水車技術史The Technical History of Water Wheel(Water Turbine)

本文發表於 2008 年 09 月 18 日 13:26

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今年3月前往上谷關辦公室去看『大甲溪發電廠谷關分廠復建工程第II標電廠發電設備及附屬設備工程』,這是幾年來一直在等待的進度,達到可以「粉愛抹乎好 甲乎人看」階段,準備參加今年公共工程金質獎競逐。這工程命運坎坷,921大地震造成地理環境破壞,緊接著颱風洪水的肆虐,廠房進水,無法再發電。在原址安裝水車每部55,300kW共4部,與原安裝水車每部45,000kW共4部,在水頭不變條件下,4部機增加的裝置容量相當可觀,幾乎增加舊機組1部機。這樣的結果,吸引我想把很久以前閱讀Norman Smith “The Origins of the Water Turbine” Scientific American 242 (January 1980): 138-48.的水車技術史重讀一次。

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新舊水車比較

  三菱(舊)Francis水車 三菱發電機 日立(新)Francis水車 三菱發電機
水頭m 173.3~182   172.7  
流量cms 33.4~34.1   34.5  
輸出 53000kW×4 50000 kVA×4 55300 kW×4 69600kVA×4
製造年月 1959/12~1965/2   2004/7~2005/2  

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日立(新)Francis水車效率保證95.26%(1960水車效率約93%),三菱發電機效率保證98.35%,而且流量有增加,絕緣好,損失減小,動輪曲線不同等技術進步因素,讓同樣的動能可以發出較多的電。

水車(水輪機water turbine)簡史

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Marcus Vitruvius Pollio的《De Architectura》(《建築十書》),生於80–70 BC,死於15 BC,是古羅馬的作家、建築師和工程師。他在書中為建築設計了三個主要標準:持久、有用、美觀。《建築十書》在1414年被重新發現,1486年在羅馬重新出版,被翻譯成義大利語、法語、英語、德語和西班牙語,這本書很快成為文藝復興時期、巴洛克時期和新古典主義時期建築界的經典。《建築十書》包括了城市規劃、建築概論、建築材料、神廟構造、希臘柱式的應用、公共建築(浴室、劇場)、私家建築、地坪與飾面、水力學、計時、測量、天文、土木、軍事機械等。

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《建築十書》的2005年英文版301~303有很精彩的水車插畫,301是如何把水送往高處之機械,非常精彩。台語稱為水龍車,簡稱水車。302水筒鍊:用來將井內或水池的水運送高處。303水車稱為Vitruvian wheel(以作者命名)。是產生轉變動態的機械,也就是說這樣的水車是後來發展成水力發電的原始型。它有3種基本型:Overshot(上掛式水車)、Breast-shot(胸掛式水車)、(下掛式水車)。效率15%。 undershot

一個阿拉伯文文本的書面,在第九世紀,使用水車在阿拉伯產生農業革命 。

Ján Andrej Segner (1704 –1777) 是Carpatho-German(在塞爾維亞說德語的人,是哥廷根大學教授)在18世紀中期,發展出水車(水輪機water turbine),他運用了Euler(1707~83)的數學理論做水車設計。

Bernard Forest de Belidor(1693~1761)在1737~1753出版了4卷Architecture hydraulique,他在Bazacle的Garonne河建造了Belidor水車。

在1820年, Jean-Victor Poncelet(1788~1867)發展出一種外向式水車。

1822年法國工程師 Claude Bourdin 送一篇文章給法國科學院the Academy of Science 文章”Des turbines hydrauliques ou machiners rotatoires à grande vitesse” ,在此「turbine」這字被使用,拉丁字「turbo」意思是旋轉。

1824年學會發表此文章。1826 Societe d’Encouragement pour l’Industrie Nationale (創立於1802年)体認到法國工業的落後狀況,提出6000法郎獎金,以獎勵能製作出,在工廠運作能滿意的,大型有曲線型葉片的Belidor水車。

1827 Bourdin企圖去贏得那6000法郎獎金,他只得到2000法郎獎金。

1826 Benoît Fourneyron(1802~1873)他是Bourdin學生,在Ognon河發展出一種外向式水車。效率80%的機器。1833年他得到Societe d’Encouragement pour l’Industrie Nationale的6000法郎獎金。

