200mm廠區系統擴充面臨考驗與突破-以VOC/VEX系統擴充為例

1. 前言

三廠原始空污處理系統無設計備援機制，且AEX/VEX皆為法規加嚴後才進行擴充，後期擴充為維持負壓，僅使用管路串並聯混接，造成很多混排錯排的問題。統計後VEX錯排改正需求將增加167,000CMH，遠大於目前既有VOC系統處理量。因此規劃依改善進度分三階段進行VEX/VOC系統擴充，計畫於2021年歲修完成第1期擴充並投入運轉。為在不影響產線運轉的情況下及有限時間內完成歲修前投入運轉的準備工作，在擴充規劃評估階段即發現諸多難題急待克服。

首先，由於建築物設計時未考慮產線擴充時廠務系統擴充空間，且結構載重能力相對不足，必須依設備重量補強建築物結構。此外，三廠VEX皆為民國88年半導體空污排放標準公布後，利用既有GEX管路修改而來，管徑因此受到限制，且回風道空間相對狹小，無法設置大型風管取代，必須將原單一樹狀風管系統分流，並於歲修時轉供完成。VOC舊系統的Cold standby備援模式須配合進行軟硬體修改，其中軟體面更為重要，並且無法在產線運轉的情況下進行測試。

三廠預計分三階段逐年進行VEX/VOC系統擴充，Y2021為第一階段擴充，如 圖1所示。本文將著重於本次系統擴充所遇到的問題以及如何在不影響產線的情況下如期如質的完成歲修前的前置準備工作。

圖1、三廠VEX/VOC系統擴充時程

2. 系統擴充需求評估-系統問題盤點及改善規劃

三廠依最新空污排放標準經過半年自我盤查後發現，NMHC佔三廠總排放量No.1, 85%，列為首要改善目標，經源頭盤查後發現Wet Bench機台混排狀況嚴重，如 圖2所示，共計61台均有以下兩個問題，長期對策評估採用C/S+VOC串聯處理。

1. Wet Bench為解決IPA異味逸散問題，使用PVC護罩+GEX抽氣，導致GEX中含有NMHC成份。(NMHC~250ppm)
2. 200mm Wet Bench機台槽與槽之間無閘門設計，導致酸/鹼/有機不同排氣系統，對著同一空間抽氣。

圖2、Wet Bench機台混排問題

另外，LIT Tracker Hot plate以GEX與SEX以串聯或並聯方式合併排放，造成後段GEX測得NMHC排放濃度大於10ppm，如 圖3所示，長期對策將LIT區機台排氣導入VEX/VOC系統。

上列需求轉至VEX系統處理；評估將增加167,000CMH，大幅超出VOC系統備載處理量。

圖3、LIT Tracker Hot plate GEX與SEX以串聯或並聯

2.1 系統擴充規劃布局

一般來說，廠務系統擴充可以依照順序可以分為四個步驟進行規劃，如 表1，依照前述的評估結果，即可開始著手規劃設備位置及管線路徑，依設備尺寸大小決定擺放位置優先順序，尺寸越大順位越高，並保留人員及保養動線，本次以VEX需求量增加必須擴充對應的處理設備為例，演示廠務系統擴充全面性評估現況及對策。

1. 系統容量是否符合N+1：當運轉中發生異常或定期保養時，是否能維持產線正常運轉，依照需求及既有容量可推算出缺口處理量，本次規劃擴充後總風量436000CMH；N+1台運轉負載69%；N台運轉負載90%，如 表2。
   表2、VEX擴充結點及N+1評估表

   
2. 管路管徑是否匹配：避免主管路至Take off port之間各sub-main管徑容量是否有限縮狀況造成供應量不足，本次規劃擴充ø3000mm管徑容量為458000CMH大於系統總風量及總需求量。
3. 避免不必要的管路壓損：管路布局應安排直線為佳，避免使用方轉圓或縮放管等避免增加系統壓損，本次管路規劃如 圖4所示，大量使用直線配管避免彎曲管路造成壓損。

   圖4、VEX系統擴充規劃藍圖

   
4. 建築物承載力：綜合設備及管路位置確定後，必須針對各位置評估增設重量是否符合建築承載力，避免危及建物安全，以本次規劃為例，設備分布範圍如 圖5、圖6、表3所示，有部分區域如區號1~3及7、8將超過設計載重，需委請結構技師協助進行安全檢核並設計設備平台分散重量確保建物安全

   圖5、三廠VEX/VOC系統擴充設備重量分布1

   

   圖6、三廠VEX/VOC系統擴充設備重量分布2

   
   表3、建築物載重檢核表

   區號	重量(Ton)	面積(m2)	均重(kg/m2)	設計載重(kg/m2)	檢核
   1	110	342	322	250	Over load
   2	110	342	322	250	Over load
   3	138.4	483	287	250	Over load
   4	41.3	234	176	250	OK
   5	22.1	234	94	250	OK
   6	50.1	333	150	250	OK
   7	15	54	278	250	Over load
   8	30	104	288	250	Over load
   9	9.2	55	167	250	OK

