如何控制潔凈室的壓差

1、如何控制潔凈室的壓差？如何控制潔凈室的壓差呢？今天就以制藥行業(yè)為例，來進行說明，制藥企業(yè) HVAC(空調(diào) 凈化)系統(tǒng)是保證藥品質(zhì)量的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，而壓差控制在制藥企業(yè)凈化空調(diào)系統(tǒng)中是一個 關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。例如無塵廠房必須保持一定的正壓使外界未經(jīng)凈化的空氣不會進人凈化區(qū)域， 保證潔凈級別；并且通過對各凈化區(qū)域的不同的壓差控制，達到凈化分區(qū)的作用。只有保證 合理的氣流組織和對壓差的有效控制，才能達到GMP規(guī)定的潔凈度要求和工藝要求。壓差控制在實現(xiàn)中是比較困難，特別是在生物制藥安全實驗室中，要得到并保持精確、 穩(wěn)定的壓差對于控制工程師而言絕對是一件具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。因此在設(shè)計壓差控制系統(tǒng) 時，必須要根據(jù)

2、實際情況從以下幾個方面進行分析和確定： 風(fēng)險分析評估； 定風(fēng)量系統(tǒng)和變風(fēng)量系統(tǒng)選擇 ； 壓差控制和余風(fēng)量控制方法； 控制信號與噪聲的影響； 制穩(wěn)定性及響應(yīng)速度； 建筑結(jié)構(gòu)對壓差控制的影響；風(fēng)管泄漏對壓力控制的影響。GMP第十六條規(guī)定： 潔凈室(區(qū))的窗戶、天棚及進入室內(nèi)的管道、風(fēng)口、燈具與墻壁或天 棚的連接部位均應(yīng)密封。空氣潔凈級別不同的相鄰房間之間的靜壓差應(yīng)5Pa，潔凈室(區(qū))與室外大氣的靜壓差應(yīng)10Pa，并應(yīng)有指示壓差的裝置。為達到這一要求，制藥企業(yè)生產(chǎn) 必須設(shè)置HVAC系統(tǒng)。一、HVAC系統(tǒng)的構(gòu)成HVAC系統(tǒng)的任務(wù)是保證潔凈室的空氣參數(shù)達到所要求的狀態(tài)，通常由通風(fēng)系統(tǒng)、空氣處 理設(shè)備、冷

3、源/熱源、空調(diào)水系統(tǒng)及自控系統(tǒng)組成，其構(gòu)造概況如圖所示。HVAC系統(tǒng)構(gòu)造(1) 通風(fēng)系統(tǒng)：包括送風(fēng)系統(tǒng)、回風(fēng)系統(tǒng)及排風(fēng)系統(tǒng)。(2) 空氣處理設(shè)備：利用物理方法對空氣進行各種處理(凈化、加熱、冷卻、加濕、除濕等 )以達到規(guī)定狀態(tài)。(3) 冷、熱源：冷源通常是各類冷水機組等制冷設(shè)備，其為空氣處理設(shè)備提供712 C低溫水；熱源通常包括電加熱器、鍋爐、熱水及熱泵機組等，為空氣處理設(shè)備提供熱量。(4) 空調(diào)水系統(tǒng)：包括循環(huán)水泵及其管路系統(tǒng)。自控系統(tǒng)：包括空氣凈化、溫濕度控制、壓差控制及安全、節(jié)能方面的自動控制和調(diào)節(jié) 裝置。二、HVAC系統(tǒng)基本流程2.1HVAC系統(tǒng)與一般空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)別由于制藥企業(yè)生產(chǎn)工藝

