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  • 生物安全實驗室負壓控制分析

    2018-04-19 admin
    生物安全實驗室負壓控制分析(圖1)


    一、負壓系統的控制方案:

       為了保證P3實驗室各房間(尤其在有全排風的Ⅱ級生物安全柜的實驗室房間)的負壓和壓力梯度,對P3實驗室負壓系統的通風空調控制通常有以下三種設計方案:

    1、房間送、排風均為變風量

       即安全柜開、停時,計算機通過變風量風閥和風機,自動調節送、排風風量,使實驗室各房間負壓和壓力梯度保持不變。從原理上來說此方案實為最理想的方案,即節能又合理。但由于在生物安全柜開、停時,整個系統的總風量和壓力需要重新調節和平衡,而且存在多個變量和多個控制對象以及負壓系統控制的倒相等問題,因此實現自動控制比較復雜,難度較大,投資成本也高,因此很少采用。

    2、房間送風為定風量,排風為變風量

       采用此方案,通常生物安全柜排風管直接接在系統的排風總管上,與房間的排風管分開,即不受房間排風的變風量風閥控制,生物安全柜啟用或停止時通過變風量風閥,自動調節房間排風量的大小,以維持室內壓力不變。實質上調節房間排風量的大小,也就是在生物安全柜啟用或停止時維持房間的總排風量不變。因此系統的總送風和總排風風量也不變,系統始終處于平衡狀態,自動控制實現起來比較容易,投資也較省,應用較廣。但要注意由于變風量風閥調節具有滯后性,安全柜的啟、停過程可能會引起室內負壓和壓力梯度的波動,甚至有倒灌的可能,必須采取有效措施加以防范。

    3、房間的送風、排風均為定風量

       采用此方案,通常生物安全柜的排風管直接接在該房間的排風支管上,安全柜的排風和房間的排風同時受同一個排風定風量風閥的控制,使得生物安全柜在啟用或停止時,通過排風定風量風閥維持房間總的排風量不變。因此在生物安全柜啟用或停止時,對實驗室房間的負壓和壓力梯度基本無影響,系統比較穩定,控制也很簡單,投資較省,屬目前最流行,采用最多的方案之一。該方案在設計時要注意,在有全排風的Ⅱ級生物安全柜的實驗室房間的風量要留有足夠余量,以避免生物安全柜在啟用時可能發生“倒灌”現象。

        2和3兩個方案的優點是簡單可靠,但不節能。

       若采用二位定風量閥和雙風機的變風量系統,則可以使自動控制變得相對簡單,易于實現,符合“安全可靠、節能運行”的原則。

    二、雙風機變風量系統設計方案

       根據《規范》的要求,如何才能做到“保證正在工作的排風機發生故障時,室內負壓狀態不被破壞,備用排風機必須能自動啟動,使系統不間斷正常運行”呢?

       首先要搞清楚什么是負壓和壓力梯度?“負壓”是指室內對大氣為負壓,而“壓力梯度”是指相鄰房間之間的壓差關系。

       目前,據我所知,現有已建的P3實驗室大多都還不能完全做到《規范》中關于設置備用排風機,保證在風機故障時,系統能不間斷正常運行的要求。這是由于判斷風機故障,以及備用風機的啟動和電動風閥動作的滯后特性所決定的。尤其是在主排風機故障時,送風機和生生物安全柜的排風機如何處理?是停還是不停?停送風機室內雖然可以避免出現正壓,但會有短暫失壓;不停送風機室內則有可能出現正壓!同樣,停生物安全柜排風機,生物安全柜內也可能失去負壓;不停則有“倒灌”的危險。因此僅靠增加一臺備用排風機,即一送二排,排風機一主一備,是很難真正做到排風機故障時,系統能“不間斷”正常運行的。除非在風機發生故障之前就能作出判斷,而提前啟動備用排風機。

       因為當只有一臺正在工作的排風機一旦發生故障時,其系統排風的動力或壓頭就會立即消失;排風風量急劇減小,即使立即停送風機和生物安全柜的排風機,然后再利用備用排風機重新啟動系統。在這個時間過程中,室內和生物安全柜內可能已經失壓或出現正壓了!因此一臺送風機、二臺排風機的通風方案不可行!