2.2 系統擴充規劃藍圖

系統擴充經過一次次檢討以及規畫相對應的對策後即可得到完整的擴充藍圖，評估總預算需求高達3億5千萬新台幣，由於設備交期與工期皆無法在短時間內完成，且高額預算取得困難，因此將系統擴充劃分為三期執行，劃分以需求量逐步轉Tie為概念，劃分出處理量擴充的時間點，以本次VEX擴充為例，我們將需求量均分為三等份，第一優先為既有VEX需求105,500CMH，第二優先為C-Line GEX/VEX混排改善需求97,500CMH，第三為D-Line GEX/VEX混排改善需求100,000CMH，加上既有系統保留處理量，規畫出如 表2的VEX擴充結點及N+1評估表。

3. 建築結構增建風險管理

三廠建於民國83年大約是筆者11歲時，由於建築物設計時未考慮產線擴充或法規變更時廠務系統擴充空間，因此結構設計載重能力及腹地空間都相對不足，以至於在進行擴充時帶來相當多麻煩。

3.1 載重評估與鋼構設計

首先，設備規劃Layout完成後，即同步進行設備重量評估，我們將設備依類型分類，並將重量列表後區分成9個區塊進行載重評估，如 表3所示，簡單計算自評發現，設備分區圖中區號1、區號2、區號3、區號7、區號8之樓板荷重已超過原設計載重，為避免影響建物結構安全不可貿然施工，經過內部討論決定邀請專業結構技師協助進行結構安全檢核及補強設計。

在邀請結構技師現場會勘後，依照設備重量按照分布位置，並採用原設計耐震規範進行分析，計算RC結構之樑柱配筋與原設計做比較。發現建築物載重不足原因為OFFICE棟柱的密度較低造成樑的跨距較長且尺寸不足，結構技師建議在RF柱頭上方開挖增設基座，如 圖7所示。

圖7、三廠VEX/VOC系統擴充鋼構平台補強基座

3.2 鋼構防蝕管理

鋼結構於戶外使用長期日曬雨淋，尤其在重工業地區防蝕處理更為重要，目前熱浸鍍鋅防蝕技術是各先進國家使用最廣泛，也是最有效的大氣防蝕方法，經過實驗在重工業地區熱浸鍍鋅腐蝕速率為每年34g/m²，如 表4所示，由此可知熱浸鍍鋅附著量越高，防蝕年限越久，以鍍鋅附著量600g/m²來估計，鍍鋅層約16年會消耗殆盡，目前廠區內使用油漆保護之鋼材若未做好維護鏽蝕狀況相當嚴重如 圖8。然而，熱浸鍍鋅附著量難以用儀器量測，不適合做為現場評估鋼材是否合格的標準，因此我們可以參考國家標準CNS 10007，如 表5所示，在嚴酷腐蝕環境使用之鋼材膜厚標準為76um以上，相對應附著量為550g/m²，做為我們驗收熱浸鍍鋅鋼材的標準。圖9為本次鋼構廠驗膜厚量測結果高達200um，預估防蝕年限可達40年以上。

圖8、鋼構未使用標準熱浸鍍鋅防鏽處理

圖9、鋼構熱浸鍍鋅膜厚廠驗

此外構件需於鋼結構廠內預置完成，不得於現場裁切，避免造成裁切面無鍍鋅保護。構件組合優先以螺栓方式，現場焊接次之，鍍鋅鋼板銲接易於銲道表面與銲道內部形成氣孔，產生裂縫與應力腐蝕。本次鋼構如 圖10所示，可以與 圖9比較發現，金屬色澤已消失，即鍍鋅層已氧化生成氧化鋅保護層。

圖10、使用標準熱浸鍍鋅鋼構防鏽維護

當在現場施工遇搬運及組裝過程不慎造成表面損傷，或現場組裝因位置尺寸問題需重新切割及焊接時，熱浸鍍鋅鋼構需重新塗漆，漆料選擇以高鋅漆為主，含鋅量要大於95%，膜厚要達原漆料要求76um以上。

4. 產線運轉中的系統翻新風險管理

由於原設計的備援切換程序過於繁瑣，且切換過程需要手動調整二次風車負載，操作風門開關常造成管末壓力波動等問題。本次擴充計劃除安裝一套VOC處理系統，一二次側風車之間主管路，使用直徑3m管路以符合最終擴充需求。既有的三套VOC處理系統規劃沿用，並於翻修後併入新系統運轉。

4.1 VOC系統停機期間風險管理

三廠VOC的備援為1台備機，同時支援兩台VOC的設計，如 圖11所示，當1台VOC進行保養維修時將進入無備機空窗期，若此時再發生VOC異常事件，必定造成VEX壓力波動影響產線及空污異常排放事件。由於此次擴充必須改造VOC-101及VOC-102箱體，增設inlet damper以銜接新管路系統。在新VOC尚未開機的狀況下，舊系統停機修改會有1到2天的空窗期，對此分為硬體及軟體進行同步強化。