4、特殊性及 GMP要求，其HVAC系統(tǒng)工藝要求也有其特點，以保 證生產(chǎn)區(qū)域空氣潔凈度、溫濕度、壓差、風(fēng)量、風(fēng)速、微生物等技術(shù)要求，其與一般空調(diào) 系統(tǒng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在空氣過濾、氣流組織、室內(nèi)壓力控制、風(fēng)量能耗及造價等方面。22基本流程室外大氣（新風(fēng)）通過送風(fēng)管道進入空調(diào)機組，經(jīng)過相應(yīng)溫濕度處理，并經(jīng)過初、中效兩級凈化過濾，由送風(fēng)機送入送風(fēng)管道分配到各送風(fēng)口（裝有高效過濾器）進入生產(chǎn)區(qū)域，潔凈室設(shè)有回風(fēng)口或排風(fēng)口，一部分潔凈室空氣經(jīng)回風(fēng)口回到空調(diào)機組再利用，另一部分經(jīng) 排風(fēng)口由排風(fēng)機排到室外。三、潔凈室壓差控制3.1壓差控制的目的為保證潔凈室在正常工作或空氣平衡暫時受到破壞時，氣流能從空氣潔凈度高的

5、區(qū)域 流向空氣潔凈度低的區(qū)域，使?jié)崈羰业臐崈舳炔粫艿轿廴究諝獾母蓴_，因此潔凈室必須 保持一定的壓差。3.2潔凈室壓差建立原理及壓差風(fēng)量確定3.2.1潔凈室壓差值的選擇潔凈室壓差值的選擇應(yīng)適當(dāng)，選擇過小，潔凈室壓差易被破壞，潔凈度受到干擾；選擇過大，HVAC系統(tǒng)新風(fēng)量增大，負(fù)荷增加，過濾器壽命縮短。因此，潔凈室壓差值大小應(yīng) 合理確定。（對一般潔凈室為正壓，生物學(xué)安全潔凈室為負(fù)壓）潔凈室壓差是由送入新風(fēng)量的大小來保持的，即：壓差建立的基本原理是送風(fēng)量大于 回風(fēng)量、排風(fēng)量、漏風(fēng)量之和，其中漏風(fēng)量大小取決于建筑物維護結(jié)構(gòu)的密封程度，如門 縫、窗縫、壁板拼縫、各種管線接口等縫隙，這些將影響到漏風(fēng)量的大

6、小，使室內(nèi)壓差很 難維持或不穩(wěn)定。無論是全新風(fēng)空氣系統(tǒng)，還是循環(huán)空氣系統(tǒng)，通過潔凈室的送入風(fēng)量與 排風(fēng)量和壓差風(fēng)量（余風(fēng)量）之間達到平衡便建立了壓差。3.2.2潔凈室壓差風(fēng)量的確定對于潔凈室壓差風(fēng)量的確定一般采用換氣次數(shù)法和縫隙法兩種方法，因縫隙法既考慮 潔凈室圍護結(jié)構(gòu)氣密性又考慮維持室內(nèi)壓差控制值所需風(fēng)量，因此比換氣次數(shù)法更合理準(zhǔn) 確。根據(jù)潔凈室維持的壓差值，其所需的壓差風(fēng)量可按下式計算：Q=a-工（q L）式中Q-維持潔凈室壓差值所需的壓差風(fēng)量，m3/h;A-根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)氣密性確定的安全系數(shù)，可取1.11.2;Q-當(dāng)潔凈室為某一壓差值時，其圍護結(jié)構(gòu)單位長度縫隙的滲漏風(fēng)量，m3/h m;L-

7、圍護結(jié)構(gòu)的縫隙長度，m。3.3潔凈室壓差實現(xiàn)3.3.1潔凈室壓差的波動因素影響潔凈室壓差的波動因素：通常包括室外風(fēng)壓、風(fēng)速的變化；HVAC系統(tǒng)阻力的變化:風(fēng)管的泄漏及潔凈室維護結(jié)構(gòu)氣密性變化等。3.3.2潔凈室壓差控制方法潔凈室壓差控制方法基于壓差建立的原理，對其影響因素進行有效控制或調(diào)節(jié)，以便 保持潔凈室壓差的穩(wěn)定。潔凈室壓差控制方法分為人為干預(yù)調(diào)節(jié)和自動化控制。3.321人為干預(yù)調(diào)節(jié)潔凈室壓差方法(1) 定期檢查并維護潔凈廠房圍護結(jié)構(gòu)氣密性，盡量減少漏風(fēng)量；定期清洗或更換過濾器，保證系統(tǒng)正常阻力。回風(fēng)口控制：是簡單而又行之有效的方法，通過調(diào)回風(fēng)口上的百葉格柵或空氣阻尼層改 變其阻力來調(diào)整回

