氣體場設置規劃

前言

氣體場主要放置的是大宗氣體(Bulk Gas) 及大宗特殊氣體(Bulk Specialty Gas System；BSGS)，設置氣體場的主要目的是將佔用空間大、危險性高或用量大的氣體供應系統放置在距離生產工廠較遠的地方，除了空間考量外，一方面是基於安全性要求；另一方面則是便利於灌充及更換作業。

由於放置在氣體場的都是大包裝、大用量的氣體，一但發生異常，所影響的層面較廣，因此，安全與穩定就是設置規劃的第一要務。其次，由於使用大宗氣體或大宗特殊氣體的基本出發點就是要降低營運成本，所使用的大包裝容器都必須藉由堆高機或拖車等車輛運輸才能遂行更換或灌充作業，所以車輛進出動線及灌充所需空間也必須做整體考量。

文獻回顧

大宗氣體種類及特性

大宗氣體包含氣氮(GN₂)、液氮(LN₂)、超高純氧(UPO₂)、工業級液氧(IO₂)、液氬(LAr)、氫氣(GH₂)及氦氣(GHe)。如同家用天然瓦斯，氣氮大多使用地下管線輸送；液化氣體部分都是藉由低溫液化槽車運送到氣體場灌充；目前氫氣及氦氣仍是使用拖車將高壓鋼管尾車(Tube trailer)運送至廠內更換。大宗氣體特性如 表一所示。

大宗特殊氣體種類及特性

為了降低採購成本及降低更換風險，最常用的手法就是採用大包裝的供應方式。所以，以往特殊氣體鋼瓶用量在到達經濟規模時會改用大包裝的集束鋼瓶(Bundle)或Y型鋼瓶(Y-Cylinder)，甚至是槽車(Trailer)或低溫液態儲槽(Liquefy Gas Tank)方式供應，各種不同包裝之容量大小比較如 圖一。

業界常用的大宗特殊氣體則包含矽甲烷(SiH₄)、氨氣(NH₃)、氯化氫氣(HCL)、氧化亞氮(N₂O)、三氟化氮(NF₃)、四氟化碳(CF₄)、二氧化碳(CO₂)…等，其中較特殊的是二氧化碳，因二氧化碳用量漸增，在新建廠區已開始設置低溫液化儲槽(LCO₂ Tank)，除了可強化品質監視能力、降低更換風險及人力負擔外，更有很大的節能效益。常見大宗特殊氣體特性如 表二所示。

氣體場的基本設置要求

氣體場依存放環境的特性分成兩類—露天儲槽區及有遮蔽的鋼瓶及槽車存放區。

露天儲槽區(Tank Yard)

LN₂、LO₂、LAr、LCO₂等液化氣體是以液體狀態存放在低溫儲槽內，經由蒸發器(Evaporator)吸熱後轉變為氣體，再透過過濾器、調壓閥件、管路等輸送到現場，供應系統如 圖二所示。

由於土地資源很珍貴，所以儲槽都是使用立式罐以節省空間。低溫儲槽為雙層式金屬結構(類似保溫瓶構造)，中間填充保溫材料，以240m³ LN₂儲槽在90%存量時之自重再加上儲存的液化氣體總重量超過250噸，所以在儲槽區之土建基礎除了必須能夠承載負荷外且沉陷量必須合乎法規要求。以實務經驗而言，LN₂儲槽區下方鋼筋混凝土層厚度接近2公尺，且必須在混凝土層下方打樁，以增加沉陷抵抗能力。

另外，儲槽的蒸發器所產生的冷凝水屬於工業廢水，必須設置集水坑回收到廢水場處理，至於下雨的雨水，則可直接進入雨排。露天儲槽區照片如 圖三。

有遮蔽的鋼瓶及槽車存放區(BSGS Yard)

對於H₂、He及大宗特殊氣體，則是設置在有遮蔽的存放區，一方面是因為這幾種氣體皆無必須露天擺放的儲槽，另一方面則是法令及保險公司要求，諸如HCL、NH₃等氣體供應場所必須設置環境排氣設備及氣體洩漏偵測器，且當發生洩漏時必須要有排氣處理設備，所以上述幾種氣體適宜放置在有遮蔽的環境。除此之外，根據行政院勞委會勞工安全衛生研究所研究建議， SiH₄ Y型鋼瓶暫存區應設置於室外且有加設屋頂，以避免陽光直射，使鋼瓶溫度超過40℃^[3]，以防止鋼瓶溫度過高而造成危險。同屬可燃性的H₂等氣體同樣應該避免鋼瓶溫度過高。H₂、He供應系統示意圖如 圖四，大宗特殊氣體供應系統示意圖如 圖五。

氣體場設置規劃要點

規劃氣體場第一項考量點─
必須選擇合乎法規要求的安全距離且須通風良好的環境

根據勞動檢查法第二十六條第一項第五款，SiH₄供應區屬甲類危險性工作場所，依法於啟用前須通過甲類工作場所審查；相同條款規範，儲槽區的LN₂屬丙類危險性工作場所，除依法必須設置圍籬區隔及管制，且必須通過丙類工作場所的審查。而又根據AIGA 052要求，SiH₄供應區必須與最近建築物保持18公尺以上安全距離^[4]；AIGA 033則要求氫氣與最近建築物保持15公尺的安全距離^[5]。基於安全考量，爆炸的壓力釋放方向（爆破口）盡可能朝向空地或綠帶之類無人活動區域，以上要點需事先考量，以能順利通過啟用前的安全審查。其次，儲槽灌充時會先用氣態氣體吹淨管線，接著使用液態氣體預冷管線，這些氣體會大量排放在周遭環境，因此儲槽區必須選擇在通風良好的開放空間，以杜絕氣體蓄積造成人員傷害或死亡，所以地下室或密閉空間不宜放置液化氣體儲槽。

