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实验室正压和负压控制

日期:2020/10/23 0:00:00    点击次数:86    来源:铂克空调

  1概述

  压差控制是清洁空调系统中非常重要的一环。只有控制净化区域的压差并确保合理的空气分配,才能满足净化和工艺要求。例如,洁净车间必须保持一定的正压,以使未净化的外部空气不会进入净化区域以确保洁净度;通过对每个净化区域的不同压差控制,可以达到净化区的作用。在GMP中,要求将不同净化水平区域的压力差控制在不小于+ 5Pa。在生物安全洁净室中,压力差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,压差控制对于净化空调系统非常重要。

  差压控制很难实现,尤其是在生物安全实验室中。对于控制工程师而言,获得并保持准确而稳定的压差绝对是一项艰巨的任务。因此,在设计压差控制系统时,有必要根据实际情况分析确定以下几个方面:

  ①风险分析与评估;

  ②选择定风量系统和变风量系统;

  ③压差控制和残余风量控制方法;

  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,必须分析差压控制的风险。例如,对于高级生物安全实验室来说,由于它具有很高的生物污染风险,因此各种相关标准都保持稳定的负压梯度,以防止污染泄漏。因此,控制系统必须能够稳定且可靠地实现这种控制目标。

  2.压差控制方式

  对于压差控制系统,所获得的结果实质上是渗透或漏气的控制,就其控制策略而言,可以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。它使用手动风量控制阀。通过简单的空气供应和排气平衡,空气供应量要比排气少(或多)一定量(剩余空气量)。所需的压差。选择恒定风量等控制策略时必须小心,因为恒定风量系统具有突出的局限性。要点如下:

  (1)在任何时候,设备都必须保持恒定的供气和排气量。

  (2)任何排气设备(如生物安全柜等)均不得增加或减少,并且灵活性差。由于系统容量的限制,未来的扩展将受到限制。

  (3)必须设计为满负荷,以补偿过滤器等引起的供气和排气系统性能下降的较大余量,连续的满负荷运行使能耗极高,因此运行成本很高。

  (4)由于风扇系统和过滤器系统的性能下降或空气阀位置的变化,常常需要对系统进行重新平衡和调试,这需要大量的维护。

  (5)由于始终要进行高风量运转,因此噪音会过高。因此,如果不能接受上述限制,则不应选择这种控制策略。目前,在进气管和排气管上使用与压力无关的恒定空气量控制装置(例如文丘里阀)的恒定空气量系统可以在一定程度上主动和动态调节流量,以消除系统静压波动所产生的影响在流量上,以确保流量恒定和控制稳定性。

  可变风量系统(VAV)是一种主动压力控制策略。它通过电动风量控制阀连续调节供气或排气量,以维持所需的压力。主动式VAV压力控制方法可分为两种:纯压差控制(OP)和残余空气量(也称为流量跟踪)控制(AV)。

  2.1纯压差控制方法

  纯压差控制方法相对简单明了,其基本原理如图1所示。控制原理是:压差传感器测量房间与参考区域之间的压差(OP),并进行比较。在设定点(即所需压力差)的基础上,控制器根据PID调节算法根据偏差来调节送风量(或排气量)。体积)以达到所需的压差。可以看出,送风量(或排风量)是压力差(Δp),设定点和PID常数(α,β)的函数。

  另一种类似的压差控制方法是基于伯努利原理的。它使用安装在小管中的风速探头将小管放置在洁净室和参考区域之间的开口中。压力差将导致空气流过这条小管道,管道中的风速探头可以感应到洁净室与参考区域之间的空气速度,然后通过以下方法计算洁净室与参考区域之间的压力差:根据伯努利原理使用风速。根据上述方法,该压力差信号,控制器控制洁净室的空气供应或排气量,以达到所需的压力差值。该方法称为“伪压差”控制方法。

纯压差控制图

  2.2剩余风量控制方法(空气跟踪)