8、風(fēng)量，達到壓差控制的目的。因百葉的調(diào)量不大，還會改變氣流方向， 所以這種方法只能是粗調(diào)。(3)余壓閥控制：在潔凈室內(nèi)有足夠剩余風(fēng)量時，可調(diào)節(jié)余壓閥上的平衡壓塊，改變其開度， 實現(xiàn)壓差控制。調(diào)節(jié)回風(fēng)閥或排風(fēng)閥。(5) 調(diào)節(jié)新風(fēng)閥或送風(fēng)閥。3.322自動化控制潔凈室壓差方法(1) 傳感器控制：通過相應(yīng)傳感器檢測室內(nèi)壓差或送、排風(fēng)管路壓力或風(fēng)流量，然后調(diào)整送風(fēng)量或排風(fēng)量，可以通過管路上的電動閥門或風(fēng)機的轉(zhuǎn)速(變頻器控制風(fēng)機)來實現(xiàn)，這是一種較精確的自動控制，目前較多采用。(2) 微機控制系統(tǒng)：包括直接數(shù)字控制系統(tǒng)和集散型控制系統(tǒng)，它們以微處理器為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了自動化監(jiān)控，可以在滿足系統(tǒng)安全運行及各項指

9、標(biāo)的同時，更好保證工藝要求，最大 限度實現(xiàn)節(jié)能控制。微機控制系統(tǒng)是將系統(tǒng)中的傳感器或變送器的輸出信號直接輸入到微 型計算機中，由微機處理后直接驅(qū)動執(zhí)行器(電動密閉閥等)動作，實現(xiàn)潔凈室壓差、溫濕度、潔凈度等指標(biāo)的檢測、控制及管理。四、結(jié)語新版GMP的實施，其借鑒了國際先進標(biāo)準(zhǔn)和藥品監(jiān)管經(jīng)驗，更加注重科學(xué)性，其中著重細(xì) 化了軟件要求，在硬件上也提出了較高的技術(shù)要求，尤其是關(guān)鍵的潔凈設(shè)計原則的變化， 壓差及潔凈級別的提高帶來的將是能耗的增加，合理布局、減少交叉污染和確保能耗降到 最低是改造的關(guān)鍵，制藥企業(yè)面臨著更大的機遇與挑戰(zhàn)，計算機控制與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)勢必會在 HVAC系統(tǒng)運行及維護管理中大量應(yīng)用。壓

10、差控制方法對于壓差控制系統(tǒng)來說，其所達到的結(jié)果實質(zhì)上是對滲人或滲出空氣的控制，就其控 制策略而言可分為被動式和主動式控制。定風(fēng)量(CAV)是一種被動式的控制方法，它使用手動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，通過簡單的送風(fēng)和 排風(fēng)平衡，送風(fēng)比排風(fēng)少(或多)一定的量(余風(fēng)量)，來達到所期望的壓差。在選擇定風(fēng)量這 樣的控制策略時必須認(rèn)真的考慮，因為定風(fēng)量系統(tǒng)有突出的局限性。主要有以下幾點：(1)所有時間，設(shè)備必須保持恒定的送風(fēng)量和排風(fēng)量。不能有任何排風(fēng)設(shè)備(如生物安全柜等)增加或減少，靈活性差。未來的擴展會由于系 統(tǒng)容量限制而受限。(3) 必須按全負(fù)荷設(shè)計，要有較大的余量來彌補由于過濾器等造成的送風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)性能 的下降