1844 住波士頓Uriah A. Boyden(1804~79)發展出一種外向式水車,在哈佛大學設立實驗站,後來遷去南非。他的機器類似Francis。

1849 James Bicheno Francis(1815~1892)改善外向式水車,效率超過90%的。他還進行了精密的測試和發展工程方法為水車的設計。是第一個以他的名字命名的現代水車。台灣市場的佔有率第一。

1879 Lester Pelton (1829-1908)開發了雙桶設計,消減一些能量損失的衝動水車。大約1895 Doble在Pelton的一半圓桶形式改善了噴嘴與水柱衝擊桶(反射)。目前Pelton水車達到 92%效率。雖然Doble接收了Pelton公司他沒有更改名字為Doble,繼續使用Pelton水車品牌。Pelton水車的特徵是外觀有一隻槍。日月潭第一水力發電所5部機使用Pelton水車,如寫真所示。

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1913 Victor Kaplan創造了Kaplan水車,它是Francis水車的演變,用於低水頭水力發電所。

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《天工開物》初刊於1637年。是China古代一部綜合性的科技著作,作者是明朝科學家宋應星。宋應星是一介書生,六試不第,感於「士子埋首四書五經,飽食終日卻不知糧米如何而來;身著絲衣,卻不解蠶絲如何飼育織造」,遂不再應試,曾旅遊大江南北,行跡遍及江西、湖北、安徽、江蘇、山東、新疆等地,實地考察,注重實學,從東北捕貂到南海採珠、和闐採玉。宋應星在任分宜縣教諭期間,將他平時所調查研究的農業和手工業方面的技術整理成書,在崇禎十年,由其朋友塗紹煃資助出版。

因為China的大量古籍中存在強烈的「華夷之辯」意識,滿族入關後,為鞏固作為異族的統治,消滅漢族主體意識,對China古籍進行了一次集中整理、檢查、修改和銷毀,即是通稱的對《四庫全書》的整理。其中凡被認為對滿清不利的,進行修改或毀滅。《天工開物》因被認為存在「反滿」思想而被銷毀。後來《天工開物》由藏於日本的明朝原版重印刊行China。──《天工開物》在《古今圖書集成》略有摘取,在修訂《四庫全書》由於發現反清思想被壓制而失傳。

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《天工開物》記載了明朝中葉以前China古代的各項技術。全書分為上中下三篇18卷。並附有123幅插圖,描繪了130多項生產技術和工具的名稱、形狀、工序。請大家看我找到幾幅水車的彩色插圖。此處限於篇幅只選擇2幅,這本書是2005年新排版的書才會有如此精緻的彩色。

從本文的水車技術史,讀者可以看到在《天工開物》出版時,全世界的水車技術是差不多的,效率15%,但其後就產生極大差異。先進與落後背道而馳,這在技術史上很值得注意,沒有開放自由創作的環境是產生不出創意與創作,更談不上學習。《天工開物》是所有想玩技術史的朋友要找時間去閱讀。

感謝萬榮施工處第四檢驗隊范振義經理提供寫真及有關水車技術為何會提高發電機出力的理由,這麼專業的技術內容非版主所能。

也感謝在抽蓄施政處的基礎組黃偉光經理幫我拍攝自己故鄉草鞋墩的水車公園之水車,版主幼年時期就讀草屯國校,離此地很近,當時當然還沒有水車公園,偶而承車經過,驚鴻一瞥,沒有機會自己去拍,這是現代人無法避免成為飄泊旅人的悲哀。

草鞋墩的水車公園

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草鞋墩的水車公園

12 回應 針對 “水車技術史The Technical History of Water Wheel(Water Turbine)”

  1. 林炳炎 寫道:

    由於玩台灣電力歷史也在台灣電力內部玩, 所以多少都會接觸到技術史的內容, 加上好奇心, 就要讀一般工程師所不讀的內容, 對一般工程師而言, 史=死!!!歷史就是死亡的內容!!

    《莊子》天道篇最後一段有「桓公與輪扁」精彩對話,其大意是:桓公在堂上讀書,輪扁在堂下斲輪(做輪子),輪扁問桓公:「你讀什麼書?」「聖人的書」「聖人還活著嗎?」「已死了」「阿,你所讀的是古人糟粕」「本人讀書,作工仔敢隨便批評,無理由就處死!」輪扁說:「做輪子的手藝,慢則鬆,緊則澀,愛慢緊適當,配合心內意念,無法度講出此種奧妙。我無法度教孩兒,孩兒無法度繼承我的手藝,70歲還在做輪子。古人和他無法度傳的智識,都已經死滅了。你所讀的不是古人糟粕?」莊子在告訴我們,技術的傳播有其極限,不是照書唸經就能成佛。想進入知識的門內,那是困難的。想盡辦法要寫出所有所知的,但書寫有其極限。

    技術史之所以值得玩是因為內容有趣, 為何有技術的進步?那是人想要!!而所有技術都是從簡單開始!!

  2. 林炳炎 寫道:

    水車技術史是應台北科技大學鄭麗玲博士一邀請前往做技術史專題報告, 時間是20081002.

