8 英寸半导体厂房给排水系统设计工程实例分析

曾现磊，明金阳*，张静园

（1.宝鼎乾芯集成电路（杭州）有限公司，杭州 310020；2.科技部科技评估中心，北京 100000）

半导体产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性和先导性产业，是高新技术产业发展的核心，已经渗透到国民生活、生产及国防安全等各个领域[1]。半导体产业的发展已上升到国家战略高度，中国半导体行业发展迎来了历史性的机遇。因此，大规模建设半导体厂房已经成为很多地方发展半导体产业的重要工程。

工业厂房在建设的过程中，给排水和消防用水方面的设计尤为重要。给排水与消防用水的设计方案和质量控制基于整体厂房建筑进行，根据不同地区的工业厂房要求以及厂房性质、用途制定适合的设计方案，充分保证给排水和消防设计能够满足使用需求[2]。

1 半导体厂给排水设计要点

1.1 给排水系统构成

给水系统分为自来水系统、消防给水系统、生产用循环冷却水系统、冷冻水系统和超纯水系统。排水系统分为生活排水系统、生产排水系统和雨排水系统。

1.2 管道设计要点

给排水系统的管道材质和大小的选取应与设计院结构专业进行探讨，由结构专业进行工况分析。计算出外部受力点和内部压力，以确定管道支架的位置和伸缩节的类型。埋地管道应依照工程施工规范进行填埋处理。地上敷设的管道应考虑冬天结冰的问题，寒冷季节一旦输水管未保温或保温失效，极易导致输水管线、设备等冻坏，引发相关事故的发生，迫使生产中断，导致财产损失。根据经验，大口径管道（DN300 以上）在冬天基本不结冰，而小口径管道往往作为用户端，容易结冰，所以小口径管道最好采取保温处理。

2 工程实例

2.1 项目概况

项目位于某市国家高新技术产业开发区，主要从事8 英寸模拟集成电路芯片的生产，生产规模为6 万片/年。占地总面积约290 000 m2，建筑总面积约104 000 m2。厂区建筑分为生产区、动力区、储存区和生活区等。生产区位于设备厂房的三楼，二楼为技术夹层（布置有各类供液、供气设备），化学品供应区（包括氯气供应室、腐蚀气体室、惰性气体室、易燃气体室、无机化学品室和有机化学品室）位于设备厂房一楼。动力区位于生产区侧面，其中建（构）筑物有动力站、废水站、固废仓库、变电站和氮氧氩氢储罐区等。储存区分为甲类库、丙类仓库和酸碱库，3 座仓库组成库区。生活区位于厂区内，其中建（构）筑物有综合楼、食堂和足球场等。本项目建（构）筑物情况见表1。

表1 主要建（构）筑物一览表

2.2 设计内容

2.2.1 给水系统

（1）自来水系统：由开发区市政给水管网接1 条DN800 给水引入管供给，水压不小于0.2 MPa。进入厂区连成环状管网，环网管径DN400，从环状管网分别接入生产贮水池（7 000 m3）、消防贮水池（800 m3）、生活贮水池（110 m3），保证厂区用水量，消耗量为5 670 m3/d。自来水系统是厂区用水的源头，采用冗余设计，可以有效保证厂区的用水。

（2）消防系统采用室外消火栓消防系统、室内消火栓消防系统、室内自动喷水灭火消防系统和灭火器消防系统。设消防贮水池（800 m3）一座，位于消防泵房外，由设在水泵房内的室内、外加压泵自消防水池吸水加压供室内、外消火栓用水，厂区消防用水量为40 L/s。

给水设备故障会造成供水不正常，可导致消防用水无法保障，一旦遇到火灾可加重企业的火灾损失。同时消防水量、水压的设计不充分也可影响到消防用水的需求。因此，消防的四大系统在设计时既要考虑符合消防规范的要求，也要满足厂区消防的需求。同时消防工程建设成本也是不可忽略的。

（3）本项目生产用循环冷却水分为常温循环冷却水系统和工艺设备冷却水系统。

常温循环冷却水系统：常温循环冷却水系统为开式循环系统，分为冷冻机冷却水系统和空压机冷却水系统。冷冻机冷却水系统设计流量为5 742.4 m3/h，设计冷却塔进水温度37 ℃，出水温度32 ℃；空压机冷却水系统设计流量为32 m3/h，设计冷却塔进水温度47 ℃，出水温度32 ℃。经过冷却塔降温后的冷却水，由循环冷却水泵加压，供给冷冻机、空压机，回水再流入冷却塔作下一次循环使用。

工艺设备冷却水系统：工艺设备冷却水系统用来冷却工艺设备。工艺设备冷却水系统为闭式循环系统，设计流量为800 m3/h，工艺设备冷却水在板式换热器进水温度23 ℃，出水温度18 ℃，冷媒为冷冻水，工艺设备冷却水经过板式换热器换热后，由工艺冷却水泵加压，供给工艺设备。为保证工艺设备冷却水进水水温，在循环管路上加设水温控制装置。

