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經營變革

臺灣從無到有的水力發電水力百年 電利百年

如果說起臺灣的電力發展,水力發電絕對功不可沒。它不但是臺灣電力發展的起頭,在邁入現代化的進程中,扮演著重要的角色;在發展電力上,它因地制宜,依地形地貌、水文地理、生態等環境因素,進行各項資源勘查與開發,等於間接幫助了整個臺灣地貌、水文等資料的詳查建立。可以說水力發電與臺灣的歷史、文化、經濟等脈絡相互聯繫,密不可分。

自臺灣電力株式會社時期即開始有電力的開發與輸出,當時共建設了34萬瓩的電力設施。民國前7年,座落於新店的「龜山發電所」設置完成,並開始供電營業,容量為500瓩,為臺灣水力發電之始。

民國初 小型水力電廠供電

龜山發電所竣工發電後,由於民眾申請用電踴躍,電力一時供不應求。為了解決短缺,臺灣總督府選在不遠的新店粗坑里,興建了第二座水力發電廠,此為「粗坑水力發電所」,裝設單機容量800瓩之水輪發電機組三部,合計有2,400瓩。民國前2年8月竣工發電後,供電範圍也就擴及至臺北與基隆等地區。其後又陸續完成了竹子門、后里、軟橋、土壟灣、濁水等小型水力發電所。一直至33年8月,臺灣發電廠已有33所,總裝置容量為32萬瓩,其中水力發電廠25所,火力發電廠8所。

日治時期的臺灣電力株式會社,也在桂山壩上游興建了「烏來水力發電所」。但是後來因為河床嚴重淤積,導致烏來水力發電所的尾水道淤高約7公尺,洪水位高過發電機室,以致無法發電。35年,台灣電力公司接管臺灣電力株式會社,也開始進行烏來發電廠的復建工作。

35年7月成立「烏來土木工程處」繼續前人未完成的隧道工程,並興建沉砂池、壓力鋼管及進水閘門等,將原壩體鑿低,加裝閘門成為閘門控制之混凝土壩。39年11月完成第一部發電機組,裝置容量11,250瓩;43年再完成相同容量之第二部機,總裝置容量達22,500瓩,創下臺灣光復後,第一座由國人自力重建完成,且為首次由國人自行安裝所有發電設備的水力發電廠。如此一來,不僅奠定了台電人無比的信心,此後,臺灣水力發電的發展方向也大致底定。

經濟起飛年代 電力需求大增

40年至50年這段期間,臺灣電力供給以水力發電為主。當時國內產業,如紡織、肥料等民生工業開始萌芽,為輕工業進口替代時期,也開始講求農、工平衡發展,因此當時的電力主要以支應農、工生產為主。在這十年中,臺灣年平均經濟成長率為8%,但用於生產的電力用電年平均成長率則高達18.4%,為經濟成長率的2.3倍,也呈現出產業對電力的高度需求。

於是,為配合政府經濟建設計畫及供應穩定民生電力之需要。台電公司開始實施長期電源開發計畫,並增加火力機組之比重。因而水力發電的占比,便從42年的93.7%,系統總裝置容量36.3萬瓩,降至51年的46%。自此,以水主火從的電力系統開始轉變。50年代起,火力發電的占比已經超越水力,而由水力執臺灣供電牛耳,也於一甲子後劃下句點。

惟水力發電機組啟動迅速、運轉靈活,故障少、可靠性大,而且能夠順應負載的瞬時變化,調節系統電壓與頻率,對於電力系統的調度甚為重要。因此後來水力發電的計畫並沒有中斷,陸續完成德基、青山、谷關、石門、曾文等大型水力機組建設,並積極進行木瓜溪水力開發及全國水力蘊藏量調查。70至80年代再完成大觀二、明潭與新天輪、卓蘭等工程,100年運轉碧海機組、102年完成萬松水力發電工程等,自此,臺灣的水力發電的規模,大致成形。

水力發電 輸電網絡的要角

目前台電的水力發電廠,共有11所。西半部包括桂山、石門、卓蘭、明潭、大觀、大甲溪、萬大、曾文,及高屏等發電廠;東半部則有東部和蘭陽兩所發電廠。每個電廠分屬不同溪流,而每條溪流本身條件均不相同,因此所使用的電力發電方式、機組與類型,所產出的電力多寡,以及所衍生的效益也不盡相似。但一樣的是:水力發電相較於太陽能、風力等再生能源的發電相對穩定,而且是調節性最好的電源之一,一開閘門立刻就可以發電。因此,水力發電在輸電網絡中扮演著承擔調度、調頻、事故備用等的重要角色,不可或缺。

再者,水力發電為一乾淨能源,發電後並不會產生污染。以花蓮木瓜溪為例,木瓜溪流域面積468.21平方公里,河流長度也僅42.78公里,並不算是壯闊的大河。但是因為木瓜溪上游坡度變化大,以至從源頭到下游,就有八個發電機組,發電量足可供應花東地區三分之一的電力。此外,發電後的尾水最末流入吉安圳,再供壽豐、吉安等數個村落的農田灌溉所用,而獲得木瓜溪發電尾水灌溉的農地面積達2,540多公頃。

