8 英寸半導(dǎo)體廠房給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程實(shí)例分析

曾現(xiàn)磊，明金陽(yáng)*，張靜園

（1.寶鼎乾芯集成電路（杭州）有限公司，杭州 310020；2.科技部科技評(píng)估中心，北京 100000）

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心，已經(jīng)滲透到國(guó)民生活、生產(chǎn)及國(guó)防安全等各個(gè)領(lǐng)域[1]。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迎來(lái)了歷史性的機(jī)遇。因此，大規(guī)模建設(shè)半導(dǎo)體廠房已經(jīng)成為很多地方發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要工程。

工業(yè)廠房在建設(shè)的過(guò)程中，給排水和消防用水方面的設(shè)計(jì)尤為重要。給排水與消防用水的設(shè)計(jì)方案和質(zhì)量控制基于整體廠房建筑進(jìn)行，根據(jù)不同地區(qū)的工業(yè)廠房要求以及廠房性質(zhì)、用途制定適合的設(shè)計(jì)方案，充分保證給排水和消防設(shè)計(jì)能夠滿足使用需求[2]。

1 半導(dǎo)體廠給排水設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 給排水系統(tǒng)構(gòu)成

給水系統(tǒng)分為自來(lái)水系統(tǒng)、消防給水系統(tǒng)、生產(chǎn)用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)和超純水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)分為生活排水系統(tǒng)、生產(chǎn)排水系統(tǒng)和雨排水系統(tǒng)。

1.2 管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

給排水系統(tǒng)的管道材質(zhì)和大小的選取應(yīng)與設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行探討，由結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行工況分析。計(jì)算出外部受力點(diǎn)和內(nèi)部壓力，以確定管道支架的位置和伸縮節(jié)的類(lèi)型。埋地管道應(yīng)依照工程施工規(guī)范進(jìn)行填埋處理。地上敷設(shè)的管道應(yīng)考慮冬天結(jié)冰的問(wèn)題，寒冷季節(jié)一旦輸水管未保溫或保溫失效，極易導(dǎo)致輸水管線、設(shè)備等凍壞，引發(fā)相關(guān)事故的發(fā)生，迫使生產(chǎn)中斷，導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大口徑管道（DN300 以上）在冬天基本不結(jié)冰，而小口徑管道往往作為用戶端，容易結(jié)冰，所以小口徑管道最好采取保溫處理。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于某市國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，主要從事8 英寸模擬集成電路芯片的生產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模為6 萬(wàn)片/年。占地總面積約290 000 m2，建筑總面積約104 000 m2。廠區(qū)建筑分為生產(chǎn)區(qū)、動(dòng)力區(qū)、儲(chǔ)存區(qū)和生活區(qū)等。生產(chǎn)區(qū)位于設(shè)備廠房的三樓，二樓為技術(shù)夾層（布置有各類(lèi)供液、供氣設(shè)備），化學(xué)品供應(yīng)區(qū)（包括氯氣供應(yīng)室、腐蝕氣體室、惰性氣體室、易燃?xì)怏w室、無(wú)機(jī)化學(xué)品室和有機(jī)化學(xué)品室）位于設(shè)備廠房一樓。動(dòng)力區(qū)位于生產(chǎn)區(qū)側(cè)面，其中建（構(gòu)）筑物有動(dòng)力站、廢水站、固廢倉(cāng)庫(kù)、變電站和氮氧氬氫儲(chǔ)罐區(qū)等。儲(chǔ)存區(qū)分為甲類(lèi)庫(kù)、丙類(lèi)倉(cāng)庫(kù)和酸堿庫(kù)，3 座倉(cāng)庫(kù)組成庫(kù)區(qū)。生活區(qū)位于廠區(qū)內(nèi)，其中建（構(gòu)）筑物有綜合樓、食堂和足球場(chǎng)等。本項(xiàng)目建（構(gòu)）筑物情況見(jiàn)表1。

表1 主要建（構(gòu)）筑物一覽表

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.2.1 給水系統(tǒng)

（1）自來(lái)水系統(tǒng)：由開(kāi)發(fā)區(qū)市政給水管網(wǎng)接1 條DN800 給水引入管供給，水壓不小于0.2 MPa。進(jìn)入廠區(qū)連成環(huán)狀管網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)管徑DN400，從環(huán)狀管網(wǎng)分別接入生產(chǎn)貯水池（7 000 m3）、消防貯水池（800 m3）、生活貯水池（110 m3），保證廠區(qū)用水量，消耗量為5 670 m3/d。自來(lái)水系統(tǒng)是廠區(qū)用水的源頭，采用冗余設(shè)計(jì)，可以有效保證廠區(qū)的用水。

