及早型偵煙器功\能性設計測試
2003/1/22

文/黃建彰、陸忠憲、蘇恆立、吳博文、朱盛宏、Vincent DeGiorgio

環安中心及美國TRC公司合作進行及早型偵煙器功\能性設計測試,參加測試者包括Visual System公司之VESDA產品、Kidde-Fenwal公司之HSSD產品、Notifier公司之VIEW產品、SIEMENS公司之Cerberus產品,本文詳述其模擬、評估及驗證之過程與結論,值得參考。


測試緣起
1999年8月吳博文博士研擬「半導體廠消防安全功\能性設計計畫書」獲得新竹科學園區某半導體廠風險管理部支持,雙方依據美國防火工程協會(SFPE)出版的“Engineering Guide to Performance-Based Fire Protection Analysis and Design”一書中所提供的功\能性設計流程,套用半導體工廠火災警報系統與火災抑制系統兩個載具,經過一連串的模擬、評估及驗證,期使廠房在意外發生時,消防系統能發揮最大的功\能,避免意外發生的機率與意外發生後的災害損失。在火災抑制系統功\能性計畫部份,由工研院及美國休斯(HAI)公司共同執行。本文因篇幅因素僅討論火災警報系統,這一部份研究由工研院及美國TRC公司Vincent DeGiorgio共同合作。Vincent DeGiorgio為著名FM7-7作者之一,今年返回FM服務。



相關Stakeholder(例如Fab Management、Risk Management、Maintenance Personnel、Emergency Response Team、Insurance Company & Broker)針對計畫目的提供寶貴建議。例如,及早型偵煙警報系統的誤警率(False Alarm)與定址能力一直為高科技廠人員所困擾。透過實際的放煙測試與電腦數值模擬的分析,不想要的誤警率(Unwanted Alarm)不會超過1%,感測器反應時間需在120秒以內;不增加額外設備成本的情況下,利用BS6266熱線放煙實驗建立的資料庫來加強系統定址能力的不足,達到早期發現早期預防的萬全準備。



未來新建的廠房在火災警報與抑制系統的有效性分析上,可利用功\能性設計(Performance-Based Design, 簡稱PBD)的方法,評估系統的能力,找出工廠所能承受的最大災害程度,透過有效的工程控制降低意外發生時的損害。



雖然現有及早型偵煙器有六種,在1999年底我們接洽國外原廠工程師願意來台灣參加測試共四家,分別是Visual System公司產品VESDA、Kidde-Fenwal公司產品HSSD、Notifier公司產品VIEW、SIEMENS公司產品Cerberus。及早型偵煙器佈點最佳化設計(包含點數、位置、施工、調整)皆由原廠免費提供及實作,本研究感謝上述廠商熱情協助,為避免商業利益衝突或競爭,本研究內容僅以符號代表。




功\能性設計流程簡介











依據上述流程(功\能性設計詳細流程可參考前述SFPE之出版品)本計畫範圍、設計目標、設計目的及設計性能基準如下表所示:






計畫範圍










































計畫範圍 設計目標 設計目的 設計性能基準
決定那種高靈敏度的偵煙系統能滿足功\能性的設計標準及提供符合公司成本效益的潔淨室保護。 系統誤警(False
Unwanted
)最少
偵煙系統的設計、安裝、安排和操作應使系統誤警的可能性最低,此誤警會造成潔淨室人員的疏散    避免誤警,系統設計應要有豐富經驗、可信賴度;操作經驗應使得任何警報情況下不能有1%的誤警發生
系統應在火災潛伏期就能作動 避孕潔淨室、生產機台和製程煙損,偵煙系統應通知有火災潛伏期的狀況發生 應於火災潛伏期的120秒內通知有煙產生
系統能指出產生煙的位置 緊急應變小組能迅速發現產生煙或火的的位置 偵煙系統應能提供半徑10公尺範圍內的煙或火的的位置
偵煙設備的安裝應對操作的衝擊性最小 偵煙設備的位置應不能影響潔淨室的作業或正常的維修活動 偵煙設備的位置應為所有相關人員所接受(stakeholders)
系統設計和安裝應符合成本效益 系統設計和安裝應符合成本效益使系統能提供高靈敏度的早期偵煙警告 推薦使用的偵煙系統的成本應比現行所使用的成本更具競爭力
系統的維修不應過多 系統的維修需求應符合成本效益和合理性及NFPA72 維修需求不應超出NFPA72的規定







發展可能發生事故之情境(Design Fire)
發展火災劇本(Fire Scenario)除了充分瞭解潔淨室特性外,仍然需要進行其他分析研究。包含:


