某TFT厂房工艺冷却水系统设计的思考

  随着电子工业的发展，国内TFT-LCD(液晶面板)半导体行业也出现与日俱增的局面。
投资大，风险高是建设半导体厂房的一大特点，作为支持生产工艺稳定运行的工艺(制程)冷却水系统，如何做到最优化，最合理可靠的设计，以最小的投资，最好的回报，最大的节能，无疑是半导体工程行业设计者应该注意的问题，本文简要介绍本工程设计实例，并就此系统设计，列出此系统相关设计问题，浅述自己的看法，以期与同行共同提高。
1、系统概况及特点 1．1 系统概况 　　在半导体厂房中工艺冷却水(或称制程冷却水、工艺设备冷却水、简写：PCW)系统主要用于生产工艺设备的冷却，①且管网多采用密闭循环形式。
本TFT厂房工艺冷却水系统主要用于TFT生产工艺设备的冷却，该系统设计主要由三个环路组成，一个环路负责冷却水的“制备”，即高温水箱中的水由循环水泵提压，经热交换器冷却后进入低温水箱，此部分管路称为一次侧环路。
二次侧环路负责冷却水的输配，既低温水箱中的水经循环水泵提压，过滤，由输水管线送到生产工艺车间与工艺介质热交换，交换后的高温水沿回水管线流回高温水箱。
另一环路即为冷媒侧冷冻水供回水环路，经冷机制备的冷冻水经输水管路至交换器冷量交换后回到冷机侧。
　　该系统设计可简单表述为系统流程简图图1。
　　①有水箱的循环水系统均为开式系统，无水箱采用定压罐定压的为闭式循环系统   　　系统供水水质要求： 　　冷却水温度Cooling-water supply temperature：20℃ 　　酸碱度Acidity(PH)：6.5~8.0; 　　最大粒径颗粒Maximum particale size：≤0.03mm2; 　　硬度Hardness:＜100ppm; 　　电阻率Resistivity:＞1KΩ•cm; 　　总溶解固体(浊度)Solids(Turbidity)：＜100ppm; 　　系统供回水管路布置形式：同程式管路布置设计。
　　冷媒系统：13~18℃冷冻水系统。
　　管道材质：冷冻水系统(冷媒)采用普通钢管，工艺冷却水系统采用不锈钢管。
　　连接方式：焊接连接。
1．2系统特点 　　工艺冷却水系统，根据生产工艺的不同要求，设计上会有或多或少的差别，本TFT厂房工艺冷却水系统和一般工业厂房循环冷却水系统比较，有类似的地方，但亦存在不少差别， 本工艺冷却水系统特点如下： 　　(1)系统较一般工业系统循环水水质要求较高，且系统补水一般使用RO水或超纯水，系统在输水管网前端经过5um，99%的过滤器微过滤，在输水管网末端某些设备使用点，对水质要求更高，比如爆光机，CVD等设备，要单独设置精密过滤器，为保证系统可靠性，末端过滤器采用一用一备。
　　(2)系统设计为闭式循环系统(②你这个属于开式循环系统)，管网布置形式采用同程管路布置设计，其优点是： 　　1)水在管路内密闭循环，不与大气接触，可以有效防止二次污染(水质不会产生二次污染)； 　　2)水泵安装位置选择简易，可以安装在系统任何位置(③开篇说本系统包括3个环路，这里具体指哪个环路？
)，运行过程中整个系统充满水，水泵扬程只需克服循环阻力，不需克服水柱的静压力，动力节省，通常情况下，考虑维护检修方便，水泵及系统相关设备均会设置在单独的设备机械室，本系统在主厂房辅房设有单独的设备冷却机械室； 　　3)采用同程式布置，每一环路管路的长度大致相等，各机组(④机组还是工艺设备？
)的水阻力大致相等，因此各机组的流量大致等于设计流量，系统水力平衡性较好。
