关于半导体厂部分动力设备节能措施的分析

王占强

摘 要：通过介绍冷水、热水和CDA系统的节能降耗措施，讨论了在保证系统正常运行下如何使系统运行达到帕累托最优，进而达到节省生产成本的目的。

关键词：冷水机组；动力设备；水泵；温差

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）10-0004-02

随着某半导体公司产能的持续扩大和水电气费的持续增加，厂务动力部分设备的能耗占公司总能耗的35%以上，因此，对动力系统实施节能措施已经十分迫切。空调作为大能耗电器，对其进行节能的空间相当大，另外，CDA系统也存在很大的节能空间。但对于旧的动力系统设计，如何合理地采用可行的、经济的方案来完成对动力系统的节能改造，仍然是一个值得探讨的问题。下面将依据动力系统的设计和设备的运行情况，介绍几种常见的节能降耗措施。

1 冷水系统的节能措施

1.1 大温差冷却水措施

Maquay离心式冷水机组的冷凝器设计的冷却水流量是720 m3/h，而选配的冷却水泵是930 m3/h，显示冷凝器进出水温差为2.5 ℃。由2.5 ℃的温差可得知：冷却水泵的选型过大，存在“大马拉小车”的现象；冷凝器脏的换热效率低下。

“大马拉小车”就是在供冷量不变的情况下，通过增大供回水温差来减少冷却水的流量，以减少水泵的功率和运行费用，从而达到节能的目的。有了增加冷却水进出水温差的方法后，使用大泵替代小泵或使用变频器控制流量，但变频器的安装会增加投入。如果用一台变频器控制两台水泵，就会减少一次投入，并形成备用。下面以110 kW、930 m3/h的水泵为例，其性能曲线图如图1所示。

从图1中可以看出，如果通过温差控制流量，即在maquay离心式冷水机组实验流量为720 m3/h的情况下，可以减少大约7%的能耗。

对于冷凝器脏的问题，冷水机组自运行以来，从未对冷凝器进行过清洗工作，从冷凝温度上看，冷凝器应该每年进行一次清洗，这样可以提高换热的效率。

1.2 合适的冷却水进水温度

空调工况的制冷剂冷凝温度一般在40 ℃左右，因传热温差的关系，冷却水的出水温度要比制冷剂冷凝温度低2～3 ℃，冷凝温度越低，蒸发温度越高，制冷剂越大，制冷系数也越大。尤其对离心式压缩来说，制冷量会随着蒸发温度的降低和冷凝温度的升高而急剧降低，较低的冷却水温度有利于降低冷凝温度，节约压缩机的电耗。

离心式压缩制冷机的转速恒定，在制冷剂的蒸发温度Te=4.4 ℃的工况下，冷凝温度Tc从40 ℃提高到了42 ℃，传热温差降低了7.5%，制冷量下降了20%.在对离心式冷水机组的运行进行观察时发现，冷却水每提高1 ℃，COP下降近4%，每小时多耗电能30 kW·h。根据冷机的制冷工况，离心式冷水机组冷却水的进水温度应保持在25 ℃左右，比冷水机组实验的32 ℃进水温度低1 ℃，COP增加约28%，即相同的制冷量，耗电量降低了28%.但冷水机组还有其他的自动保护功能，因此冷却水的进水温度也不能太低。

1.3 中温水的节能措施

我公司设计的17 ℃中温水是由22 ℃中温水回水和5 ℃冷冻水混合而成的，混合水温度通过电动调节阀调节。由于电动调节阀的滞后性和其他因素的影响，有一大部分的冷量会被浪费，但设计中也考虑了随着负荷的扩大，可以通过冷水机组直接供应中温水，这样既减少了冷量的浪费，又提高了设备的利用率。这种中温水有单独的冷水机组供应，因此在半导体厂得到了广泛的应用，例如台积电（台湾厂）、英特尔（大连厂）等。虽然节能效果无法估算，但会起到节能效果是可以肯定的。在不增加投资成本的基础上，这种节能措施还是比较有效的。

1.4 冷却塔节能

降低冷却塔的出水温度，有利于提高冷水机组的性能，但同时也会增加冷却塔风机的电能消耗。考虑到当前设备的供应情况和控制系统，可以使用下面两种冷却水系统节能方法。

冷却塔风机要根据冷却水的供水温度对其进行变频控制。目前冷却塔的风机运行方式是工频运行，工频运行如果不能在最佳的温度上运行，而且风机频繁启停，那么设备的老化速度就会加大，耗电量也会增大。为了节约电能，利用变频器对其进行控制是目前比较有效的方法。