(a).國內外法規與標準的探討-比較條例式法規要求


(b).潔淨室意外的歷史經驗研究-最嚴重損失(包含次數及後果)範例


(c).SEMI S14的風險評估標準-潔淨室內使用的材料與化學物質特性分析


(d).機台起火的評估分析-電氣火災及化學火災適用性


(e).UL的材料測試報告-電腦模擬輸入數據


(f).偵煙系統的特性與型態-市售及早型偵煙系統功\能基本資料調查



最後歸納出下列兩個火災劇本:


1. 半導體製程機台因一個元件、子系統或工程控制失效,會造成其可燃性材質(如機殼、電線、電路板等)起火,像濕式清洗機台,此潛伏期的火勢成長非常緩慢,會發生有冒煙的悶燒及看不見的燃燒自燃性和可燃性氣體或液體的起火和外洩。


2. 可燃性的濕式清洗機台或其他製程機台發生電器起火時,剛開始幾分鐘內的火災成長速率很慢,這段時間的迅速偵測發現是很重要的。


發展試驗設計(Trial Design)
●試驗設計1:
分別測試安裝在冷盤(dry coils)前和夾心層(waffle slab)下方的偵煙系統。



●試驗設計2:
分別測試安裝在冷盤(dry coils)前和高風險的製程機台內的偵煙系統。


評估試驗設計(Evaluation of Trial Design)
現場放煙測試

參照BS6226標準進行測試,本計畫設計一個電流輸出18安培、電壓6伏特的電源供應器,將測試的電線通電3分鐘,使其冒煙,同時偵煙系統監測5分鐘,紀錄是否有煙的產生。



實驗結果摘要

本實驗對安裝在冷盤(dry coil)前和夾心層(waffle slab)下方的偵煙系統進行放煙測試,實驗參數有電線長度與放煙距離。初步實驗結果:各家偵煙系統反應時間從40秒到130秒不等(不包含沒反應之系統)。



計算流體力學分析

假設採樣孔角度為0度,計算結果顯示FFU的平均下吹速度為0.1 m/s時,煙粒子從起火源到Dry Coil前的採樣管路所需的時間約44秒,如FFU的平均下吹速度為0.2 m/s時,時間縮減一半約22秒。因CFD模擬時,除起火源的設備外,並無考慮其他製程機台,所以煙粒子未受到太多阻礙,計算的時間比實際放煙測試的反應時間為短。



實驗與電腦模擬結果(CFD)略有差異,例如實驗時並非立即產生煙,電線通電後約10~30秒的時間才有煙的產生,CFD模擬時係假設一開始即有煙粒子釋放出,因此會有時間的延遲。此外CFD只能知道第一批煙粒子到達的時間,不包含管末至主機流動時間。

偵煙系統週期成本的研究(Lifecycle Cost of Ownership Study)

相關人員進行上述偵煙系統使用週期成本的問卷調查,問卷調查的題目如下:對每項的重要性評分,分數從0到10,發出50份問卷,有效回收26份,統計結果如下表:






調查問題






































































 

調查問題



加權因子


1 偵煙系統的靈敏度範圍 8.7      
2 有完整與豐富經驗可預防誤警的作業系統 9.4      
3 安裝偵煙系統的成本 6.7     
4 偵煙系統的第三者認證 7.3      
5 偵煙系統的維修需求、頻率與費用 7.4      
6 系統的使用壽命 6.9      
7 系統設計、配置與安裝的彈性 8.1      
8 偵煙系統控制面板與潔淨室系統的整合 7.4      
9 安裝在潔淨室的偵煙系統的數量 6.5      
10 偵煙系統在潔淨室已運轉的時間 6.5      
11 廠商服務辦公室的數量與的可利用性 7.4      
12 廠商服務辦公室的地點與潔淨室位置的關係 6.6     






被訪問者仍有其他建議項目(例如環境腐蝕性、支援軟體之功\能等),於本研究暫時無法列入考慮。



系統安裝配置成本分析

不同系統必須安裝配置於考慮相同場所,例如潔淨室(Dry Coil & Waffle Slab)及高火災風險機台(例如Wet Benches、Wafer Stepper、Wafer Tracks、Dry Etcher、CMP、Furnaces、Ion Implanters、Metal Deposition、Stocker),成本分析以潔淨室(Dry Coil & Waffle Slab)為例,成本由$186,648 USD至$333,000 USD,所需費用幾乎相差一倍。






系統





































系統 成本
A 潔淨室$186,648 USD
潔淨室及高火災風險機台$157,656 USD
B 潔淨室$202,275 USD
潔淨室及高火災風險機台$190,500 USD
C 潔淨室$240,524 USD
潔淨室及高火災風險機台$108,016 USD
D 潔淨室$333,000 USD 
潔淨室及高火災風險機台$406,633 USD






