1、引言
能源是人類生存和發展的基礎,節能環保已成為了當今時代的發展趨勢。我國是能源緊缺型的國家,節能環保的問題是中國現在以及未來經濟持續發展的重中之重?！豆澞軠p排“十二五”規劃》中提出,到2015年,全國萬元GDP能耗下降到0.869噸標準煤\\(按2005年價格計算\\),比2010年的1.034噸標準煤下降16%\\(比2005年的1.276噸標準煤下降32%\\)?！笆濉逼陂g,實現節約能源6.7億噸標準煤,到2015年,單位工業增加值\\(規模以上\\)能耗比2010年下降21%左右。
新型平板顯示產業作為新一代信息技術產業的代表,被列為《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》中加快培育和發展的戰略新興產業之一。平板顯示產業是電子信息產業的支柱,其發展水平既是一個國家的科技實力的體現,更是一個國家綜合實力的體現。經過十多年的跨越式發展,我國TFT-LCD產業已經從一個顯示屏完全依賴進口,發展成為一個擁有十余條生產線和自主知識產權的國家,TFT-LCD產業也進入了由傳統非晶硅\\(α－Si\\)向氧化物半導體\\(Oxide\\)、低溫多晶硅\\(LTPS\\)、有機發光顯示\\(AMOLED\\)等新技術轉型升級的快速發展時期。
目前我國已經建成投產的面板產線共計15條,其中包括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1 821億元,預計2016年,我國還將建成8條面板生產線,累計投資額將超過3 400億元。從產能面積來看,截止2013年底,中國大陸的面板供應能力約2 200萬平方米,預計2014年將同比增長20%,到2016年,中國大陸面板的產能將超過中國臺灣地區成為全球第二。中國大陸平板顯示格局從無到有,從小到大,從弱變強,已經形成了環渤海、長三角、珠三角、中西部四大生產基地。隨著平板顯示產業的快速發展,建設低碳、節能、環保的綠色工廠成為國內外面板廠商追求的目標。
2、 TFT－LCD工廠能源消耗特點及構成
TFT-LCD面板項目屬于資金密集、技術密集的高新技術產業,屬于精密電子器件加工制造。
生產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面板生產過程對環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,具有投資規模大、廠房體量大、工藝流程復雜、自動化程度高、廠務系統復雜、能源及耗能工質種類多、污染物種類多、排放量較大等特點。以建設一條月產能為100kSheet的8.5代TFT-LCD面板生產線為例,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\\(當量值\\)約為20萬噸標準煤,綜合能耗\\(等價值\\)約為40萬噸標準煤。
盡管TFT-LCD行業不像石化、冶金、鋼鐵、水泥等行業耗能巨大,但在電子行業屬于耗能大戶,因此分析TFT-LCD項目能源消耗特點、優化能源消費結構,通過采取先進、合理的節能措施,達到節能降耗、降低運行成本的目的,對于建設綠色工廠、節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,企業自制的耗能工質包括純水、壓縮空氣、工藝真空、清掃真空、冷卻循環水等。其中企業自制的耗能工質按其加工轉換所消耗的能源已計入綜合能耗,不再列入耗能工質折標煤計算。
在所有消耗的能源和耗能工質中,電力是TFT-LCD項目消耗量最大的能源,一條月產能為100kSheet的8.5代線,年綜合能源消費量年耗電量超過10億度,按電力等價折標系數折算,約占項目綜合能耗的75%以上。電力消耗主要用于工藝設備、動力設備、消防設施、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,折標準煤后,約占綜合能耗比例20%,這主要是生產工藝的加工需求所致,氮氣作為保護氣體、反應氣體及載氣,消耗量相對較大,若生產技術包含有機蒸鍍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項目生產工藝與半導體IC項目相似,工藝制程精密度高,器件加工線寬通常為3μm;潔凈度等級高,控制粒徑一般為0.3μm\\(LTPS工 藝需達 到0.1μm\\),主體環境為3.5級/4.5級,局部區域達到2.5級。由 于TFT-LCD為玻璃表面加工工藝,隨著產線進入高世代和玻璃基板尺寸的加大,生產廠房體量更大,自動化程度更高,大宗氣體、特氣、化學品使用量增大,廢水、廢液、廢氣的排放量也大幅度增加。為保障工藝生產正常運行,圍繞生產工藝環境要求和動力品質需求配套的輔助生產設施系統\\(廠務系統\\)是一個復雜龐大的系統工程,通常包括一般機電給排水系統、純水系統、工藝循環冷卻水系統、生產廢水處理系統、消防系統、采暖空調凈化系統、排風系統、冷熱水供應系統、壓縮空氣供應系統、大宗氣體供應系統、真空系統、柴油供應系統、天然氣供應系統、特種氣體供應系統、通信系統、自控系統、化學品存儲與分配系統、供配電系統、照明系統等。