利用冷凝水回收的水量补给冷却塔的水损失。按照冷却水4 ℃温差算，每天需补水180 t左右，一年约为6×104 t。将MAU排放的冷凝水和利用PCW回收的RO水用作冷却塔补水，每天可节省自来水大约为80 m3，一年可节省近3×104 m3。如果能够回收更多的废水，那么节约用水的效果会更明显。

1.5 提高冷冻水供水温度

冷冻水温度越高，冷机的制冷效率就越高。冷冻水供水温度提高1 ℃，冷机的制冷系数就提高3%，所以在日常运行中不要盲目降低冷冻水的温度，包括不要设置过低的冷机冷冻水设定温度；一定要关闭停止运行的冷机的水阀，防止部分冷冻水走旁通管路，否则，经过运行中的冷机的水量就会减少，导致冷冻水的温度被冷机降到过低的水平。目前设定的出水温度为5.5 ℃，在提高到6 ℃后，既能满足温湿度需要，又能节省大量电能。

1.6 IT机房空调制冷节能措施

在冬季时，办公室的空调都已经停用，但IT机房还需要冷量，因此1#楼的循环水泵就被用来为IT机房制冷。循环水泵的功率为22 kW，在冬季时，水泵的频率保持在30 Hz左右。IT机房制冷耗电量就包括两部分，即IT机房柜式空调和水泵能耗。如果IT机房保持冷量的方式改变，在冬季工况时停掉水泵，每天可节约大约300 ℃的能耗。

2 热水系统的节能措施

热水系统的能耗大约占总能耗的10%.目前使用的供热方式是燃气锅炉，分别有1 400 kW和2 800 kW的燃气锅炉各1台。2008年，两台锅炉总用气量的统计数据如表1所示。

从表1可知，两台燃气锅炉平均每天的耗气量为1 100 m3，费用近5 300元。如果换成电能，大约为7 500 kW·h。1 m3天然气产生的热值为11.6 kW，如果使用热泵供热（假设热泵的COP为3.5），则需要的电能为3.3 kW·h，电费为2.4元，而天然气为4.8元/m3，可节约大约一半的费用。

3 CDA系统的节能措施

目前CDA系统增加了两台神钢空气压缩机，其中一台为变频机。由于神钢空气压缩机独特的冷却设计，启动它大概需要3 kg的水压，之前设计的冷却系统却只能提供不到2 kg的水压，造成新增空压机因水量不足而不能启动。根据压力表反映出来的问题，判断为管道压损比较大和5.5 kW的压头不足，换成15 kW的水泵后，就可以满足新增空压机的需要，但采用这样的方法不但需要重新布线和购买更大的水泵，而且每天的耗电量也会增加300 kW·h。为了使原来的设计能够满足新增空压机的需要，可以采取通过膨胀水箱对整个冷水系统增压的方法，这样就会使CDA的冷却系统增压2 kg，即使使用原来5.5 kW的水泵，也可以满足新增空压机的需要，该项措施每年可以节约电能近110 000 kW·h。

原来使用的英格索兰空气压缩机由于不是变频机，空压机会在设定的加载压力下加载，在减载压力下减载。自英格索兰空气压缩机运行以来，空压机有30%的时间是处于空载状态，空载状态下运行电流50 A左右。这样最少浪费了123 500 kW·h的电能。因此，建议空气压缩机使用变频控制。

CDA系统后处理设备也可以节能。目前CDA供气的露点为-100 ℃，而6寸半导体厂只需要-75 ℃。目前使用的无热再生式干燥机没有安装控制露点的系统。下面将介绍采取DDS系统控制露点的方法。

DDS露点控制切换节能系统直接监测干燥机的出口空气露点，决定着干燥机的切换时间，在干燥剂仍有干燥能力时，系统停止再生侧的再生，自动延长工作侧干燥剂的工作时间，从而减少压缩空气再生气的消耗量，达到节能的效果。因此，DDS系统打断了控制器的正常循环，只有干燥剂吸收的水分达到其吸附容量时，才指示干燥机切换，这有效地延长了干燥机的循环周期。由于再生时间的恒定，再生结束后，干燥机没有立即切换，而是继续工作，在这段时间内再生腔不再消耗，从而节约了能源，这个过程中节省的气量为：一台MXS104干燥机在进气温度为35 ℃进气压力，在7 barg、出口露点为-75 ℃时的处理量为11.89 m3/min，干燥机的选型都是以最恶劣的工作状态为标准来选择干燥机，也就是按照最大的流量、最高的进气温度、最低的进气压力来选择，所以干燥机每年只有几天是满负荷工作，其余大多数时间里，特别是在春冬季节、交接班和用气量降低的情况下，干燥机一般都处于低负荷的工作状态。大部分干燥机在全年的平均负荷仅为70%，甚至更低。由于无热再生式吸附干燥机需要用干燥的压缩空气进行再生，因此一台MXS104干燥机所需要的再生气量为2.72 m3/min，所以加装DDS节能装置后全年可以节省用气2.72×30%×60×24×365=428 889.08 m3。节省用电428 889/（15.3×60）×110=51 392 kW·h/年。

