近年來,各地紛紛建設(shè)P3級生物實驗室,不少項目已經(jīng)開始投入使用。由于生物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壓,確保生物柜等重污染實驗設(shè)備相對實驗房間維持必要的負壓,以避免生物污染外泄,確保操作人員。因此,確保系統(tǒng)24h處于狀態(tài)是設(shè)計者和建設(shè)者的一項重要任務(wù)。本文就生物實驗室暖通系統(tǒng)運行中的故障狀態(tài),從系統(tǒng)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?送風系統(tǒng)故障

由于有排風系統(tǒng)的強有力保障,在故障發(fā)生至人員撤離期間,雖然會出現(xiàn)很高的房間負壓,但始終可保證不出現(xiàn)生物柜相對房間呈正壓或?qū)嶒灧块g正壓的情況。

1.2?各類風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?排風系統(tǒng)故障

排風機或排風機變頻器的故障,對整個系統(tǒng)是致命的。所以生物實驗室的通風系統(tǒng)須設(shè)置備用排風機及備用排風機變頻器。但具體到細節(jié),僅僅有備用排風機或變頻器還遠不夠。生物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,如何在排風機或排風變頻器故障時系統(tǒng)自動切換至備用排風機和備用排風變頻器過程中,確保實驗房間負壓及生物柜相對房間呈負壓。

排風機變頻器的故障中嚴重的是使排風機停機,將排風機故障或排風機變頻器故障引起的排風機停機統(tǒng)稱為排風系統(tǒng)停機故障。

2?排風系統(tǒng)停機故障、排風設(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,實驗房間排風與生物柜排風共用一個排風系統(tǒng)。

2.1?排風系統(tǒng)停機故障瞬間分析

首先,假設(shè)一個生物實驗室的暖通及暖通自控系統(tǒng)設(shè)計如下。

1)在排風系統(tǒng)發(fā)生停機故障、排風設(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),當排風管內(nèi)的風量接近零時,流量開關(guān)向控制中心發(fā)出ON/OFF信號,報告排風系統(tǒng)出現(xiàn)停機故障。

基于上述假設(shè),模擬生物實驗室發(fā)生排風系統(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,對于生物實驗室,為保證房間負壓的送排風量差值(這里的排風量指房間加實驗設(shè)備的總排風量)本來就很小,每h幾十至一二百m3左右,一旦出現(xiàn)排風系統(tǒng)停機故障,房間排風量在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,實驗室房間排風與實驗設(shè)備(如生物柜)排風共用一個排風系統(tǒng),雖然排風系統(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,主要原因是風機從停機至風量降至接近零,需經(jīng)歷至少10s。這種停機時間是所有風機的固有特性,相對應(yīng)的還有風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)使控制中心以快速度感知排風系統(tǒng)停機故障。

2)使控制中心及控制執(zhí)行系統(tǒng)以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)在排風總管上設(shè)計響應(yīng)速度較快的風量傳感器,專門用于判斷排風系統(tǒng)停機故障,將判斷排風系統(tǒng)停機故障的排風量設(shè)定在一個較高的水平,既不至于使控制中心誤判故障