近年来,各地纷纷建设P3级生物实验室,不少项目已经开始投入使用。由于生物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。因此,确保系统24h处于状态是设计者和建设者的一项重要任务。本文就生物实验室暖通系统运行中的故障状态,从系统运行要求的角度,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柜相对房间呈负压。

排风机变频器的故障中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