如何控制洁净室的压差

如何控制干净室压差如何控制干净室压差呢今天就以制药行业为例，来进展说明，制药企业HVAC(空调净化系统是保证药品质量关键系统之一，而压差控制在制药企业净化空调系统中是一个关键环节。例如无尘厂房必须保持一定正压使外界未经净化空气不会进人净化区域，保证干净级别;并且通过对各净化区域不同压差控制，到达净化分区作用。只有保证合理气流组织和对压差有效控制，才能到达GMP规定干净度要求和工艺要求。压差控制在实现中是比拟困难，特别是在生物制药平安实验室中，要得到并保持准确、稳定压差对于控制工程师而言绝对是一件具有挑战性任务。因此在设计压差控制系统时，必须要根据实际情况从以下几个方面进展分析和确定：①风险分析评估；②定风量系统和变风量系统选择；③压差控制和余风量控制方法；④控制信号与噪声影响；⑤制稳定性及响应速度；⑥建筑构造对压差控制影响;风管泄漏对压力控制影响。GMP第十六条规定：干净室(区)窗户、天棚及进入室内管道、风口、灯具与墙壁或天棚连接部位均应密封。空气干净级别不同相邻房间之间静压差应＞5Pa，干净室(区)与室外大气静压差应＞10Pa，并应有指示压差装置。为到达这一要求，制药企业生产必须设置HVAC系统。一、HVAC系统构成HVAC系统任务是保证干净室空气参数到达所要求状态，通常由通风系统、空气处理设备、冷源/热源、空调水系统及自控系统组成，其构造概况如下图。HVAC系统构造(1)通风系统：包括送风系统、回风系统及排风系统。(2)空气处理设备：利用物理方法对空气进展各种处理(净化、加热、冷却、加湿、除湿等)以到达规定状态。(3)冷、热源：冷源通常是各类冷水机组等制冷设备，其为空气处理设备提供7〜12℃低温水;热源通常包括电加热器、锅炉、热水及热泵机组等，为空气处理设备提供热量。(4)空调水系统：包括循环水泵及其管路系统。(5)自控系统：包括空气净化、温湿度控制、压差控制及平安、节能方面自动控制和调节装置。二、HVAC系统根本流程由于制药企业生产工艺特殊性及GMP要求，其HVAC系统工艺要求也有其特点，以保证生产区域空气干净度、温湿度、压差、风量、风速、微生物等技术要求，其与一般空调系统区别主要表达在空气过滤、气流组织、室内压力控制、风量能耗及造价等方面。室外大气（新风）通过送风管道进入空调机组，经过相应温湿度处理，并经过初、中效两级净化过滤，由送风机送入送风管道分配到各送风口（装有高效过滤窗进入生产区域，干净室设有回风口或排风口，一局部干净室空气经回风口回到空调机组再利用，另一局部经排风口由排风机排到室外。三、干净室压差控制为保证干净室在正常工作或空气平衡暂时受到破坏时，气流能从空气干净度高区域流向空气干净度低区域，使干净室干净度不会受到污染空气干扰，因此干净室必须保持一定压差。干净室压差值选择应适当，选择过小，干净室压差易被破坏，干净度受到干扰;选择过大，HVAC系统新风量增大，负荷增加，过滤器寿命缩短。因此，干净室压差值大小应合理确定。（对一般干净室为正压，生物学平安干净室为负压）干净室压差是由送入新风量大小来保持，即：压差建立根本原理是送风量大于回风量、排风量、漏风量之和，其中漏风量大小取决于建筑物维护构造密封程度，如门缝、窗缝、壁板拼缝、各种管线接口等缝隙，这些将影响到漏风量大小，使室内压差很难维持或不稳定。无论是全新风空气系统，还是循环空气系统，通过干净室送入风量与排风量和压差风量（余风量）之间到达平衡便建立了压差。对于干净室压差风量确定一般采用换气次数法和缝隙法两种方法，因缝隙法既考虑干净室围护构造气密性又考虑维持室内压差控制值所需风量，因此比换气次数法更合理准确。根据干净室维持压差值，其所需压差风量可按下式计算：Q=aN（q.L）式中Q--维持干净室压差值所需压差风量，m3/h;A--根据围护构造气密性确定平安系数，可取1.1〜1.2;Q--当干净室为某一压差值时，其围护构造单位长度缝隙渗漏风量，m3/h・m;L--围护构造缝隙长度，m。影响干净室压差波动因素：通常包括室外风压、风速变化;HVAC系统阻力变化;风管泄漏及干净室维护构造气密性变化等。干净室压差控制方法基于压差建立原理，对其影响因素进展有效控制或调节，以便保持干净室压差稳定。干净室压差控制方法分为人为干预调节和自动化控制。（1）定期检查并维护干净厂房围护构造气密性，尽量减少漏风量;定期清洗或更换过滤器，保证系统正常阻力。(2)回风口控制：是简单而又行之有效方法，通过调回风口上百叶格栅或空气阻尼层改变其阻力来调整回风量，到达压差控制目。