  3. 台北科技大學侯博仁 寫道:

    這次水車發展史讓我了解了好多形式的水車,也讓我在網路上找了好多資料,有關於水車發展,從中國古代人類為了灌溉而發明了 翻車(龍骨水車),從一個將水位移高而發展許多不同形式的水車,到了工業技術成長後,水車又轉變成提供動能的一種,直到現在發電原理的發現,又轉變成動能變電能。

    而直到現在的水力發電渦輪機,有目前三種主流:
    一、法蘭西式 二、衝擊式(Pelton-Turbine) 三、螺旋槳式

    根據我從網路上查到,法蘭西式可逆轉充當汲水幫浦,然後等到需要時在放水發電,為抽蓄式發電的原理,所以有關廖同學的問題,我在想台灣用許多法蘭西式的渦輪機,是否也是考慮到抽蓄式發電原理? 將過多的電力拿來把水位提高,再來做發電,是否因為這原因呢? 或是將水積蓄作為後備用而使用呢?

    而有關法蘭西式他適用於大約位於中水位,然後衝擊式則位於落差大的高水位利用衝擊產生高速水流來轉動水車,那台灣用法蘭西式的和衝擊式的各分佈在哪些地方呢?

    我也找到一份網路資料是有關德國水輪機使用方式,在德國約有133座水力發電機,他們的用法是配合著當地環境來使用不同的水輪機發電, 例如:瓦亨湖水力發電廠就是用衝擊式水輪機。 而瓦德克水力發電廠則是使用法蘭西式水輪機,將愛福弗登湖(Affoldener)的水打到人工湖泊,等到電力不足時在用來發電。 然後在多瑙河沿岸的英格市的福堡發電廠則是用螺旋槳式的低水位式發電。

    以上是我根據演講之後,再去網路上尋找其他的資料,對於這三種渦輪發電機也稍有了解了,在最後也很感謝林工程師網頁的詳細介紹,裡面還有許多發電所的介紹都很豐富,讓我了解許多台灣電所的故事,謝謝。

  4. 林炳炎 寫道:

    目前服役中的水力發電的廠使用水車狀況。水位問題在報告時已經說過,目前用水位來獨佔已經行不通。抽蓄發電在台灣已經有10豎軸可逆型法蘭西斯式水車。最近比較忙。其他如下:

    烏來發電所豎軸法蘭西斯式FSS-V型水車2部。
    新龜山發電所(現名桂山發電廠)豎軸法蘭西斯式 FSS-V型水車2部。
    小粗坑發電所1992更新為VOEST-ALPINE 公司製豎軸Kaplan式水車1部。
    翡翠發電廠 VOEST-ALPINE公司製,WEF-300型豎軸法蘭西斯式水車1部。
    軟橋發發電所1992更新德國OSSBER製,貫流式(CROSS FLOW)水車1部。
    石門發電廠水輪發電機組豎軸佛蘭西斯水車2部。
    義興電廠水輪發電機豎軸法蘭西斯水車1部。
    圓山發電所德國Voith製,豎軸法蘭西斯式FSS-V型水車2部。
    天送埤發電所橫軸法蘭西式水車4部。
    龍澗發電廠Pelton式橫軸單管雙輪2組。
    龍溪發電廠軸法蘭西斯式水車1台。
    水簾發電廠Pelton式橫軸單管雙輪水車2組。
    銅門發電所發電廠法蘭西斯式豎軸水輪機3台。
    清流發電所橫軸法蘭西式單輪双吸出口水車1台
    立霧發電所豎軸法蘭西斯式水車2部。
    清水發電所橫軸單動輪雙噴嘴之Pelton式水車3部。
    溪口發電所橫軸法蘭式水車1部。
    初音發電所(初英)豎軸型Kaplan水車1部。
    榕樹發電所豎軸型Kaplan水車1部。
    卓蘭發電廠豎軸法蘭西斯式水車2部。
    德基發電廠法蘭西斯式水車3部。
    青山發電廠復建中。(佛蘭西式4部。)
    谷關發電廠佛蘭西式水車4部。
    天冷發電所佛蘭西式水車5部。。
    馬鞍發電廠佛蘭西式水車2部。
    社寮發電所佛蘭西式水車1部。
    后里發電所法蘭西斯式水車2部。
    萬大發電所裝2部佛蘭西氏豎軸水輪發電機、Pelton橫軸水車1部。
    門牌潭水力發電所Pelton橫軸水車5部。
    明湖發電廠(大觀二廠)豎軸可逆型法蘭西斯式水車4部。(抽蓄發電廠)
    明潭發電廠豎軸可逆型法蘭西斯式水車6部。(抽蓄發電廠)
    水裡坑發電所法蘭西式水車2部。
    北山坑發電所採用橫軸法蘭西式水車1部。
    濁水發電所開放型橫軸雙動輪水車3部。
    曾文發電廠水輪機型式:豎軸法蘭西斯型水車1部。
    竹仔門發電所橫軸雙輪佛蘭西式水車4部。
    土壟灣發電所(六龜機組)佛蘭西式橫軸水車2部。
    佛蘭西式65部(不含復建中4部。)Pelton式水車 13部。Kaplan式水車3部。其他水車1部。共水車82部(不含復建中4部。)。

