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BA在高等级实验室中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-08-08  来源:《电气&智能建筑》  作者:索特自控 宋静
1 前言
 
伴随着电子、制药、食品、生物工程、医疗等诸多领域的发展和进步,人们对实验室、洁净间等典型环境的气流控制要求也越来越高,因此,典型环境的气流控制已经成为影响这些行业发展的一个很重要的环节。而随着微生物制药的发展,国家对微生物及病毒实验室加大了投入力度,先后建设了一批高质量的高等级实验室。因此,如何控制好高等级实验室,实现高等级实验室的技术指标,是控制人员面临的问题。
 
高等级实验室控制的目标主要包括以下几个方面:
 
(1)房间压力控制
P3实验室必须保证室内负压,才能避免有害气体、病菌等外泄,以危及人类或造成污染。
 
(2)空调机组及排风机控制
空调机组及排风机变频运行的稳定性将直接影响房间压力控制效果。
 
(3)安全可靠
对于P3实验室而言,因为有生物污染的风险,我们必须对通风柜、生物安全柜等设施进行精确可靠的气流控制,以保证室内环境的安全。
 
(4)节能
在商业建筑或者工业建筑中,空调设备比较多,空调的能源消耗一般会占到整个能源消耗的40%以上,因此,空调节能非常重要。而对实验室而言,更是如此。实验室多采用全新风系统,并且不间断运行,能耗巨大,节能意义重大。
 
(5)温湿度要求
实验室也必须达到温湿度的要求,为工作人员提供一个良好舒适的工作环境。
 
2 规定和要求
 
根据国标GB-19489-2008生物安全通用要求的规定,对于P3实验室的温湿度及压力梯度方面有如下要求。
 
(1)对于BSL-3实验室
 
根据《生物安全通用要求》,必须保证各实验室(操作通常认为非经空气传播致病性生物因子的实验室)核心工作间的气压(负压)与室外大气压的压差值应不小于30Pa,与相邻区域的压差(负压)应不小于10Pa;实验室(可有效利用安全隔离装置(如生物安全柜)操作常规量经空气传播致病性生物因子的实验室)各核心工作间的气压(负压)与室外大气压的压差值应不小于40Pa,与相邻区域的压差(负压)应不小于15Pa.
 
实验室防护区各房间的最小换气次数应不小于12次/h.
 
实验室的温度宜控制在18℃~26℃范围内。 
 
正常情况下,实验室的相对湿度宜控制在30%~70%范围内;消毒状态下,实验室的相对湿度应能满足消毒灭菌的技术要求。 
 
(2)对于ABSL-3实验室
 
适用于(操作通常认为非经空气传播致病性生物因子的实验室)和(可有效利用安全隔离装置(如生物安全柜)操作常规量经空气传播致病性生物因子的实验室)的动物饲养间的气压(负压)与室外大气压的压差值应不小于60Pa,与相邻区域的压差(负压)应不小于15Pa;适用于不能有效利用安全隔离装置操作常规量经空气传播致病性生物因子的实验室。的动物饲养间的气压(负压)与室外大气压的压差值应不小于80Pa,与相邻区域的压差(负压)应不小于25Pa.
 
(3)对于中央监控系统
 
中央控制系统可以实时监控、记录和存储实验室防护区内有控制要求的参数、关键设施设备的运行状态;应能监控、记录和存储故障的现象、发生时间和持续时间;应可以随时查看历史记录。 
 
中央控制系统的信号采集间隔时间不超过1min,各参数易于区分和识别。 
 
中央控制系统能对所有故障和控制指标进行报警,报警区分一般报警和紧急报警。
 
《生物安全实验室建筑技术规范》(GB50346-2011)自动控制一节中,对三级和四级生物安全实验室的自控系统也有一定的规定。这些都是自控系统所要满足的规定和要求。
 