偵煙系統使用週期成本的功\能性排序

就生命週期成本分析統計結果如下表所示。評估方法是先依每家廠商之系統滿足偵煙系統週期成本研究表之任一項目程度給予評分(最高四分最低一分),累計所有評分乘加權因子可以得到下列功\能性排序。







系統

























系統   分數
A   347.5
B   348.5
C   296.7
D   270.5








試驗設計的選擇
下表摘要四種高靈敏度的偵煙系統在:(1).試驗1(分別測試在冷盤前和夾心層下方的偵煙系統);與(2).試驗2(分別測試在冷盤前和高風險的製程機台內的偵煙系統)中,是否能滿足偵煙系統於火災潛伏期的120秒內,提供半徑10公尺範圍內偵煙確認位置之性能基準要求。其結果整理如下:






性能








































































































性能

A B C D
誤警的防止 Trial 1 Yes Yes Yes Yes
Trial 2 Yes Yes Yes Yes
120秒內通知 Trial 1 Yes Yes Yes No
Trial 2 Yes Yes Yes Yes
10公尺煙位置 Trial 1 No No Yes Yes
Trial 2 Yes Yes Yes Yes
偵測設備位置 Trial 1 Yes Yes Yes Yes
Trial 2 Yes Yes Yes Yes
系統成本 Trial 1 Yes No No Yes
Trial 2 Yes No Yes No
維修與服務需求 Trial 1 Yes Yes No No
Trial 2 Yes Yes No No







請注意上表關鍵參數是『120秒內通知』,這是增加成本也無法改善。但是,對於『10公尺煙位置』測試失效主要源於夾心層(waffle slab)下方佈點不足,每個偵煙器覆蓋\面積過大,經佈點密度修正後,這一項問題是可以用增加成本方式解決。


結論與設計建議
1.依據詳細測試結果發現原廠設計規範可能無法滿足本計畫設計性能基準,經過現場調整及測試,提出下列修正設計建議。

(a).各偵煙系統在Dry Coils前的採樣管路配置參考下表:






系統

























系統

佈點

A 採樣管直徑4~25mm,有22個2~3mm的採樣孔
B 採樣管直徑4~19mm,有20個2.8mm的採樣孔
C 六個採樣孔
D 採樣管直徑4~25mm,有26個3.6 mm的採樣孔






(b).各偵煙系統在Waffle Slab下方的採樣管路配置參考下表:






系統

























系統

佈點

A 採樣管間距2.1 – 3.4 m (6.9 – 11 ft.)
B 採樣管間距2 m (6.6 ft.) 
C 每個採樣孔涵蓋\9.3 m2 (100 ft2) 的面積
D 採樣管間距2 m (6.6 ft.)






2.部份主管曾質疑是否要斤斤計較120秒或150秒?是否額外花費100萬值得換取這30秒?核心問題是多少秒是基本要求的?這計畫最初設定目的(objectives)為10~20秒內定址能力30英呎內,很明顯地經過一個多月實驗發現:設定之目的(objectives)無法達到,經過反覆調整所能得到最好設計為120秒內通知且定址能力為提供半徑10公尺範圍內煙的位置。上述設計僅針對1999年底工程技術程度,不代表現有科技無法突破。



3.相對相關條例式法規要求,例如NFPA72要求管末點測試120秒內作動只是測驗系統本身靈敏度(也有人稱為冷測試),而無關偵煙有效性。BS6266標準提供不錯設計參考依據(A3標準允收條件為300秒,A4標準允收條件為180秒),但是BS6266標準是針對一般建築物而非高科技廠。不同公司應該有不同設計要求,一般而言,建議8吋以上半導體廠及第四代以上TFT-LCD廠潔淨室任何位置測試不超過120秒。



4.研究結果發現,採樣管上的採樣孔角度之有效性與風速有密切相關,採樣孔角度為0度時雖然不是最佳設計,但在潔淨室風速範圍(0.1m/s ~0.5m/s)內效率幾乎不受影響。因此建議採樣管上的採樣孔角度設為0度。



5.研究結果發現紊流為影響Waffle Slab下方的及早型偵煙系統有效性最主要因素之一,依據本個案研究結果建議採樣管路與Waffle Slab間的距離最好能保持在50公分,各公司換氣次數不同,覆蓋\率不同,上述結果略有不同。



6.依據本研究結果顯示,經過功\能性設計流程進行分析及現場測試,除一套系統無法滿足最初設定之基準外,其餘皆可達到設計目標及目的。


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