TFT-LCD項目能源消費結(jié)構(gòu)和用能特點研究,審計論文

TFT-LCD項目能源消費結(jié)構(gòu)和用能特點研究,審計論文能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ),節(jié)能環(huán)保已成為了當(dāng)今時代的發(fā)展趨勢。我們國家是能源緊缺型的國家,節(jié)能環(huán)保的問題是中國如今以及將來經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重中之重。(節(jié)能減排十二五規(guī)劃〕中提出,到2021年,全國萬元能耗下降到0.869噸標(biāo)準(zhǔn)煤(按2005年價格計算),比2018年的1.034噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降16%(比2005年的1.276噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降32%)。十二五期間,實現(xiàn)節(jié)約能源6.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,到2021年,單位工業(yè)增加值(規(guī)模以上)能耗比2018年下降21%左右。新型平板顯示產(chǎn)業(yè)作為新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的代表,被列為(中國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要〕中加快培育和發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一。平板顯示產(chǎn)業(yè)是電子信息產(chǎn)業(yè)的支柱,其發(fā)展水平既是一個國家的科技實力的具體表現(xiàn)出,更是一個國家綜合實力的具體表現(xiàn)出。經(jīng)過十多年的跨越式發(fā)展,我們國家TFT-LCD產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從一個顯示屏完全依靠進口,發(fā)展成為一個擁有十余條生產(chǎn)線和自主知識產(chǎn)權(quán)的國家,TFT-LCD產(chǎn)業(yè)也進入了由傳統(tǒng)非晶硅(－Si)向氧化物半導(dǎo)體(Oxide)、低溫多晶硅(LTPS)、有機發(fā)光顯示(AMOLED)等新技術(shù)轉(zhuǎn)型升級的快速發(fā)展時期。當(dāng)前我們國家已經(jīng)建成投產(chǎn)的面板產(chǎn)線共計15條,華而不實包括4.5代線4條、5/5.5代線6條、6代線2條以及8.5代線3條,累計投資額達1821億元,估計2021年,我們國家還將建成8條面板生產(chǎn)線,累計投資額將超過3400億元。從產(chǎn)能面積來看,截止2020年底,中國大陸的面板供給能力約2200萬平方米,估計2020年將同比增長20%,到2021年,中國大陸面板的產(chǎn)能將超過中國臺灣地區(qū)成為全球第二。中國大陸平板顯示格局從無到有,從小到大,從弱變強,已經(jīng)構(gòu)成了環(huán)渤海、長三角、珠三角、中西部四大生產(chǎn)基地。隨著平板顯示產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,建設(shè)低碳、節(jié)能、環(huán)保的綠色工廠成為國內(nèi)外面板廠商追求的目的。2、TFT－LCD工廠能源消耗特點以及構(gòu)成TFT-LCD面板項目屬于資金密集、技術(shù)密集的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),屬于精致細(xì)密電子器件加工制造。生產(chǎn)工序通常包括陣列制程、彩膜制程、成盒制程、模組制程,近年來新建的工廠有些還包括觸摸屏制程、OLED有機蒸鍍制程等。