3 空调机组及排风机控制
 
对于高等级实验室,为了保证安全性,空调机组及排风机均有备用机组,在有些项目,空调机组为风机备用。当系统运转不正常时,备用机组能自动投入运行,同时发出报警信号。
 
对于实验室房间末端送风和排风均采用VAVBOX的系统,Sauter采用的空调机组及排风机的控制方案如下:
 
由设在送风总管上的风道静压传感器来调节送风机变频器的频率。当风道静压大于设定值时,适当降低送风机变频器频率,反之亦然。同理,由设在排风机总管上的风道静压传感器来调节排风机变频器的频率。按程序编制的时间和顺序或由中控室人工启、停风机;并与新风门的控制联动;正常运行时,先开水阀、风阀再开风机。停机时,先停风机连锁关闭风阀与水阀。
 
启动实验室通风系统时,应先打开排风阀,以较低的频率启动系统排风机,然后打开新风阀,启动送风机,最后同步提升排风机和送风机的频率。
 
关闭实验室通风系统时,应先关闭生物安全柜等安全隔离装置和排风支管密闭阀,再关实验室新风及密闭阀,关闭系统送风机,然后关闭排风阀,最后关闭排风机。
 
备用送风机切换:当送风系统中的一台送风机出现故障时,排风机根据送风静压值的逐渐减小来逐步降低频率,同时打开备用送风机两端电动密闭阀,启动备用送风机,并关闭故障送风机两端电动密闭阀,送风机频率增加的同时增加排风机的频率,达到设定风压后恢复自动运行。
 
备用排风机切换:由于排风机采用双机热备运行模式,当排风系统中的一台排风机出现故障时,送风机停机或降低频率,另外一台备用排风机频率立刻升高并正常运行后,送风机频率恢复正常。
 
备用风机的切换过程,应尽量保持风道静压波动变化不超过VAVBOX的正常工作压力范围,因为VAV控制器和VAVBOX是压力无关型的,只要在正常工作压力范围内,风量的调节不受风道静压变化的影响,末端房间都可以作为单元,独立根据房间压力变化而调整送风或排风量。
 
根据送风温(湿)度与设定值的偏差,通过在现场控制器内置的PID控制算式,调节预热/冷水/热水盘管/蒸汽加湿器/电再热的开度,保持被控温(湿)度在要求的控制范围内。
 
通过监测典型房间的温湿度,对送风温湿度的设定值做偏置。
 
4 实验室区域解决方案
 
4.1 房间压力控制(见图1)
 
对于负压实验室,控制最核心的目标就是有效保证房间或者相关区域的压力梯度,实现不同区域间的合理气流方向和压力分布。对于生物实验室等房间,通常要实现负压控制,以避免病毒或者有害气体的外泄。
 
作为一家根植于生命科学行业的自控厂商,Sauter的压力控制方案独树一帜,独特的压力控制解决方案保证了房间的有效控制。该方案为快速响应的串级控制策略,即以余风量控制为核心,并通过压差进行偏置。Sauter的控制方案是余风量控制法加房间压差再设定的串级控制法,控制策略主要体现为以下两点。
 
余风量控制(Air Flow Tracking):室内送风量与排风量之间保持一定的风量差(ΔV),会产生一定的压差。通过调节送风量或排风量,动态地达到平衡,使送风量和排风量之间保持恒定的风量差,从而维持恒定的压差。即室内送风量与排风量之间保持一定的风量差(ΔV),会产生一定的压差。通过调节送风量或排风量,动态地达到平衡,使送风量和排风量之间保持恒定的风量差,从而维持恒定的压差。采用余风量控制作为基本控制回路,即送风量SA、排风量EA保持一定的差值。当送风量SA>排风量EA时,室内保持正压;当送风量SA<排风量EA时,室内保持负压。
 