4 结束语

厂务设备是半导体厂的能耗大户，有巨大的节能空间。上文中介绍的是在保证系统正常运行的情况下一些常见的节能措施，有关的实例计算结果也充分证明了节能效果是非常明显的。

参考文献

[1]李世一，杨曼辉.集中供热系统的节能措施[J].赤峰学院学报（自然科学版），2008（12）.

[2]王学成.区域和分散锅炉房节能改造措施[J].林业科技情报，2009（03）.

〔编辑：王霞〕

从表1可知，两台燃气锅炉平均每天的耗气量为1 100 m3，费用近5 300元。如果换成电能，大约为7 500 kW·h。1 m3天然气产生的热值为11.6 kW，如果使用热泵供热（假设热泵的COP为3.5），则需要的电能为3.3 kW·h，电费为2.4元，而天然气为4.8元/m3，可节约大约一半的费用。

3 CDA系统的节能措施

目前CDA系统增加了两台神钢空气压缩机，其中一台为变频机。由于神钢空气压缩机独特的冷却设计，启动它大概需要3 kg的水压，之前设计的冷却系统却只能提供不到2 kg的水压，造成新增空压机因水量不足而不能启动。根据压力表反映出来的问题，判断为管道压损比较大和5.5 kW的压头不足，换成15 kW的水泵后，就可以满足新增空压机的需要，但采用这样的方法不但需要重新布线和购买更大的水泵，而且每天的耗电量也会增加300 kW·h。为了使原来的设计能够满足新增空压机的需要，可以采取通过膨胀水箱对整个冷水系统增压的方法，这样就会使CDA的冷却系统增压2 kg，即使使用原来5.5 kW的水泵，也可以满足新增空压机的需要，该项措施每年可以节约电能近110 000 kW·h。

原来使用的英格索兰空气压缩机由于不是变频机，空压机会在设定的加载压力下加载，在减载压力下减载。自英格索兰空气压缩机运行以来，空压机有30%的时间是处于空载状态，空载状态下运行电流50 A左右。这样最少浪费了123 500 kW·h的电能。因此，建议空气压缩机使用变频控制。

CDA系统后处理设备也可以节能。目前CDA供气的露点为-100 ℃，而6寸半导体厂只需要-75 ℃。目前使用的无热再生式干燥机没有安装控制露点的系统。下面将介绍采取DDS系统控制露点的方法。

DDS露点控制切换节能系统直接监测干燥机的出口空气露点，决定着干燥机的切换时间，在干燥剂仍有干燥能力时，系统停止再生侧的再生，自动延长工作侧干燥剂的工作时间，从而减少压缩空气再生气的消耗量，达到节能的效果。因此，DDS系统打断了控制器的正常循环，只有干燥剂吸收的水分达到其吸附容量时，才指示干燥机切换，这有效地延长了干燥机的循环周期。由于再生时间的恒定，再生结束后，干燥机没有立即切换，而是继续工作，在这段时间内再生腔不再消耗，从而节约了能源，这个过程中节省的气量为：一台MXS104干燥机在进气温度为35 ℃进气压力，在7 barg、出口露点为-75 ℃时的处理量为11.89 m3/min，干燥机的选型都是以最恶劣的工作状态为标准来选择干燥机，也就是按照最大的流量、最高的进气温度、最低的进气压力来选择，所以干燥机每年只有几天是满负荷工作，其余大多数时间里，特别是在春冬季节、交接班和用气量降低的情况下，干燥机一般都处于低负荷的工作状态。大部分干燥机在全年的平均负荷仅为70%，甚至更低。由于无热再生式吸附干燥机需要用干燥的压缩空气进行再生，因此一台MXS104干燥机所需要的再生气量为2.72 m3/min，所以加装DDS节能装置后全年可以节省用气2.72×30%×60×24×365=428 889.08 m3。节省用电428 889/（15.3×60）×110=51 392 kW·h/年。

4 结束语

厂务设备是半导体厂的能耗大户，有巨大的节能空间。上文中介绍的是在保证系统正常运行的情况下一些常见的节能措施，有关的实例计算结果也充分证明了节能效果是非常明显的。

参考文献

[1]李世一，杨曼辉.集中供热系统的节能措施[J].赤峰学院学报（自然科学版），2008（12）.