　　(3)系统管道材质要求相对较高，这一点同系统对水质要求相关，采用不锈钢材质的管道，即能有效避免在管网输水工程中管道对水质产生的影响，又能满足系统长期运行的需要，若采用一般空调水所使用的碳钢钢管，长时间运行，管道很容易锈蚀，造成水质污染，根据其他类似电子厂房设计经验，采用普通不锈钢管是比较经济的选择。
据工艺用超纯水设计经验，在水的电阻率高于1MΩ•cm时，就不宜采用普通不锈钢管，(⑤我记得医药项目5MΩ•cm的纯水系统也有用304不锈钢管的？
)此时不锈钢管与纯水之间的过氧化作用会产生锈蚀的针孔腐蚀效应，除污染水质外，也可造成管道的泄露，本冷却水系统水质要求不及工艺用超纯水的严格，故无须考虑此影响。
　　(4)系统自动化程度高，对控制要求较高，主要包括对供水水温、供水压力以及水泵的运行控制。
对水温的控制，要保证系统提供可靠的20℃的冷却水；对供水压力的控制，要保证系统能够提供稳定可靠的动力源；在水泵运行的控制方式上，除要求整个系统的运行稳定，还要力求运行过程中的节能。
2、工艺冷却水系统设计相关问题 2．1 二次泵系统中水箱(缓冲水槽)平衡问题 　　二次泵系统中水箱平衡问题即高温水箱和低温水箱之间的水平衡问题，本系统水箱平衡除考虑两水箱的容积和连通管的设置，还要考虑一次侧环路和二次侧环路水泵的选型，两水箱的容积对于循环水泵的吸水段起到系统缓冲作用，两水箱连通管的设置既要能保证两水箱间在用水差异时的平衡，又要能保证高温水箱中的水不会过多流入低温水箱，否则低温水箱冷却水水温将很难得到保证，在水泵选型上，除要考虑一次侧环路和二次侧环路水泵的流量一致性，还要考虑两环路循环水泵的不同控制方式，在运行方式上，一次侧环路可以采用定流量控制，而二次侧环路可采用变流量控制。
这样的控制方式既能有助于系统运行的稳定性，又有助于系统的节能。
2．2 一次和二次泵选型问题 　　在水泵的选型上，要做到选泵合理，就要综合考虑水泵机组和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。
具体来说，所选水泵机组必须满足使用流量和扬程的要求，即要求泵的运行工况点(装置特性曲线与泵的性能曲线的交点)经常保持在高效区间运行，这样既节省动力又不易损坏机件；所选水泵机组既要体积小、重量轻、造价低，又要具有良好的特性和较高的效率；另外 所选水泵具有良好的抗汽蚀性能，这样既能保证水泵运行平稳、寿命长，又能降低运行费用，工程投资少。
　　本系统在一次和二次泵选型上，水泵流量以生产工艺设备给出的最大循环流量考虑，同时考虑到未来工艺的改造扩产，考虑一定的余量。
当生产工艺设备不能给出最大流量，或只能给出正常流量时，水泵流量的选取要有一定的富余系数。
水泵扬程只考虑克服水循环的阻力，而不需克服水柱的静压力，一次泵和二次泵扬程均通过系统阻力计算可得。
　　在水泵材质的选择上，水泵的本体采用不锈钢材质，这样可以很好避免对水质可能造成的污染，缺点只是造价稍高，本系统一次侧选用三台立式循环泵，二次侧选用三台卧式循环泵，均按两用一备考虑设置。
2．3 过滤器选型与设计要求问题 　　水过滤器或过滤装置的选择，是本系统设计的又一关键问题，半导体设备对水质的要求较高，因此前端过滤器选择，除要考虑后续管路可能对水质的影响，还要兼顾考虑不同工艺设备水质要求的差异，本系统前端过滤器选用5um，99%过滤要求的不锈钢过滤器，末端过滤器选择根据末端工艺设备的水质要求确定，另外选择过滤器时还要考虑其工作压力，密封圈密封严密性问题以及是否便于反洗或更换滤芯，切忌在低于水泵最大扬程下工作，或过滤器工作压力正常情况下能满足要求(⑥语句不通)，水泵运行不平稳时(比如工频运行时)出现泄露，本问题在同类工程上出现过，应引起相关工程人员注意。
