一种保障半导体厂高品质能源供应的管理方法
技术领域
本发明涉及一种管理方法，具体涉及一种一是构建综合能源负荷的分级与保障体系，二是对将负荷分类分级体系应用于半导体厂，并基于条块理论将厂区内的能源安保资源进行优化的保障半导体厂高品质能源供应的管理方法。
背景技术
半导体行业作为城市快速发展的重要负荷中心，相比于传统制造业，其安全风险更高。即便是发生轻微事故，都能造成生产中断、财产损失甚至是人员伤亡。随着半导体行业技术的进步，生产中涉及的先进设备对供能品质的要求逐步提高。即便电力系统处于故障暂态，也要保证提供电压偏差较小的正弦基波电力，即保证系统的高动态特性和恒定特性。因此以半导体行业为代表的现代精密制造工业对传统能源电力供应提出了新的挑战。
半导体制造行业目前常规的供能方式为：市电+不间断电源+应急柴油发电机组。但由于大电网具有高可靠性，使得应急柴油发电机组基本不存在运行时间，从而使应急备用机组大多处于闲置状态。可一旦发生供能中断问题，处于冷备用状态下的柴发机组又易出现启动失败等问题，这会使安全生产失去重要保障。且单一电力已经无法满足重要负荷多元化、多样化的用能需求，冷热与电能相比是低品位能源，若全部由单一的电能转化为其他能源，不符合能源梯级利用的发展趋势，势必会造成大量的能源消耗。目前已有的负荷分级与保障，大多是针对电负荷建立的。但对于冷热等综合能源负荷的分级研究还尚在起步阶段。这样易出现负荷的能源安全保障措施空白、可靠性不达标或部分负荷应急备用设备冗余的问题。所以研究半导体行业中负荷的分类分级，并将安保资源差异化配置十分必要的。
目前已有的文献，大多是关于用电负荷精细分级控制系统的研究，缺少对综合能源负荷的精细分级与控制；对于重要负荷的高品质研究，目前也仅是侧重于电压暂降的防治与评估。并没有对半导体行业的整个用能情况做一个较为系统的保障研究。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种一是构建综合能源负荷的分级与保障体系，二是对将负荷分类分级体系应用于半导体厂，并基于条块理论将厂区内的能源安保资源进行优化的保障半导体厂高品质能源供应的管理方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种保障半导体厂高品质能源供应的管理方法，所述保障半导体厂高品质能源供应的管理方法包括如下步骤：
步骤(1)：采用对标分析法和功能区划分法对半导体厂区内综合能源负荷进行分类分级；
步骤(2)：提出条块管理方法，并基于该方法梳理和优化现有的能源安全保障设备；
步骤(3)：基于条块管理方法配置半导体厂区内负荷相对应的能源安全保障设备。
在本发明的具体实施例子中，所述步骤(1)的具体步骤为：综合能源负荷分类分级是对厂区内所有用能负荷，按照用能性质、对生产的重要程度及中断后的影响与损失进行划分；采用对标分析的方法，借鉴电负荷分级原则，对标人身伤害、经济损失、具有重大政治单位三个要素，提出适用于能源综合负荷的分级原则；同时对厂区内的主要负荷按照建筑功能区进行划分，将生产工艺负荷和动力负荷分设。
在本发明的具体实施例子中，所述步骤(2)的具体步骤为：对照条块理论的框架逻辑总结出安保资源中的“条块”结构；将主供能网络作为“条”，按照用户的社会地位、影响以及中断供能的经济损失划分为两条线，即为重要负荷用户线和普通负荷用户线；再将应急保障资源视为“块”，按照能源供应种类进行划分，将应急能源设备按块配置在各重要负荷用户侧，保障重要负荷的供能安全可靠性。
在本发明的具体实施例子中，所述步骤(3)的具体步骤为：对半导体厂内的供能情况按照“条块”结构进行管理，对各负荷差异化配置保障用能的安全保障设备；在厂区“条状”供电架构上增设一路馈线，接入分布式机组并取代“块状”的柴油机来保障一级负荷；分布式机组将与两路市电互为备用，按照电价的峰谷差交替运行；减少应急备用资源的冗余和初投资，从冷备转为热备，缩短安保资源的应急响应时间，提高能源资源的利用率和供能稳定性。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的保障半导体厂高品质能源供应的管理方法有如下优点：
(1)、细化负荷分类分级与保障：本发明在原有电负荷分级保障的基础上，通过对标分析法拓展到综合能源负荷的分类分级。对不同等级的能源，差异化配置安保资源。
(2)、条块优化安保资源配置：本发明对照条块理论的框架逻辑总结出安保资源中的“条块”结构，对半导体厂内的供能情况按照“条块”结构进行管理，期望在减少安保资源配置的同时，提高供能的可靠性。一方面，在保障定量负荷用能的高可靠性前提下，提高安保资源配置的灵活性，减少资源重复和过度使用以及碎片化，在一定程度上达到经济性最优。另一方面，在安保资源数量有限的情况下，通过优化资源分配，尽可能多的覆盖更广阔的范围，增加保障重要负荷用户的数量，提高资源的利用率。
