關于半導體廠部分動力設備節(jié)能措施的分析

王占強

摘 要：通過介紹冷水、熱水和CDA系統(tǒng)的節(jié)能降耗措施，討論了在保證系統(tǒng)正常運行下如何使系統(tǒng)運行達到帕累托最優(yōu)，進而達到節(jié)省生產成本的目的。

關鍵詞：冷水機組；動力設備；水泵；溫差

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）10-0004-02

隨著某半導體公司產能的持續(xù)擴大和水電氣費的持續(xù)增加，廠務動力部分設備的能耗占公司總能耗的35%以上，因此，對動力系統(tǒng)實施節(jié)能措施已經(jīng)十分迫切。空調作為大能耗電器，對其進行節(jié)能的空間相當大，另外，CDA系統(tǒng)也存在很大的節(jié)能空間。但對于舊的動力系統(tǒng)設計，如何合理地采用可行的、經(jīng)濟的方案來完成對動力系統(tǒng)的節(jié)能改造，仍然是一個值得探討的問題。下面將依據(jù)動力系統(tǒng)的設計和設備的運行情況，介紹幾種常見的節(jié)能降耗措施。

1 冷水系統(tǒng)的節(jié)能措施

1.1 大溫差冷卻水措施

Maquay離心式冷水機組的冷凝器設計的冷卻水流量是720 m3/h，而選配的冷卻水泵是930 m3/h，顯示冷凝器進出水溫差為2.5 ℃。由2.5 ℃的溫差可得知：冷卻水泵的選型過大，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象；冷凝器臟的換熱效率低下。

“大馬拉小車”就是在供冷量不變的情況下，通過增大供回水溫差來減少冷卻水的流量，以減少水泵的功率和運行費用，從而達到節(jié)能的目的。有了增加冷卻水進出水溫差的方法后，使用大泵替代小泵或使用變頻器控制流量，但變頻器的安裝會增加投入。如果用一臺變頻器控制兩臺水泵，就會減少一次投入，并形成備用。下面以110 kW、930 m3/h的水泵為例，其性能曲線圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，如果通過溫差控制流量，即在maquay離心式冷水機組實驗流量為720 m3/h的情況下，可以減少大約7%的能耗。

對于冷凝器臟的問題，冷水機組自運行以來，從未對冷凝器進行過清洗工作，從冷凝溫度上看，冷凝器應該每年進行一次清洗，這樣可以提高換熱的效率。

1.2 合適的冷卻水進水溫度

空調工況的制冷劑冷凝溫度一般在40 ℃左右，因傳熱溫差的關系，冷卻水的出水溫度要比制冷劑冷凝溫度低2～3 ℃，冷凝溫度越低，蒸發(fā)溫度越高，制冷劑越大，制冷系數(shù)也越大。尤其對離心式壓縮來說，制冷量會隨著蒸發(fā)溫度的降低和冷凝溫度的升高而急劇降低，較低的冷卻水溫度有利于降低冷凝溫度，節(jié)約壓縮機的電耗。

離心式壓縮制冷機的轉速恒定，在制冷劑的蒸發(fā)溫度Te=4.4 ℃的工況下，冷凝溫度Tc從40 ℃提高到了42 ℃，傳熱溫差降低了7.5%，制冷量下降了20%.在對離心式冷水機組的運行進行觀察時發(fā)現(xiàn)，冷卻水每提高1 ℃，COP下降近4%，每小時多耗電能30 kW·h。根據(jù)冷機的制冷工況，離心式冷水機組冷卻水的進水溫度應保持在25 ℃左右，比冷水機組實驗的32 ℃進水溫度低1 ℃，COP增加約28%，即相同的制冷量，耗電量降低了28%.但冷水機組還有其他的自動保護功能，因此冷卻水的進水溫度也不能太低。

1.3 中溫水的節(jié)能措施

我公司設計的17 ℃中溫水是由22 ℃中溫水回水和5 ℃冷凍水混合而成的，混合水溫度通過電動調節(jié)閥調節(jié)。由于電動調節(jié)閥的滯后性和其他因素的影響，有一大部分的冷量會被浪費，但設計中也考慮了隨著負荷的擴大，可以通過冷水機組直接供應中溫水，這樣既減少了冷量的浪費，又提高了設備的利用率。這種中溫水有單獨的冷水機組供應，因此在半導體廠得到了廣泛的應用，例如臺積電（臺灣廠）、英特爾（大連廠）等。雖然節(jié)能效果無法估算，但會起到節(jié)能效果是可以肯定的。在不增加投資成本的基礎上，這種節(jié)能措施還是比較有效的。