  在洁净室的供气量和排气量之间保持一定的风量差(称为残留空气量)将不可避免地导致洁净室中的一定的压力差。剩余风量(气流跟踪)控制意味着该控制系统实时测量风量(供气和排气量)变化。通过调节空气供应量或排气量,动态地实现了相应的空气量平衡,从而使空气供应量和排气量之间保持恒定的空气量差,从而保持恒定的压力差。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送风量和排气量。如图所示,可以在排气主管上测量排气量,也可以对每个排气量进行测量和求和。据此,控制器调节空气供应量,使得其可以跟踪排气量的变化并保持一定的剩余空气量,从而实现期望的压差值。可以看出,残留空气量控制是一个开环控制系统。

  在此,剩余空气量是当达到所需的压差时渗入人体或从洁净室流出的气流(以CFM计)。负剩余空气量意味着总排气量大于总供气量,这将导致产生负压,而正剩余空气量意味着总供气量大于总排气量体积,这将导致正压力。

  在风量方程式中,剩余风量为常数。但是在实际情况下,它会改变。例如,当流量传感器移动时,实际剩余空气量也将发生变化。因此,应考虑选择足够大的残留空气量,以补偿由外壳结构的气密性,风管泄漏和流量测量装置的精度误差所引起的影响。

余风量控制图

  以上两种压差控制方法在实际使用中必须以预定频率进行验证。例如,对于残留空气量控制,应每六个月更正设定的残留空气量。

  2.3混合控制系统

  由于3级或4级生物安全实验室的研究和实验主题非常危险,因此实验室中的压差控制和气流方向控制更为重要。必须确保稳定可靠地控制压力差和气流方向。对于压差控制非常重要的地方,使用纯压差控制和残留空气量控制混合的控制系统是一个不错的选择。它可以确保稳定可靠地控制实验室压力。

  通常的方法是使用残留空气量控制作为基本控制方法,同时添加压力差传感器和控制器以设置残留空气量控制系统的残留空气量。当房间特性发生变化时,例如风管泄漏和围护结构的气密性,残留空气量也将发生变化(通常变大)。此时,压差控制系统可以动态计算出适当的剩余空气量,以维持稳定的压差控制。

  同时,一旦残留空气量增加到预定值,系统将发出警报。此时,可能需要校准流量测量设备,或处理空气管道和外壳结构的泄漏,以使系统状态恢复到正常范围。因此,这样的系统可以通过监视剩余的空气量来监视整个实验室控制系统,风道系统和外壳结构的完整性。

  3.稳定性和响应速度

  在由通用建筑技术组成的房间中,它可以达到的控制压力差约为2.5Pa,这对于测量来说是很小的压力差(信号),并且对测量传感器的校准也非常困难。门打开和关闭,生物安全柜调节门的移动以及人员移动等许多因素引起的干扰(噪声)可以达到25Pa左右。因此,对于纯差压控制,测得的信噪比为1:10。这种情况就像测量湖泊的液位。精度要求为1厘米,而湖泊的浪高为10厘米。如果要获得准确的测量值,则需要很长时间才能对峰和谷进行平均。在这种情况下,如果需要快速响应,则无法保证准确性,并且准确性和速度(或响应时间)是矛盾的。

  对于纯压差控制系统,响应时间通常要求在几分钟之内。因此,许多这样的控制系统牺牲稳定性来满足响应时间要求,并且在达到稳定控制之前,它需要在设定点附近波动相当长的时间。不幸的是,系统达到稳定控制的时间通常比干扰的频率更长。因此,系统可能会全天波动。在人员下班,工作结束并且没有干扰之前,它将无法达到稳定的状态。

  对于“伪压差”控制系统,测量对象是空气流量,它比纯压差控制更稳定,更快,因为流量信号和噪声信号与动态平方根成正比。压力,大约可以将信噪比提高到1:3。可以看出,简单地改变测量对象就可以大大提高系统的J性能。但是,即使这样,噪声仍然达到信号的3倍。当发生干扰时,控制系统仍需要60秒钟以上才能达到稳定的输出。应当注意的是,由于测量气流速度需要在房间和参考区域内开孔,因此在许多场合(例如对清洁度有很高要求或生物安全性较高的场合)都不允许使用这种控制系统。在实验室里。