(3)、将冷备用转热备用：本发明在厂区供电架构上增设一路馈线，加入分布式机组，来取代柴油机保障一级负荷。接入后的供电系统将有三路馈线保障厂区的用电安全，分布式机组将与两路市电互为备用，按照电价的峰谷差交替运行。同时可替代原有柴发机组，减少应急备用资源的冗余和初投资，从冷备转为热备，缩短安保资源的应急响应时间，提高能源资源的利用率和供能稳定性。
(4)、同时保证供能的“质”与“量”：能源的安全保障都是从“量”上考虑，但对于高精密仪器、半导体等行业来说，“量”的问题远远不能满足，还应保障“质”的问题。通过电力系统简单潮流计算可知，即便由于分布式能源系统的容量及电网架构问题，节点电压改善范围具有局限性，但满足半导体行业对于电压暂降的需求。
附图说明
图1为本发明的能源保障的“条块”关系图。
图2为本发明中的厂务动力区供电示意图。
图3为本发明中的生产区供电示意图。
图4为本发明中的接入分布式能源系统后的供电架构图。
图5本发明的优化后的冷热负荷供能示意图。
图6为本发明的整体流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种保障半导体厂高品质能源供应的管理方法，一是构建综合能源负荷的分级与保障体系，二是对将负荷分类分级体系应用于半导体厂，并基于条块理论将厂区内的能源安保资源进行优化。
图6为本发明的整体流程示意图。如图6所示：本发明提供的一种保障半导体厂高品质能源供应的管理方法，该保障半导体厂高品质能源供应的管理方法包括如下步骤：
步骤(1)：采用对标分析法和功能区划分法对半导体厂区内综合能源负荷进行分类分级。步骤(1)的具体步骤为：综合能源负荷分类分级是对厂区内所有用能负荷，按照用能性质、对生产的重要程度及中断后的影响与损失进行划分；采用对标分析的方法，借鉴电负荷分级原则，对标人身伤害、经济损失、具有重大政治单位三个要素，提出适用于能源综合负荷的分级原则；同时对厂区内的主要负荷按照建筑功能区进行划分，将生产工艺负荷和动力负荷分设。
步骤(2)：提出条块管理方法，并基于该方法梳理和优化现有的能源安全保障设备。步骤(2)的具体步骤为：对照条块理论的框架逻辑总结出安保资源中的“条块”结构；将主供能网络作为“条”，按照用户的社会地位、影响以及中断供能的经济损失划分为两条线，即为重要负荷用户线和普通负荷用户线；再将应急保障资源视为“块”，按照能源供应种类进行划分，将应急能源设备按块配置在各重要负荷用户侧，保障重要负荷的供能安全可靠性。
步骤(3)：基于条块管理方法配置半导体厂区内负荷相对应的能源安全保障设备。步骤(3)的具体步骤为：对半导体厂内的供能情况按照“条块”结构进行管理，对各负荷差异化配置保障用能的安全保障设备；在厂区“条状”供电架构上增设一路馈线，接入分布式机组并取代“块状”的柴油机来保障一级负荷；分布式机组将与两路市电互为备用，按照电价的峰谷差交替运行；减少应急备用资源的冗余和初投资，从冷备转为热备，缩短安保资源的应急响应时间，提高能源资源的利用率和供能稳定性。
下面是一个具体的实施方式：本发明主要构件综合能源负荷分类分级方法及保障原则，并进行条块管理优化安保资源。所述方法采用对标分析的方法，借鉴电负荷分级原则，提出适用于能源综合负荷的分级原则。
优选地，所述方法中电负荷分级原则，主要包含人身伤害、经济损失、具有重大政治单位三个要素。其中，电负荷分级原则见下表：
表1电负荷分级原则
进一步地，上述人身伤害衡量标准为：造成人身伤害指造成3人以上死亡，或者10人以上重伤的情形。人员死亡指因中断负荷导致人员损失工作日为6000工作日以上(含6000工作日)的情况，人员重伤指因中断负荷导致人员指损失工作日为105工作日以上(含105个工作日)，6000个工作日以下的情况。本发明提出人身伤害计算方法及中断负荷人员伤亡模型：
Nd＝Phρ Sd (1)
Nj＝Phρ Sj (2)
Nk＝Phρ Sk (3)
进一步地，上述经济损失衡量标准为：造成重大经济损失定义为中断该负荷造成的生产损失和设备损失之和大于为该负荷改善供能可靠性(如改善供能管网、设置应急供能设备等)所增加成本的情形；造成较大经济损失定义为中断该负荷造成的生产损失和设备损失之和大于1000万元但小于改善供能可靠性所增加成本的情形；影响正常工作定义为中断该负荷造成的生产损失和设备损失之和小于1000万元的情形。
进一步地，上述具有重大政治意义单位衡量标准为：具有重大政治意义的用电单位的认定是在省级政府部门的主导下，有相关政府组织供电企业和用户统一开展的。因此本发明暂时引用电负荷分级原则中列举的具有重大政治意义单位名单。半导体企业用户也属于具有重大政治意义单位。
进一步地，根据上述电负荷分级标准以及对标分析，将包括冷、热、电在内的能源综合供应中断造成的人员伤亡、经济损失和用冷热单位自身的政治、经济意义为分级要素，现提出以下能源综合负荷分级的方法：
