新闻资讯

关注时事热点,掌握一手聚丰资讯

禀报下无尘车间的室内压差控制技术

1 压差控制于无尘车间中是一个十分重要的环节。

只透过对于净化区域的压差进行控制,保证合理的气流组织,便能达到净化与工艺的要求。例如洁净厂房必需保持一定的正压使外界不予净化的空气绝不会进人净化区域,保证洁净级别;并透过对于各净化区域的不同的压差控制,达到净化分区的作用,于GMP之中便要求不同净化级别区域的压差应得到控制绝不小于+5Pa。

于生物安全洁净室之中,压差控制尤为保证安全防护屏障的关键指标,于《生物安全实验室建筑技术规范》之中指出必需使实验室的负压梯度得到稳定可靠的控制。所以对无尘车间来说,压差控制是十分重要的。

压差控制于实现之中是较困难,特别是在生物安全实验室之中,要得到并且保持精确、稳定的压差对控制工程师而言必然是一件具有挑战性的任务。所以于设计压差控制系统时,必需要依据实际情况自下列几个方面进行分析与确定:

①风险分析评估;

②定风量系统与变风量系统选择;

③压差控制与余风量控制方法;

④控制信号和噪声的影响;

⑤制稳定性以及响应速度;

⑥建筑结构对于压差控制的影响;风管泄漏对于压力控制的影响。

最先,必需对于压差控制的风险进行分析,例如对高等级的生物安全实验室而言,由于它有生物污染的高风险,各种相关的标准均对于其有保持稳定负压梯度防止污染泄漏的严格要求,所以控制系统便必需能够稳定可靠的实现这样的控制目标。

 

 

2 压差控制方法

对压差控制系统来说,其所达到的结果实质之上是对于渗人或是渗出空气的控制,便其控制策略而言可分为被动式与主动式控制。

定风量(CAV)是一种被动式的控制方法,它使用手动风量调节阀,透过简单的送风与排风平衡,送风高于排风少(或是多)一定的量(余风量),来达到所期望的压差。于选择定风量这样的控制策略时必需认真的考虑,由于定风量系统有突出的局限性。

 

重要有以下几点:

(1)所有时间,设备必需保持恒定的送风量与排风量。

(2)绝不能有任何排风设备(例如生物安全柜等)增加或是减少,灵活性差。未来的扩展会因为系统容量限制因而受限。

(3)必需按照全负荷设计,要有比较大的余量来弥补因为过滤器等造成的送风与排风系统性能的下降,连续的全负荷运行使能耗极大,所以运行成本十分高。

(4)因为风机系统、过滤器系统等性能下降或是风阀位置改变等情况之下,系统常常要再次进行风平衡调试,需要大量的维护。

(5)因为于所有时间均是大风量运行,噪音会这么高。所以假如绝不能接受超过的局限性时,便绝不应选取这样的控制策略。目前,透过于送风管与排风管之上采用压力无关型的定风量控制装置(如文丘里阀)的定风量系统,于一定程度之上可以主动的、动态的调节流量,消除系统静压波动造成的对流量的影响,进而保证流量的恒定与控制的稳定。

变风量系统(VAV)是一种主动式的压力控制策略,它透过电动风量调节阀连续绝不断的对于送风量或是排风量进行调节,以此保持希望的压力。主动式的VAV压力控制方法可以分为两种:纯压差控制(OP)与余风量(亦称为流量追踪)控制(AV).

2.1纯压差控制方法

纯压差控制方法相对而言简单明了,其基本原理如图1。其控制原理为:压差传感器测量室内和参照区域的压差(OP),和设定点(乃期望的压差)比较之后,控制器依据偏差按照PID调节算法对于送风量(或是排风量)进行控制,进而达到要求的压差。可以看出,送风量(或是排风量)是压差(Δp)、设定点及PID常数(α,β)的函数。

另外一种相似的压差控制方法亦是依据伯努利原理,利用一个装于小管之内的风速探头,把小管置于洁净室和参照区间的开孔之中,因为洁净室之内和参照区的压力差把使空气自此小管之中流过,管之中的风速探头便可传感洁净室之内和参照区间的空气流速,进而依据伯努利原理利用风速计算出洁净室和参照区的压差,依据此压差信号,依照上述的方法,控制器对于洁净室的送风或是排风量进行控制,达到所期望的压差值,这样的方法称为“伪压差”控制方法。