因百叶调量不大，还会改变气流方向，所以这种方法只能是粗调。(3)余压阀控制：在干净室内有足够剩余风量时，可调节余压阀上平衡压块，改变其开度，实现压差控制。(4)调节回风阀或排风阀。(5)调节新风阀或送风阀。(1)传感器控制：通过相应传感器检测室内压差或送、排风管路压力或风流量，然后调整送风量或排风量，可以通过管路上电动阀门或风机转速(变频器控制风机)来实现，这是一种较准确自动控制，目前较多采用。(2)微机控制系统：包括直接数字控制系统和集散型控制系统，它们以微处理器为根底，实现了自动化监控，可以在满足系统平安运行及各项指标同时，更好保证工艺要求，最大限度实现节能控制。微机控制系统是将系统中传感器或变送器输出信号直接输入到微型计算机中，由微机处理后直接驱动执行器(电动密闭阀等)动作，实现干净室压差、温湿度、干净度等指标检测、控制及管理。四、结语新版GMP实施，其借鉴了国际先进标准和药品监管经历，更加注重科学性，其中着重细化了软件要求，在硬件上也提出了较高技术要求，尤其是关键干净设计原那么变化，压差及干净级别提高带来将是能耗增加，合理布局、减少穿插污染和确保能耗降到最低是改造关键，制药企业面临着更大机遇与挑战，计算机控制与网络技术势必会在HVAC系统运行及维护管理中大量应用。压差控制方法对于压差控制系统来说，其所到达结果实质上是对渗人或渗出空气控制，就其控制策略而言可分为被动式和主动式控制。定风量(CAV)是一种被动式控制方法，它使用手动风量调节阀，通过简单送风和排风平衡，送风比排风少(或多)一定量(余风量)，来到达所期望压差。在选择定风量这样控制策略时必须认真考虑，因为定风量系统有突出局限性。主要有以下几点：(1)所有时间，设备必须保持恒定送风量和排风量。(2)不能有任何排风设备(如生物平安柜等)增加或减少，灵活性差。未来扩展会由于系统容量限制而受限。(3)必须按全负荷设计，要有较大余量来弥补由于过滤器等造成送风和排风系统性能下降，连续全负荷运行使能耗极大，因此运行本钱非常高。(4)由于风机系统、过滤器系统等性能下降或风阀位置改变等情况下，系统经常要重新进展风平衡调试，需要大量维护。（5）由于在所有时间都是大风量运行，噪音会过高。因此如果不能承受以上局限性时，就不应选取这样控制策略。目前，通过在送风管和排风管上采用压力无关型定风量控制装置（如文丘里阀）定风量系统，在一定程度上可以主动、动态调节流量，消除系统静压波动造成对流量影响，从而保证流量恒定和控制稳定。变风量系统（VAV）是一种主动式压力控制策略，它通过电动风量调节阀连续不断对送风量或排风量进展调节，以保持希望压力。主动式VAV压力控制方法可以分为两种:纯压差控制（OP）和余风量（又称为流量追踪）控制（AV）.纯压差控制方法纯压差控制方法相对而言简单明了，其根本原理如图1。其控制原理为:压差传感器测量室内与参照区域压差（OP），与设定点（即期望压差）比拟后，控制器根据偏差按PID调节算法对送风量（或排风量）进展控制，从而到达要求压差。可以看出，送风量（或排风量）是压差（Ap）、设定点以及PID常数（a，0）函数。另外一种相似压差控制方法那么是根据伯努利原理，利用一个装在小管内风速探头，将小管置于干净室与参照区之间开孔中，由于干净室内与参照区压力差将使空气从此小管中流过，管中风速探头就可传感干净室内与参照区之间空气流速，从而根据伯努利原理利用风速计算出干净室与参照区压差，根据此压差信号，按照上述方法，控制器对干净室送风或排风量进展控制，到达所期望压差值，这样方法称为''伪压差〃控制方法。余风量（气流追踪）控制方法干净室送风量与排风量之间保持一定风量差（称为余风量），必然会导致干净室产生一定压差。余风量（气流追踪）控制即控制系统实时测量风量（送风和排风量）变化，通过调节送风量或排风量，动态到达相应风量平衡，使送风量和排风量之间保持恒定风量差，从而维持恒定压差。其根本原理见图2,控制系统利用气流测量装置实时测量送风量和排风量，排风量可以在排风主管上测量,或如图中在各个单独排风上进展测量并求和，控制器据此调节送风量,使其追踪排风量变化，保持一定余风量，从而到达所希望压差值。可以看出余风量控制是一个开环控制系统。在这里，余风量就是到达所希望压差时渗人或渗出干净室空气流量（单位为CFM）。负余风量即总排风量大于总送风量,它将导致负压产生，而正余风量那么是总送风量大于总排风量,它将导致正压产生。在图2中风量等式中，余风量是定值。但在实际情况下，它是变化，例如当流量传感器发生偏移时，实际余风量也将发生变化。