1.4 冷卻塔節(jié)能

降低冷卻塔的出水溫度，有利于提高冷水機組的性能，但同時也會增加冷卻塔風機的電能消耗?？紤]到當前設備的供應情況和控制系統(tǒng)，可以使用下面兩種冷卻水系統(tǒng)節(jié)能方法。

冷卻塔風機要根據(jù)冷卻水的供水溫度對其進行變頻控制。目前冷卻塔的風機運行方式是工頻運行，工頻運行如果不能在最佳的溫度上運行，而且風機頻繁啟停，那么設備的老化速度就會加大，耗電量也會增大。為了節(jié)約電能，利用變頻器對其進行控制是目前比較有效的方法。

利用冷凝水回收的水量補給冷卻塔的水損失。按照冷卻水4 ℃溫差算，每天需補水180 t左右，一年約為6×104 t。將MAU排放的冷凝水和利用PCW回收的RO水用作冷卻塔補水，每天可節(jié)省自來水大約為80 m3，一年可節(jié)省近3×104 m3。如果能夠回收更多的廢水，那么節(jié)約用水的效果會更明顯。

1.5 提高冷凍水供水溫度

冷凍水溫度越高，冷機的制冷效率就越高。冷凍水供水溫度提高1 ℃，冷機的制冷系數(shù)就提高3%，所以在日常運行中不要盲目降低冷凍水的溫度，包括不要設置過低的冷機冷凍水設定溫度；一定要關閉停止運行的冷機的水閥，防止部分冷凍水走旁通管路，否則，經(jīng)過運行中的冷機的水量就會減少，導致冷凍水的溫度被冷機降到過低的水平。目前設定的出水溫度為5.5 ℃，在提高到6 ℃后，既能滿足溫濕度需要，又能節(jié)省大量電能。

1.6 IT機房空調制冷節(jié)能措施

在冬季時，辦公室的空調都已經(jīng)停用，但IT機房還需要冷量，因此1#樓的循環(huán)水泵就被用來為IT機房制冷。循環(huán)水泵的功率為22 kW，在冬季時，水泵的頻率保持在30 Hz左右。IT機房制冷耗電量就包括兩部分，即IT機房柜式空調和水泵能耗。如果IT機房保持冷量的方式改變，在冬季工況時停掉水泵，每天可節(jié)約大約300 ℃的能耗。

2 熱水系統(tǒng)的節(jié)能措施

熱水系統(tǒng)的能耗大約占總能耗的10%.目前使用的供熱方式是燃氣鍋爐，分別有1 400 kW和2 800 kW的燃氣鍋爐各1臺。2008年，兩臺鍋爐總用氣量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可知，兩臺燃氣鍋爐平均每天的耗氣量為1 100 m3，費用近5 300元。如果換成電能，大約為7 500 kW·h。1 m3天然氣產生的熱值為11.6 kW，如果使用熱泵供熱（假設熱泵的COP為3.5），則需要的電能為3.3 kW·h，電費為2.4元，而天然氣為4.8元/m3，可節(jié)約大約一半的費用。

3 CDA系統(tǒng)的節(jié)能措施

目前CDA系統(tǒng)增加了兩臺神鋼空氣壓縮機，其中一臺為變頻機。由于神鋼空氣壓縮機獨特的冷卻設計，啟動它大概需要3 kg的水壓，之前設計的冷卻系統(tǒng)卻只能提供不到2 kg的水壓，造成新增空壓機因水量不足而不能啟動。根據(jù)壓力表反映出來的問題，判斷為管道壓損比較大和5.5 kW的壓頭不足，換成15 kW的水泵后，就可以滿足新增空壓機的需要，但采用這樣的方法不但需要重新布線和購買更大的水泵，而且每天的耗電量也會增加300 kW·h。為了使原來的設計能夠滿足新增空壓機的需要，可以采取通過膨脹水箱對整個冷水系統(tǒng)增壓的方法，這樣就會使CDA的冷卻系統(tǒng)增壓2 kg，即使使用原來5.5 kW的水泵，也可以滿足新增空壓機的需要，該項措施每年可以節(jié)約電能近110 000 kW·h。