2．4 热交换器的选型问题 　　目前市场上，热交换器种类繁多，按其形式可分管壳式，板式，板翅式，热管式等。
本系统综合考虑下，选用板式热交换器，相比较而言，板式热交换器具有占地面积小，传热面积大的优点，考虑到半导体厂房空间面积造价特点，优选占地面积小的设备，节约用地面积，节省了工程造价。
选型要满足设计流量下的热交换量，并且在最大流量及压力时不能产生变形或振动，并符合一侧无压力时仍可承受最大操作压力。
2．5 冷媒选择及防结露保温问题 　　本系统冷媒来自于冷冻站13~18℃冷机冷冻水系统，不同于目前一般工业循环水系统通常采用冷却塔冷却后水作为热质交换的冷源形式。
主要考虑系统对水温的要求较低，同时综合考虑了整个厂房系统的设计(冷冻水使用点除作为空调水使用外，还有诸如超纯水制备等系统冷源)，整个系统除净房空间外都需要防结露保温措施，保温材料采用当前普遍采用的橡塑保温棉，保温材料的厚度要根据计算确定，切不可凭经验，导致出现偏薄不满足要求而结露或过厚浪费的情况。
2．6 自控系统的设计要求 　　本系统PLC模块自控系统的设置，既保证了系统能在正常情况下自动运行，对系统的运行稳定性，整个系统的节能，起到了关键性的作用。
　　(1) 供水水温的控制 　　根据工艺设备对供水温度的需求，本系统对供水温度要求控制在20℃，供水温度通过安装在输水管道上温度传感器采集，传输到PLC运算控制模块，控制冷冻水侧电动阀开启度调节冷冻水侧流量，从而控制板换冷量交换，使冷却水达到20℃的设计目标要求。
(⑦工艺水的水温依赖的是低温水箱内的水温，低温水箱水温的影响因素包括一次侧跟冷冻水换热后的进水，也包括高温水箱流入低温水箱的水温影响，也包括环境温度，水箱容积也对水温调节的灵敏产生影响,二次侧水泵的变流量运行也对水温有影响) 　　(2)供水电导率的控制 　　控制供水电导率其实是间接反映对供水水质的控制，系统高温水箱补水采用RO水及超纯水，电阻率高于1.0KΩ•CM。
当安装在高温水箱中的电导率测试仪检测到电导率不满足设定要求时，系统会将此信号传到PLC控制模块，PLC经运算控制超纯水补水管路上电动阀开启度确定补水量。
另外为防止水箱中水与大气直接接触，影响水的电导率，采用氮封保护水质。
(⑧高低温水池里面设置氮封了？
压力多大？
) 　　(3)供水压力控制 　　对系统供水进行控制，使其维持在一定压力下，体现在对二次水泵控制方式上。
本系统二次泵采用变频调速控制，即通过系统供水压力来调节变频器频率。
本系统设定供水压力值为0.5MPa。
压力传感器0~10V信号对应变频器的30~40Hz。
当系统压力低于0.5MPa时,变频器频率升高，以使系统维持0.5MPa的供水压力。
当系统压力高于0.5MPa时，变频器频率降低。
同时压力传感器控制水泵出口端回水电动阀的启闭，当压力大于设定值(0.5MPa)时，电动阀打开，以防止系统压力过高，对后续管路尤其是工艺设备产生影响。
　　结语：国内大型半导体厂房建设，多由国外或台资公司总包，工艺设计也多由日本公司或台资公司完成，工艺冷却水作为支持半导体关键性一环，其设计关乎整个厂房系统工艺设备能否正常运行，本文也只是粗浅地谈谈关乎系统设计的相关问题，当然还有一些设计细节需要在今后的设计项目中不断完善。
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