       有的單位也有不停送風機和生物安全柜排風機的。據說“在排風機發生故障時,備用排風機能快速切換,其房間與相鄰房間也能基本上維持負壓,即現場壓差表指針不過零”。究竟是否能保證維持負壓?我表示懷疑;當我問到房間有沒有倒灌現象和該房間對大氣是否也能維持負壓?他們竟全然不知。甚至說:“我們只要保證相鄰房間能維持負壓就行了”。這是對生物安全要求的錯誤理解。

       也有單位在排風機發生故障時,只停送風機而不停生物安全柜排風機,或者根本就不考慮生物安全柜排風機的啟停,甚至生物安全柜排風機的啟停只有手動控制。這樣做是非常危險和絕對不允許的;在主排風機發生故障時,不能及時停生物安全柜排風機,就非常有可能向房間內倒灌!因此生物安全柜的排風機啟動和停止必須自動控制,不得手動!

       雖然在排風機發生故障時,由于房間內還有生物安全柜的排風機在工作,也許在非常短的時間內還能維持負壓,但生物安全柜的排風很可能會向房間內倒灌。若不停送風機這時其它房間還有可能對大氣為正壓。所以即使該房間與相鄰房間仍為負壓,但該房間對大氣卻不一定是負壓!

       P3實驗室內對大氣若為正壓或房間內發生倒灌都是非常危險的。所以在判斷或驗證排風機發生故障時,實驗室內是否能不間斷的維持負壓,不能僅看相鄰房間之間的壓差,而且還要監視房間對大氣是否也維持負壓和房間內的排風是否有倒灌現象!

       另外,在《規范》中,僅僅只提到了排風機發生故障的情況,那么假設一旦送風機發生故障又該怎么辦呢?筆者認為;在P3實驗室通風系統中,送風機也應該設有備用。因為送風機一旦發生故障,排風機也必須停。否則,過大的負壓會對實驗室內的維護結構造成一定的破壞,或對高效過濾器和實驗設備產生不良影響。

       于是筆者提出;在一送二排的基礎上,是否可考慮再增加一臺送風機或再增加一臺送風機和一臺排風機,即二送二排;或二送三排,甚至三送三排,且送風機和排風機均采用雙機并聯運行。這樣就能做到正在工作的送風機和排風機其中任何一臺發生故障時,還有一送一排,在繼續工作?;蛘吡硗庖慌_備用風機自動跟進。從而保證室內的負壓和壓力梯度不被破壞,整個系統才能保證不間斷地正常運行。甚至生物安全柜也能不間斷地繼續工作!

       因為當二臺并聯的排風機同時工作,其中一臺排風機發生故障時;由于還有一臺排風機仍在工作,其排風的動力或壓頭還能繼續維持,雖然系統的排風風量也會減少,但在短時間內由于有定風量閥的作用,室內的負壓和壓力梯度還不會立即發生變化,只要能立即自動停一臺送風機;或者備用風機及時地自動跟進,就能保證系統不間斷地正常運行。

       實踐證明;采用二位定風量閥的雙風機并聯變風量系統,即使正在工作的送風機和排風機其中任何一臺風機發生故障時,生物安全實驗室內的負壓和壓力梯度也非常穩定,效果甚佳;而且一送一排還可作為夜間值班使用,從而省去另外再單獨設置的值班系統,使系統更簡單,更節能,更安全可靠,投資也更省。