[2]王学成.区域和分散锅炉房节能改造措施[J].林业科技情报，2009（03）.

〔编辑：王霞〕

从表1可知，两台燃气锅炉平均每天的耗气量为1 100 m3，费用近5 300元。如果换成电能，大约为7 500 kW·h。1 m3天然气产生的热值为11.6 kW，如果使用热泵供热（假设热泵的COP为3.5），则需要的电能为3.3 kW·h，电费为2.4元，而天然气为4.8元/m3，可节约大约一半的费用。

3 CDA系统的节能措施

目前CDA系统增加了两台神钢空气压缩机，其中一台为变频机。由于神钢空气压缩机独特的冷却设计，启动它大概需要3 kg的水压，之前设计的冷却系统却只能提供不到2 kg的水压，造成新增空压机因水量不足而不能启动。根据压力表反映出来的问题，判断为管道压损比较大和5.5 kW的压头不足，换成15 kW的水泵后，就可以满足新增空压机的需要，但采用这样的方法不但需要重新布线和购买更大的水泵，而且每天的耗电量也会增加300 kW·h。为了使原来的设计能够满足新增空压机的需要，可以采取通过膨胀水箱对整个冷水系统增压的方法，这样就会使CDA的冷却系统增压2 kg，即使使用原来5.5 kW的水泵，也可以满足新增空压机的需要，该项措施每年可以节约电能近110 000 kW·h。

原来使用的英格索兰空气压缩机由于不是变频机，空压机会在设定的加载压力下加载，在减载压力下减载。自英格索兰空气压缩机运行以来，空压机有30%的时间是处于空载状态，空载状态下运行电流50 A左右。这样最少浪费了123 500 kW·h的电能。因此，建议空气压缩机使用变频控制。

CDA系统后处理设备也可以节能。目前CDA供气的露点为-100 ℃，而6寸半导体厂只需要-75 ℃。目前使用的无热再生式干燥机没有安装控制露点的系统。下面将介绍采取DDS系统控制露点的方法。

DDS露点控制切换节能系统直接监测干燥机的出口空气露点，决定着干燥机的切换时间，在干燥剂仍有干燥能力时，系统停止再生侧的再生，自动延长工作侧干燥剂的工作时间，从而减少压缩空气再生气的消耗量，达到节能的效果。因此，DDS系统打断了控制器的正常循环，只有干燥剂吸收的水分达到其吸附容量时，才指示干燥机切换，这有效地延长了干燥机的循环周期。由于再生时间的恒定，再生结束后，干燥机没有立即切换，而是继续工作，在这段时间内再生腔不再消耗，从而节约了能源，这个过程中节省的气量为：一台MXS104干燥机在进气温度为35 ℃进气压力，在7 barg、出口露点为-75 ℃时的处理量为11.89 m3/min，干燥机的选型都是以最恶劣的工作状态为标准来选择干燥机，也就是按照最大的流量、最高的进气温度、最低的进气压力来选择，所以干燥机每年只有几天是满负荷工作，其余大多数时间里，特别是在春冬季节、交接班和用气量降低的情况下，干燥机一般都处于低负荷的工作状态。大部分干燥机在全年的平均负荷仅为70%，甚至更低。由于无热再生式吸附干燥机需要用干燥的压缩空气进行再生，因此一台MXS104干燥机所需要的再生气量为2.72 m3/min，所以加装DDS节能装置后全年可以节省用气2.72×30%×60×24×365=428 889.08 m3。节省用电428 889/（15.3×60）×110=51 392 kW·h/年。

4 结束语

厂务设备是半导体厂的能耗大户，有巨大的节能空间。上文中介绍的是在保证系统正常运行的情况下一些常见的节能措施，有关的实例计算结果也充分证明了节能效果是非常明显的。

参考文献

[1]李世一，杨曼辉.集中供热系统的节能措施[J].赤峰学院学报（自然科学版），2008（12）.

[2]王学成.区域和分散锅炉房节能改造措施[J].林业科技情报，2009（03）.

〔编辑：王霞〕