在這些水力發電貢獻的背後,我們更驚嘆於水力發電工程的艱鉅。

令人驚嘆的水力發電工程

水力發電工程所涵蓋的工程包羅萬象,包括攔河堰、壩體、廠房等結構物,林林總總。以壩體來說,德基大壩採用雙曲線薄拱的特殊壩型設計,高度達180公尺,是臺灣各類型壩中之第一高壩,亦為世界高壩之一。在施工過程中,也採用了諸多國內首創的新工法,譬如預力鋼腱、噴凝土及單索鋼腱等。

而另一座台電代辦之翡翠大壩,主壩為三心雙向彎曲變厚度混凝土拱壩,壩體混凝土體積逾70萬立方公尺,是全臺灣最大,在我國水利工程史上,堪稱是一重大工程,它不僅是首座完全由國人設計、施工的大型拱壩,也具有劃時代的重大意義。除了壩體,而在這些水力發電工程項目中,其中「地下結構工程(含發電水路、隧道等)」占了相當高的比例,也可以說是在這些施工興建的工程中,最具挑戰性的一環。

TBM工法 新武界隧道貫通

臺灣隧道工程發展,從早期的人工開鑿,到50年代起普遍使用鑽炸工法(D&B),到後來90年代引進新技術TBM(鑽掘機),台電在工程演進與創新上這一塊從不缺席,甚至每每成為領頭翹楚。91年6月7日順利貫通的「新武界隧道」,即為國內首座採TBM工法成功貫穿的實例。

現階段臺灣運用TBM工法興建的工程有三處。北宜雪山隧道率先引進使用,不過後來因為遭遇到不可抗力之因素,還是改用鑽炸法完成工程;而台電所屬的鯉魚潭水庫士林水力發電工程,一開始使用TBM工法挖掘隧道,挖達3,495公尺,可惜遇到可燃氣體,在安全的考量下,被迫放棄;再來就是新武界工程,全長6,523公尺,可謂成功案例。

TBM工法不用做橫坑,不會造成山體震動、也不會破壞地表水,而且施工速度較快。以新武界工程為例,最高紀錄一個月挖掘了659公尺,平均每個月315公尺,超過一般傳統鑽炸工法60∼80公尺甚多,算是相當環保又有效率的工法。然而,TBM這種創新工法,在地質不均勻的臺灣,卻受到相當大的考驗。

臺灣的地形、地質複雜多變,對於要求「均質」地質,才有辦法發揮效用的TBM鑽掘機來說,並不適合,一旦岩盤有異,就可能中斷工程進行。更可怕的是,以中部地區來說,在斷層帶的前後,都有湧水、軟泥層,更增加了工程的困難度和危險性。

也因此,事先對於當地地質、水文的充分瞭解,以及工程人員間的專業默契配合,工程期間不躁進、隨時做好保護工作等看似細節的東西,也就更顯重要。也正因如此不易,新武界隧道土木工程I-A及I-B兩項標案,雙雙獲得了行政院公共工程金質優等獎的肯定。同樣艱辛的隧道工程,大甲溪發電廠青山分廠(青山電廠)復建的廠區對外聯絡通道,也可以說是萬分驚險。

青山電廠 艱辛的對外聯絡通道

大甲溪發電廠青山分廠是臺灣最大的慣常水力發電廠,一年可以產生六億多度的發電量,換算下來等於可以供應近17萬戶家庭一年的用電。

85年以前,大甲溪流域主要有德基、青山、谷關、天輪四個電廠。 這四個電廠,主要依靠中部橫貫公路做為出入的交通要道。88年921地震後,中橫道路柔腸寸斷,無法通行。同時大地震造成大甲溪流域邊坡鬆動,大量土石流入河床,嚴重淤積河道,導致大甲溪發電廠各電廠均遭到災害。德基電廠值班人員在高層電梯停用的狀況下,只能夠徒步在壩頂、壩下來回奔波,觀測大壩。而工作人員要進入德基、青山,必須繞道埔里、霧社、梨山,甚至需要用山區飛行高風險的直升機當交通工具,十分艱辛。

其中青山電廠恰恰是大甲溪電廠中裝置容量最大的一座,但也是在幾次颱風惡水中,受創最嚴重的電廠。

93年七二水災,青山電廠進水,建物遭淹埋,受損極為嚴重。因其裝置容量為慣常水力中之最,一旦受損對於電力的穩定和供電品質有極大的影響,於是災後便開始著手規劃修建。

惟15年來天災不斷,復建工程複雜困難、施工人員生活不便、工作環境困窘不佳,除此之外,讓每位參與青山復建的工作人員最感同身受的,就是每個人幾乎聞路況色變。蜀道難般的道路「大石頭什麼時候掉下來,就看你的命了,」當時的青山施工處技術經理黃則煜回憶,「當時大夥都是抱持著聽天由命的樂天心態」。

