109 專技高考高等考試 驗船師 輪機工程(包括1柴油機2鍋爐及壓力容器3泵、閥4起錨機、舵機5冷藏設備6通風設備7防止污染設備) 考古題詳解

核心觀念

柴油機排氣中的氮氧化物（NOₓ），主要是一氧化氮（NO）與二氧化氮（NO₂），另可能含少量氧化亞氮（N₂O）。其中 NO 通常占大宗；排氣中的 NO 可在大氣中進一步氧化成 NO₂。NOₓ 主要在燃燒室高溫條件下由空氣中的氮與氧反應生成，排放量受燃燒溫度、過量空氣及燃燒歷程影響。

選擇性觸媒轉換（Selective Catalytic Reduction, SCR）是以氨或可分解產生氨的尿素作為還原劑，在觸媒作用下，選擇性地將排氣中的 NOₓ 還原為氮氣與水，藉以降低排放。

解題方法

作答分成兩部分：先列出柴油機 NOₓ 的主要成分，再依序說明 SCR 的還原劑、觸媒作用及反應產物。題目特別問「選擇性」與「反應原理」，因此應指出還原劑優先與 NOₓ 反應，而非只描述排氣通過觸媒。

船舶常以尿素水溶液供應還原劑。尿素受熱後分解並水解生成氨，氨與排氣混合後通過 SCR 觸媒，將 NOₓ 還原成無害性較高的氮氣與水。以氨為還原劑時，主要反應式如下：

標準反應（NO 為主）：

快速反應（NO 與 NO₂ 並存）：

核心觀念

過熱器是鍋爐受熱面之一，將汽鼓分離出的飽和蒸汽繼續加熱，使其溫度高於同一壓力下的飽和溫度，成為過熱蒸汽。提高蒸汽溫度可減少蒸汽在汽輪機內膨脹時的濕度，改善熱效率並降低葉片受水滴侵蝕的風險。

鼓式鍋爐的過熱器依主要熱傳遞方式，分為：

• 對流式過熱器：配置在高溫煙氣流道中，主要由煙氣流過管束時的對流傳熱加熱蒸汽。
• 輻射式過熱器：配置於爐膛內或直接面向火焰，主要吸收火焰及高溫爐壁的熱輻射。
• 半輻射式過熱器：設於爐膛出口等位置，同時接受輻射與煙氣對流傳熱。

解題方法

題目分成兩步：先界定過熱器的功能，再比較不同型式的熱量來源與鍋爐燃燒率的關係。

燃燒率增加時，煙氣流量與流速通常增加，對流傳熱量也隨之提高。煙氣側與蒸汽側的能量平衡可概念性表示為：

核心觀念

**渦輪增壓機（turbocharger）**利用柴油機排氣的能量驅動渦輪，渦輪與壓縮機同軸連接；壓縮機將較高密度的空氣送入氣缸，使每循環可供應更多氧氣。大型船用柴油機常在壓縮機與氣缸之間設置中間冷卻器，以降低進氣溫度、提高進氣密度。

渦輪增壓的重點，是在不大幅增加柴油機尺寸的情況下提高進氣量與輸出功率。分析燃油、機油及排氣污染時，須分辨「每單位功率消耗」與「總消耗量」：功率提高後，總耗油量可能增加，但每單位功率的消耗率仍可能下降。

解題方法

先說明渦輪增壓機的能量流向，再分別從燃燒與潤滑系統分析：

1. 燃油消耗率：比較單位輸出功率所需的燃油量，通常以比油耗表示。
2. 機油消耗率：考量柴油機本體及增壓機的潤滑油消耗，再除以輸出功率。
3. 排氣污染：依污染物種類分開判斷；排煙、未完全燃燒產物與氮氧化物的變化並不相同。

燃油消耗率的影響

比燃油消耗率可表示為：

其中 $\dot m_f$ 為燃油質量流率，$P_e$ 為有效輸出功率。渦輪增壓通常使柴油機的每單位功率燃油消耗率下降。

原因是增壓後氣缸進氣量增加，燃燒可獲得較充足的氧氣，柴油較易充分燃燒；同時，渦輪利用原本隨排氣排出的部分能量驅動壓縮機，提高柴油機的功率輸出。因此，在適當匹配與操作條件下，每單位功率所需燃油量通常降低。這不代表總燃油消耗量必然減少：若增壓後柴油機輸出更大功率，總燃油流率仍可能上升。

