1 Optimization of chiller system's operating parameters through data analysis 吳孝修 台灣積體電路製造股份有限公司三廠 sswuc@tsmc.com
2 自我介紹 學歷 台北科技大學能源與冷凍空調工程系 交通大學機械工程所熱流組 經歷 台灣積體電路公司晶圓三廠工程師 2010~2017 證照 冷凍空調技師 國際專案管理師 (PMP)
3 廠務所佔耗能比率達 63%, 冰水系統佔全廠耗電 33% 冰水系統佔整廠耗能比率 能耗博拉圖分析
4 系統組織架構圖 沿設備曲線 變溫差變流量 冰機負載百分比控制 末端壓力控制 變頻控制變頻控制變頻控制變頻控制 5 MAU + - - + + - - + Fan Pre -heater Pre -cooling De-humidity Re-heater 9 12 PCW RAC / RCU AHU + - - + + - - + Fan Pre -heater Pre -cooling De-humidity Re-heater 冷卻水塔 冰水主機 一次冰水 Pump 二次冰水 Pump 空調負載
5 Cooling tower 運轉比較 固定溫度法 : 夏季因濕球溫度高, 導致冷卻水溫達不到需求而多耗功. 固定溫差法 ( 濕球溫度 +3 ): 冬季時水溫偏低而多耗功. 採智慧型變溫法 : 緊貼 C/T 運轉特性曲線運轉, 即時達到最佳節能控制. ( 遠優於定溫 / 定溫差控制 ), 冷卻水溫度 variable SP WB < 18, Set-point= 25 theory SP 18 < WB < 29, Set-point= 0.691xWB+12.195 WB > 29, Set-point= 32 Cooling Tower Operation Matrix 傳統控制模式 外氣濕球溫度 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Set-point 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 趨近溫度 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 外氣溫度 ( 濕球 ) Full capacity design : 37 inlet & 32 outlet temperature CT Power Saving FAC3 節能控制 2007 TSMC, Ltd 外氣濕球溫度 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Set-point 25 25 25.5 26.1 26.7 27.3 28.0 28.7 29.5 30.3 31.1 31.9 32.0 32.0 趨近溫度 8.0 7.0 6.5 6.1 5.7 5.3 5.0 4.7 4.5 4.3 4.1 3.9 3.0 2.0 外氣低溫 ( 冬季 ) 24 度以下, 冰機會低溫喘振 依外氣溫度調整設定 外氣高溫 ( 夏季 ) 非節能模式 96KW 節能模式節能 96KW (32.1%)
冷卻水溫差 T 6 CWP 最佳化運轉 傳統控制係以最簡易的定流量做為控制. F3 冷卻水泵之最佳化節能控制經由冷卻水溫作變流量控制. 進水低溫時 採大溫差 變流量控制 ( 泵浦相似定律 ) 依 Pump 運轉曲線, 自動控制 CWP 頻率 ( 最佳溫差設定值 ). 冷卻水量太高 CWP 運轉功率高, 浪費能源 冷卻水出水溫度過高 造成冰機效率差, 甚至造成冰機高壓偏高之風險 6.0 5.0 F3 CWP 變溫差 定流量 24 32 冷卻水溫度 CWP Power Saving Before CWP 定頻運轉 After CWP 降頻變流量 非節能模式 422KW 溫度差固定 (ΔT=5C) 溫度差隨冷卻水溫變化 (ΔT=5~6C) 節能模式 CWP Operation Matrix 節能 422KW (65.2%) Cooling Tower 出水溫度 ( ) 25 26 27 28 29 30 31 32 設定冷卻水溫差 T ( ) 5.72 5.64 5.56 5.49 5.41 5.33 5.26 5.18 2007 TSMC, Ltd 外氣低溫 ( 冬季 ) 依外氣溫度調整設定 外氣高溫 ( 夏季 )