11、，連續(xù)的全負(fù)荷運行使能耗極大，因此運行成本非常高。（4）由于風(fēng)機系統(tǒng)、過濾器系統(tǒng)等性能下降或風(fēng)閥位置改變等情況下，系統(tǒng)經(jīng)常要重新進 行風(fēng)平衡調(diào)試，需要大量的維護。由于在所有時間都是大風(fēng)量運行，噪音會過高。因此如果不能接受以上的局限性時， 就不應(yīng)選取這樣的控制策略。目前，通過在送風(fēng)管和排風(fēng)管上采用壓力無關(guān)型的定風(fēng)量控 制裝置（如文丘里閥）的定風(fēng)量系統(tǒng)，在一定程度上可以主動的、動態(tài)的調(diào)節(jié)流量，消除系 統(tǒng)靜壓波動造成的對流量的影響，從而保證流量的恒定和控制的穩(wěn)定。變風(fēng)量系統(tǒng)（VAV）是一種主動式的壓力控制策略，它通過電動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥連續(xù)不斷的對送風(fēng)量或排風(fēng)量進行調(diào)節(jié)，以保持希望的壓力。主動式的VAV壓

12、力控制方法可以分為兩種:純壓差控制（0P）和余風(fēng)量（又稱為流量追蹤）控制（AV）.2.1純壓差控制方法純壓差控制方法相對而言簡單明了，其基本原理如圖1。其控制原理為：壓差傳感器測量室內(nèi)與參照區(qū)域的壓差（0P），與設(shè)定點（即期望的壓差）比較后，控制器根據(jù)偏差按 PID 調(diào)節(jié)算法對送風(fēng)量（或排風(fēng)量）進行控制，從而達到要求的壓差。可以看出，送風(fēng)量 （或排風(fēng) 量）是壓差（ p）設(shè)定點以及 PID常數(shù)（a B的函數(shù)。另外一種相似的壓差控制方法則是根據(jù)伯努利原理，利用一個裝在小管內(nèi)的風(fēng)速探頭，將小管置于潔凈室與參照區(qū)之間的開孔中，由于潔凈室內(nèi)與參照區(qū)的壓力差將使空氣從此 小管中流過，管中的風(fēng)速探頭就可傳感

13、潔凈室內(nèi)與參照區(qū)之間的空氣流速，從而根據(jù)伯努 利原理利用風(fēng)速計算出潔凈室與參照區(qū)的壓差，根據(jù)此壓差信號，按照上述的方法，控制 器對潔凈室的送風(fēng)或排風(fēng)量進行控制，達到所期望的壓差值，這樣的方法稱為偽壓差”控制方法。2.2余風(fēng)量（氣流追蹤）控制方法潔凈室的送風(fēng)量與排風(fēng)量之間保持一定的風(fēng)量差（稱為余風(fēng)量），必然會導(dǎo)致潔凈室產(chǎn)生一定的壓差。余風(fēng)量（氣流追蹤）控制即控制系統(tǒng)實時測量風(fēng)量 （送風(fēng)和排風(fēng)量）變化，通過調(diào)節(jié) 送風(fēng)量或排風(fēng)量，動態(tài)的達到相應(yīng)的風(fēng)量平衡，使送風(fēng)量和排風(fēng)量之間保持恒定的風(fēng)量差， 從而維持恒定的壓差。其基本原理見圖2,控制系統(tǒng)利用氣流測量裝置實時測量送風(fēng)量和排風(fēng)量，排風(fēng)量可以在排風(fēng)主管