    名稱為發電所表示是戰前建設。名稱為發電廠表示是戰後建設。

  5. 林炳炎 寫道:

    三菱(舊)水車 製造年月 1959/12~1965/2效率保證:88.17% 效率實測:89.19%(#1)1953/022/05測試
    日立(新)水車 製造年月 2004/7~2005/2 效率保證:95.26% 效率實測:95.45%(#3)2008.10.17測試
    三菱(新)發電機 製造年月2004/7~2005/2 效率保證:98.35% 效率實測:98.44%(#3)2008.10.17測試

    在貼出本頁之後,萬榮施工處范振義經理提供舊機組水車之試驗資料,連同20078/10/17效率試驗結果,並補正「1960水車效率約93%」之錯誤,只有88.17%。現在想查1960世界水車效率是多少,不容易。

    2008/10/22工程會的金質獎評審小組前往谷關辦公室,去辦理第九屆公共工程品質優良獎,『大甲溪發電廠谷關分廠復建工程第II標電廠發電設備及附屬設備工程』很順利的評審完畢。

    2008/10/25行政院長前往進行按鈕典禮。

    感謝萬榮施工處第四檢驗隊范振義經理提供試驗資結果。

  6. 林炳炎 寫道:

    很高興在此報告台電大甲溪發電廠谷關分廠復建工程第II標電廠發電設備及附屬設備工程榮獲今年第九屆公共工程金質獎設施工程類設施類特優之【大甲溪發電廠谷關分廠復建工程第Ⅱ標電廠發電設備工程】,其工程在921大地震及多次颱風侵襲之原址上重建,難度甚高,並能利用自有潔淨水力資源,年發電量達528百萬度,減少火力電廠同電量所產生之33.7萬噸CO2排放量,且完工後發電量較前提高20﹪,工程績效卓著。

    這是作為台電品管工頭退休前的業績.個人非常滿意在9月貼此文就是大膽預知其結果. 而且也與預期一致.

  7. 林炳炎 寫道:

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    萬榮施工處得到『大甲溪發電廠谷關分廠複建工程第 II 標電廠發電設備及附屬設備工程』設施工程類施工品質金質獎『特優』。由於沒有參加頒獎典禮,所以典禮過程無法報導。透過關係取得寫真,這是品質工頭的告別演出之作。工程一開始,就被工頭盯上,當作挑選女婿的候選人。此工程是天生麗質,只要看製造廠家是三菱重工與日立製作所是當今此業的世界頂尖,再加上中興電工的政治人脈,就知結果。台電萬榮施工處陳一成處長、中興電工江義福董事長、三菱重工上柿洋部長(年輕的帥哥)上台領獎,寫真依如上次序。

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  8. 北投埔 寫道:

    台北科技大學之前身是台北工業學校, 有2張寫真

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    台北工業學校強電室(但遺憾的是還沒有看到發電所)

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    台北工業學校學生到小粗坑發電所見學的寫真, 都非常珍貴!!

  9. richard 寫道:

    版主您好,請問可以像您詢問大甲溪各水力發電廠之水車與發電機的轉換效率比是多少嗎?
    小弟在做水力相關論文,找無資訊,再麻煩您了 謝謝

  10. 北投埔 寫道:

    你的題目很難

    我那時是台電最高的品質主管
    對於想要的資料, 他們會提供
    而且我也不是台電機電人員

    我目前不知如何協助你
    請你找台電公司協助你

  11. richard 寫道:

    好的,在此先謝謝北投埔前輩
    如果真的要不到資料就只能用虛擬數據去假設了,做出來可能會與實務上有些許誤差
    因為我還需要很多,比方說最小出力水量或是下游供需水量等…

    可能我論文的發電轉換效率先以您此篇文章內容來做參考,謝謝

  12. 北投埔 寫道:

    你還是需要台電水力工程單位的經理級(以前是課長), 他們在現場施工, 才會做這樣試驗!!!

    而且不同機組的數據會差很多, 此頁講的日立與三菱是頂級廠

    退休後去看過一新電廠, 安裝的不是日本廠, 我在門口聽到的聲音, 就不想進, 而且也沒進入

    等你先努力去找以後再說(如果你在台北, 也許可見面)我不想打字

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