（2）消防系統(tǒng)采用室外消火栓消防系統(tǒng)、室內(nèi)消火栓消防系統(tǒng)、室內(nèi)自動(dòng)噴水滅火消防系統(tǒng)和滅火器消防系統(tǒng)。設(shè)消防貯水池（800 m3）一座，位于消防泵房外，由設(shè)在水泵房?jī)?nèi)的室內(nèi)、外加壓泵自消防水池吸水加壓供室內(nèi)、外消火栓用水，廠區(qū)消防用水量為40 L/s。

給水設(shè)備故障會(huì)造成供水不正常，可導(dǎo)致消防用水無(wú)法保障，一旦遇到火災(zāi)可加重企業(yè)的火災(zāi)損失。同時(shí)消防水量、水壓的設(shè)計(jì)不充分也可影響到消防用水的需求。因此，消防的四大系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮符合消防規(guī)范的要求，也要滿足廠區(qū)消防的需求。同時(shí)消防工程建設(shè)成本也是不可忽略的。

（3）本項(xiàng)目生產(chǎn)用循環(huán)冷卻水分為常溫循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和工藝設(shè)備冷卻水系統(tǒng)。

常溫循環(huán)冷卻水系統(tǒng)：常溫循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)，分為冷凍機(jī)冷卻水系統(tǒng)和空壓機(jī)冷卻水系統(tǒng)。冷凍機(jī)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為5 742.4 m3/h，設(shè)計(jì)冷卻塔進(jìn)水溫度37 ℃，出水溫度32 ℃；空壓機(jī)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為32 m3/h，設(shè)計(jì)冷卻塔進(jìn)水溫度47 ℃，出水溫度32 ℃。經(jīng)過(guò)冷卻塔降溫后的冷卻水，由循環(huán)冷卻水泵加壓，供給冷凍機(jī)、空壓機(jī)，回水再流入冷卻塔作下一次循環(huán)使用。

工藝設(shè)備冷卻水系統(tǒng)：工藝設(shè)備冷卻水系統(tǒng)用來(lái)冷卻工藝設(shè)備。工藝設(shè)備冷卻水系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)流量為800 m3/h，工藝設(shè)備冷卻水在板式換熱器進(jìn)水溫度23 ℃，出水溫度18 ℃，冷媒為冷凍水，工藝設(shè)備冷卻水經(jīng)過(guò)板式換熱器換熱后，由工藝?yán)鋮s水泵加壓，供給工藝設(shè)備。為保證工藝設(shè)備冷卻水進(jìn)水水溫，在循環(huán)管路上加設(shè)水溫控制裝置。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水量設(shè)計(jì)要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮換熱器的換熱效率，也要考慮進(jìn)出水的溫度。同時(shí)冷卻塔、換熱器的型號(hào)和管徑大小也是不可忽略的因素，以便設(shè)計(jì)有充足的水量供應(yīng)。

（4）冷凍水系統(tǒng)：冷凍站系統(tǒng)組成由低溫離心式冷水機(jī)組、中溫離心式冷水機(jī)組、冷凍水一次泵、冷凍水二次泵、閉式膨脹罐、加藥裝置、管道及閥門(mén)附件和保溫材料等組成。冷凍水系統(tǒng)分為低溫系統(tǒng)及中溫系統(tǒng)，為閉式循環(huán)系統(tǒng)。低溫系統(tǒng)冷凍水供/回水溫度為5/11℃；中溫系統(tǒng)冷凍水供/回水溫度為12/18 ℃。

低溫離心式冷水機(jī)組及中溫離心式冷水機(jī)組所使用的冷媒均為R134a，其他冷卻系統(tǒng)的冷媒用水，且循環(huán)使用，不排放，只需補(bǔ)充損耗的水。

冷凍水系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮該系統(tǒng)的特點(diǎn)，補(bǔ)水水量和水質(zhì)是設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重點(diǎn)。

（5）超純水系統(tǒng)：純水站設(shè)于動(dòng)力站內(nèi)，原水加壓泵自原水池吸水加壓，送至多介質(zhì)過(guò)濾器過(guò)濾，然后進(jìn)入熱交換器加熱至25 ℃。過(guò)濾出水進(jìn)入活性炭過(guò)濾器過(guò)濾，經(jīng)過(guò)UV 燈殺菌后，進(jìn)入RO 保安過(guò)濾器過(guò)濾，進(jìn)入一級(jí)RO 裝置。出水再經(jīng)過(guò)RO 保安過(guò)濾器過(guò)濾，進(jìn)入二級(jí)RO 裝置，制成初級(jí)超純水后，儲(chǔ)存于RO 純水箱，初級(jí)純水經(jīng)過(guò)初級(jí)純水加壓泵加壓后，經(jīng)紫外線去TOC，脫氣塔，初級(jí)混床，進(jìn)入超純水箱。之后經(jīng)過(guò)純水供水泵加壓，送至熱交換器冷卻到23 ℃，后面經(jīng)二級(jí)紫外線殺菌，精拋光樹(shù)脂精制處理，超濾（UF）去除水中顆粒，最后送達(dá)各用水端。超純水水質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 超純水水質(zhì)