2.2余风量(气流追踪)控制方法

洁净室的送风量和排风量间保持一定的风量差(称为余风量),必定会导致洁净室产生一定的压差。余风量(气流追踪)控制即控制系统实时测量风量(送风与排风量)变化,透过调节送风量或是排风量,动态的达到相应的风量平衡,使送风量与排风量间保持恒定的风量差,进而维持恒定的压差。

其基本原理见图2,控制系统利用气流测量装置实时测量送风量与排风量,排风量可以于排风主管之上测量,或是如图之中于各个单独的排风之上进行测量并且求和,控制器据此调节送风量,使其追踪排风量的变化,保持一定的余风量,进而达到所希望的压差值。可以看出余风量控制是一个开环控制系统。

于这里,余风量便是达到所希望压差时渗人或是渗出洁净室的空气流量(单位作为CFM )。负的余风量即总排风量大于总送风量,它把导致负压的产生,因而正的余风量亦是总送风量大于总排风量,它把导致正压产生。

于图2之中的风量等式之中,余风量是定值。但是于实际情况之下,它是变化的,例如当流量传感器发生偏移时,实际的余风量亦把发生变化。所以,应该考虑选择足够大的余风量来弥补因为围护结构气密程度、风管泄漏及流量测量装置精度误差等造成的影响。

上述的两种压差控制方法,于实际运用之中均必需依照预定的频率进行验证。例如对于余风量控制,每半年便应该进行对于设定的余风量进行校正。

2.3混合控制系统

因为生物安全等级3或是4级的生物安全实验室的研究与实验对象十分危险,实验室的压差控制及气流方向控制更为重要,必需确保压差与气流方向得到稳定可靠的控制。对这样压差控制十分关键的地方,采用纯压差控制与余风量控制两种方法混合的控制系统是非常好的选择,它可以确保对于实验室压差稳定可靠的控制。

一般的做法是采用余风量控制作为基本控制方法,除此之外加人压差传感器与控制器对于余风量控制系统的余风量进行设定。如果房间特性发生变化时,如风管的泄漏及围护结构的气密性等发生变化,余风量亦会发生变化(一般是变大),此时压差控制系统可以动态的计算出一个合适的余风量,以此保持稳定的压差控制。

除此之外,只要余风量增加到一个预定值时,系统把发出报警,此时可能需要对于流量测量装置进行校正,或是对于风管与围护结构的泄漏进行处理,使系统状态回到正常范围之内。所以这样的系统可以透过对于余风量的监视实现对于整个实验室的控制系统、风管系统、围护结构完整性的监视。

3 稳定性和响应速度

一般建筑技术构成的房间,它能够达到的控制压差大约为2. 5Pa,对测量来说这是一个十分小的压差(信号),一样对测量传感器的校正来说亦是十分困难的。因为门的开关、生物安全柜调节门的移动、人员的运动等很多因素造成的扰动(噪声)大约可达到25Pa。

所以对纯压差控制而言,其测量信号和噪声之比为1:10。这样的情形便如同测量一个湖泊的液位,要求精度于1厘米,因而湖泊的波浪反而有10厘米高,假如希望得到精确的测量值,便需要非常长的时间来平均波峰与波谷。于这样的情况之下,假如希望快速的响应便绝不可能保证精度,精度和速度(或是响应时间)是矛盾的。

对纯压差控制系统,响应时间一般要求于数分钟之内。所以,很多这样的控制系统均是牺牲稳定性来达到响应时间的要求,它于达到稳定控制以前需要于设定点邻近波动非常长的时间。不幸的是,系统达到稳定控制的时间常常高于扰动发生的频率长,所以系统可能终日均于波动,直到人员下班、工作结束,不必有扰动发生,系统便能够达到稳定状态。

对“伪压差”控制系统,其测量对象是空气流速,它相当在纯压差控制越来越稳定、越来越快速一些,由于流速信号与噪音信号是和动压的开平方成比例关系,它约能够将信号和噪声高于提高到1:3。可以看出,测量对象的简单改变便可以大幅改善系统的J性能。不过,即便如此,噪音依然达到了信号的3倍,如果扰动发生之后,控制系统仍然需要超过60秒超过的时间达到稳定输出。需要注意的是,因为测量气流速度需要于房间和参照区域开孔,所以这样的控制系统对很多场合的应用是绝不允许的,例如对洁净度有比较高要求的场合,或是高等级的生物安全实验室亦绝不应使用。

