8 英寸半導體廠房給排水系統設計工程實例分析

曾現磊，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）

半導體產業是國民經濟和社會發展的戰略性、基礎性和先導性產業，是高新技術產業發展的核心，已經滲透到國民生活、生產及國防安全等各個領域[1]。半導體產業的發展已上升到國家戰略高度，中國半導體行業發展迎來了歷史性的機遇。因此，大規模建設半導體廠房已經成為很多地方發展半導體產業的重要工程。

工業廠房在建設的過程中，給排水和消防用水方面的設計尤為重要。給排水與消防用水的設計方案和質量控制基于整體廠房建筑進行，根據不同地區的工業廠房要求以及廠房性質、用途制定適合的設計方案，充分保證給排水和消防設計能夠滿足使用需求[2]。

1 半導體廠給排水設計要點

1.1 給排水系統構成

給水系統分為自來水系統、消防給水系統、生產用循環冷卻水系統、冷凍水系統和超純水系統。排水系統分為生活排水系統、生產排水系統和雨排水系統。

1.2 管道設計要點

給排水系統的管道材質和大小的選取應與設計院結構專業進行探討，由結構專業進行工況分析。計算出外部受力點和內部壓力，以確定管道支架的位置和伸縮節的類型。埋地管道應依照工程施工規范進行填埋處理。地上敷設的管道應考慮冬天結冰的問題，寒冷季節一旦輸水管未保溫或保溫失效，極易導致輸水管線、設備等凍壞，引發相關事故的發生，迫使生產中斷，導致財產損失。根據經驗，大口徑管道（DN300 以上）在冬天基本不結冰，而小口徑管道往往作為用戶端，容易結冰，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產業開發區，主要從事8 英寸模擬集成電路芯片的生產，生產規模為6 萬片/年。占地總面積約290 000 m2，建筑總面積約104 000 m2。廠區建筑分為生產區、動力區、儲存區和生活區等。生產區位于設備廠房的三樓，二樓為技術夾層（布置有各類供液、供氣設備），化學品供應區（包括氯氣供應室、腐蝕氣體室、惰性氣體室、易燃氣體室、無機化學品室和有機化學品室）位于設備廠房一樓。動力區位于生產區側面，其中建（構）筑物有動力站、廢水站、固廢倉庫、變電站和氮氧氬氫儲罐區等。儲存區分為甲類庫、丙類倉庫和酸堿庫，3 座倉庫組成庫區。生活區位于廠區內，其中建（構）筑物有綜合樓、食堂和足球場等。本項目建（構）筑物情況見表1。

表1 主要建（構）筑物一覽表

2.2 設計內容

2.2.1 給水系統

（1）自來水系統：由開發區市政給水管網接1 條DN800 給水引入管供給，水壓不小于0.2 MPa。進入廠區連成環狀管網，環網管徑DN400，從環狀管網分別接入生產貯水池（7 000 m3）、消防貯水池（800 m3）、生活貯水池（110 m3），保證廠區用水量，消耗量為5 670 m3/d。自來水系統是廠區用水的源頭，采用冗余設計，可以有效保證廠區的用水。

（2）消防系統采用室外消火栓消防系統、室內消火栓消防系統、室內自動噴水滅火消防系統和滅火器消防系統。設消防貯水池（800 m3）一座，位于消防泵房外，由設在水泵房內的室內、外加壓泵自消防水池吸水加壓供室內、外消火栓用水，廠區消防用水量為40 L/s。

給水設備故障會造成供水不正常，可導致消防用水無法保障，一旦遇到火災可加重企業的火災損失。同時消防水量、水壓的設計不充分也可影響到消防用水的需求。因此，消防的四大系統在設計時既要考慮符合消防規范的要求，也要滿足廠區消防的需求。同時消防工程建設成本也是不可忽略的。

（3）本項目生產用循環冷卻水分為常溫循環冷卻水系統和工藝設備冷卻水系統。

常溫循環冷卻水系統：常溫循環冷卻水系統為開式循環系統，分為冷凍機冷卻水系統和空壓機冷卻水系統。冷凍機冷卻水系統設計流量為5 742.4 m3/h，設計冷卻塔進水溫度37 ℃，出水溫度32 ℃；空壓機冷卻水系統設計流量為32 m3/h，設計冷卻塔進水溫度47 ℃，出水溫度32 ℃。經過冷卻塔降溫后的冷卻水，由循環冷卻水泵加壓，供給冷凍機、空壓機，回水再流入冷卻塔作下一次循環使用。