表2能源综合负荷分级原则
优选地，上述负荷分级保障原则是为不同级别的负荷制定相应的保障措施。目前电负荷保障原则为：一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏。一级负荷中特别重要负荷的供电，应符合下列要求：除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统；设备的供电电源的切换时间，应满足设备允许中断供电的要求；二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回6kV及以上专用的架空线路供电。
由于不同生产线设备及产品并不相同，本发明先对多数厂区内共有的电负荷进行分级(分级结果见下表)，对电负荷进行细分。见下表3：
表3电负荷分级
进一步地，所述方法中对半导体行业的综合能源负荷进行分类分级。冷热负荷的分级：半导体制造全年都需要冷负荷供应，用冷主要集中于洁净室系统和暖通空调系统。热负荷相比冷负荷用量较少，主要集中在冬季，各工艺不同季节负荷需求不同。按照负荷分级原则，对厂区内冷热负荷进行分级：
表4冷热负荷分级结果
洁净室是半导体制造中的重要用冷热单元。根据半导体制造厂生产区洁净室对冷热负荷的需求，本发明按照温度、湿度可承受的波动范围进行再划分，详细分级结果见下表。
表5洁净室内冷热负荷划分表
优选地，本发明中的条块优化理论：将主供能网络视为“条”，按照不同电压等级垂直管理、灵活调度，以保障全区域内的用能安全；将能源应急供应设备视为“块”，安置在用户侧，根据重要负荷用户部分特殊用能需求进行能源备用保障。
进一步地，本发明中的条块优化理论：对主供能线路进行细分。主供能网络按照用户的社会地位、影响以及中断供能的经济损失划分两条线，即为重要负荷用户线和普通负荷用户线。但在超大型城市中，重要负荷用户并不集中在某个区域范围内，此时应按照城市规划的区域对重要负荷用户分区域、分块进行保障，即形成A区重要负荷、B区重要负荷…到N区重要负荷，每个区块又含有数个不同类型的子重要负荷用户，条块关系如图1所示。
进一步地，本发明中的条块优化理论：应急备用设备不同于主供能网络线，本身处于用户侧，不存在像主供路线的网络架构，所以本发明将应急备用设备按照能源供应种类进行划分，即应急供冷、应急供热、应急供电。将应急能源设备按块配置在各子重要负荷用户的应急保障地块内，保障子重要负荷的供能安全可靠性。
进一步地，本发明中的条块优化理论：从用户侧的角度来看，以往半导体厂区供电架构按照厂区内变电站和负荷布置情况，就近进行配电，并没有提及不同等级负荷分设不同馈线供电的情况。大多数重要负荷供电架构为条状，一路或两路市电进线，经过变压器将电能输送至各级供能区。对于重要又特殊的工艺设备，应设不间断电源或备用发电装置。条状供电系统虽实现了厂区用能的全覆盖，但对于敏感负荷还需额外配置应急电源，条状的供电结构并没有完全解决和保障用能的安全稳定，需要与块状的应急备用资源相结合。
进一步地，本发明中的条块优化理论：半导体行业对于冷热电均有需求，且对电冷的需求量极大。本发明将基于设计规范要求，将动力设备与生产工艺设备分设，将一级负荷单设一路馈线，与二、三级负荷分设，对各级负荷进行差异化安保资源配置。即便发生用能中断，重点保障重要负荷与生产区负荷等线路的供能稳定，可减少因中断供能带来的各项损失。优化后的供电架构如图2和图3所示。
进一步地，本发明中的条块优化理论：在保障厂务动力区和生产区供电稳定、可靠的基础上在G3馈线上加入分布式机组，来取代柴油机保障一级负荷。接入后的供电系统将有三路馈线保障厂区的用电安全，分布式机组将与两路市电互为备用，按照电价的峰谷差交替运行。同时可替代原有柴发机组，减少应急备用资源的冗余和初投资，从冷备转为热备，缩短安保资源的应急响应时间，提高能源资源的利用率和供能稳定性。分布式能源系统还可输出冷热能，为厂区内的冷热负荷多提供一路冷热供应，这是常规分供系统所无法匹敌的。接入分布式能源系统后的供电架构如图4所示。
进一步地，所述方法中的条块优化理论：当接入分布式能源系统和储能系统后，可适当替代部分冷冻、冷水机组，且此时将有三条线路保障冷负荷供应，两条线路保障热负荷供应。图5即为优化后的冷热负荷供能结构。
本发明提供了一种保障半导体厂高品质能源供应的管理方法，该方法主要先对半导体厂区内综合能源负荷进行分类分级；再基于条块管理方法配置负荷相对应的能源安全保障设备。其中综合能源负荷的分类分级是对厂区内所有用能负荷，按照用能性质、对生产的重要程度及中断后的影响与损失进行划分。条块管理方法是在综合能源负荷分类分级的基础上，对各负荷差异化配置保障用能的安全保障设备。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