对压差与“伪压差”系统来说,于某些条件之下会造成严重的压力问题,如于进行负压控制时,如果洁净室门打开时,所有的测量信号如压差与流速均会消失。尽管一些控制器有依照预定时间锁定输出的功能来弥补这样的问题。

不过,如果门长时间打开时,压力控制系统便会关闭送风,以期使房间回到负压的设定点。此时,空气把会自过道(或是相邻区域)遭吸人打开的房间,过道(或是相邻区域)的压力必定下降。因而假如其他洁净室亦是使用过道(或是相邻区域)作为压差参照点,那麽其他洁净室的压差控制器亦把关闭送风,从此发生连锁反应,越来越多的空气遭自过道(或是相邻区域)吸入洁净室排走,测量压差值始终绝不能达到设定,因而实际压力反而于急速下降。一样对正压控制亦会产生类似的问题。

可以想像,这把会造成整个洁净室严重的压力问题。或许,对那些绝不要求严格房间压差控制,或是风险评估对于稳定时间及稳定性没有比较高要求的设施,并且于HVAC系统设计之中采取了措施(例如采用双门互锁的缓冲栋进行隔离)能够避免如上述问题发生的情况之下,采用纯压差控制亦是可行的。

相对而言,余风量(或是流量追踪)控制系统的信号测量是采用流量测量装置对于送风量与排风量进行测量。因而送风量与排风量一般均是较大的测量值,于这样的情况之下,例如信号测量为1000CFM,因而噪声(各种扰动)大约能达到1000FM,信号噪声高于可以高达10 : 1。

所以,于这样的情况之下,系统可以达到非常高的精度、非常高的稳定性及十分迅速的响应。所以于对于压差控制有比较高要求的运用之中,一般均推荐或是要求使用这样的控制方法。

对余风量控制系统来说,无尘车间里面的流量测量装置是影响系统性能的关键装置。一般常用的流量测量装置作为热线风速传感器阵列与毕托管阵列。这样的流量测量装置有非常高的精度.然而只要有颗粒附着或是堵塞于传感器之上,或传感器受到腐蚀的影响时,其测量便会发生非常大的偏差。对毕托管阵列,也必需注意其于低风速时有非常大的测量误差,因此应考虑其应用范围。流量测量装置的安装位置一样亦需要严格依照其技术规格的说明进行选择,的话一样会造成测量的误差。

此外,于目前有一类流量控制装置出现于很多运用之中。它是一种线性的、压力无关的风量调节阀,能够依据阀门位置提供相应流量反馈信号(例如文丘里阀),其标定与校正于出厂时已改由专业供货商完成。相当在单纯的流量测量装置,这种装置功能更为的集成,它于进行流量控制的同时能够进行流量测量。于实际使用时,这种压力无关装置的流量反馈精度,一般采用备份的流量测量装置进行验证。当前这样的压力无关型风量调节阀,已于很多要求比较高压差控制之中取得了成功的应用。

4 影响压差控制的其他因素

建筑技术对于压差控制的性能与效果有非常大的影响,绝不密闭的围护结构非常难建立起稳定的压力梯度。它需要有非常大的余风量便能弥补很多的泄漏,如果使用非常大的余风量时,把往相邻空间之中抽取(或是排出)大量的二次空气,所以可能会造成温度、湿度控制的问题。所以必需使洁净室有一个密闭的围护结构,便能保证相应的压差与合理的气流方向。

风管的泄漏亦会对于余风量控制的精度与性能造成影响。假如于流量测量装置与洁净室围护结构间,有空气泄漏出风管或是进人风管,把会造成流量测量的误差进而引起压力控制显著的偏差。假如是于定压系统之中,这个误差相当恒定;但假如无尘室洁净系统的静压是波动的,这个误差亦把会波动,所以控制系统十分无法采取技术措施消除这样的误差,进而造成控制性能的恶化。

所以,必需要求对于送风与排风管道进行泄漏检测,允许的最为大泄漏率最为大绝不应超过0.5%(具体见洁净空调专业设计要求)。

0

禀报下无尘车间的室内压差控制技术