工藝設備冷卻水系統：工藝設備冷卻水系統用來冷卻工藝設備。工藝設備冷卻水系統為閉式循環系統，設計流量為800 m3/h，工藝設備冷卻水在板式換熱器進水溫度23 ℃，出水溫度18 ℃，冷媒為冷凍水，工藝設備冷卻水經過板式換熱器換熱后，由工藝冷卻水泵加壓，供給工藝設備。為保證工藝設備冷卻水進水水溫，在循環管路上加設水溫控制裝置。

循環冷卻水系統的水量設計要根據系統的實際工藝進行設計，在設計時既要考慮換熱器的換熱效率，也要考慮進出水的溫度。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，以便設計有充足的水量供應。

（4）冷凍水系統：冷凍站系統組成由低溫離心式冷水機組、中溫離心式冷水機組、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。冷凍水系統分為低溫系統及中溫系統，為閉式循環系統。低溫系統冷凍水供/回水溫度為5/11℃；中溫系統冷凍水供/回水溫度為12/18 ℃。

低溫離心式冷水機組及中溫離心式冷水機組所使用的冷媒均為R134a，其他冷卻系統的冷媒用水，且循環使用，不排放，只需補充損耗的水。

冷凍水系統為閉式循環系統，在設計時要充分考慮該系統的特點，補水水量和水質是設計時要考慮的重點。

（5）超純水系統：純水站設于動力站內，原水加壓泵自原水池吸水加壓，送至多介質過濾器過濾，然后進入熱交換器加熱至25 ℃。過濾出水進入活性炭過濾器過濾，經過UV 燈殺菌后，進入RO 保安過濾器過濾，進入一級RO 裝置。出水再經過RO 保安過濾器過濾，進入二級RO 裝置，制成初級超純水后，儲存于RO 純水箱，初級純水經過初級純水加壓泵加壓后，經紫外線去TOC，脫氣塔，初級混床，進入超純水箱。之后經過純水供水泵加壓，送至熱交換器冷卻到23 ℃，后面經二級紫外線殺菌，精拋光樹脂精制處理，超濾（UF）去除水中顆粒，最后送達各用水端。超純水水質見表2。

表2 超純水水質

超純水系統是生產用水的主要系統，具有用水點多、影響面廣的特點，設計時要充分考慮超純水的水壓、水量、水質和制備工藝。其中制備工藝要根據當地自來水的水質和用戶端的對水量和水質的要求來確定。

傳統的純水制備過程中需要使用大量的酸、堿物質，有酸、堿液的貯存和輸送，從而使除污的吸附樹脂進行再生復用。由于鹽酸和氫氧化鈉分別為酸性和堿性腐蝕物質，在工作過程中若操作不當或設備泄漏等，均可引起酸、堿灼傷。同時隨著樹脂和化學品市場價格的上漲，傳統工藝的工程造價和維護成本也在逐年攀升。

眾所周知，不同的制備工藝會影響工程整體造價，而本項目創新性地采取了雙RO 的工藝設計，不僅大大節省了占地面積，還大幅度降低了工程造價成本和維護成本。與傳統工藝相比，工程造價整體降低了30%，維護成本降低了5%。因此，相關企業應該根據自身的要求進行合理規劃，新技術、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成本。

2.2.2 排水系統

生活排水系統：園區有生活廢水管網，生活污水中的含油污水先經過隔油池除油后，排入室外生活污水管網，與糞便污水和一般生活廢水一起進入化糞池進行處理，達到三級排放標準后排入園區生活廢水管網，該生活廢水管網收集后集中在污水處理廠處理后排放。

雨排水系統：園區有完善的雨水排水管網，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。

生產排水系統：生產廢水經過廢水站相關廢水處理系統的處理，達到國家和省三級標準后（直接水體排放標準）排入園區工業廢水管道。然而在廢水處理系統中還存在各種安全風險，比如廢水處理過程中，使用和產生的有毒、有害物質較多，一旦室內有毒、有害氣體濃度超標，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，如果在使用過程中操作失誤或者管道、儲罐等發生泄漏，存在著化學灼傷的危險。

生產排水系統是排水系統中危險性最高，系統最龐大的工程之一。因此，在設計時要注意根據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險，減少工程造價起到決定性的作用。

排水系統的合理設計能有效避免在雨季廠區淹水，能起到很好的防澇排澇作用，還能減少企業的維護運營費用，保障了廠區各系統的穩定運行，因此，排水系統的設計要優先考慮合理性的問題。

3 結束語

半導體廠給排水系統設計具有涉及面廣、系統相對分散且復雜的特點，需要由給排水、建筑、自控和電氣等多個專業的工程技術人員共同參與完成。通過對給排水系統的合理設計，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內各種設備的安全運行，因此，給排水設計在新建項目設計中極為重要。