近年來,各地紛紛建設(shè)P3級生物安全實驗室,不少項目已經(jīng)開始投入使用。由于生物安全實驗室特有的高生物危害性,無論系統(tǒng)正常運行還是發(fā)生故障,都要時刻確保實驗房間必要的負(fù)壓,確保生物安全柜等重污染實驗設(shè)備相對實驗房間維持必要的負(fù)壓,以避免生物污染外泄,確保操作人員安全。因此,確保系統(tǒng)24h處于安全狀態(tài)是設(shè)計者和建設(shè)者的一項重要任務(wù)。本文就生物安全實驗室暖通系統(tǒng)運行中的故障狀態(tài),從系統(tǒng)安全運行要求的角度,對暖通及暖通自控系統(tǒng)的設(shè)計原則作一闡述。
1 與設(shè)計相關(guān)的主要運行故障
1.1 送風(fēng)系統(tǒng)故障
由于有排風(fēng)系統(tǒng)的強有力保障,在故障發(fā)生至人員安全撤離期間,雖然會出現(xiàn)很高的房間負(fù)壓,但始終可保證不出現(xiàn)生物安全柜相對房間呈正壓或?qū)嶒灧块g正壓的情況。
1.2 各類風(fēng)量及壓力傳感器故障
傳感器發(fā)生故障后,傳遞錯誤信號,會使得系統(tǒng)悖離設(shè)計者的意愿運行,因此要求設(shè)計者、建設(shè)者熟悉各種傳感器的性能,選用性能匹配、質(zhì)量穩(wěn)定可靠的傳感器,其中傳感器的響應(yīng)特性常常易被忽略,而使得調(diào)試結(jié)果偏離設(shè)計值,這是設(shè)計者尤其需要注意的。
1.3 排風(fēng)系統(tǒng)故障
排風(fēng)機或排風(fēng)機變頻器的故障,對整個系統(tǒng)是致命的。所以生物安全實驗室的通風(fēng)系統(tǒng)須設(shè)置備用排風(fēng)機及備用排風(fēng)機變頻器。但具體到細(xì)節(jié),僅僅有備用排風(fēng)機或變頻器還遠不夠。生物安全實驗室的高生物危害性要求白天實驗室工作狀態(tài)下不允許出現(xiàn)哪怕1s的實驗房間正壓和生物安全柜相對于實驗房間呈正壓的情況。這給暖通及暖通自控系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求,即,如何在排風(fēng)機或排風(fēng)變頻器故障時系統(tǒng)自動切換至備用排風(fēng)機和備用排風(fēng)變頻器過程中,確保實驗房間負(fù)壓及生物安全柜相對房間呈負(fù)壓。
排風(fēng)機變頻器的故障中最嚴(yán)重的是使排風(fēng)機停機,將排風(fēng)機故障或排風(fēng)機變頻器故障引起的排風(fēng)機停機統(tǒng)稱為排風(fēng)系統(tǒng)停機故障。
2 排風(fēng)系統(tǒng)停機故障、排風(fēng)設(shè)備自動切換時,避免房間出現(xiàn)正壓的設(shè)計原則
下面以某實驗室的P3級生物安全實驗室為例,對設(shè)計原則作一闡述。該工程采用PLC控制系統(tǒng),僅有一個實驗室,實驗房間排風(fēng)與生物安全柜排風(fēng)共用一個排風(fēng)系統(tǒng)。
2.1 排風(fēng)系統(tǒng)停機故障瞬間分析
首先,假設(shè)一個生物安全實驗室的暖通及暖通自控系統(tǒng)設(shè)計如下。
1)在排風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生停機故障、排風(fēng)設(shè)備自動切換時,未采取任何避免房間出現(xiàn)正壓的措施。
2)排風(fēng)系統(tǒng)故障信號采集是通常的做法,即,設(shè)置空氣流量開關(guān),當(dāng)排風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)量接近零時,流量開關(guān)向控制中心發(fā)出ON/OFF信號,報告排風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)停機故障。
基于上述假設(shè),模擬生物安全實驗室發(fā)生排風(fēng)系統(tǒng)停機故障的狀況,實驗記錄為:實驗房間在發(fā)生排風(fēng)系統(tǒng)停機故障后約4s內(nèi)出現(xiàn)房間正壓;控制中心感知排風(fēng)系統(tǒng)停機故障在大約10s后。
該數(shù)據(jù)是本例的實測數(shù)據(jù),不同工程會有差異,由此可知:
1)房間正壓是在故障發(fā)生后的極短時間內(nèi)(約4s)出現(xiàn)的。主要原因是,對于生物安全實驗室,為保證房間負(fù)壓的送排風(fēng)量差值(這里的排風(fēng)量指房間加實驗設(shè)備的總排風(fēng)量)本來就很小,每h幾十至一二百m3左右,一旦出現(xiàn)排風(fēng)系統(tǒng)停機故障,房間排風(fēng)量在1～2s內(nèi)就能減少一二百m3。所以雖然4s僅是針對本例一個實驗房間的測試數(shù)據(jù),其他實驗室會有差異,但卻表明從排風(fēng)系統(tǒng)故障到房間開始出現(xiàn)正壓的時間極其短暫。上述討論均是基于同一個前提,即,實驗室房間排風(fēng)與實驗設(shè)備(如生物安全柜)排風(fēng)共用一個排風(fēng)系統(tǒng),雖然排風(fēng)系統(tǒng)不共用時可能會在某一種故障狀況下測出幾十s才出現(xiàn)房間正壓的情況,但由于其系統(tǒng)劃分的致命缺陷,使得該種系統(tǒng)無法解決所有同類故障下消除正壓的安全運行問題[1]。