原來使用的英格索蘭空氣壓縮機由于不是變頻機，空壓機會在設定的加載壓力下加載，在減載壓力下減載。自英格索蘭空氣壓縮機運行以來，空壓機有30%的時間是處于空載狀態(tài)，空載狀態(tài)下運行電流50 A左右。這樣最少浪費了123 500 kW·h的電能。因此，建議空氣壓縮機使用變頻控制。

CDA系統(tǒng)后處理設備也可以節(jié)能。目前CDA供氣的露點為-100 ℃，而6寸半導體廠只需要-75 ℃。目前使用的無熱再生式干燥機沒有安裝控制露點的系統(tǒng)。下面將介紹采取DDS系統(tǒng)控制露點的方法。

DDS露點控制切換節(jié)能系統(tǒng)直接監(jiān)測干燥機的出口空氣露點，決定著干燥機的切換時間，在干燥劑仍有干燥能力時，系統(tǒng)停止再生側的再生，自動延長工作側干燥劑的工作時間，從而減少壓縮空氣再生氣的消耗量，達到節(jié)能的效果。因此，DDS系統(tǒng)打斷了控制器的正常循環(huán)，只有干燥劑吸收的水分達到其吸附容量時，才指示干燥機切換，這有效地延長了干燥機的循環(huán)周期。由于再生時間的恒定，再生結束后，干燥機沒有立即切換，而是繼續(xù)工作，在這段時間內再生腔不再消耗，從而節(jié)約了能源，這個過程中節(jié)省的氣量為：一臺MXS104干燥機在進氣溫度為35 ℃進氣壓力，在7 barg、出口露點為-75 ℃時的處理量為11.89 m3/min，干燥機的選型都是以最惡劣的工作狀態(tài)為標準來選擇干燥機，也就是按照最大的流量、最高的進氣溫度、最低的進氣壓力來選擇，所以干燥機每年只有幾天是滿負荷工作，其余大多數(shù)時間里，特別是在春冬季節(jié)、交接班和用氣量降低的情況下，干燥機一般都處于低負荷的工作狀態(tài)。大部分干燥機在全年的平均負荷僅為70%，甚至更低。由于無熱再生式吸附干燥機需要用干燥的壓縮空氣進行再生，因此一臺MXS104干燥機所需要的再生氣量為2.72 m3/min，所以加裝DDS節(jié)能裝置后全年可以節(jié)省用氣2.72×30%×60×24×365=428 889.08 m3。節(jié)省用電428 889/（15.3×60）×110=51 392 kW·h/年。

4 結束語

廠務設備是半導體廠的能耗大戶，有巨大的節(jié)能空間。上文中介紹的是在保證系統(tǒng)正常運行的情況下一些常見的節(jié)能措施，有關的實例計算結果也充分證明了節(jié)能效果是非常明顯的。

參考文獻

[1]李世一，楊曼輝.集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能措施[J].赤峰學院學報（自然科學版），2008（12）.

[2]王學成.區(qū)域和分散鍋爐房節(jié)能改造措施[J].林業(yè)科技情報，2009（03）.

〔編輯：王霞〕

從表1可知，兩臺燃氣鍋爐平均每天的耗氣量為1 100 m3，費用近5 300元。如果換成電能，大約為7 500 kW·h。1 m3天然氣產生的熱值為11.6 kW，如果使用熱泵供熱（假設熱泵的COP為3.5），則需要的電能為3.3 kW·h，電費為2.4元，而天然氣為4.8元/m3，可節(jié)約大約一半的費用。