TFT-LCD項目能源需求供應關系以及能量平衡和流向分析是此類項目能源消耗及節能分析的重點,圖2是此類項目各體系之間的能量平衡關系網絡圖,從中可以捋清能源需求的因果關系,并找到影響用能量的核心和制約因素?？梢钥闯?工藝設備的直接動力用量及種類需求\\(包括污染物排放\\)以及與生產設備相關的參數\\(包括需要系數、負荷系數、運行時間等\\)是各廠務系統設計的前提,此外為保障工藝生產環境,其潔凈室溫濕度及潔凈度要求、設備散熱等是空調凈化系統設計的關鍵因素。在上述工藝條件基礎上,各廠務系統自身系統選型和配置也成為下游專業設計的前提,環環相扣、息息相關,上游專業的保守用量估算和層層放大都將會影響如動力專業、電專業等系統配置的冗余。雖然對工廠正常運行能源消耗量影響不大,但可能產生對項目初始建設投資的增加。因此科學、嚴謹的確定各體系用量及參數,合理采取節能措施,是TFT-LCD項目節能降耗的關鍵。
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備,是降低能耗的突破口。按工廠各生產部門的電力消耗分析,工藝生產設備的電力消耗約占全廠用電的45%~50%,廠務系統約占總用電的50%~55%,其中動力設備占約40%,照明及輸變電損耗共計約占全廠用電的1%。如圖3所示。根據TFT-LCD項目生產特點,工藝生產設備實行全年365天晝夜連續生產的工作制度,因此,為其配套的生產環境、輔助動力設施也要滿足全年不間斷運行,由于生產環境的潔凈度要求較高,大面積的3.5級和4.5級凈化區域,最高為2.5級凈化,潔凈面積近20萬平方米,其恒溫恒濕的環境要求及凈化要求,對于冷熱量有較大的需求,此外,大量動力供應需求,導致制冷空調及動力等公用設施的耗電占比較高。
在所有工藝設備用電中,陣列工序是最主要的工藝耗能工序。
TFT-LCD生產線通常是由同類設備組成的設備組完成相應工序,由于每類設備數量配置由單臺設備加工能力決定,因此各類設備數量不盡相同,導致設備組的耗能情況與單臺設備能耗情況不完全一致,且設備組能耗分析對優化設備參數、降低工序能耗更具實際指導作用。如圖4所示,設備組中耗電量最高的依次為Dry Etch、PECVD、Photo,這3類設備占了陣列工序耗電量的50%。若考慮單臺設備耗電,金屬Sputter耗電量最高。
由于TFT-LCD產業涉及半導體、光學、微電子、化學材料、精密機械等眾多高科技領域,產品技術和工藝水平要求較高,面板工藝技術約60%都固化到設備中,而目前大型TFT-LCD設備制造主要由日本、美國、韓國的少數廠商壟斷。因此,從工藝設備節電空間來看,雖然程度有限,但依然可以根據分析主要耗能設備,對設備廠商提出節能需求,促進技術革新。此外企業可以通過縮短工藝節拍\\(Tact Time\\)、提高設備稼動率來實現產能提高,從而降低單位產品的能耗。
動力設備中主要耗能設備包括冷水機組、空壓機組、風機、水泵、空調機組、鍋爐等,設備選型及配置時需選擇低能耗的設備。所選設備能效值應滿足國家現行相關標準能效限定值、能源效率等級、或節能評價值。此外,工廠設計所采用的電力變壓器及配電變壓器均須達到現行國家標準所要求的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,由于潔凈環境及相關冷熱量負荷需求較大,導致TFT-LCD項目動力設備和暖通空調設備耗電量較大。
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,由低溫冷凍水系統提供,主要用于新風機組二級冷水盤管、一般降溫空調機組冷盤管;中溫冷源為14/21℃冷水,由中溫冷凍水系統提供,主要用于潔凈區內干式冷盤管\\(DDC\\)、新風機組一級冷盤管、潔凈室循環機組的冷盤管,以及配變電間等空調系統的冷盤管;此外中溫冷源還用于工藝冷卻水系統、純水系統、空壓系統的冷卻。
熱源通常包括低溫熱源和高溫熱源。低溫熱源為36/26℃的熱水,由壓縮空氣機組熱回收、冷水機組熱回收供應,或市政熱源\\(通常作為補充熱源\\);主要用于潔凈室新風機組加熱段\\(過渡季、冬季\\)、非潔凈區空調\\(冬季\\)加熱、以及純水制備過程中原水加熱。高溫熱源為80/60℃的熱水,由市政熱水\\(或市政蒸汽換熱\\)、燃氣鍋爐供應;主要用于采暖。
