近年来,各地纷纷建设P3级生物安全实验室,不少项目已经开始投入使用。由于生物安全实验室特有的高生物危害性,无论系统正常运行还是发生故障,都要时刻确保实验房间必要的负压,确保生物安全柜等重污染实验设备相对实验房间维持必要的负压,以避免生物污染外泄,确保操作人员安全。因此,确保系统24h处于安全状态是设计者和建设者的一项重要任务。本文就生物安全实验室暖通系统运行中的故障状态,从系统安全运行要求的角度,对暖通及暖通自控系统的设计原则作一阐述。
1 与设计相关的主要运行故障
1.1 送风系统故障
由于有排风系统的强有力保障,在故障发生至人员安全撤离期间,虽然会出现很高的房间负压,但始终可保证不出现生物安全柜相对房间呈正压或实验房间正压的情况。
1.2 各类风量及压力传感器故障
传感器发生故障后,传递错误信号,会使得系统悖离设计者的意愿运行,因此要求设计者、建设者熟悉各种传感器的性能,选用性能匹配、质量稳定可靠的传感器,其中传感器的响应特性常常易被忽略,而使得调试结果偏离设计值,这是设计者尤其需要注意的。
1.3 排风系统故障
排风机或排风机变频器的故障,对整个系统是致命的。所以生物安全实验室的通风系统须设置备用排风机及备用排风机变频器。但具体到细节,仅仅有备用排风机或变频器还远不够。生物安全实验室的高生物危害性要求白天实验室工作状态下不允许出现哪怕1s的实验房间正压和生物安全柜相对于实验房间呈正压的情况。这给暖通及暖通自控系统设计提出了更高的要求,即,如何在排风机或排风变频器故障时系统自动切换至备用排风机和备用排风变频器过程中,确保实验房间负压及生物安全柜相对房间呈负压。
排风机变频器的故障中最严重的是使排风机停机,将排风机故障或排风机变频器故障引起的排风机停机统称为排风系统停机故障。
2 排风系统停机故障、排风设备自动切换时,避免房间出现正压的设计原则
下面以某实验室的P3级生物安全实验室为例,对设计原则作一阐述。该工程采用PLC控制系统,仅有一个实验室,实验房间排风与生物安全柜排风共用一个排风系统。
2.1 排风系统停机故障瞬间分析
首先,假设一个生物安全实验室的暖通及暖通自控系统设计如下。
1)在排风系统发生停机故障、排风设备自动切换时,未采取任何避免房间出现正压的措施。
2)排风系统故障信号采集是通常的做法,即,设置空气流量开关,当排风管内的风量接近零时,流量开关向控制中心发出ON/OFF信号,报告排风系统出现停机故障。
基于上述假设,模拟生物安全实验室发生排风系统停机故障的状况,实验记录为:实验房间在发生排风系统停机故障后约4s内出现房间正压;控制中心感知排风系统停机故障在大约10s后。
该数据是本例的实测数据,不同工程会有差异,由此可知:
1)房间正压是在故障发生后的极短时间内(约4s)出现的。主要原因是,对于生物安全实验室,为保证房间负压的送排风量差值(这里的排风量指房间加实验设备的总排风量)本来就很小,每h几十至一二百m3左右,一旦出现排风系统停机故障,房间排风量在1～2s内就能减少一二百m3。所以虽然4s仅是针对本例一个实验房间的测试数据,其他实验室会有差异,但却表明从排风系统故障到房间开始出现正压的时间极其短暂。上述讨论均是基于同一个前提,即,实验室房间排风与实验设备(如生物安全柜)排风共用一个排风系统,虽然排风系统不共用时可能会在某一种故障状况下测出几十s才出现房间正压的情况,但由于其系统划分的致命缺陷,使得该种系统无法解决所有同类故障下消除正压的安全运行问题[1]。
2)控制中心感知系统故障时间太长,主要原因是风机从停机至风量降至接近零,需经历至少10s。这种停机时间是所有风机的固有特性,相对应的还有风机的另一个固有特性———开机时间,两种时间长度基本接近。
2.2 避免房间出现正压的设计思路
由上可知,要避免房间出现正压,必须采取两个步骤:
1)使控制中心以最快速度感知排风系统停机故障。
2)使控制中心及控制执行系统以最快速度采取措施避免房间正压出现。
对于本例,上述两个步骤必须在4s内完成。
2.3 避免房间出现正压的技术措施
本例中采用了如下措施。
1)在排风总管上设计响应速度较快的风量传感器,专门用于判断排风系统停机故障,将判断排风系统停机故障的排风量设定在一个较高的水平,既不至于使控制中心误判故障,又能使控制中心在不到2s内感知排风系统停机故障。该风量传感器不同于设计在排风总管上的另一个响应速度较慢、抗湍流性能更好的风量传感器,后者主要用于实现前者无法兼顾的房间压力稳定问题(关于在同一根排风总管上设计性能截然不同的两个风量传感器的做法,笔者拟另外撰文介绍)。
2)在送风系统总管上设计可完全关断的电动蝶阀,该阀采用响应速度为115s的执行器,使得控制执行系统在不到2s内迅速切断系统送风,以有效避免房间出现正压。
另外,对于其他的措施,如尽快地减少送风量(包括采用送风机变频控制)和利用定风量阀可否保证房间负压,结论是否定的。如果把送风机变频控制的速度无限加大,就相当于瞬间强制关断送风机,但即使这样,送风机必须经历的停机时间无法满足上述步骤2)对快速响应速度的要求。对于具有多种排风实验设备的要求房间负压的生物安全实验室,在排风系统上采用的是变风量阀,在送风系统上采用定风量阀。定风量阀的作用是固定送风量,而不是快速减少送风量,所起的作用是正好相反的。上述两种方式,笔者在调试过程中均作过试验,测试结果证明是不可行的,在模拟排风系统停机故障时,房间迅速出现正压。
3 结论
经采取上述措施,在通过切断电源模拟排风系统停机故障、排风设备自动切换时,完全避免了房间出现正压。该工程2004年底通过了美国专业检测机构对此内容的检测。
需要补充的是,本工程调试实验中观察到,备用排风机在故障发生后2s左右接到控制中心指令瞬间开始启动,在经历了启动时间之后,达到设定排风量。期间由于送风总管蝶阀同时关闭,房间需经历一个负压较大的状态,之后送风总管蝶阀打开,系统还需要一个由振荡至稳定的较长恢复时间,前后约需10～15min。在调试中发现,各实验室特性不同,哪怕同一实验室采用不同特性的风量传感器,也会使得恢复时间不同,但这属于自控调试范畴,可以不纳入暖通设计理论探讨。无论负压较大还是震荡都是排风系统停机故障、切换至备用排风系统的初期状态,导致系统短时混乱,但自始至终没有正压出现,所以是满足生物安全实验室安全运行要求的。
对于DDC控制系统或多个实验室的P3或P4级生物安全实验室,可以采取同样的设计原则。但需要注意暖通系统的划分,即实验室房间排风与实验设备(如生物安全柜)排风须共用一个排风系统,否则大大增加消除房间正压的难度。该原则也适用于单个实验室生物安全实验室。