3 CDA系統(tǒng)的節(jié)能措施

目前CDA系統(tǒng)增加了兩臺神鋼空氣壓縮機，其中一臺為變頻機。由于神鋼空氣壓縮機獨特的冷卻設計，啟動它大概需要3 kg的水壓，之前設計的冷卻系統(tǒng)卻只能提供不到2 kg的水壓，造成新增空壓機因水量不足而不能啟動。根據(jù)壓力表反映出來的問題，判斷為管道壓損比較大和5.5 kW的壓頭不足，換成15 kW的水泵后，就可以滿足新增空壓機的需要，但采用這樣的方法不但需要重新布線和購買更大的水泵，而且每天的耗電量也會增加300 kW·h。為了使原來的設計能夠滿足新增空壓機的需要，可以采取通過膨脹水箱對整個冷水系統(tǒng)增壓的方法，這樣就會使CDA的冷卻系統(tǒng)增壓2 kg，即使使用原來5.5 kW的水泵，也可以滿足新增空壓機的需要，該項措施每年可以節(jié)約電能近110 000 kW·h。

原來使用的英格索蘭空氣壓縮機由于不是變頻機，空壓機會在設定的加載壓力下加載，在減載壓力下減載。自英格索蘭空氣壓縮機運行以來，空壓機有30%的時間是處于空載狀態(tài)，空載狀態(tài)下運行電流50 A左右。這樣最少浪費了123 500 kW·h的電能。因此，建議空氣壓縮機使用變頻控制。

CDA系統(tǒng)后處理設備也可以節(jié)能。目前CDA供氣的露點為-100 ℃，而6寸半導體廠只需要-75 ℃。目前使用的無熱再生式干燥機沒有安裝控制露點的系統(tǒng)。下面將介紹采取DDS系統(tǒng)控制露點的方法。

DDS露點控制切換節(jié)能系統(tǒng)直接監(jiān)測干燥機的出口空氣露點，決定著干燥機的切換時間，在干燥劑仍有干燥能力時，系統(tǒng)停止再生側的再生，自動延長工作側干燥劑的工作時間，從而減少壓縮空氣再生氣的消耗量，達到節(jié)能的效果。因此，DDS系統(tǒng)打斷了控制器的正常循環(huán)，只有干燥劑吸收的水分達到其吸附容量時，才指示干燥機切換，這有效地延長了干燥機的循環(huán)周期。由于再生時間的恒定，再生結束后，干燥機沒有立即切換，而是繼續(xù)工作，在這段時間內再生腔不再消耗，從而節(jié)約了能源，這個過程中節(jié)省的氣量為：一臺MXS104干燥機在進氣溫度為35 ℃進氣壓力，在7 barg、出口露點為-75 ℃時的處理量為11.89 m3/min，干燥機的選型都是以最惡劣的工作狀態(tài)為標準來選擇干燥機，也就是按照最大的流量、最高的進氣溫度、最低的進氣壓力來選擇，所以干燥機每年只有幾天是滿負荷工作，其余大多數(shù)時間里，特別是在春冬季節(jié)、交接班和用氣量降低的情況下，干燥機一般都處于低負荷的工作狀態(tài)。大部分干燥機在全年的平均負荷僅為70%，甚至更低。由于無熱再生式吸附干燥機需要用干燥的壓縮空氣進行再生，因此一臺MXS104干燥機所需要的再生氣量為2.72 m3/min，所以加裝DDS節(jié)能裝置后全年可以節(jié)省用氣2.72×30%×60×24×365=428 889.08 m3。節(jié)省用電428 889/（15.3×60）×110=51 392 kW·h/年。

4 結束語

廠務設備是半導體廠的能耗大戶，有巨大的節(jié)能空間。上文中介紹的是在保證系統(tǒng)正常運行的情況下一些常見的節(jié)能措施，有關的實例計算結果也充分證明了節(jié)能效果是非常明顯的。

參考文獻

[1]李世一，楊曼輝.集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能措施[J].赤峰學院學報（自然科學版），2008（12）.

[2]王學成.區(qū)域和分散鍋爐房節(jié)能改造措施[J].林業(yè)科技情報，2009（03）.