圖11、三廠VOC/VEX系統架構

在舊VOC系統停機前，除了將運轉設備調整至最佳狀態，降低系統運轉異常發生的可能性。並整列21項易故障之相關零配件備齊，並請協力廠商協助安排夜間值班人員，若不幸發生設備異常值班人員能立即獲得廠外支援。

對內，針對在停機期間值班人員，特別加強VOC異常處理實機操作演練，如下：

1. 空污排放監測SCADA THC數值判讀，異常原因判斷。
2. VOC主要設備位置/燃燒控制/閥件定位感應器認識，對照P&ID圖。
3. VOC ALARM判讀及簡易故障排除。
4. VOC系統重置啟動及備機啟動流程操作，如 圖12。

   圖12、三廠VOC緊急應變流程

   
5. 空污設備異常排放處理程序，如 圖13。

   圖13、空污設備異常處理程序

   

4.2 VOC新舊系統負載轉移程序

在所有前置作業完成後，接著就是負載轉移程序，經過多次評估，此次轉移程序可分為三大部分，如 圖14，一為使用端主管分流轉供工程、二是舊備援風管風車拆除工程以及第三步；新管路系統銜接運轉測試，如 表6所示。由於使用端主管分流轉供工程影響範圍極大，使用端都必須借停機才能執行，為避免造成產線運轉中斷，決議在歲修執行轉供作業。本次系統擴充後新增VOC-103已在平日完成VEX/VOC系統試運轉，歲修第一階段完成主管分流轉供工程後即可立即投入運轉，舊系統改管銜接則需花費較多間進行。

圖14、三廠VOC/VEX系統擴充架構

表6、VEX歲修負載轉移作業時程

使用端主管分流轉供，因既有主風管管徑限制，造成一次側風車始終處於高轉速裝況，即使同時開啟三台風車運轉仍有兩台風車處於低電流空轉狀態，由於三廠回風道空間不足無法使用大管徑風管取代既有風管，因此規劃擴充第二主風管將使用端分流轉供(圖15)以解決風車高轉速低電流空轉問題。

圖15、使用端主管分流轉供

舊備援風管風車拆除，因本次管路脫離必須配合吊掛作業進行，施工進度的掌握非常重要，若過程中發生不預期因素影響進度，則需設定停損點以確保系統如期復原順利交回產線。由於VOC-102回接必須將舊一次側風車吊離現地，如 圖16，預估為為本次施工瓶頸所在。本次歲修工程設定停損點為既有VOC-101及VOC-205系統回接至新VEX主管路完成後，即同步開始進行VOC-101系統復機。

圖16、新管路系統VOC回接

5. 結果與分析

本次工程也在歲修結束後順利將新VOC系統投入運轉，順利解決諸多運轉上的問題及操作的困難，使三廠VOC系統在運轉維護及操作上更簡單。增建的鋼結構平台，歷經近1年的風吹雨打依舊保持良好狀態，未發現鏽蝕痕跡，但仍需持續巡檢改善以維護結構安全。平日VOC改機作業造成無備機空窗期，在良好的整備下未發生異常事件，但藉此機會也對值班人員再次強化與熟悉VOC操作與異常排除技能。歲修執行結果由於舊風管拆除過程進度不如預期，使吊裝進度落後，未在當天完成拆除作業，因此在設定停損點開始復歸系統，未拆除完成部分因不影響產線運轉則另行安排時間完成拆除。

6. 結論

本次VOC系統擴充工程，跳脫使用既有既有系統及管路延伸擴充想法，突破既有框架限制同時改善既設系統缺點。200mm廠區因建廠未有良好的設計與擴充性，以致遇產線需求擴充，常依既有管路延伸修改或擴充未考量未來需求，勉強達成產線需求，反而造成小容量設備數量持續增加，在運轉維護上增加許多負擔。

規劃面突破既有框架限制，從源頭使用量需求評估，三廠裝機量已近飽和機台新增需求不大，多數需求為既有機台空污改善需求，如SEX/GEX等混排轉VEX，或取代處理效率不佳的VOC系統。接著進行管路系統確認，各區域主管管徑是否符合需求，不符合需求則擴充轉供或取代之。設備增建除會同建築師確認相關建雜照申請外，建築物承載能力也必須考量避免破壞結構造成建築物破壞的風險。

施工面維持產線運轉需求，除在有限時間內完成歲修準備工作外，必須克服平日改機作業造成無備機空窗期，先完成運轉中系統整備及試運轉，並備妥故障排除所需備品，以及強化值班人員再訓練。諸多運轉上的問題及操作的困難，藉由此次機會一併納入未來改善藍圖中，使三廠VOC系統在運轉維護及操作上更簡化。