Chemie

Hochverfügbare Druckluft

Siltronic produziert Waferscheiben aus reinstem Silizium
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Die Siltronic AG, München, fertigt am Standort Freiberg/Sachsen Wafer aus reinstem Silizium. Im Juni 2004 wurde ein neuer Werksbereich für die Herstellung von Wafer-Scheiben mit 300 mm Durchmesser in Betrieb genommen. Für ihn wurde auch eine zusätzliche Druckluftstation realisiert. Die maßgeschneiderte Referenzanlage produziert mit drei CompAir-Schraubenkompressoren absolut öl- und silikonfreie Druckluft mit höchster Reinheit und einer kaum mehr zu überbietenden Versorgungssicherheit.

Norbert Barlmeyer

„Wir benötigen die Druckluft u. a. zum Reinigen der Wafer und in Reinräumen, für die Lagerung an hochdrehenden Maschinen, als Steuerluft und als Hilfsenergie für viele Automatisierungsprozesse. Diese Verbraucher versorgen wir über ein Steuerluftnetz mit Höchstdruck 7 bar und ein Arbeitsluftnetz mit 8,3 bar Höchstdruck“, erklärt Facility-Manager Uwe Großmann. Die Druckluft muss dabei folgende Kriterien erfüllen:
  • sie darf nur max. drei Partikel pro Kubikmeter enthalten
  • die max. Partikelgröße darf 0,3 mm nicht übersteigen
  • sie muss absolut ölfrei sein
  • sie muss absolut trocken sein (Drucktaupunkt -40 °C)
  • sie muss immer in ausreichender Menge mit einem konstanten Druck von 7 bar bei den Verbrauchern verfügbar sein
Bei der Planung der neuen Druckluftstation für die Werkserweiterung konnte man auf den Erfahrungen aufbauen, die seit 1992 bei der Erzeugung von Druckluft für das Stammwerk in Freiberg, sowohl mit der Firma D & A Energietechnik (Riesa) als Druckluft-Generalunternehmer, als auch mit CompAir als Lieferant von ölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren gewonnen wurden. Die neue Druckluftstation besteht in der 1. Ausbaustufe aus drei zweistufigen, ölfrei verdichtenden Comp-Air-Schraubenkompressoren (Typ D 250 RS, Nennleistung 300 kW, Leistungsaufnahme max. 282 kW). Diese ursprünglich nicht drehzahlgeregelten Anlagen des CompAir-Programms wurden in enger Zusammenarbeit zwischen D & A Energietechnik und CompAir kunden- und einsatzspezifisch zu drehzahlgeregelten Anlagen optimiert. Die Station soll später parallel zum Ausbau der Werkskapazität auf fünf Anlagen erweitert werden. Alle übrigen Komponenten sind bereits für die Endausbaustufe ausgelegt. Alle drei Kompressoren verfügen über eigene integrierte Steuerungen S7-300 zur Überwachung aller wichtigen Parameter, die über ein Profibus-DP-Bussystem mit einer übergeordneten Steuerung verbunden sind. Bei deren Ausfall werden die Kompressoren über die integrierte Steuerung der Einzelanlagen gefahren. Alle drei Verdichter können über Frequenzumrichter sehr feinfühlig und wirtschaftlich ohne Leerlaufzeiten im Leistungsbereich von jeweils 958 bis 2179 Nm³/h an den schwankenden Bedarf angepasst werden. Die Umrichter erhalten ihre Frequenzsollwerte durch die übergeordnete Steuerung (in Sonderfällen durch die anlageninterne Steuerung).
Einer in Reserve
Zunächst startet ein Verdichter. Bei einem Bedarf über 2179 Nm³/h wird die zweite Anlage aktiviert. Dann fahren beide Anlagen drehzahlparallel mit gleicher Liefermenge. Die dritte drehzahlgeregelte Anlage wird als Reserve vorgehalten. Über die Masterstation erfolgt ein automatischer Grundlastwechsel. Für höchstmögliche Sicherheit und Wirtschaftlichkeit wird der Höchstdruck der Station nicht am Eintritt in das Netz, sondern über den Durchschnittswert von zwei Messpunkten bei den Verbrauchern ermittelt (ein dritter Messpunkt ist redundant). Die Station wird im Normalfall mit einem engen Druckband nahe 8,5 bar gefahren, um Druckverluste im Netz auszugleichen. Die wassergekühlten Anlagen werden über einen offenen Kreislauf zurückgekühlt. Die Zuluft wird ganzjährig jedem Verdichter in getrennten, gegen Kondenswasserbildung isolierten Kanälen von draußen zugeführt. D & A hat die Gesamtstation bis auf den Kühlwasserbereich geplant und installiert und führt den Service durch. Das Rohrleitungssystem wurde in Zusammenarbeit mit dem Gas-Lieferanten realisiert.
Sorgfältige Aufbereitung
