因而減少NOx之產生

3.      渦輪葉片冷卻技術

a.      於渦輪葉片中設置冷卻通道，導入加壓之冷卻空氣，(約600°C)並於葉片表面鑽孔，讓冷卻空氣噴出形成保護膜，藉以阻斷高溫氣體之傷害。

b.      直接於葉片表面加上一陶瓷材料塗層，以提高其耐熱能力。

E.      燃氣渦輪機效率
回到剛提到的燃氣渦輪機效率議題，我們經由右列的Bryton循環公式得知，進入循環的氣體壓力越高且溫度越高，則燃燒效率越好。但要將氣體加壓得要耗功，所以也不能一昧的加大壓力，否則燃燒所做的功就都被消耗殆盡，而沒有足夠的功來轉動發電軸了。前面也提過，在一個設計為將1大氣壓加壓為5大氣壓進行燃燒的燃氣渦輪系統中，壓縮機約耗去39.6%的燃氣渦輪機輸出，亦即理論最高發電效率不會超過60%，且如果計入燃料的燃燒效率的話，整體的複合發電效率約莫在37%的水準。

既然不能無上限的提高壓力，但若能利用複循環提高進氣溫度，則也有機會提高系統效率。

在上圖中可看到，在加入regenerator之後，整個燃氣渦輪發電系統的熱效率可推進到57.2%的水準。

III.    蒸氣循環
接下來我們來討論一下蒸氣渦輪發電循環的效率，與利用燃氣渦輪串聯所能達到的改善程度。

A.      下圖表現的是簡單蒸氣渦輪發電循環，在Thermodynamic analyses of power plants一書中，試算指出此循環的理論熱效率最高可達38.8%，而一般單循環的發電廠效率也約莫在25-35%之間。

B.      而在加入一個再加熱器與LP turbine(低壓渦輪)的機組中，經計算後所得的理論熱效率是39.5%，可看出直接再加熱蒸氣的效果似乎不是很好。

C.      若今天在主蒸氣流推動完第一組渦輪之後，即分流給第二組渦輪與供水加熱器，以預熱到達蒸氣鍋爐的水的話，可以達到的複合熱效率為41.5%。

D.     但若藉由串聯一組燃氣渦輪與一組蒸氣渦輪，由燃氣渦輪的炙熱排氣來提供蒸氣渦輪的鍋爐熱源，則此系統的總和熱效率可達到60.5%，可謂有長足的進步。

IV.    商業應用
正因為上述這種汽電共生(燃氣渦輪串聯蒸氣渦輪)能大幅提高燃油熱效率的特性，再加上目前天然氣是僅次於煤礦存量最大且成本最低的較乾淨能源，各發電機組公司無不卯盡全力發展此一新型電廠，如GE推出F系列機組，Simens也有相對應的整廠輸出電廠，這兩家主流廠商的發電效率也都達到了50%以上的水準，GE的複循環發電系統甚至達到了60%的發電效率。

V.      結論
現今，化石燃料仍然是發電的最普遍選擇，在發展其他替代能源的同時，如何有效的使用剩下的化石燃料也是一個很重要的議題。
整體的能源使用效率，除了發電廠的效率，還牽涉到輸配電路的效率，終端電器的效率，以及發電系統對於離尖峰發電的適應能力，其實是一個牽涉非常廣泛且非常複雜的問題。當然在各個環節都有值得改善的地方，這次我們討論的汽電共生(或稱為複循環發電系統；燃氣渦輪+蒸氣渦輪系統­)，是一個在使用石油、天然氣或生質燃油為燃料源的一個很好的發電方案，如果台灣能將所有的火力發電廠主機都更換為汽電共生系統，相信可以省下不只一座核四的發電量，發電效率比核四好得多，能源成本及建設成本都會比核四好得多，一定是一個比核四好的選擇，不如就把核四拆了，在原地增建兩套汽電共生系統吧!

VI.    Reference

A.      Thermodynamic analyses of power plants, chapter 12, P.237-304

B.      燃氣渦輪機之應用與效能提升, 國立東港海事, 輪機科三年甲班, 蘇文慶

C.      噴射引擎介紹, 逢甲大學航太與系統工程學系, 黃柏文副教授

D.     GE, 9FB dataform