TFT-LCD面板生產(chǎn)經(jīng)過對環(huán)境的溫濕度控制和凈化要求非常高,對于水、電、氣的消耗量也較大,具有投資規(guī)模大、廠房體量大、工藝流程復(fù)雜、自動化程度高、廠務(wù)系統(tǒng)復(fù)雜、能源及耗能工質(zhì)種類多、污染物種類多、排放量較大等特點。以建設(shè)一條月產(chǎn)能為100kSheet的8.5代TFT-LCD面板生產(chǎn)線為例,投資金額超過250億元,年運行耗電量超過10億度,年耗水量超過800萬噸,年耗天然氣近300萬立方米,年綜合能耗(當(dāng)量值)約為20萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,綜合能耗(等價值)約為40萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。盡管TFT-LCD行業(yè)不像石化、冶金、鋼鐵、水泥等行業(yè)耗能宏大,但在電子行業(yè)屬于耗能大戶,因而分析TFT-LCD項目能源消耗特點、優(yōu)化能源消費構(gòu)造,通過采取先進、合理的節(jié)能措施,到達節(jié)能降耗、降低運行成本的目的,對于建設(shè)綠色工廠、節(jié)約社會能源資源有著重要意義。TFT-LCD項目消耗的外購能源通常包括電力、天然氣、熱力(市政蒸汽或熱水),外購耗能工質(zhì)主要包括新鮮水(或市政再生水)、氮氣、氫氣、氧氣、氬氣、氦氣等,企業(yè)自制的耗能工質(zhì)包括純水、壓縮空氣、工藝真空、清掃真空、冷卻循環(huán)水等。華而不實企業(yè)自制的耗能工質(zhì)按其加工轉(zhuǎn)換所消耗的能源已計入綜合能耗,不再列入耗能工質(zhì)折標(biāo)煤計算。在所有消耗的能源和耗能工質(zhì)中,電力是TFT-LCD項目消耗量最大的能源,一條月產(chǎn)能為100kSheet的8.5代線,年綜合能源消費量年耗電量超過10億度,按電力等價折標(biāo)系數(shù)折算,約占項目綜合能耗的75%以上。電力消耗主要用于工藝設(shè)備、動力設(shè)備、消防設(shè)施、照明、以及損耗等。其次,氮氣是TFT-LCD項目消耗的主要耗能工質(zhì),折標(biāo)準(zhǔn)煤后,約占綜合能耗比例20%,這主要是生產(chǎn)工藝的加工需求所致,氮氣作為保衛(wèi)氣體、反響氣體及載氣,消耗量相對較大,若生產(chǎn)技術(shù)包含有機蒸鍍OLED工序,則氮氣消耗比例將更大。主要能源及耗能工質(zhì)消耗占比見圖1所示。3、TFT－LCD工廠能源消耗及平衡分析TFT-LCD項目生產(chǎn)工藝與半導(dǎo)體IC項目類似,工藝制程精致細(xì)密度高,器件加工線寬通常為3干凈度等級高,控制粒徑一般為0.3m(LTPS工藝需達到0.1m),主體環(huán)境為3.5級/4.5級,局部區(qū)域到達2.5級。由于TFT-LCD為玻璃外表加工工藝,隨著產(chǎn)線進入高世代和玻璃基板尺寸的加大,生產(chǎn)廠房體量更大,自動化程度更高層次,大宗氣體、特氣、化學(xué)品使用量增大,廢水、廢液、廢氣的排放量也大幅度增加。為保障工藝生產(chǎn)正常運行,圍繞生產(chǎn)工藝環(huán)境要求和動力品質(zhì)需求配套的輔助生產(chǎn)設(shè)施系統(tǒng)(廠務(wù)系統(tǒng))是一個復(fù)雜龐大的系統(tǒng)工程,通常包括一般機電給排水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、生產(chǎn)廢水處理系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、采暖空調(diào)凈化系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、冷熱水供給系統(tǒng)、壓縮空氣供給系統(tǒng)、大宗氣體供給系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、柴油供給系統(tǒng)、天然氣供給系統(tǒng)、特種氣體供給系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、化學(xué)品存儲與分配系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。