7 CHP 最佳化運轉 傳統以簡易定流量方式作控制. 冰水泵之最佳化節能控制經由 Auto feedback 作變流量控制. 依照冰水主機負載進行頻率調變, 冰機負載增加則增加 CHP 運轉百分比, 冰機負載降低, 則降低 CHP 運轉百分比 進回水溫度差越高, 則 CHP 降頻幅度越高 將共通管流量控制為幾互靜止, 故使用端需要多少, 就提供多少流量 流量 :m2 T1 流量 :m1 T CHP Power Saving 非節能模式 CHP Hz = 60 P% T T 1 A B C 155KW 節能模式 其中 P%:(P1+P2+ Pn)/n 冰機負載率 T: 冰機設計溫差 T 1 : 冰水出回水溫差 A: 修正係數 2007 TSMC, Ltd 節能 155KW (39.9%)
8 冰水系統數據分析
9 Fit Module 多因子迴歸預估曲線 原冰機總秏電只參考外氣焓值 ( 熱含量 ), 回歸得 R 2 =0.95, 利用 Fit Module 多因子分析, R 2= 0.98, 可精準分析冰水主機系統用電基線 KW 實際焓值迴歸曲線 (R 2 =0.95) 多因子迴歸曲線 (R 2 =0.98) time 多因子迴歸模組程式冰水系統外氣變化 f 總耗量 = ( 焓值, 溫度, 露點 ) + f = + PCW / CDA f = f Tools. =
Distribution 依照次數 / 電量分佈決定冰機最佳運轉組合 KW Chiller 系統總用電量 vs. 外氣變化 依外氣條件將資料族群進行各別分析 既有操作模式 1. 依負載率來決定開啟數量 2. 單機效率來決定運轉順序 缺點未將系統變數納入考量, 如管路 溫度設定 10 每一點的資料同 依不同外氣時可分析冰機的運轉組合條件進行分析 2013/1~11 月運轉資料資料筆數 :2000 萬筆 Enthalpy 用電量分布 高 / 低耗能分布 運轉台數分布 運轉組合分布 比對各區分析結果 運轉台數建議 開機優先順序 KW Chiller 用電 vs 外氣變化 Bad 區 ( 用電量較高之 50%) 維持在低耗能區運轉 Good 區 ( 用電量較低之 50%) 次數 次數 運轉台數分布次數 3 4 5 建議開 3 台 台數 次數 次數 CH 7 Chiller 運轉組合 7>9>11>8>10>15 CH 8 CH 9 CH 10 CH 11 CH 15 編號 7>10>9>11>8>15 C-10 較 CH-8, 9, 11 先開 2007 TSMC, Ltd 資料筆數 :12 萬筆 2 3 4 台數 CH 7 CH 8 CH 9 CH 10 CH 11 CH 15 編號
運轉資料進行分析 _ 冰水主機組合 高耗電及低耗電時 Chiller 開啟的數量分布 最佳運轉台數 同運轉數量, 各 Chiller 落於高耗電及低耗電之次數 最佳運轉次序 11 外氣焓值 ~50 50-65 65-75 75~ 最佳運轉台數 2 3 4 5 建議運轉順序 CH-7 10 11 15 9 8 模組程式化導入 SI ( 建議台數 ) ( 耗電量 KW) 2007 TSMC, Ltd (Enthalpy)
流量 溫度差 伯努力及連續方程式得知管末等押差控制末等流量控制 1 V 2 gh P Const 天氣條件多變化, 非單一冬夏調整 2 P 1 18 Psi 夏天控制 2 P ( 2 2 P1 V2 V1 ) 2 T S 靜態變頻 15 Psi 12 Chiller T R P Heat Loading 12 Psi 冬天控制 負載變化曲線動態變頻 動態變頻 流量層別 : 比較一年四季每個月平均流量, 確認天氣越熱, 冰水流量越高溫度差層別 : 比較給個月溫度差分別為 W 型態轉換, 表示現場供應需求有過剩現象 8,000 6,000 流量趨勢 流量趨勢 8 7 溫度差 溫度差 4,000 6 5 2,000 0 天氣熱, 流量增加 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 4 3 趨勢 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 2007 TSMC, Ltd
