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如何控制实验室压差

文章出处:www.sdyechuang.cn 人气:发表时间:2019-12-27 17:25

压差控制是净化空调系统中非常重要的一个环节。只有控制净化区的压差,保证合理的气流组织,才能满足净化和工艺的要求。例如,清洁车间必须保持一定的正压,使未净化的外部空气不会进入净化区,以确保清洁度;此外,通过控制每个净化区的不同压力差,实现了净化区。GMP要求不同净化水平区域的压差控制在5Pa以上。在生物安全洁净室中,差压控制是确保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,指出必须稳定可靠地控制实验室的负压梯度。因此,差压控制对于净化空调系统非常重要。

差压控制难以实现,尤其是在生物安全实验室中。对于控制工程师来说,获得、保持和稳定压差是一项具有挑战性的任务。因此,在设计压差控制系统时,必须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的选择;

③压差控制和剩余风量控制方法;

④控制信号和噪声的影响;

⑤系统稳定性和响应速度;

⑥结构号楼对压差控制的影响;气管泄漏对压力控制的影响。

首先,压差控制的风险必须是分析。例如,对于高级生物安全实验室,由于其生物污染风险高,各种相关标准对保持稳定的负压梯度以防止污染泄漏有严格的要求,因此控制系统必须能够稳定可靠地实现这种控制目标。

压差控制方法

对于压差控制系统,所达到的效果实际上是对人或空气渗流的控制,根据控制策略可分为被动控制和主动控制。

恒定风量(CAV)是一种被动控制方法。它使用手动空气量控制阀,通过简单的供气和排气平衡,以比排气少(或多)一定量(剩余空气量)的方式来实现所需的压力差。在选择恒定风量等控制策略时,必须仔细考虑,因为恒定风量系统有明显的局限性。主要有以下几点:

(1)在任何时候,设备必须保持恒定的供气量和排气量。

(2)无排风设备(如生物安全柜等)。)会增加或减少,导致灵活性差。由于系统容量的限制,未来的扩展将受到限制。

(3)必须根据满负荷进行设计,有很大的裕量来弥补过滤器等引起的供排气系统的性能下降。连续满负荷运行能耗大,运行成本非常高。

(4)由于风机系统和过滤系统的性能下降或气阀位置改变,系统经常需要重新调整空气平衡,需要大量维护。

(5)由于空气流量一直很大,噪音会太高。因此,如果不能接受上述限制,就不应该选择这样的控制策略。目前,在供气管和排气管上采用与压力无关的恒定风量控制装置(如文丘里阀)的恒定风量系统,可以在一定程度上主动动态调节流量,消除系统静压波动对流量的影响,从而保证恒定流量和稳定控制。

可变风量系统是一种主动压力控制策略。它通过电动空气量控制阀持续调节供气量或排气量,以保持所需的压力。主动变风量压力控制方法可分为两种:纯差压控制(OP)和剩余风量(也称为流量跟踪)控制(AV)。

纯差压控制方法

纯差压控制方法相对简单明了。控制原理是压差传感器测量房间和参考区域之间的压差,并在与设定点(即预期压差)进行比较后,控制压力传感器测量房间和参考区域之间的压差

另一种类似的压差控制方法基于伯努利原理。安装在小管中的风速探针用于将小管放置在洁净室和参考区域之间的开口中。由于洁净室和参考区域之间的压力差将导致空气流过小管,管中的风速探头可以感测洁净室和参考区域之间的空气流速。因此,洁净室和参考区域之间的压差是基于伯努利原理利用风速计算的。根据该压差信号,控制器控制洁净室的空气供应或排出量,以实现期望的压差。这种方法被称为“伪压差”控制

残余空气量(气流跟踪)控制方法

洁净室的供应空气量和排出空气量之间保持一定的空气量差(被称为残余空气量),这将不可避免地导致洁净室中的一定压差。剩余风量(风量跟踪)控制是指控制系统实时测量风量(送风风量和排风风量)的变化。通过调节供气量或排气量,动态地实现相应的空气量平衡,从而在供气量和排气量之间保持恒定的空气量差,从而保持恒定的压差。基本原理如图2所示。控制系统使用气流测量装置实时测量供气量和排气量。排气容积可以在排气主管上测量,或者如图所示在每个单独的排气上测量,并进行汇总。控制器相应地调节供气量,以使其跟踪排气量的变化并保持一定的剩余空气量,从而获得期望的压差。可以看出,剩余空气量控制是一个开环控制系统。

这里,剩余空气量是当达到期望的压力差时,渗透到人们或洁净室的空气流量(CFM )。负的剩余空气量,即总排气量大于总排气量,将导致负压,而正的剩余空气量,即总排气量大于总排气量,将导致正压。设定的剩余空气量应每六个月校正一次。

混合控制系统

由于生物安全等级为3或4的生物安全实验室的研究和实验对象非常危险,所以实验室的压差控制和气流方向控制更为重要,必须保证压差和气流方向的稳定可靠控制。对于压差控制非常关键的地方,采用纯压差控制和剩余风量控制相结合的控制系统是一个很好的选择,可以确保实验室压差的稳定可靠控制。