TFT-LCD項目能源需求供給關(guān)系以及能量平衡和流向分析是此類項目能源消耗及節(jié)能分析的重點,圖2是此類項目各體系之間的能量平衡關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖,從中能夠捋清能源需求的因果關(guān)系,并找到影響用能量的核心和制約因素。能夠看出,工藝設(shè)備的直接動力用量及種類需求(包括污染物排放)以及與生產(chǎn)設(shè)備相關(guān)的參數(shù)(包括需要系數(shù)、負(fù)荷系數(shù)、運行時間等)是各廠務(wù)系統(tǒng)設(shè)計的前提,除此之外為保障工藝生產(chǎn)環(huán)境,其干凈室溫濕度及干凈度要求、設(shè)備散熱等是空調(diào)凈化系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵因素。在上述工藝條件基礎(chǔ)上,各廠務(wù)系統(tǒng)本身系統(tǒng)選型和配置也成為下游專業(yè)設(shè)計的前提,環(huán)環(huán)相扣、息息相關(guān),上游專業(yè)的保守用量估算和層層放大都將會影響如動力專業(yè)、電專業(yè)等系統(tǒng)配置的冗余。固然對工廠正常運行能源消耗量影響不大,但可能產(chǎn)生對項目初始建設(shè)投資的增加。因而科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)確實定各體系用量及參數(shù),合理采取節(jié)能措施,是TFT-LCD項目節(jié)能降耗的關(guān)鍵。3.1電力消耗及平衡分析電力是TFT-LCD工廠能源消耗大頭,約占全廠綜合能耗的75%以上,企業(yè)年繳電費近10億元。分析電力消耗特點并找出核心耗電工序和耗電設(shè)備,是降低能耗的突破口。按工廠各生產(chǎn)部門的電力消耗分析,工藝生產(chǎn)設(shè)備的電力消耗約占全廠用電的45%~50%,廠務(wù)系統(tǒng)約占總用電的50%~55%,華而不實動力設(shè)備占約40%,照明及輸變電損耗共計約占全廠用電的1%。如此圖3所示。根據(jù)TFT-LCD項目生產(chǎn)特點,工藝生產(chǎn)設(shè)備實行全年365天晝夜連續(xù)生產(chǎn)的工作制度,因而,為其配套的生產(chǎn)環(huán)境、輔助動力設(shè)施也要知足全年不間斷運行,由于生產(chǎn)環(huán)境的干凈度要求較高,大面積的3.5級和4.5級凈化區(qū)域,最高為2.5級凈化,干凈面積近20萬平方米,其恒溫恒濕的環(huán)境要求及凈化要求,對于冷熱量有較大的需求,除此之外,大量動力供給需求,導(dǎo)致制冷空調(diào)及動力等公用設(shè)施的耗電占比擬高。在所有工藝設(shè)備用電中,陣列工序是最主要的工藝耗能工序。TFT-LCD生產(chǎn)線通常是由同類設(shè)備組成的設(shè)備組完成相應(yīng)工序,由于每類設(shè)備數(shù)量配置由單臺設(shè)備加工能力決定,因而各類設(shè)備數(shù)量不盡一樣,導(dǎo)致設(shè)備組的耗能情況與單臺設(shè)備能耗情況不完全一致,且設(shè)備組能耗分析對優(yōu)化設(shè)備參數(shù)、降低工序能耗更具實際指導(dǎo)作用。如此圖4所示,設(shè)備組中耗電量最高的依次為DryEtch、PECVD、Photo,這3類設(shè)備占了陣列工序耗電量的50%。若考慮單臺設(shè)備耗電,金屬Sputter耗電量最高。由于TFT-LCD產(chǎn)業(yè)牽涉半導(dǎo)體、光學(xué)、微電子、化學(xué)材料、精致細(xì)密機械等諸多高科技領(lǐng)域,產(chǎn)品技術(shù)和工藝水平要求較高,面板工藝技術(shù)約60%都固化到設(shè)備中,而當(dāng)前大型TFT-LCD設(shè)備制造主要由日本、美國、韓國的少數(shù)廠商壟斷。