因此，应该考虑选择足够大余风量来弥补由于围护构造气密程度、风管泄漏以及流量测量装置精度误差等造成影响。上述两种压差控制方法，在实际运用中都必须按照预定频率进展验证。例如对余风量控制，每半年就应该进展对设定余风量进展校正。混合控制系统由于生物平安等级3或4级生物平安实验室研究和实验对象非常危险，实验室压差控制以及气流方向控制更加重要，必须确保压差和气流方向得到稳定可靠控制。对于这样压差控制非常关键地方，采用纯压差控制和余风量控制两种方法混合控制系统是很好选择，它可以确保对实验室压差稳定可靠控制。通常做法是采用余风量控制作为根本控制方法，同时加人压差传感器和控制器对余风量控制系统余风量进展设定。当房间特性发生变化时，如风管泄漏以及围护构造气密性等发生变化，余风量也会发生变化（通常是变大），此时压差控制系统可以动态计算出一个适宜余风量，以保持稳定压差控制。同时，一旦余风量增加到一个预定值时，系统将发出报警，此时可能需要对流量测量装置进展校正，或者对风管和围护构造泄漏进展处理，使系统状态回到正常范围内。因此这样系统可以通过对余风量监视实现对整个实验室控制系统、风管系统、围护构造完整性监视。3、稳定性与响应速度一般建筑技术构成房间，它能够到达控制压差约为2.5Pa，对于测量来说这是一个非常小压差（信号），同样对于测量传感器校正来说也是非常困难。由于门开关、生物平安柜调节门移动、人员运动等很多因素造成扰动（噪声）约可到达25Pa。因此对于纯压差控制而言，其测量信号与噪声之比为1:10。这样情形就如同测量一个湖泊液位，要求精度在1厘米，而湖泊波浪却有10厘米高，如果希望得到准确测量值，就需要很长时间来平均波峰和波谷。在这样情况下，如果希望快速响应就不可能保证精度，精度与速度（或响应时间）是矛盾。对于纯压差控制系统，响应时间一般要求在数分钟以内。因此，很多这样控制系统都是牺牲稳定性来到达响应时间要求，它在到达稳定控制之前需要在设定点附近波动相当长时间。不幸是，系统到达稳定控制时间往往比扰动发生频率长，因此系统可能整天都在波动，直到人员下班、工作完毕，不再有扰动发生，系统才能够到达稳定状态。对于''伪压差〃控制系统，其测量对象是空气流速，它相对于纯压差控制更稳定、更快速一些，因为流速信号和噪音信号是与动压开平方成比例关系，它大约能够把信号与噪声比提高到1:3。可以看出，测量对象简单改变就可以大大改善系统J性能。然而，即便如此，噪音依然到达了信号3倍，当扰动发生后，控制系统仍需要超过60秒以上时间到达稳定输出。需要注意是，由于测量气流速度需要在房间与参照区域开孔，因此这样控制系统对于很多场合应用是不允许，例如对干净度有较高要求场合，或高等级生物平安实验室也不应使用。对于压差和''伪压差〃系统来说，在某些条件下会造成严重压力问题，如在进展负压控制时，当干净室门翻开时，所有测量信号如压差和流速都会消失。虽然一些控制器有按照预定时间锁定输出功能来弥补这样问题。然而，当门长时间翻开时，压力控制系统就会关闭送风，以便使房间回到负压设定点。此时，空气将会从过道（或相邻区域）被吸人翻开房间，过道（或相邻区域）压力必然下降。而如果其他干净室也是使用过道（或相邻区域）作为压差参照点，那么其他干净室压差控制器也将关闭送风，由此发生连锁反响，更多空气被从过道（或相邻区域）吸入干净室排走，测量压差值一直不能到达设定，而实际压力却在不断下降。同样对于正压控制也会产生类似问题。可以想像，这将会造成整个干净室严重压力问题。当然，对于那些不要求严格房间压差控制，或风险评估对稳定时间以及稳定性没有较高要求设施，并在HVAC系统设计中采取了措施（如采用双门互锁缓冲间进展隔离）能够防止如上述问题发生情况下，采用纯压差控制也是可行。相对而言，余风量（或流量追踪）控制系统信号测量是采用流量测量装置对送风量和排风量进展测量。而送风量和排风量通常都是比拟大测量值，在这样情况下，例如信号测量为1000CFM，而噪声（各种扰动）约能到达1000FM，信号噪声比可以高达10:1。因此，在这样情况下，系统可以到达很高精度、很高稳定性以及非常迅速响应。因此在对压差控制有较高要求运用中，通常都推荐或要求使用这样控制方法。对于余风量控制系统来说，流量测量装置是影响系统性能关键装置。一般常用流量测量装置为热线风速传感器阵列和毕托管阵列。这样流量测量装置有很高精度.然而一旦有颗粒附着或堵塞在传感器上，或传感器受到腐蚀影响时，其测量就会发生很大偏差。对于毕托管阵列，还必须注意其在低风