而這段青山電廠新建廠區的對外聯絡通道,全長5,684公尺,為臺灣第二長的車行隧道,僅次於雪山隧道。在克服惡劣地質及大量湧水等層層困難下,終於在103年7月7日全線開挖、貫通。

當中光是要跨越60公尺的斷層帶就歷經了一年多的施工,中途還碰上無預警的大量抽坍,工程之驚險與環境之惡劣,至今,青山施工處參與過的同仁都還歷歷在目。

在這之前,處理和平溪碧海水力發電工程時,也遇到頭水隧道襯砌期間湧水量甚大的問題,決定再嘗試創新工法,試圖解決工程上必須面對臺灣地質先天複雜的困難點。

先於襯砌內埋設六吋開孔的排水鋼管,再增設了約54孔的洩壓孔,讓隧道的滲水導入鋼管中,向下游排放。如此增設洩壓孔,讓地下水排入頭水隧道內降低襯砌外水壓,成功解決隧道襯砌的湧水問題。

碧海水力發電 首創新工法

每一個難關,似乎都在繼續考驗著台電的工程精進。而在這些工程創新中,還有一項,更可以說是前無例可循,以後也很難再有的特殊工法:直昇機系統性吊掛。

碧海工程座落於花蓮縣秀林鄉,為一崇山峻嶺的原始森林,山勢險峻、陡峭。工程初期的現勘、測量、地質鑽探、林地租用及障礙木等調查工作,人員進出必須依賴和平林道。

先不說這條和平林道,蜿蜒、崎嶇,遇雨即坍。車子開到和平林道36K約3.5小時後,得再從海拔2000公尺「徒步攀爬」到海拔550公尺處的南溪壩址,這段路腳程、體力好的,大概需要6.5小時,所以加起來一趟去程就需要十個小時,反程亦復如是。因此從壩址要到廠房區,必須再越過北南山及琴山,少數腳力好的人,至少需三天的時程,此外,不僅要克服崩坍地、深潭等險惡地形外,沿途亦有螞蝗、恙蟲、毒蛇出沒的危險,餐風露宿,苦不堪言,多數人根本無法攀越。

後來經評估後,決定興建輕型直昇機起降場及組合式工房,一舉解決翻山越嶺及在山區駐留的食、住及通訊等難題,對於現地勘查、地形測量、林地調查及往後之施工產生最關鍵之突破,也因此奠定後續施工能順利展開的基礎。

然而,真正艱辛的崇山峻嶺挑戰,發生在決定開始動工的那一刻起!青山施工處李錦浚前處長回憶,「碧海的難,是難在『沒有路』啊!」

和平溪的碧海工程,原本就是一片原始林,前不著村、後不著店,從發現、探勘以來,就是一處蠻荒之地。所以前期現勘人員必須跋山涉水,方能進入山中進行普查、選址。但是沒有道路,工程用的機械、物料又要如何跋山涉水,抵達山林呢?為了闢路,工程進度幾乎被迫停擺。所幸,在當時台電高層長官的支持下,同意使用直昇機進行機器重件的運輸作業,終於將這艱難的任務,由不可能化為可能。

直昇機 成就碧海水力發電工程

利用直昇機載運物資、重機,創下國內大型工程採重型直升機吊掛作業施工之先例。為了可以載運重機(大型機械),分別使用了俄製KAMOV KA–32A 11BC與美製KAMAN K-max等機型。直昇機的運用,是以多點展開,同時施工,以加速工程進度。

「這是台電,也應該是臺灣『第一次系統性吊掛』,同時開闢多個工作面,同時進行多點展開施工。」李錦浚前處長解釋,但創新的不是直昇機本身、也不是直昇機用來運輸吊掛物件,而是「一個將工程師的思維從2D變成3D作業的創新!」沒有路,不能點對點抵達對岸,在沒有採用直昇機運輸的想法實現之前,誰也沒有認真的想過,原來是可以點對點、先上後下,再平行移動。水力發電的工程人員,因為有泰半的時間,都處於開鑿輸水隧道內,因此往往戲稱自己在「黑洞」工作;受限於作業空間狹小、潮濕悶熱,在開鑿中看見一絲光點,便表示隧道即將貫通,如同「鑿光人」。

這群逐水草而居的工程師們,總跟著每一個工程的進行而移動、移居,在時時刻刻得面對天災、地貌等險峻挑戰時,我們看到了勇於解決、勇敢面對的水牛精神!

電力為國家經濟建設的基礎。回顧臺灣水力發電工程史,從民國前7年完成之龜山水力發電開始,至102年完成之萬松水力發電工程,逾百年歷史。承啟百年的水力工程技術,正是未來再生能源發展的重要主力。