    三級生物安全實驗室通風系統的風機設置方案歸納如下:
      一送一排:一臺送風機一臺排風機,運行不復雜,在風機發生故障時,雖然也可利用值班風機作備用,但系統和生物安全柜均不能做到不間斷正常運行。室內安全性不高。
      一送二排:排風機為一主一備,運行不復雜,排風機發生故障時,有備用風機。在風機發生故障時,系統和生物安全柜均不能做到不間斷正常運行,也需另設值班系統。室內安全性不高
      二送二排:送、排風機均為一主一備,送、排風機任何一臺發生故障時,均有備用風機。在風機發生故障時,系統和生物安全柜均不能做到不間斷正常運行。也需另設值班系統。室內安全性不高
      二送二排:送、排風機并聯雙風機工作;也可一送一排單機運行。送、排風機任一臺發生故障時,都可以一送一排工作。能保證系統不間斷正常運行,和維持室內或生物安全柜內的負壓,無需另設值班系統。投資費用較低,室內安全性,可靠性高。運行控制簡單。在風機故障時,生物安全柜還不能做到不間斷正常運行。
      二送三排:送、排風機并聯雙風機工作;也可一送一排單機工作。排風機為二用一備。排風機發生故障時,能保證系統和生物安全柜不間斷正常運行。送風機發生故障時,可一送一排工作,以維持室內負壓和壓力梯度。無需另設值班系統。室內安全性,可靠性高。當有一臺送風機發生故障時,生物安全柜不能做到不間斷正常運行,運行及控制稍復雜。
       三送三排:送、排風機并聯雙風機工作;也可一送一排單機工作。送、排風機均二用一備。送、排風機任一臺發生故障時,都能保證系統和生物安全柜不間斷正常運行。無需另設值班系統。室內安全性,可靠性最高。運行及控制稍復雜。
     
       從上述可見;二送二排雙風機并聯運行工作的變風量系統實屬于P3實驗室最簡單節能,又安全可靠的方案;只有在要求較高的情況下(如在風機故障時,生物安全柜也要能不間斷地繼續工作),則可考慮二送三排,或三送三排的通風系統方案。

       究竟選擇以上那一種通風系統的方案,應根據操作對象的危害程度和具體要求來選用。實際上,設置備用風機的目的是為了生物安全實驗室更加安全可靠。否則不設置備用風機,采用一送一排的方案,在風機發生故障時,利用值班系統作為備用自動跟進;或者靠生物安全柜的排風機來維持負壓,也可保證室內負壓,若采用房間送風為定風量、排風為變風量方案,甚至還可以做到能不間斷地維持室內負壓狀態(但不能保證正常的壓力梯度)和工作人員安全,也并非不可。若增加了備用風機,在風機故障時,仍然不能做到“使系統能不間斷繼續正常運行”,實際上也是毫無意義的。


    生物安全實驗室負壓控制分析(圖2)
     

    三、值班系統的設計方案

      對于P3實驗室一旦啟用,就應24小時維持負壓;尤其是在室內有實驗動物時。否則一旦失壓,室內空氣中就可能會有致病因子和氣溶膠,甚至有倒灌的可能。在第二天啟用時又必須重新進行自凈或消毒。因此必須設值班系統。對于值班系統的設置,一種方案為;另外單獨設置一套值班系統,僅對有實驗動物的房間送、排風和控溫。該方案運行費用較低;但投資較高,且大小系統切換時,系統可能會引起波動;另一方案即在雙風機并聯運行的系統中,只需減少風機的運行數量,即一送一排單機工作,而無需另外增加值班系統及切換裝置和溫控。該方案更安全實用,而且投資較省。

       據了解目前大多生物安全實驗室不設值班系統,直接利用主送風機和排風機一套系統24小時運轉,以維持生物安全實驗室內的負壓。這種做法會使得生物安全實驗室的運行費用比較高,很不節能。

       值得注意的是;P3實驗室必須全自動運行。尤其是P3實驗室所有的風機均不得以手動方式操作運行,因為任何一臺風機的誤操作都會造成通風系統平衡的破壞和事故,一旦手動誤操作發生事故就會無歷史記錄,給事故調查處理帶來困難?,F場所設的本地手動和計算機遠程手動都只能僅供技術人員調試和維修時使用;或系統運行時處理緊急突發事故手動優先作應急使用。

    結語

       實際上關于P3實驗室的建設與設計、安全與規范,都還有很多問題值得探討;例如通風系統的自動控制如何才能做到最安全、穩定、節能、省投資、易維護;自動控制和監控應如何布點;如何編寫監控程序或故障的應急處理以及編程中應注意哪些問題;新風的進風口和排風口應如何處理;安全柜如何使用才能既安全,又能延長其高效過濾器的使用壽命;溫度波動對室內壓差及壓差檢測的影響;如何安全地更換高效過濾器等等。
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