循环冷却水系统的水量设计要根据系统的实际工艺进行设计，在设计时既要考虑换热器的换热效率，也要考虑进出水的温度。同时冷却塔、换热器的型号和管径大小也是不可忽略的因素，以便设计有充足的水量供应。

（4）冷冻水系统：冷冻站系统组成由低温离心式冷水机组、中温离心式冷水机组、冷冻水一次泵、冷冻水二次泵、闭式膨胀罐、加药装置、管道及阀门附件和保温材料等组成。冷冻水系统分为低温系统及中温系统，为闭式循环系统。低温系统冷冻水供/回水温度为5/11℃；中温系统冷冻水供/回水温度为12/18 ℃。

低温离心式冷水机组及中温离心式冷水机组所使用的冷媒均为R134a，其他冷却系统的冷媒用水，且循环使用，不排放，只需补充损耗的水。

冷冻水系统为闭式循环系统，在设计时要充分考虑该系统的特点，补水水量和水质是设计时要考虑的重点。

（5）超纯水系统：纯水站设于动力站内，原水加压泵自原水池吸水加压，送至多介质过滤器过滤，然后进入热交换器加热至25 ℃。过滤出水进入活性炭过滤器过滤，经过UV 灯杀菌后，进入RO 保安过滤器过滤，进入一级RO 装置。出水再经过RO 保安过滤器过滤，进入二级RO 装置，制成初级超纯水后，储存于RO 纯水箱，初级纯水经过初级纯水加压泵加压后，经紫外线去TOC，脱气塔，初级混床，进入超纯水箱。之后经过纯水供水泵加压，送至热交换器冷却到23 ℃，后面经二级紫外线杀菌，精抛光树脂精制处理，超滤（UF）去除水中颗粒，最后送达各用水端。超纯水水质见表2。

表2 超纯水水质

超纯水系统是生产用水的主要系统，具有用水点多、影响面广的特点，设计时要充分考虑超纯水的水压、水量、水质和制备工艺。其中制备工艺要根据当地自来水的水质和用户端的对水量和水质的要求来确定。

传统的纯水制备过程中需要使用大量的酸、碱物质，有酸、碱液的贮存和输送，从而使除污的吸附树脂进行再生复用。由于盐酸和氢氧化钠分别为酸性和碱性腐蚀物质，在工作过程中若操作不当或设备泄漏等，均可引起酸、碱灼伤。同时随着树脂和化学品市场价格的上涨，传统工艺的工程造价和维护成本也在逐年攀升。

众所周知，不同的制备工艺会影响工程整体造价，而本项目创新性地采取了双RO 的工艺设计，不仅大大节省了占地面积，还大幅度降低了工程造价成本和维护成本。与传统工艺相比，工程造价整体降低了30%，维护成本降低了5%。因此，相关企业应该根据自身的要求进行合理规划，新技术、新理念、新工艺的使用，不但能降低工程造价，还能减少后期的维护成本。

2.2.2 排水系统

生活排水系统：园区有生活废水管网，生活污水中的含油污水先经过隔油池除油后，排入室外生活污水管网，与粪便污水和一般生活废水一起进入化粪池进行处理，达到三级排放标准后排入园区生活废水管网，该生活废水管网收集后集中在污水处理厂处理后排放。

雨排水系统：园区有完善的雨水排水管网，雨水通过收集后再由道路边坡汇至雨水口收集注入室外雨水管道，排入附近河流。

生产排水系统：生产废水经过废水站相关废水处理系统的处理，达到国家和省三级标准后（直接水体排放标准）排入园区工业废水管道。然而在废水处理系统中还存在各种安全风险，比如废水处理过程中，使用和产生的有毒、有害物质较多，一旦室内有毒、有害气体浓度超标，易引起中毒。废水处理过程中使用了硫酸、氢氧化钠等腐蚀性物质，如果在使用过程中操作失误或者管道、储罐等发生泄漏，存在着化学灼伤的危险。

生产排水系统是排水系统中危险性最高，系统最庞大的工程之一。因此，在设计时要注意根据不同的废水种类选择不同的处理工艺，这对降低运营过程中的安全风险，减少工程造价起到决定性的作用。

排水系统的合理设计能有效避免在雨季厂区淹水，能起到很好的防涝排涝作用，还能减少企业的维护运营费用，保障了厂区各系统的稳定运行，因此，排水系统的设计要优先考虑合理性的问题。

3 结束语

半导体厂给排水系统设计具有涉及面广、系统相对分散且复杂的特点，需要由给排水、建筑、自控和电气等多个专业的工程技术人员共同参与完成。通过对给排水系统的合理设计，不仅可以降低项目工程的建造成本，减少工程完工后的运营费用，同时还能有效保障厂区内各种设备的安全运行，因此，给排水设计在新建项目设计中极为重要。