2)控制中心感知系統(tǒng)故障時間太長,主要原因是風(fēng)機從停機至風(fēng)量降至接近零,需經(jīng)歷至少10s。這種停機時間是所有風(fēng)機的固有特性,相對應(yīng)的還有風(fēng)機的另一個固有特性———開機時間,兩種時間長度基本接近。
2.2 避免房間出現(xiàn)正壓的設(shè)計思路
由上可知,要避免房間出現(xiàn)正壓,必須采取兩個步驟:
1)使控制中心以最快速度感知排風(fēng)系統(tǒng)停機故障。
2)使控制中心及控制執(zhí)行系統(tǒng)以最快速度采取措施避免房間正壓出現(xiàn)。
對于本例,上述兩個步驟必須在4s內(nèi)完成。
2.3 避免房間出現(xiàn)正壓的技術(shù)措施
本例中采用了如下措施。
1)在排風(fēng)總管上設(shè)計響應(yīng)速度較快的風(fēng)量傳感器,專門用于判斷排風(fēng)系統(tǒng)停機故障,將判斷排風(fēng)系統(tǒng)停機故障的排風(fēng)量設(shè)定在一個較高的水平,既不至于使控制中心誤判故障,又能使控制中心在不到2s內(nèi)感知排風(fēng)系統(tǒng)停機故障。該風(fēng)量傳感器不同于設(shè)計在排風(fēng)總管上的另一個響應(yīng)速度較慢、抗湍流性能更好的風(fēng)量傳感器,后者主要用于實現(xiàn)前者無法兼顧的房間壓力穩(wěn)定問題(關(guān)于在同一根排風(fēng)總管上設(shè)計性能截然不同的兩個風(fēng)量傳感器的做法,筆者擬另外撰文介紹)。
2)在送風(fēng)系統(tǒng)總管上設(shè)計可完全關(guān)斷的電動蝶閥,該閥采用響應(yīng)速度為115s的執(zhí)行器,使得控制執(zhí)行系統(tǒng)在不到2s內(nèi)迅速切斷系統(tǒng)送風(fēng),以有效避免房間出現(xiàn)正壓。
另外,對于其他的措施,如盡快地減少送風(fēng)量(包括采用送風(fēng)機變頻控制)和利用定風(fēng)量閥可否保證房間負(fù)壓,結(jié)論是否定的。如果把送風(fēng)機變頻控制的速度無限加大,就相當(dāng)于瞬間強制關(guān)斷送風(fēng)機,但即使這樣,送風(fēng)機必須經(jīng)歷的停機時間無法滿足上述步驟2)對快速響應(yīng)速度的要求。對于具有多種排風(fēng)實驗設(shè)備的要求房間負(fù)壓的生物安全實驗室,在排風(fēng)系統(tǒng)上采用的是變風(fēng)量閥,在送風(fēng)系統(tǒng)上采用定風(fēng)量閥。定風(fēng)量閥的作用是固定送風(fēng)量,而不是快速減少送風(fēng)量,所起的作用是正好相反的。上述兩種方式,筆者在調(diào)試過程中均作過試驗,測試結(jié)果證明是不可行的,在模擬排風(fēng)系統(tǒng)停機故障時,房間迅速出現(xiàn)正壓。
3 結(jié)論
經(jīng)采取上述措施,在通過切斷電源模擬排風(fēng)系統(tǒng)停機故障、排風(fēng)設(shè)備自動切換時,完全避免了房間出現(xiàn)正壓。該工程2004年底通過了美國專業(yè)檢測機構(gòu)對此內(nèi)容的檢測。
需要補充的是,本工程調(diào)試實驗中觀察到,備用排風(fēng)機在故障發(fā)生后2s左右接到控制中心指令瞬間開始啟動,在經(jīng)歷了啟動時間之后,達到設(shè)定排風(fēng)量。期間由于送風(fēng)總管蝶閥同時關(guān)閉,房間需經(jīng)歷一個負(fù)壓較大的狀態(tài),之后送風(fēng)總管蝶閥打開,系統(tǒng)還需要一個由振蕩至穩(wěn)定的較長恢復(fù)時間,前后約需10～15min。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn),各實驗室特性不同,哪怕同一實驗室采用不同特性的風(fēng)量傳感器,也會使得恢復(fù)時間不同,但這屬于自控調(diào)試范疇,可以不納入暖通設(shè)計理論探討。無論負(fù)壓較大還是震蕩都是排風(fēng)系統(tǒng)停機故障、切換至備用排風(fēng)系統(tǒng)的初期狀態(tài),導(dǎo)致系統(tǒng)短時混亂,但自始至終沒有正壓出現(xiàn),所以是滿足生物安全實驗室安全運行要求的。
對于DDC控制系統(tǒng)或多個實驗室的P3或P4級生物安全實驗室,可以采取同樣的設(shè)計原則。但需要注意暖通系統(tǒng)的劃分,即實驗室房間排風(fēng)與實驗設(shè)備(如生物安全柜)排風(fēng)須共用一個排風(fēng)系統(tǒng),否則大大增加消除房間正壓的難度。該原則也適用于單個實驗室生物安全實驗室。