通常的方法是以剩余风量控制为基本控制方法,增加压差传感器和控制器来设定剩余风量控制系统的剩余风量。当房间特性发生变化时,如风管泄漏和外壳结构的气密性,剩余空气量也会发生变化(通常会增加)。此时,压差控制系统可以动态计算适当的剩余空气量,以保持稳定的压差控制。

同时,一旦剩余空气量增加到预定值,系统将发出警报。此时,可能需要校正流量测量装置或处理空气导管和外壳结构的泄漏,以将系统状态恢复到正常范围。因此,这种系统可以通过监控剩余空气量来监控整个实验室控制系统、空气导管系统和外壳结构的完整性。

稳定性和响应速度

一般建筑技术组成的房间所能达到的控制压差约为2。 5Pa,这对于测量来说是非常小的压力差(信号),并且对于测量传感器的校准来说也是非常困难的。门的开关、生物安全柜调节门的运动、人员的移动等多种因素引起的干扰(噪音)。可以达到25Pa左右。因此,对于纯压差控制,测得的信噪比为1: 10。这种情况就像测量一个湖的液位,需要1厘米的精度,而湖的波浪有10厘米高。如果你想获得测量值,它

对于“伪差压”控制系统,被测对象是空气流量,其比纯差压控制更稳定,更为快速,因为流量信号和噪声信号与动压的平方根成正比,这可以将信噪比提高到大约1∶3。可以看出,通过简单地改变测量对象,可以大大提高系统的J性能。然而,即使如此,噪声仍然达到信号的3倍。当扰动发生时,控制系统仍需要60秒以上才能实现稳定的输出。应该注意的是,由于测量空气流速需要在房间和参考区域开孔,这种控制系统在许多应用中是不允许的,例如对清洁度或高水平生物安全要求较高的应用实验室。

对于差压和“伪差压”系统,在某些条件下可能会引起严重的压力问题,例如当进行负压控制时,当洁净室门打开时,差压和流量等所有测量信号都会消失。尽管一些控制器具有根据预定时间锁定输出的功能来弥补这些问题。但是,当门长时间打开时,压力控制系统将关闭空气供应,使房间回到负压设定点。这时,空气将从走廊(或邻近区域)吸入以打开房间,走廊(或邻近区域)中的压力将不可避免地下降。但是,如果其他洁净室也使用通道(或相邻区域)作为压差参考点,其他洁净室的压差控制器也会关闭空气供应,导致连锁反应。更多的空气将从过道(或邻近区域)吸入洁净室并排出。当实际压力持续下降时,测得的压差不能一直达到设定值。正压控制也会出现类似的问题。可以想象,这会在整个洁净室中造成严重的压力问题。当然,对于那些不需要严格的房间压差控制或风险评估不需要高稳定时间和稳定性的设施,如果在暖通空调系统设计中采取措施(例如,双门互锁缓冲室用于隔离)以避免上述问题,则采用纯压差控制也是可行的。

相对而言,剩余风量(或流量跟踪)控制系统的信号测量使用流量测量装置来测量送风风量和排风风量。然而,供气量和排气量通常是相对较大的测量值。例如,在这种情况下,信号测量值为1000CFM,噪声(各种干扰)可达到约1000FM,信噪比高达10: 1。因此,在这种情况下,系统可以实现高精度、高稳定性和非常快速的响应。因此,在压差控制要求较高的应用中,通常推荐或要求这种控制方法。

对于剩余风量控制系统,流量测量装置是影响系统性能的关键装置。常用的流量测量装置有热线风速传感器阵列和皮托管阵列。这种流量测量装置具有高精度。但是,一旦颗粒附着或堵塞在传感器上,或者传感器受到腐蚀影响,其测量值将会有很大偏差。对于皮托管阵列,还必须注意的是,在低风速下测量误差较大,因此应考虑其应用范围。流量测量装置的安装位置也需要严格按照规范选择,否则也会造成测量误差。

此外,目前在许多应用中有一种流量控制装置。它是一个线性、独立于压力的空气量控制阀,可以根据阀门位置提供相应的流量反馈信号(如文丘里阀)。其校准和校正已由工厂的专业供应商完成。与简单的流量测量装置相比,该装置具有更多的集成功能,可以在控制流量的同时测量流量。在实际使用中,这种与压力无关的装置的流量反馈精度通常由备用流量测量装置验证。目前,这种与压力无关的风量控制阀已经成功地应用于许多高压差控制系统中。

影响差压控制的其他因素

建筑技术

风道泄漏也会影响剩余风量控制的准确性和性能。如果空气从空气导管中泄漏或进入流量测量装置和洁净室外壳结构之间的空气导管,将会导致流量测量误差,并且压力控制将会显著偏离。如果在恒压系统中,这个误差相对恒定;然而,如果系统的静态压力波动,这个误差也会波动。因此,控制系统很难采取技术措施来消除这种误差,从而导致控制性能的恶化。因此,必须要求空气供应和排气管泄漏检测。