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

曾現(xiàn)磊，明金陽*，張靜園

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

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(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)滲透到國民生活、生產(chǎn)及國防安全等各個領(lǐng)域[1]。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已上升到國家戰(zhàn)略高度，中國半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迎來了歷史性的機(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)的過程中，給排水和消防用水方面的設(shè)計尤為重要。給排水與消防用水的設(shè)計方案和質(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)計方案，充分保證給排水和消防設(shè)計能夠滿足使用需求[2]。

1 半導(dǎo)體廠給排水設(shè)計要點

1.1 給排水系統(tǒng)構(gòu)成

給水系統(tǒng)分為自來水系統(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)計要點

給排水系統(tǒng)的管道材質(zhì)和大小的選取應(yīng)與設(shè)計院結(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。計算出外部受力點和內(nèi)部壓力，以確定管道支架的位置和伸縮節(jié)的類型。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)致財產(chǎn)損失。根據(jù)經(jīng)驗，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 工程實例

2.1 項目概況

項目位于某市國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(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)、動力區(qū)、儲存區(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。動力區(qū)位于生產(chǎn)區(qū)側(cè)面，其中建（構(gòu)）筑物有動力站、廢水站、固廢倉庫、變電站和氮氧氬氫儲罐區(qū)等。儲存區(qū)分為甲類庫、丙類倉庫和酸堿庫，3 座倉庫組成庫區(qū)。生活區(qū)位于廠區(qū)內(nèi)，其中建（構(gòu)）筑物有綜合樓、食堂和足球場等。本項目建（構(gòu)）筑物情況見表1。

表1 主要建（構(gòu)）筑物一覽表

2.2 設(shè)計內(nèi)容

2.2.1 給水系統(tǒng)

（1）自來水系統(tǒng)：由開發(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。自來水系統(tǒng)是廠區(qū)用水的源頭，采用冗余設(shè)計，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)在水泵房內(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)備故障會造成供水不正常，可導(dǎo)致消防用水無法保障，一旦遇到火災(zāi)可加重企業(yè)的火災(zāi)損失。同時消防水量、水壓的設(shè)計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)計時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。同時消防工程建設(shè)成本也是不可忽略的。

（3）本項目生產(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)計流量為5 742.4 m3/h，設(shè)計冷卻塔進(jìn)水溫度37 ℃，出水溫度32 ℃；空壓機(jī)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計流量為32 m3/h，設(shè)計冷卻塔進(jìn)水溫度47 ℃，出水溫度32 ℃。經(jīng)過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)計要根據(jù)系統(tǒng)的實際工藝進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計時既要考慮換熱器的換熱效率，也要考慮進(jìn)出水的溫度。同時冷卻塔、換熱器的型號和管徑大小也是不可忽略的因素，以便設(shè)計有充足的水量供應(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，只需補充損耗的水。

冷凍水系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，在設(shè)計時要充分考慮該系統(tǒng)的特點，補水水量和水質(zhì)是設(shè)計時要考慮的重點。

（5）超純水系統(tǒng)：純水站設(shè)于動力站內(nèi)，原水加壓泵自原水池吸水加壓，送至多介質(zhì)過濾器過濾，然后進(jìn)入熱交換器加熱至25 ℃。過濾出水進(jìn)入活性炭過濾器過濾，經(jīng)過UV 燈殺菌后，進(jìn)入RO 保安過濾器過濾，進(jìn)入一級RO 裝置。出水再經(jīng)過RO 保安過濾器過濾，進(jìn)入二級RO 裝置，制成初級超純水后，儲存于RO 純水箱，初級純水經(jīng)過初級純水加壓泵加壓后，經(jīng)紫外線去TOC，脫氣塔，初級混床，進(jìn)入超純水箱。之后經(jīng)過純水供水泵加壓，送至熱交換器冷卻到23 ℃，后面經(jīng)二級紫外線殺菌，精拋光樹脂精制處理，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)，具有用水點多、影響面廣的特點，設(shè)計時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)刈詠硭乃|(zhì)和用戶端的對水量和水質(zhì)的要求來確定。

傳統(tǒng)的純水制備過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。同時隨著樹脂和化學(xué)品市場價格的上漲，傳統(tǒng)工藝的工程造價和維護(hù)成本也在逐年攀升。

眾所周知，不同的制備工藝會影響工程整體造價，而本項目創(chuàng)新性地采取了雙RO 的工藝設(shè)計，不僅大大節(jié)省了占地面積，還大幅度降低了工程造價成本和維護(hù)成本。與傳統(tǒng)工藝相比，工程造價整體降低了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，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)過廢水站相關(guān)廢水處理系統(tǒng)的處理，達(dá)到國家和省三級標(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，比如廢水處理過程中，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。廢水處理過程中使用了硫酸、氫氧化鈉等腐蝕性物質(zhì)，如果在使用過程中操作失誤或者管道、儲罐等發(fā)生泄漏，存在著化學(xué)灼傷的危險。

生產(chǎn)排水系統(tǒng)是排水系統(tǒng)中危險性最高，系統(tǒng)最龐大的工程之一。因此，在設(shè)計時要注意根據(jù)不同的廢水種類選擇不同的處理工藝，這對降低運營過程中的安全風(fēng)險，減少工程造價起到?jīng)Q定性的作用。

排水系統(tǒng)的合理設(shè)計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)運營費用，保障了廠區(qū)各系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此，排水系統(tǒng)的設(shè)計要優(yōu)先考慮合理性的問題。

3 結(jié)束語

半導(dǎo)體廠給排水系統(tǒng)設(shè)計具有涉及面廣、系統(tǒng)相對分散且復(fù)雜的特點，需要由給排水、建筑、自控和電氣等多個專業(yè)的工程技術(shù)人員共同參與完成。通過對給排水系統(tǒng)的合理設(shè)計，不僅可以降低項目工程的建造成本，減少工程完工后的運營費用，同時還能有效保障廠區(qū)內(nèi)各種設(shè)備的安全運行，因此，給排水設(shè)計在新建項目設(shè)計中極為重要。