  对于差压和“伪差压”系统,在某些条件下(例如负压控制)可能会导致严重的压力问题,当洁净室门打开时,所有测量信号(例如差压和流量)都将消失。尽管某些控制器具有根据预定时间锁定输出的功能,以补偿此问题。但是,长时间打开门时,压力控制系统会关闭空气供应,以使房间恢复到负压设定点。这时,空气将从过道(或相邻区域)被吸入以打开房间,并且过道(或相邻区域)中的压力将不可避免地下降。并且,如果其他洁净室也使用过道(或相邻区域)作为压力差参考点,则另一个洁净室的压力差控制器还将关闭空气供应,这将导致连锁反应,并且将产生更多的空气。从过道(或相邻区域)移走的灰尘被吸入洁净室并排出,测得的压差值尚未达到设定值,但实际压力不断降低。对于正压控制也可能出现类似的问题。可以想象,这将在整个洁净室中引起严重的压力问题。当然,对于不需要严格控制房间压力或风险评估对稳定时间和稳定性要求不高的设施,在HVAC系统设计中已采取措施(例如使用双门联锁缓冲室)当可以避免上述问题时,采用纯压差控制也是可行的。

  相对而言,残余空气量的信号测量(或流量跟踪)控制系统使用流量测量设备来测量空气供应和排气量。供气量和排气量通常是相对较大的测量值。在这种情况下,例如,信号测量值为1000 CFM,并且噪声(各种干扰)可以达到大约1000 FM,信噪比可以高达10:1。因此,在这种情况下,系统可以实现高精度,高稳定性和非常快的响应。因此,在对压差控制有更高要求的应用中,通常建议或要求使用这种控制方法。

  对于残留空气量控制系统,流量测量设备是影响系统性能的关键设备。常用的流量测量设备是热线风速传感器阵列和皮托管。这种流量测量装置具有高精度。但是,一旦颗粒附着或阻塞在传感器上,或者传感器受到腐蚀的影响,测量结果就会有很大的偏差。对于皮托管,还必须注意,在低风速下它具有较大的测量误差,因此应考虑其应用范围。流量测量装置的安装位置也必须严格按照其技术规格进行选择,否则也会引起测量误差。

  另外,目前在许多应用中出现一种流量控制装置。它是线性的,与压力无关的空气量控制阀,可以根据阀的位置提供相应的流量反馈信号(例如文丘里阀)。出厂前,专业的供应商已完成了其校准和校正。与简单的流量测量设备相比,该设备具有更多的集成功能。它可以在执行流量控制的同时执行流量测量。在实际使用中,通常通过备用流量测量设备来验证该压力独立设备的流量反馈精度。目前,这种与压力无关的空气量控制阀已成功应用于许多需要更高压差控制的应用中。

  4.影响差压控制的其他因素

  施工技术对压差控制的性能和效果影响很大,非封闭式围护结构难以建立稳定的压力梯度。它需要大量的残留空气来弥补许多泄漏。当使用大量的残留空气时,大量的二次空气将被吸入(或排出)到相邻的空间中,这可能引起温度和湿度控制问题。 。因此,洁净室必须具有封闭的封闭结构,以确保相应的压力差和合理的气流方向。

  空气导管的泄漏也会影响剩余空气量控制的准确性和性能。如果有空气从风管漏出或进入流量测量装置与洁净室外壳结构之间的风管,则将导致流量测量错误并导致压力控制出现重大偏差。如果在恒压系统中,则误差相对恒定;但是如果系统的静态压力波动,则误差也会波动。因此,控制系统很难采取技术措施来消除这种错误,从而导致控制性能下降。因此,需要对供气,排气管进行泄漏检测,最大允许泄漏率不应超过0.5%。