第二項考量點─槽車的進出動線

無論大宗氣體或大宗特殊氣體，都是藉由槽車或拖車運送到氣體場內，由於大型車輛之迴轉半徑大，必須要有足夠的迴轉空間車輛才能順利進出廠區，道路過小或迴車空間不足，均可能造成運輸風險，在規劃階段必須避免。另外，在露天儲槽區考量灌充損失及污染問題，灌充用軟管宜短不宜長，一般灌充口通常規劃在氣體場圍籬邊界，槽車就近停放氣體場週邊道路進行灌充作業（槽車灌充照片如 圖六），由於大型液化槽車之作業時間常常超過2小時，因此必須考量灌充停車位、灌充頻率及灌充作業時之交通問題，在空間許可的情況下，不同氣體種類最好有專屬灌充停車位，倘若空間的確受限，至少應規劃緊急應變車位，以確保安全運轉無虞。

第三項考量點─管線進出動線

GN₂大多是由廠區外埋設地下管線進入廠區氣體場內，以Giga-FAB規模來看，GN₂管線尺寸高達450mm，所以必須考量外管線如何順利無干涉的進入氣體場內，還有無論是露天儲槽區或是有遮蔽的鋼瓶及槽車存放區，氣體管線都需要藉由管溝或管架才能將儲存氣體輸送到生產工廠內，因此也須考量管溝或管架的配置，考量的要點是在管線不會相互干涉的前提下，優先降低管溝或管架長度，其次就是要縮短管線長度。除此之外，因大型儲槽須使用大型拖車運輸及動用兩台大型吊車才能使儲槽定位（運輸、吊裝照片如 圖七、八所示），吊車、拖車之進出動線及配置位置也要考量，以免造成困擾。

第四項考量點─品質分析儀器(CQC Analyzer)放置位置

隨著製程能力提升，對氣體品質要求愈來愈高，原物料之源頭管理日益重要。儲槽區是使用液化氣體槽車運送及進行灌充，為了確保充填進入儲槽的液化氣體品質合乎要求，通常設有品質分析儀器確認灌充前後儲槽品質，因品質分析的取樣管(Sampling tube)是從儲槽取樣點(Sampling Port)配置到分析儀器，考量分析的即時性與準確度，分析儀器愈接近儲槽愈佳(取樣管距離愈短愈佳)，因此規劃氣體場須一併考量分析儀器放置位置；另外，H₂、He及N₂O也須規劃分析儀器存放位置。

第五項考量點─風向及日照

GH₂使用高壓鋼管槽車(Tube trailer)供應，在槽車端及供應系統盤面均設有壓力釋放閥(Safety Relief Valve)以防超壓，又，基於潔淨度要求，每次槽車更換時必須先用氣體吹淨管線，吹淨氣體及壓力釋放閥的排放點盡可能遠離補充氣體(Make-up Air)吸入口，以免被吸入生產工廠的潔淨室內造成虛驚事件。最後，儲槽區的液化氣體蒸發器之功能是將低溫液化氣體轉變成氣體，是個需要吸熱的設備，迎風面或日照充足處都是適宜的設置地點。

PAr及PN₂純化器之試車節能經驗

在氣體配管過程中需使用PAr作為焊接氣體，以及使用PN₂做為品管用的吹淨氣體，因氣體配管所需的品質要求較低（不純物<10ppb），以往廠商是使用小液罐，經過線上型純化器後透過臨時管線輸送到現場使用（臨時管線於建廠完後拆除）。另一方面，大宗氣體純化器在試車階段必須進行吹淨才能正式投產，過程中需要花費很長時間及高額氣體費用，才能通過品質穩定度的1 sigma matching要求。以往都必須使用臨時排氣管，將廢氣排放到安全地點，以免造成工安問題，這些浪費的氣體費用則由氣體供應商（不純物>1ppb部分）及公司（不純物<1ppb部分）負擔。

由上述說明可以聯想到，若能將PAr及PN₂純化器 1 sigma matching排放的廢氣輸送給氣體配管使用，則可達到節能效益。在實務面的做法是氣體場必須及早完工及通過竣工檢查（取得使用許可），於大量配管工作展開前，PAr/PN₂氣體純化器先開機試車，配合優先配置的PAr/PN₂正式管線（可節省部分臨時管線配置時間及費用），高純度的PAr/PN₂可供應給廠商配管使用。

其次，利用原本排放浪費的氣體給配管使用，一方面以可確保配管廠商使用高純度氣體執行焊接工作，另一方面則因系統端純化器的流量大且品質優，可大幅縮短配管後品質檢驗(QC)時間與降低配管廠商焊接及吹淨氣體費用。第三方面則因現場吹淨的高、低壓反覆冲吹（爆管），而使氣體純化器及輸送管線更為潔淨，可以避免投產後氣體用量劇增時引起的不純物上升現象。圖九為變更前後配管廠商使用氣體來源示意圖；圖十為變更前後吹淨氣體純度及費用負擔示意圖；節能做法的好處則如 表三所示。

結論

規劃氣體場最重要的任務就是必須達成安全與品質穩定兩項基本要求，節能則是時代趨勢。配合工法改進可提高氣體配管品質及大幅縮短配管後的品管時間及成本，經過最近的建廠專案實際驗證，這種做法的確可讓公司、配管廠商及氣體供應商三者互蒙其利。