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洁净室技术中的压差控制

2006/5/25/15:43 来源:医药工程设计杂志

   2006年5月21日,在首届“中国制药设备质量信用及生产技术管理论坛”学术交流部分,来自华立控股医药集团公司的包来根先生参照下文重点介绍了洁净室技术中的压差控制问题。

制药设备

华立控股医药集团公司包来根先生在论坛现场讲解洁净室技术

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    1、概述

    压差控制在净化空调系统中是一个非常重要的环节。只有通过对净化区域的压差进行控制,保证合理的气流组织,才能达到净化和工艺的要求。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净化区域,保证洁净级别;并且通过对各净化区域的不同的压差控制,达到净化分区的作用,在GMP中就要求不同净化级别区域的压差应得到控制不小于+5Pa。在生物安全洁净室中,压差控制更是保证安全防护屏障的关键指标,在《生物安全实验室建筑技术规范》中指出必须使实验室的负压梯度得到稳定可靠的控制。因此对于净化空调系统来说,压差控制是非常重要的。

    压差控制在实现中是比较困难,特别是在生物安全实验室中,要得到并保持精确、稳定的压差对于控制工程师而言绝对是一件具有挑战性的任务。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行分析和确定:
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控制信号与噪声的影响;
⑤制稳定性及响应速度;
⑥建筑结构对压差控制的影响;风管泄漏对压力控制的影响。

    首先,必须对压差控制的风险进行分析,例如对于高等级的生物安全实验室而言,因为它有生物污染的高风险,各种相关的标准都对其有保持稳定负压梯度防止污染泄漏的严格要求,因此控制系统就必须能够稳定可靠的实现这样的控制目标。 

    2、压差控制方法

    对于压差控制系统来说,其所达到的结果实质上是对渗人或渗出空气的控制,就其控制策略而言可分为被动式和主动式控制。

    定风量(CAV)是一种被动式的控制方法,它使用手动风量调节阀,通过简单的送风和排风平衡,送风比排风少(或多)一定的量(余风量),来达到所期望的压差。在选择定风量这样的控制策略时必须认真的考虑,因为定风量系统有突出的局限性。主要有以下几点:
(1) 所有时间,设备必须保持恒定的送风量和排风量。
(2) 不能有任何排风设备(如生物安全柜等)增加或减少,灵活性差。未来的扩展会由于系统容量限制而受限。
(3) 必须按全负荷设计,要有较大的余量来弥补由于过滤器等造成的送风和排风系统性能的下降,连续的全负荷运行使能耗极大,因此运行成本非常高。
(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,系统经常要重新进行风平衡调试,需要大量的维护。
(5) 由于在所有时间都是大风量运行,噪音会过高。因此如果不能接受以上的局限性时,就不应选取这样的控制策略。目前,通过在送风管和排风管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,在一定程度上可以主动的、动态的调节流量,消除系统静压波动造成的对流量的影响,从而保证流量的恒定和控制的稳定。
  
    变风量系统(VAV)是一种主动式的压力控制策略,它通过电动风量调节阀连续不断的对送风量或排风量进行调节,以保持希望的压力。主动式的VAV压力控制方法可以分为两种:纯压差控制(OP)和余风量(又称为流量追踪)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与参照区域的压差(OP),与设定点(即期望的压差)比较后,控制器根据偏差按PID调节算法对送风量(或排风量)进行控制,从而达到要求的压差。可以看出,送风量(或排风量)是压差(Δp)、设定点以及PID常数(α,β)的函数。

洁净室技术

图1 纯压差控制原理图

    另外一种相似的压差控制方法则是根据伯努利原理,利用一个装在小管内的风速探头,将小管置于洁净室与参照区之间的开孔中,由于洁净室内与参照区的压力差将使空气从此小管中流过,管中的风速探头就可传感洁净室内与参照区之间的空气流速,从而根据伯努利原理利用风速计算出洁净室与参照区的压差,根据此压差信号,按照上述的方法,控制器对洁净室的送风或排风量进行控制,达到所期望的压差值,这样的方法称为“伪压差”控制方法。

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