Für die Trocknung der von den Verdichtern gelieferten, feuchtigkeitsgesättigten Druckluft wurden zwei warmregenerierte Adsorptionstrockner mit extern erhitzter Ventilatorluft installiert (Drucktaupunkt -40 °C). Jeder Einzeltrockner kann die Gesamtmenge von fünf Kompressoren der Endausbaustufe trocknen. Ein Trockner ist jeweils aktiv, während die zweite Anlage im Stand-by vorgehalten wird. Beide Anlagen können aber auch parallel gefahren werden. Ein Vorfilter vor und ein Nachfilter nach jedem Trockner (mit Differenzdruckanzeige, Schwellwertüberwachung und Umgehungsleitung) filtern Staub und Schmutz und Trockenmittelabrieb aus der Druckluft aus. Taupunktmessgeräte hinter jedem Trockner und im Netz vor den Verbrauchern sorgen für hohe Sicherheit.
Reserve bei kurzem Stromausfall
Um eine durchgängige Versorgung zu gewährleisten, wird die getrocknete Druckluft zunächst in einem 10 m³ großen Behälter mit 8,3 bar gespeichert. In zwei weiteren 10-m³-Behältern wird Druckluft mit Höchstdruck 16 bar als Reserve bevorratet, die von einem kleinen ölfrei verdichtenden Kolbenkompressor nachverdichtet wurde. Mit dieser zusätzlichen, höherverdichteten Reservemenge können Stromunterbrechungen bei der Drucklufterzeugung von max. zwei Sekunden überbrückt werden, um das Risiko von Kompressorabschaltungen z. B. durch Blitzschlag oder bei externen Schaltvorgängen im Versorgungsnetz zu überbrücken. In dieser Stromlücke speisen die zwei 16-bar-Behälter sofort druckreduziert in das Produktionsluftnetz ein. Mit dem Wiederbeginn der Stromversorgung startet sofort der Reserve-Kompressor, da sich die abgeschalteten Kompressoren noch in der ca. 7 Sekunden dauernden Auslaufphase befinden. Danach startet bedarfsabhängig zusätzlich zum bereits aktiven Reservekompressor der über die Grundlastwechselschaltung aktivierte Grundlastverdichter, die als Notkompressor zunächst gestartete Reserveanlage wechselt dann wieder in den Stand-by-Zustand. Für eine höchstmögliche Versorgungssicherheit z. B. während einer TÜV-Prüfung können die Aufgaben dieser drei Behälter (Druck 8,3 oder 16 bar) gewechselt werden.
Die ca. 35 °C warme Druckluft wird in einem wassergekühlten Nachkühler auf 22 °C (±2 °C) zurückgekühlt und passiert dann einen von zwei redundanten Feinstfiltern. Feuchtigkeitssensoren in diesen Filtern erkennen eine Leckage im vorgeschalteten wassergekühlten Wärmetauscher und informieren sofort die übergeordnete Steuerung, die auf den redundanten Filter umschaltet und die Kühlwasserzufuhr in den Wärmetauscher stoppt. Wenn im bisher redundanten Filter ebenfalls Feuchtigkeit gemeldet wird, schaltet die Station sofort ab.
Notversorgung in Extremsituationen
Der neue Werksabschnitt wird über ein Allgemeinluftnetz (Höchstdruck 8,3 bar) und Steuerluftnetz (Höchstdruck 7 bar) getrennt versorgt. Bei einem längeren Stromausfall (>2 s) erhält der Master-Kompressor sofort ein Notstrom-Signal. Der Drucklufteintritt in das Allgemeinluftnetz wird sofort geschlossen. Außerdem werden die zwei Kältetrockner abgeschaltet, da sie die Druckluft auch ohne Regeneration noch bis zu 36 Stunden lang trocknen können. Der für das ordnungsgemäße Abfahren der wichtigsten Produktionsvorgänge erforderliche Druckluftbedarf von 1400 m³ wird sofort aus den zwei 16-bar-Behältern entnommen und über zwei redundante Druckminderventile mit einem auf 7 bar reduzierten Druck ausschließlich in das Produktionsluftnetz eingespeist. Nach 30 Sekunden liefert außerdem ein inzwischen aktiviertes Notstromaggregat wieder Strom – allerdings nur für einen Kompressor, der dann mit reduzierter Liefermenge den planmäßigen Abfahrvorgang im 7-bar-Bereich sicherstellt. Sobald die Stromversorgung wieder durch das EVU erfolgt, schaltet die Station wieder auf Normalbetrieb um.
Übergeordnete Überwachung
Mit Ausnahme des kleinen Nachverdichters verfügt jeder CompAir-Verdichter und jeder Trockner über eine Einzelsteuerung mit Anzeige- und Bedienungstableau. Alle Komponenten melden zunächst an die übergeordnete Steuerung in der Station, wo sich auch alle Betriebsdaten ablesen lassen. Diese – ebenfalls redundant vorhandene – Managementzentrale berichtet dann an die zentrale Leittechnik, wo die aktuellen Ist-Zustände am Bildschirm angezeigt werden. Sollwert-Veränderungen lassen sich aber nur an der Managementzentrale in der Station oder an der jeweiligen Komponente vornehmen. Bei Ausfall, sowohl der Managementzentrale in der Station, als auch der übergeordneten Leittechnik, fahren die Verdichter sofort und automatisch autark über ihre eigenen Druckaufnehmer.
cav 402

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