TFT-LCD項目熱力平衡及流向分析如圖6所示。
目前,系統設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減少對市政熱力的需求?？諌簷C組負荷一年四季比較穩定,其回收熱量優先利用,冷水機組負荷季節差異比較大,通常作為壓縮空氣機組壓縮熱回收、純水系統熱回收補充備用。此外,TFT-LCD工廠冷熱源系統設計中冷凍水供應中低溫系統分開設置、冷凍水及冷卻水采用大溫差、自由冷卻等節能措施,也實現了較好的節能效果。
3.3水量消耗及平衡分析
月產能為100kSheet的8.5代TFT-LCD生產線日用水量近3萬噸/天,雖然新鮮水折標準煤后僅占全廠綜合能耗的0.2%,但在電子行業中屬于水資源消耗量較大的項目,節約用水、提高水的重復利用率,是此類項目節能關注的重點。
TFT-LCD項目供水系統通常包括主要包括工藝用水、生活用水及輔助系統用水等,水源通常取自市政自來水管網,給水系統通常分為一般機電給水系統,包括加壓生活給水系統、熱水系統、回水系統、冷凝水回收系統、動力用冷卻循環水系統等;純水系統,包括動力設備用RO水、超純水供給工藝設備生產及化學品配置、純水回收及回用系統;工藝循環冷卻水系統;以及消防給水系統。
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,天然氣折標準煤比例不到1%,主要用于生產廢氣處理系統設備、燃氣鍋爐、以及職工食堂。氮氣是TFT-LCD項目消耗量最大的耗能工質,主要用于生產過程中保護氣體、反應氣體、載氣、以及破真空氣體。天然氣和氮氣的流向分析如圖8所示。
4、 TFT－LCD項目先進性評價能耗指標
能效水平或能耗指標是評價一個企業、項目或產品是否先進、是否節能的關鍵指標。與國內外同行業先進企業進行能效指標對標分析,是提高企業能源利用率、降低運行成本、提升經濟效益和競爭力的有效手段。
雖然我國TFT-LCD產業發展日趨成熟,但企業運行數據和能耗指標基本屬于商業機密,較難獲得也不宜對外公開。目前國家也尚未發布有關TFT-LCD行業能耗限額有關標準規范。
隨著我國關于固定資產投資項目節能評估的開展,目前全國有部分地區如北京、上海、南京等城市公布了產業/行業能效指南,對“電子器件制造”行業提出了參考指標,由于TFT-LCD項目的先進性和特殊性,上述指南中指標對此類項目基本不能起到較好的對標作用。根據TFT-LCD面板項目的生產特點,以及我院在顯示行業多年的設計經驗數據和產線調研結果,總結確立了評價TFT-LCD項目部分能效指標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、單位產值能耗、單位工業增加值能耗。
通常評價產品能效水平采用單位產品能耗,而TFT-LCD項目是以大片玻璃基板為原材料,根據產線世代和產品定位切割不同尺寸的顯示產品。即使相同的世代線,技術路線相同,由于其市場定位和產品方案不同,其最終生產的產品\\(模組\\)數量是不同的。因此為建立可比較的評價體系,TFT-LCD等平板顯示項目分析單位產品綜合能耗時,不以最終的產品數量為基準,而以年玻璃基板投入量即玻璃基板面積為基準,進行對標分析。表3總結出了目前國內TFT-LCD項目\\(α－Si,4次光刻\\)較為先進的能耗指標,可供此類項目節能評估和企業對標參考。
由于不同項目技術路線不同、生產工序不同,其能效水平的對標基準會有所不同,因此用能耗指標進行先進性評價時需要綜合考慮差異因素盡量折算成相同基準進行比較分析。
5、結論
TFT-LCD面板項目屬于高耗能產業,降低項目能源消耗,提高能源利用率對節約社會資源,降低企業運營成本有著重要意義。目前國內外還鮮有相關文章分析此類項目能源消耗特點,本文通過總結分析TFT-LCD項目能源消費結構和用能特點,找出重點耗能環節和耗能設備以及影響能耗的關鍵因素,提出能耗指標國內先進水平參考值。分析結果表明:電力是TFT-LCD項目消耗量最大的能源,約占全廠綜合能耗的75%以上,其中工藝生產設備電力消耗約占全廠用電的45%~50%,陣列為最主要的工藝耗能工序,廠務系統中冷水機組等動力設備是主要耗能設備;氮氣是消耗量最大的耗能工質,約占全廠綜合能耗的20%。項目設計、建設及運營過程可以針對主要用能環節和設備有的放矢的采取科學、合理、可行的節能措施和節能工程,或對既有項目進行能源消費結構優化,從而降低能耗和運營成本,對節約社會能源資源,實現地區節能目標,提升企業產品競爭力具有積極意義。
參考文獻:
[1]FPD制造,預測大陸顯示面板產能2016年超臺灣 .