超純水系統(tǒng)是生產(chǎn)用水的主要系統(tǒng)，具有用水點(diǎn)多、影響面廣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮超純水的水壓、水量、水質(zhì)和制備工藝。其中制備工藝要根據(jù)當(dāng)?shù)刈詠?lái)水的水質(zhì)和用戶端的對(duì)水量和水質(zhì)的要求來(lái)確定。

傳統(tǒng)的純水制備過(guò)程中需要使用大量的酸、堿物質(zhì)，有酸、堿液的貯存和輸送，從而使除污的吸附樹(shù)脂進(jìn)行再生復(fù)用。由于鹽酸和氫氧化鈉分別為酸性和堿性腐蝕物質(zhì)，在工作過(guò)程中若操作不當(dāng)或設(shè)備泄漏等，均可引起酸、堿灼傷。同時(shí)隨著樹(shù)脂和化學(xué)品市場(chǎng)價(jià)格的上漲，傳統(tǒng)工藝的工程造價(jià)和維護(hù)成本也在逐年攀升。

眾所周知，不同的制備工藝會(huì)影響工程整體造價(jià)，而本項(xiàng)目創(chuàng)新性地采取了雙RO 的工藝設(shè)計(jì)，不僅大大節(jié)省了占地面積，還大幅度降低了工程造價(jià)成本和維護(hù)成本。與傳統(tǒng)工藝相比，工程造價(jià)整體降低了30%，維護(hù)成本降低了5%。因此，相關(guān)企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自身的要求進(jìn)行合理規(guī)劃，新技術(shù)、新理念、新工藝的使用，不但能降低工程造價(jià)，還能減少后期的維護(hù)成本。

2.2.2 排水系統(tǒng)

生活排水系統(tǒng)：園區(qū)有生活廢水管網(wǎng)，生活污水中的含油污水先經(jīng)過(guò)隔油池除油后，排入室外生活污水管網(wǎng)，與糞便污水和一般生活廢水一起進(jìn)入化糞池進(jìn)行處理，達(dá)到三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)后排入園區(qū)生活廢水管網(wǎng)，該生活廢水管網(wǎng)收集后集中在污水處理廠處理后排放。

雨排水系統(tǒng)：園區(qū)有完善的雨水排水管網(wǎng)，雨水通過(guò)收集后再由道路邊坡匯至雨水口收集注入室外雨水管道，排入附近河流。

生產(chǎn)排水系統(tǒng)：生產(chǎn)廢水經(jīng)過(guò)廢水站相關(guān)廢水處理系統(tǒng)的處理，達(dá)到國(guó)家和省三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后（直接水體排放標(biāo)準(zhǔn)）排入園區(qū)工業(yè)廢水管道。然而在廢水處理系統(tǒng)中還存在各種安全風(fēng)險(xiǎn)，比如廢水處理過(guò)程中，使用和產(chǎn)生的有毒、有害物質(zhì)較多，一旦室內(nèi)有毒、有害氣體濃度超標(biāo)，易引起中毒。廢水處理過(guò)程中使用了硫酸、氫氧化鈉等腐蝕性物質(zhì)，如果在使用過(guò)程中操作失誤或者管道、儲(chǔ)罐等發(fā)生泄漏，存在著化學(xué)灼傷的危險(xiǎn)。

生產(chǎn)排水系統(tǒng)是排水系統(tǒng)中危險(xiǎn)性最高，系統(tǒng)最龐大的工程之一。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意根據(jù)不同的廢水種類(lèi)選擇不同的處理工藝，這對(duì)降低運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，減少工程造價(jià)起到?jīng)Q定性的作用。

排水系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)能有效避免在雨季廠區(qū)淹水，能起到很好的防澇排澇作用，還能減少企業(yè)的維護(hù)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，保障了廠區(qū)各系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要優(yōu)先考慮合理性的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

半導(dǎo)體廠給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有涉及面廣、系統(tǒng)相對(duì)分散且復(fù)雜的特點(diǎn)，需要由給排水、建筑、自控和電氣等多個(gè)專業(yè)的工程技術(shù)人員共同參與完成。通過(guò)對(duì)給排水系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，不僅可以降低項(xiàng)目工程的建造成本，減少工程完工后的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，同時(shí)還能有效保障廠區(qū)內(nèi)各種設(shè)備的安全運(yùn)行，因此，給排水設(shè)計(jì)在新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)中極為重要。