13 供應壓力為主動控制參數, 回水溫度差為被動表徵, 藉由原理推估, 將被動化為主動 Before P 控制 供應流量過多 耗電量高 After T R -T S 控制 依現場用量供應 最省之用電量 當供應壓力固定 : 現場負載越低, 回水溫度越低, 溫差越高 溫度差 Before 供應壓力固定 進回水溫度差 當供溫度差固定 : 現場負載越低, 供應壓力越低, 溫差固定, 節能區間浮現 壓力差 After 進回水溫度差固定 Saving area 供應壓力變化 2007 TSMC, Ltd 高 現場負載 低 高 現場負載 低
14 T_Pri = TI02-5CHR - TI02-5CHS T_Sec = TI-5CR - TI01-5CHS Gap1 = SP- T_Pri Gap2 = SP- T_Sec +1 設置兩組進出水 Sensor, 並將其相減 避免反覆切換, 將 backup sensor group 進行 +1 度之動作 PV:TIC-SHCP678 = 選 Gap 小的溫差 (T_Pri or T_Sec) Fx = %OP:TIC-SHCP678 改為 0~36.0 數值 (PEU 指令 ) 限制 12.0~18.0 的數值 註 : 1. 紅色字 User 可調整 2. Select Sec. 要 trigger alarm 選擇 Gap 較小溫差, 使系統控溫為 pri, 且控制較為穩定 寫入 High low limit, 並丟出運轉百分比供給壓力迴路進行調壓設定 若 Bx=True 則繼續, False 就結束卡模式就可以 Fx = SP:PIC-SCHP678 結束
1 2 3 4 用電量分布 : 將冰水主機群組用電量, 進回水溫度差及外氣焓值採用分布圖 3D 資料分布, 尋找節能契機 切割焓質耗電 : 切割外氣焓值及耗電量關係, 確認外氣焓值越高, 耗電量越高, 每區段焓值有高低耗電量分布關係 切割溫度分布 : 切割個焓值區段的溫度分層, 將其溫度差切分為 5.0~6.0 五個區間進行解析 解析各溫度分布 : 檢查個焓值區段溫度分層溫度對應耗電量關係式 15 3D 分佈原始資料 SORTING by Enthalpy 焓值 冰機耗電量 冰機耗電量 外氣與焓質對應關係 高耗電區 低耗電區 2 2007 TSMC, Ltd 溫度差 1 焓值
16 R 2 最高 0.4 R 2 最高 0.4
3 SORTING by Diff. Temp T 17 冰機耗電量 區段焓質對應溫度差 最低耗電運轉點 5.8~6.0 最低耗電曲線 焓值區段 4 進回水溫度差 5.8~6.0 之間耗電量最低 回水溫差 5.8~6.0 之間耗電量最低 冰機耗電量 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 焓值區段 20~25 25~30 30~35 35~40 40~45 45~50 5000 4500 4000 3500 3000 2500 焓值區段 50~55 55~60 60~65 65~70 75~80 85~90 90~95 1000 50_52 52_54 54_56 56_58 58_60 2000 50_52 52_54 54_56 56_58 58_60 2007 TSMC, Ltd 溫度差區段 溫度差區段
流量 2007 TSMC, Ltd 溫度差 流量層別 : 修改前 :5558CMH, 修改後 :5309CMH, 流量下降 248CMH, 溫度差層別 : 修改前 :5.61 度, 修改後 :5.87 度, 溫度差提升 :0.26 度 18 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 Avg:5558 CMH 流量趨勢 流量降低 : 248CMH 修改前 修改後 Avg:5309 CMH Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 8 7 6 5 4 3 Avg:5.87 度 溫度趨勢 溫度提升 : 0.26 度 修改 修改 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 耗電量層別 : 節能模式 :150kw, 正常模式 :194kw, 節省 pump 做功 :44kwh Fit module: 變壓差變流量 :-158kw, 定壓差定流量 :-16kw, 節省系統做功 :-130kw Avg:5.61 度 5C Pump 耗電量 正常模式 SCHP = 194kw Fit module 耗電量 SCHP = 150kw 節能模式 SCHP = 150kw 節能模式 變溫差變流量控制 -158 kw 定壓差定流量控制 -16 kw 變溫差變流量控制 -151 kw