14、上測量，或如圖中在各個單獨的排風(fēng)上進行測量并求和， 控制器據(jù)此調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使其追蹤排風(fēng)量的變化，保持一定的余風(fēng)量，從而達到所希望的 壓差值?？梢钥闯鲇囡L(fēng)量控制是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。在這里，余風(fēng)量就是達到所希望壓差時滲人或滲出潔凈室的空氣流量（單位為CFM）。負(fù)的余風(fēng)量即總排風(fēng)量大于總送風(fēng)量，它將導(dǎo)致負(fù)壓的產(chǎn)生，而正的余風(fēng)量則是總送風(fēng)量大于 總排風(fēng)量，它將導(dǎo)致正壓產(chǎn)生。在圖2中的風(fēng)量等式中，余風(fēng)量是定值。但在實際情況下，它是變化的，例如當(dāng)流量傳感器發(fā)生偏移時，實際的余風(fēng)量也將發(fā)生變化。因此，應(yīng)該考慮選擇足夠大的余風(fēng)量來 彌補由于圍護結(jié)構(gòu)氣密程度、風(fēng)管泄漏以及流量測量裝置精度誤差等造成的影響。上述的

15、兩種壓差控制方法，在實際運用中都必須按照預(yù)定的頻率進行驗證。例如對余風(fēng)量控制，每半年就應(yīng)該進行對設(shè)定的余風(fēng)量進行校正。2.3混合控制系統(tǒng)由于生物安全等級 3或4級的生物安全實驗室的研究和實驗對象非常危險，實驗室的 壓差控制以及氣流方向控制更加重要，必須確保壓差和氣流方向得到穩(wěn)定可靠的控制。對 于這樣壓差控制非常關(guān)鍵的地方，采用純壓差控制和余風(fēng)量控制兩種方法混合的控制系統(tǒng) 是很好的選擇，它可以確保對實驗室壓差穩(wěn)定可靠的控制。通常的做法是采用余風(fēng)量控制作為基本控制方法，同時加人壓差傳感器和控制器對余 風(fēng)量控制系統(tǒng)的余風(fēng)量進行設(shè)定。當(dāng)房間特性發(fā)生變化時，如風(fēng)管的泄漏以及圍護結(jié)構(gòu)的 氣密性等發(fā)生變化，

16、余風(fēng)量也會發(fā)生變化（通常是變大），此時壓差控制系統(tǒng)可以動態(tài)的計算出一個合適的余風(fēng)量，以保持穩(wěn)定的壓差控制。同時，一旦余風(fēng)量增加到一個預(yù)定值時，系統(tǒng)將發(fā)出報警，此時可能需要對流量測量 裝置進行校正，或者對風(fēng)管和圍護結(jié)構(gòu)的泄漏進行處理，使系統(tǒng)狀態(tài)回到正常范圍內(nèi)。因 此這樣的系統(tǒng)可以通過對余風(fēng)量的監(jiān)視實現(xiàn)對整個實驗室的控制系統(tǒng)、風(fēng)管系統(tǒng)、圍護結(jié) 構(gòu)完整性的監(jiān)視。3、穩(wěn)定性與響應(yīng)速度一般建筑技術(shù)構(gòu)成的房間，它能夠達到的控制壓差約為2. 5Pa,對于測量來說這是一個非常小的壓差（信號），同樣對于測量傳感器的校正來說也是非常困難的。由于門的開關(guān)、 生物安全柜調(diào)節(jié)門的移動、人員的運動等很多因素造成的擾動（噪

17、聲）約可達到25Pa。因此對于純壓差控制而言，其測量信號與噪聲之比為1:10。這樣的情形就如同測量一個湖泊的液位，要求精度在1厘米，而湖泊的波浪卻有 10厘米高，如果希望得到精確的測量值， 就需要很長的時間來平均波峰和波谷。在這樣的情況下，如果希望快速的響應(yīng)就不可能保 證精度，精度與速度（或響應(yīng)時間）是矛盾的。對于純壓差控制系統(tǒng)，響應(yīng)時間一般要求在數(shù)分鐘以內(nèi)。因此，很多這樣的控制系統(tǒng) 都是犧牲穩(wěn)定性來達到響應(yīng)時間的要求，它在達到穩(wěn)定控制之前需要在設(shè)定點附近波動相 當(dāng)長的時間。不幸的是，系統(tǒng)達到穩(wěn)定控制的時間往往比擾動發(fā)生的頻率長，因此系統(tǒng)可 能整天都在波動，直到人員下班、工作結(jié)束，不再有擾動發(fā)