因而,從工藝設(shè)備節(jié)電空間來看,固然程度有限,但仍然能夠根據(jù)分析主要耗能設(shè)備,對設(shè)備廠商提出節(jié)能需求,促進技術(shù)革新。除此之外企業(yè)能夠通過縮短工藝節(jié)拍(TactTime)、提高設(shè)備稼動率來實現(xiàn)產(chǎn)能提高,進而降低單位產(chǎn)品的能耗。動力設(shè)備中主要耗能設(shè)備包括冷水機組、空壓機組、風(fēng)機、水泵、空調(diào)機組、鍋爐等,設(shè)備選型及配置時需選擇低能耗的設(shè)備。所選設(shè)備能效值應(yīng)知足國家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)能效限定值、能源效率等級、或節(jié)能評價值。除此之外,工廠設(shè)計所采用的電力變壓器及配電變壓器均須到達現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的2級及以上能效等級。TFT-LCD項目電力平衡及流向分析如此圖5所示。3.2熱力消耗及平衡分析由電力消耗特點分析可知,由于干凈環(huán)境及相關(guān)冷熱量負(fù)荷需求較大,導(dǎo)致TFT-LCD項目動力設(shè)備和暖通空調(diào)設(shè)備耗電量較大。TFT-LCD項目冷源通常包括低溫冷源和中溫冷源,低溫冷源為7/14℃冷水,由低溫冷凍水系統(tǒng)提供,主要用于新風(fēng)機組二級冷水盤管、一般降溫空調(diào)機組冷盤管;中溫冷源為14/21℃冷水,由中溫冷凍水系統(tǒng)提供,主要用于干凈區(qū)內(nèi)干式冷盤管(DDC)、新風(fēng)機組一級冷盤管、干凈室循環(huán)機組的冷盤管,以及配變電間等空調(diào)系統(tǒng)的冷盤管;除此之外中溫冷源還用于工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、空壓系統(tǒng)的冷卻。熱源通常包括低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩?。低溫?zé)嵩礊?6/26℃的熱水,由壓縮空氣機組熱回收、冷水機組熱回收供給,或市政熱源(通常作為補充熱源);主要用于干凈室新風(fēng)機組加熱段(過渡季、冬季)、非干凈區(qū)空調(diào)(冬季)加熱、以及純水制備經(jīng)過中原水加熱。高溫?zé)嵩礊?0/60℃的熱水,由市政熱水(或市政蒸汽換熱)、燃?xì)忮仩t供給;主要用于采暖。TFT-LCD項目熱力平衡及流向分析如此圖6所示。當(dāng)前,系統(tǒng)設(shè)計時通常采用空壓機組熱回收和冷水機組熱回收等措施實現(xiàn)減少對市政熱力的需求?？諌簷C組負(fù)荷一年四季比擬穩(wěn)定,其回收熱量優(yōu)先利用,冷水機組負(fù)荷季節(jié)差異比擬大,通常作為壓縮空氣機組壓縮熱回收、純水系統(tǒng)熱回收補充備用。除此之外,TFT-LCD工廠冷熱源系統(tǒng)設(shè)計中冷凍水供給中低溫系統(tǒng)分開設(shè)置、冷凍水及冷卻水采用大溫差、自由冷卻等節(jié)能措施,也實現(xiàn)了較好的節(jié)能效果。3.3水量消耗及平衡分析月產(chǎn)能為100kSheet的8.5代TFT-LCD生產(chǎn)線日用水量近3萬噸/天,固然新鮮水折標(biāo)準(zhǔn)煤后僅占全廠綜合能耗的0.2%,但在電子行業(yè)中屬于水資源消耗量較大的項目,節(jié)約用水、提高水的重復(fù)利用率,是此類項目節(jié)能關(guān)注的重點。TFT-LCD項目供水系統(tǒng)通常包括主要包括工藝用水、生活用水及輔助系統(tǒng)用水等,水源通常取自市政自來水管網(wǎng),給水系統(tǒng)通常分為一般機電給水系統(tǒng),包括加壓生活給水系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)、冷凝水回收系統(tǒng)、動力用冷卻循環(huán)水系統(tǒng)等;純水系統(tǒng),包括動力設(shè)備用RO水、超純水供應(yīng)工藝設(shè)備生產(chǎn)及化學(xué)品配置、純水回收及回用系統(tǒng);工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng);以及消防給水系統(tǒng)。