压差偏置(Differential Pressure Offset):房间泄漏发生变化时,比如开门,根据压差实测值与设定值的偏差,压差控制器对排风量/送风量进行再设定,最终使压力快速达到设定值。监测房间压差及相对房间压差,穿透防护屏障的室内压差传感器采样管配备与HEPA过滤器过滤效率相当的过滤装置。
 
4.2 包含有排风柜的房间压力控制(见图2)
 
对于生物实验室,典型的应用就是房间既有通风柜或生物安全柜,又有辅助的排风以及送风,同时还有万向抽气手等装置。从控制上来讲,我们既要保证房间的负压要求,也要保证房间的换气次数要求,当然也要保证房间的温湿度要求。
 
为保证房间的最小换气次数,排风柜VAV控制器将其风量变化信号传输给辅助排风VAV控制器,辅助排风VAV控制器根据设定风量调节排风量。与此同时,所有排风风量进行叠加,将排风总风量变化信号反馈给送风VAV控制器,送风VAV控制器对送风量进行快速调整,使得送风量与排风量始终保持一定的差值,从而保持房间压力。
 
Sauter的VAV控制器为一体化设备,既能够测量风量,又包含了控制器以及执行器的功能。其风量检测误差小于等于1%,执行器的全行程运行时间为3s.Sauter专用一体化高速VAV控制器和房间压力控制器实现了房间压力的控制,充分地满足了对响应速度敏感的房间压力控制要求,典型房间参数历史数据趋势(见图3),压力平稳且反应迅速,控制结果令人满意。
 
以某个BSL-3实验室为例,有两组排风,两组送风,还有生物安全柜。根据房间的换气次数,计算出房间需要的总排风量,总排风量减去生物安全柜排风,即为房间辅助排风风量设定值;辅助排风快速一体化VAV控制器根据该设定值,并与监测到的排风量实测值比较,PI调节排风VAVBOX开度;将所有的排风风量叠加,送风快速一体化VAV控制器根据预设的送排风总风量差计算出送风风量设定值,并与监测到的送风风量实测值比较,PI调节送风VAVBOX的开度;同时监测房间压力,当房间压力与设定值存在偏差时,修正送风风量设定值。控制原理如图4所示。
 
4.3 控制方案举例(见图5、图6)
 
以某BSL-3实验室为例,当工作人员从二更进入到缓冲,二更和缓冲之间的门打开,缓冲和二更的房间压力发生变化。此时,以缓冲间举例,缓冲间为定排变送,为了保证在开门过程中气流方向的正确,需减小房间送风量,但减小风量有限定值(该限定值为根据ASV控制器的内置算法及现场实际情况确定的经验风量数值,如果该风量过大,关门后送风量的过大变化,会引起房间压力波动较大)。关门后,ASV控制器根据检测到的房间压差设定值-50Pa和实测值之间的偏差,运用其内置的专用算法减少送风风量,以使房间压力很快恢复到设定值-50Pa.把各个房间看成独立的单元,对二更进行同样的调节,二更为变排风,为了保证在开门过程中气流方向的正确,需减少房间排风量,但减少风量有限定值。关门后,ASV控制器根据检测到的房间压差设定值-25Pa和实测值之间的偏差,运用内置的专用算法减少排风风量,以使房间压力很快恢复到设定值-25Pa.
 
两个房间在压力均恢复到设定值后,当工作人员从缓冲进入到P3实验室,打开缓冲和P3实验室之间的门,缓冲和P3实验室的房间压力发生变化,此时,以P3实验室举例,P3实验室为变排变送,为了保证在开门过程中气流方向的正确,需减小房间送风量,但减小风量有限定值。关门后,ASV控制器根据检测到的房间压差设定值-75Pa和实测值之间的偏差,运用内置的专用算法减少送风风量,以使房间压力很快恢复到设定值-75Pa.把各个房间看成独立的单元,对缓冲进行同样的调节,缓冲为变送定排,为了保证在开门过程中气流方向的正确,需增加房间送风量,但增加风量有限定值。关门后,ASV控制器根据检测到的房间压差设定值-50Pa和实测值之间的偏差,运用内置的专用算法增加送风风量,以使房间压力很快恢复到设定值-50Pa.
 