18、生，系統(tǒng)才能夠達到穩(wěn)定狀態(tài)。對于偽壓差”控制系統(tǒng)，其測量對象是空氣流速，它相對于純壓差控制更穩(wěn)定、更快 速一些，因為流速信號和噪音信號是與動壓的開平方成比例關(guān)系，它大約能夠把信號與噪 聲比提高到1:3。可以看出，測量對象的簡單改變就可以大大改善系統(tǒng)的J性能。然而，即便如此，噪音依然達到了信號的3倍，當(dāng)擾動發(fā)生后，控制系統(tǒng)仍需要超過60秒以上的時間達到穩(wěn)定輸出。需要注意的是，由于測量氣流速度需要在房間與參照區(qū)域開孔，因 此這樣的控制系統(tǒng)對于很多場合的應(yīng)用是不允許的，例如對潔凈度有較高要求的場合，或 高等級的生物安全實驗室也不應(yīng)使用。對于壓差和 偽壓差”系統(tǒng)來說，在某些條件下會造成嚴(yán)重的壓力問題，

19、如在進行負(fù)壓 控制時，當(dāng)潔凈室門打開時，所有的測量信號如壓差和流速都會消失。雖然一些控制器有 按照預(yù)定時間鎖定輸出的功能來彌補這樣的問題。然而，當(dāng)門長時間打開時，壓力控制系 統(tǒng)就會關(guān)閉送風(fēng)，以便使房間回到負(fù)壓的設(shè)定點。此時，空氣將會從過道（或相鄰區(qū)域）被吸人打開的房間，過道（或相鄰區(qū)域）的壓力必然下降。而如果其他潔凈室也是使用過道（或相鄰區(qū)域）作為壓差參照點，那么其他潔凈室的壓差控制器也將關(guān)閉送風(fēng)，由此發(fā)生連鎖反 應(yīng)，更多的空氣被從過道（或相鄰區(qū)域）吸入潔凈室排走，測量壓差值一直不能達到設(shè)定， 而實際壓力卻在不斷下降。同樣對于正壓控制也會產(chǎn)生類似的問題?？梢韵胂瘢@將會造 成整個潔凈室嚴(yán)重的壓

20、力問題。當(dāng)然，對于那些不要求嚴(yán)格房間壓差控制，或風(fēng)險評估對 穩(wěn)定時間以及穩(wěn)定性沒有較高要求的設(shè)施，并在HVAC系統(tǒng)設(shè)計中采取了措施（如采用雙門互鎖的緩沖間進行隔離）能夠避免如上述問題發(fā)生的情況下，采用純壓差控制也是可行的。相對而言，余風(fēng)量（或流量追蹤）控制系統(tǒng)的信號測量是采用流量測量裝置對送風(fēng)量和排 風(fēng)量進行測量。而送風(fēng)量和排風(fēng)量通常都是比較大的測量值，在這樣的情況下，例如信號 測量為1000CFM，而噪聲（各種擾動）約能達到1000FM，信號噪聲比可以高達 10 : 1。因 此，在這樣的情況下，系統(tǒng)可以達到很高的精度、很高的穩(wěn)定性以及非常迅速的響應(yīng)。因 此在對壓差控制有較高要求的運用中，通常都推薦或要求使用這樣的控制方法。對于余風(fēng)量控制系統(tǒng)來說，流量測量裝置是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵裝置。一般常用的流量測量裝置為熱線風(fēng)速傳感器陣列和畢托管陣列。這樣的流量測量裝置有很高的精度然而一旦有顆粒附著或堵塞在傳感器上，或傳感器受到腐蝕的影響時，其測量就會發(fā)生很大的 偏差。對于畢托管陣列，還