機油消耗率的影響

渦輪增壓機的軸承需要潤滑，增壓機密封不良或運轉狀況不佳時，也可能有潤滑油進入進氣側或排氣側。因此，與未增壓柴油機相比，渦輪增壓機增加了機油消耗來源，機油總消耗量通常有增加傾向。

核心觀念

冷凍裝置的冷凍能力，取決於冷媒能否在蒸發器有效吸熱、在冷凝器有效放熱，並由壓縮機與膨脹閥維持穩定循環。可用下式表示蒸發器的制冷量：

其中 $\dot m_r$ 為冷媒質量流率，$h_1-h_4$ 為冷媒通過蒸發器時的焓差。因此，維持冷凍能力的措施，主要是避免冷媒量不足或受污染、保持蒸發器與冷凝器的熱交換效率，並確保各部件運轉正常。

解題方法

題目問的是「需有什麼重要措施」，不是要求計算冷凍能力。作答可沿冷凍循環逐項整理：冷媒與管路、蒸發器、冷凝器、壓縮機與控制裝置，以及冷藏庫的負荷管理。

維持冷凍能力的重要措施

1. 保持冷媒充填量適當並防止洩漏 定期檢查管路、接頭、閥件及軸封，發現洩漏應修復後再依規定充填冷媒。冷媒不足會使蒸發器供液量減少，降低吸熱能力；充填過量則可能造成冷凝壓力偏高，並使系統運轉不正常。

2. 防止空氣與水分進入冷媒系統 維持系統氣密，修理或開啟管路後，應依程序抽真空並確認乾燥，再充填冷媒。空氣等不凝結氣體會提高冷凝壓力、妨礙冷凝；水分則可能在低溫處結冰，堵塞膨脹閥或毛細管，造成供液不足。乾燥器應保持有效，必要時更換。

3. 保持冷凝器清潔並維持足夠冷卻水流量 定期清除冷凝器管內水垢、污物及海生物，檢查海水濾器、冷卻水泵、閥件與管路，確保冷卻水溫度及流量符合要求。冷凝器散熱不良會使冷凝壓力與排氣溫度升高，降低系統效率與冷凍能力。

核心觀念

壓艙水是船舶為了調整吃水、縱傾與橫傾、維持穩性及改善操縱性能而裝入壓艙艙櫃的海水或淡水。船舶在港口或沿岸水域吸入的壓艙水，可能帶有浮游生物、微生物、病原體及沉積物；若在另一水域排放，可能造成外來種入侵、生態失衡或疾病傳播。

本題重點是分清楚兩件事：船舶如何管理或處理壓艙水，以及各國在傳統管控制度下採用的首要處理方法。命題當年適用的國際架構為《船舶壓艙水及沉積物控制與管理國際公約》（BWM Convention），其中包括壓艙水交換標準（D-1）及壓艙水性能標準（D-2）。以下以命題當年（民國 109 年）法規為準。

解題方法

先說明壓艙水的船舶操作用途，再按處理原理整理管理方法，最後指出傳統管控的首要方法。答題時，應特別分辨「海上交換」和「船上處理系統」：海上交換以更換水體降低沿岸生物的存活與移轉；船上處理則以機械、物理或化學方式去除或殺滅生物。

壓艙水的用途

船舶裝載或排放壓艙水，可用來：

• 調整吃水與縱傾，確保螺槳、舵等保持適當浸水。
• 維持船舶穩性，降低橫搖或過度傾斜。
• 配合貨物裝卸、燃油消耗及航行狀況，調整船體受力與操縱性能。
• 減少船體過度上浮、偏斜或不利的結構負荷。

壓艙水處理與管理方法

一、海上更換（Ballast Water Exchange）

在符合安全條件的海域，以外海水置換原有壓艙水，降低沿岸或港口生物被帶至其他地區排放的風險。常見操作方式包括：

• 順序法：先排空壓艙艙櫃，再以外海水重新裝入。
• 流通法：持續將外海水泵入艙櫃，使原有壓艙水溢流排出。
• 稀釋法：由艙櫃底部注入外海水，同時由上部排出原有水體。

依 BWM Convention 的交換指引，原則上應在離最近陸地至少 200 海里且水深至少 200 公尺處進行；若無法在該海域交換，則依公約及主管機關規定選擇可行海域。交換操作仍須以船舶安全為前提。

二、船上壓艙水處理系統

在壓艙水裝入或排出時，利用設備去除或殺滅水中生物，常見方法包括：