19 供應 SCHP 耗電量明顯下降 冰水供應 目前下限值 白天熱焓增加, 供應壓力上升 夜晚熱焓下降, 供應壓力降低 再節能機會! 外氣焓值 白天白天白天白天 晚上晚上晚上
20 HWP Case
21 Background HWP 過往十年來為滿足冬季需求, 單一設定供應壓力 3 bar, 導致夏季供應水量過多, 造成能源浪費 15C CH01 10c 目前溫度 sensor 位置 CH13 Backup function Methodology HWP 供應為 MAU pre-heater & reheater 控制閥使用, 由於 pre-heater MAU 設定為進風 enthalpy 35kj/kg, 故當外氣 >35kj/kg 既不進行水溫加熱, 故可簡易使用 enthalpy 進行壓力調控 檢視溫差控制節能效益, 確認溫差反應直接反應現場需求, 故節省效益較 enthalpy 高出一些 OA enthalpy 35 > Close Return 29 C 溫差控制增設 Sensor &Location 需活水鑽孔 P 壓差 Supply 35 C
HWP: OA-Enthalpy Control Pressure Variation 22 Y2012~Y2016 (M3) PIC: 2.9~3.1 kg/cm2 ΔT: 3.0~5.2 C PIC: 2.5~3.1 kg/cm2 ΔT: 5.5~9.1 C PIC: 2.4~2.7 kg/cm2 ΔT: 4.5~6.8 C PIC: ~2 kg/cm2 ΔT: 5.5~6.5 C For OA Enthalpy >=40 kj/kg and PIC ~2.0 kg/cm2, ΔT ~ Optimum
Total HWP kw HWP: OA Enthalpy Control Pressure Setting At least for 78% of a year OA Enthalpy >=40kJ/kg Preheater consumption is almost negligible for OA Enthalpy >= 40kJ/kg 23 So, HWP pressure setting can be brought down to 2.0 kg/cm 2 Can have an annual cost savings of around 1.20 MNT$ 2007 TSMC, Ltd For OA-Enthalpy >= 40kJ/kg As is To be PIC 2.95 2.00 HWP KW 133 75 Savings (NT$) Base 1,219,558 PIC (mbar) PIC-OUTPUT (%) Hz HP (1 set) HWP total kw 100 60 200 298 3.05 78.3 47 96 143 2.98 76.9 46 91 135 2.65 71.1 43 72 107 2.49 70.9 43 71 106 2.00 63.0 38 50 75 350 300 250 200 150 100 50 HWP kw vs PIC-Output y = 0.0715x 2-5.6135x + 144.67 R² = 1 0 50 60 70 80 90 100 110 PIC-Output (%) System Performance Test over last 4 years: No impact due to PIC setting variation OA Enthalphy >=40 kj/kg Year Total Data Points Data points % Time Avg. PIC Avg. PIC-Output Avg. HWP kw (2 sets) 2016 (M1~M3) 13102 5896 45.0 2.95 76.3 132.8 2015 52202 43307 83.0 2.70 72.5 113.5 2014 52125 40947 78.6 2.21 65.9 85.4 2013 52556 41953 79.8 2.68 76.4 133.0 2012 52679 42226 80.2 2.98 83.9 176.9
HWP Pressure Setting and OA Data Distribution 24 Before After
25 供應 HWP 耗電量明顯下降