4.4 与HVAC的联动控制(见图7)
 
对风道内的静压实施有效管理和控制;
  送排风的变频控制将根据风道静压通过PID运算后进行直接调节;
根据末端风量需求加权求和的结果,对房间送风静压进行偏置,在保证控制效果的前提下,达到最佳的节能控制。
 
4.5 房间压力控制基准压差参考点的配置(见图8)
 
房间压力是个相对值,如果压力基准选择不当,比如选择走廊等处作为压力基准,走廊的压力变化是会受到周围房间压力的变化而变化的,则此时房间压力的读数的准确性难以保证。因此需设置一个不会受到周围压力变化影响的参考点为基准点,所有被测房间的压力测量都以此参考点为基准,则可以保证房间压力读数的准确性。
 
Sauter独有的房间压力参考单元能够确保基准点压力的采集,从而保证了房间的压力梯度的稳定。
 
4.6 实验室其它部分控制
 
(1)浴室控制
 
所有浴室送风管道设的电加热器均为无级控制,可以根据房间温度进行调节,设无风断电、过热保护,并监测运行状态、手自动状态。开关调节可在房间内实现,并设就地的触摸屏来设置室内温度的设定值。
 
(2)送风高效过滤器风口
 
高效过滤送排风口配置连续差压阻力监测,在靠近污染的一侧传感器上加装与高效过滤器过滤效率相当的过滤装置。
 
(3)袋入袋出过滤器监视
 
防护区房间风口设置袋入袋出过滤器,袋入袋出过滤器每级配连续差压阻力监测,在靠近污染的一侧传感器上加装与高效过滤器过滤效率相当的过滤装置,袋入袋出过滤器前/后的密闭阀开关控制及状态反馈。
 
(4)密闭阀控制
 
在送、排风支管上安装密闭阀。在正常运行工况下,密闭阀处于打开状态,当实验室进行消毒工况时,密闭阀关闭,在实验室内部进行密闭消毒。
 
(5)气密门的监测
 
气密门连锁门禁系统,紧急疏散时就地强行断电解锁,BMS系统检测气密门的开关门状态。气密门有工作、消毒、检修三种工作模式:工作状态下各门互锁;消毒状态下核心实验室内部无人气密门应为关闭状态;核心实验室直接对环廊的设备门只有在检修的情况下才可从内部开启。根据不同的工作状态,BMS系统来判断气密门的状态是否正常,如若出现故障立即报警。气密门自带控制系统,BMS系统可通过通讯的方式集成气密门系统,并监测气密门故障、漏气、压力不足等报警信号。
 
压紧式气密门设备与门禁系统通过硬接点连接,位于压紧式气密门设备箱,信号通过设备箱反馈至楼宇自控。压紧式气密门之间的互锁由门禁系统控制,压紧式气密门之间相互独立。压紧式气密门为楼宇系统提供如下接口:压紧式气密门反馈门状态信号,开关状态;压紧式气密门的紧急按钮被触发时,反馈给楼宇自控;压紧式气密门反馈故障信号给楼宇自控。
 
5 结论
 
要保证合理的气流组织、达到净化和工艺的要求,必须对典型区域进行压力控制。例如洁净厂房必须保持一定的正压使外界未经净化的空气不会进人洁净区域,保证洁净的级别。在高等级生物实验室,我们必须保证实验室负压,这样才能避免实验室产生的有害气体流入临近的办公区域,造成污染。因此,应才采用行之有效的控制方案,以实现高等级实验室的技术指标要求。
 
参考文献
1 《生物安全通用要求》(GB-19489-2008)
2 《实验动物设施建筑技术规范》(GB-50447-2008)
3 《药品生产质量管理规范(2010年修订)》
 
 
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