〔編輯：王霞〕

從表1可知，兩臺燃氣鍋爐平均每天的耗氣量為1 100 m3，費用近5 300元。如果換成電能，大約為7 500 kW·h。1 m3天然氣產生的熱值為11.6 kW，如果使用熱泵供熱（假設熱泵的COP為3.5），則需要的電能為3.3 kW·h，電費為2.4元，而天然氣為4.8元/m3，可節(jié)約大約一半的費用。

3 CDA系統(tǒng)的節(jié)能措施

目前CDA系統(tǒng)增加了兩臺神鋼空氣壓縮機，其中一臺為變頻機。由于神鋼空氣壓縮機獨特的冷卻設計，啟動它大概需要3 kg的水壓，之前設計的冷卻系統(tǒng)卻只能提供不到2 kg的水壓，造成新增空壓機因水量不足而不能啟動。根據(jù)壓力表反映出來的問題，判斷為管道壓損比較大和5.5 kW的壓頭不足，換成15 kW的水泵后，就可以滿足新增空壓機的需要，但采用這樣的方法不但需要重新布線和購買更大的水泵，而且每天的耗電量也會增加300 kW·h。為了使原來的設計能夠滿足新增空壓機的需要，可以采取通過膨脹水箱對整個冷水系統(tǒng)增壓的方法，這樣就會使CDA的冷卻系統(tǒng)增壓2 kg，即使使用原來5.5 kW的水泵，也可以滿足新增空壓機的需要，該項措施每年可以節(jié)約電能近110 000 kW·h。

原來使用的英格索蘭空氣壓縮機由于不是變頻機，空壓機會在設定的加載壓力下加載，在減載壓力下減載。自英格索蘭空氣壓縮機運行以來，空壓機有30%的時間是處于空載狀態(tài)，空載狀態(tài)下運行電流50 A左右。這樣最少浪費了123 500 kW·h的電能。因此，建議空氣壓縮機使用變頻控制。

CDA系統(tǒng)后處理設備也可以節(jié)能。目前CDA供氣的露點為-100 ℃，而6寸半導體廠只需要-75 ℃。目前使用的無熱再生式干燥機沒有安裝控制露點的系統(tǒng)。下面將介紹采取DDS系統(tǒng)控制露點的方法。

DDS露點控制切換節(jié)能系統(tǒng)直接監(jiān)測干燥機的出口空氣露點，決定著干燥機的切換時間，在干燥劑仍有干燥能力時，系統(tǒng)停止再生側的再生，自動延長工作側干燥劑的工作時間，從而減少壓縮空氣再生氣的消耗量，達到節(jié)能的效果。因此，DDS系統(tǒng)打斷了控制器的正常循環(huán)，只有干燥劑吸收的水分達到其吸附容量時，才指示干燥機切換，這有效地延長了干燥機的循環(huán)周期。由于再生時間的恒定，再生結束后，干燥機沒有立即切換，而是繼續(xù)工作，在這段時間內再生腔不再消耗，從而節(jié)約了能源，這個過程中節(jié)省的氣量為：一臺MXS104干燥機在進氣溫度為35 ℃進氣壓力，在7 barg、出口露點為-75 ℃時的處理量為11.89 m3/min，干燥機的選型都是以最惡劣的工作狀態(tài)為標準來選擇干燥機，也就是按照最大的流量、最高的進氣溫度、最低的進氣壓力來選擇，所以干燥機每年只有幾天是滿負荷工作，其余大多數(shù)時間里，特別是在春冬季節(jié)、交接班和用氣量降低的情況下，干燥機一般都處于低負荷的工作狀態(tài)。大部分干燥機在全年的平均負荷僅為70%，甚至更低。由于無熱再生式吸附干燥機需要用干燥的壓縮空氣進行再生，因此一臺MXS104干燥機所需要的再生氣量為2.72 m3/min，所以加裝DDS節(jié)能裝置后全年可以節(jié)省用氣2.72×30%×60×24×365=428 889.08 m3。節(jié)省用電428 889/（15.3×60）×110=51 392 kW·h/年。

4 結束語

廠務設備是半導體廠的能耗大戶，有巨大的節(jié)能空間。上文中介紹的是在保證系統(tǒng)正常運行的情況下一些常見的節(jié)能措施，有關的實例計算結果也充分證明了節(jié)能效果是非常明顯的。

參考文獻

[1]李世一，楊曼輝.集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能措施[J].赤峰學院學報（自然科學版），2008（12）.

[2]王學成.區(qū)域和分散鍋爐房節(jié)能改造措施[J].林業(yè)科技情報，2009（03）.

〔編輯：王霞〕