圖7示意了一般TFT-LCD項目用水平衡圖。3.4天然氣及氮氣消耗及平衡分析在TFT-LCD項目綜合能耗中,天然氣折標(biāo)準(zhǔn)煤比例不到1%,主要用于生產(chǎn)廢氣處理系統(tǒng)設(shè)備、燃?xì)忮仩t、以及職工食堂。氮氣是TFT-LCD項目消耗量最大的耗能工質(zhì),主要用于生產(chǎn)經(jīng)過中保衛(wèi)氣體、反響氣體、載氣、以及破真空氣體。天然氣和氮氣的流向分析如此圖8所示。4、TFT－LCD項目先進性評價能耗指標(biāo)能效水平或能耗指標(biāo)是評價一個企業(yè)、項目或產(chǎn)品能否先進、能否節(jié)能的關(guān)鍵指標(biāo)。與國內(nèi)外同行業(yè)先進企業(yè)進行能效指標(biāo)對標(biāo)分析,是提高企業(yè)能源利用率、降低運行成本、提升經(jīng)濟效益和競爭力的有效手段。固然我們國家TFT-LCD產(chǎn)業(yè)發(fā)展日趨成熟,但企業(yè)運行數(shù)據(jù)和能耗指標(biāo)基本屬于商業(yè)機密,較難獲得也不宜對外公開。當(dāng)前國家也尚未發(fā)布有關(guān)TFT-LCD行業(yè)能耗限額有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。隨著我們國家關(guān)于固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估的開展,當(dāng)前全國有部分地區(qū)如北京、上海、南京等城市頒布了產(chǎn)業(yè)/行業(yè)能效指南,對電子器件制造行業(yè)提出了參考指標(biāo),由于TFT-LCD項目的先進性和特殊性,上述指南中指標(biāo)對此類項目基本不能起到較好的對標(biāo)作用。根據(jù)TFT-LCD面板項目的生產(chǎn)特點,以及我院在顯示行業(yè)多年的設(shè)計經(jīng)歷體驗數(shù)據(jù)和產(chǎn)線調(diào)研結(jié)果,總結(jié)確立了評價TFT-LCD項目部分能效指標(biāo)評價體系及先進水平參考值。主要包括單位玻璃基板電耗、單位玻璃基板水耗、單位玻璃基板綜合能耗、單位產(chǎn)值能耗、單位工業(yè)增加值能耗。通常評價產(chǎn)品能效水平采用單位產(chǎn)品能耗,而TFT-LCD項目是以大片玻璃基板為原材料,根據(jù)產(chǎn)線世代和產(chǎn)品定位切割不同尺寸的顯示產(chǎn)品。即便一樣的世代線,技術(shù)道路一樣,由于其市場定位和產(chǎn)品方案不同,其最終生產(chǎn)的產(chǎn)品(模組)數(shù)量是不同的。因而為建立可比擬的評價體系,TFT-LCD等平板顯示項目分析單位產(chǎn)品綜合能耗時,不以最終的產(chǎn)品數(shù)量為基準(zhǔn),而以年玻璃基板投入量即玻璃基板面積為基準(zhǔn),進行對標(biāo)分析。表3總結(jié)出了當(dāng)前國內(nèi)TFT-LCD項目(－Si,4次光刻)較為先進的能耗指標(biāo),可供此類項目節(jié)能評估和企業(yè)對標(biāo)參考。由于不同項目技術(shù)道路不同、生產(chǎn)工序不同,其能效水平的對標(biāo)基準(zhǔn)會有所不同,因而用能耗指標(biāo)進行先進性評價時需要綜合考慮差異因素盡量折算成一樣基準(zhǔn)進行比擬分析。5、結(jié)論TFT-LCD面板項目屬于高耗能產(chǎn)業(yè),降低項目能源消耗,提高能源利用率對節(jié)約社會資源,降低企業(yè)運營成本有著重要意義。當(dāng)前國內(nèi)外還鮮有相關(guān)文章分析此類項目能源消耗特點,本文通過總結(jié)分析TFT-LCD項目能源消費構(gòu)造和用能特點,找出重點耗能環(huán)節(jié)和耗能設(shè)備以及影響能耗的關(guān)鍵因素,提出能耗指標(biāo)國內(nèi)先進水平參