由于生物安全實驗室特有的高生物危害性,無論系統正常運行還是發生故障,都要時刻確保實驗房間必要的負壓,確保生物安全柜等重污染實驗設備相對實驗房間維持必要的負壓,以避免生物污染外泄,確保操作人員安全。因此,確保系統24h處于安全狀態是設計者和建設者的一項重要任務。
一、與設計相關的主要運行故障
1.1?送風系統故障
由于有排風系統的強有力保障,在故障發生至人員安全撤離期間,雖然會出現很高的房間負壓,但始終可保證不出現生物安全柜相對房間呈正壓或實驗房間正壓的情況。
1.2?各類風量及壓力傳感器故障
傳感器發生故障后,傳遞錯誤信號,會使得系統悖離設計者的意愿運行,因此要求設計者、建設者熟悉各種傳感器的性能,選用性能匹配、質量穩定可靠的傳感器,其中傳感器的響應特性常常易被忽略,而使得調試結果偏離設計值,這是設計者尤其需要注意的。
1.3?排風系統故障
排風機或排風機變頻器的故障,對整個系統是致命的。所以生物安全實驗室的通風系統須設置備用排風機及備用排風機變頻器。但具體到細節,僅僅有備用排風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下不允許出現哪怕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設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安全柜相對房間呈負壓。
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稱為排風系統停機故障。
二、?排風系統停機故障、排風設備自動切換時,避免房間出現正壓的設計原則
下面以某實驗室的P3級生物安全實驗室為例,對設計原則作一闡述。該工程采用PLC控制系統,僅有一個實驗室,實驗房間排風與生物安全柜排風共用一個排風系統。
2.1?排風系統停機故障瞬間分析
首先,假設一個生物安全實驗室的暖通及暖通自控系統設計如下。
1)在排風系統發生停機故障、排風設備自動切換時,未采取任何避免房間出現正壓的措施。
2)排風系統故障信號采集是通常的做法,即,設置空氣流量開關,當排風管內的風量接近零時,流量開關向控制中心發出ON/OFF信號,報告排風系統出現停機故障。
基于上述假設,模擬生物安全實驗室發生排風系統停機故障的狀況,實驗記錄為:實驗房間在發生排風系統停機故障后約4s內出現房間正壓;控制中心感知排風系統停機故障在大約10s后。
該數據是本例的實測數據,不同工程會有差異,由此可知:1)房間正壓是在故障發生后的極短時間內(約4s)出現的。主要原因是,對于生物安全實驗室,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,一旦出現排風系統停機故障,房間排風量在1～2s內就能減少一二百m3。所以雖然4s僅是針對本例一個實驗房間的測試數據,其他實驗室會有差異,但卻表明從排風系統故障到房間開始出現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備(如生物安全柜)排風共用一個排風系統,雖然排風系統不共用時可能會在某一種故障狀況下測出幾十s才出現房間正壓的情況,但由于其系統劃分的致命缺陷,使得該種系統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,需經歷至少10s。這種停機時間是所有風機的固有特性,相對應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?避免房間出現正壓的設計思路
由上可知,要避免房間出現正壓,必須采取兩個步驟:
1)使控制中心以*快速度感知排風系統停機故障。
2)使控制中心及控制執行系統以*快速度采取措施避免房間正壓出現。
對于本例,上述兩個步驟必須在4s內完成。
2.3?避免房間出現正壓的技術措施
本例中采用了如下措施。
1)在排風總管上設計響應速度較快的風量傳感器,專門用于判斷排風系統停機故障,將判斷排風系統停機故障的排風量設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內感知排風系統停機故障。該風量傳感器不同于設計在排風總管上的另一個響應速度較慢、抗湍流性能更好的風量傳感器,后者主要用于實現前者無法兼顧的房間壓力穩定問題(關于在同一根排
風總管上設計性能截然不同的兩個風量傳感器的做法,筆者擬另外撰文介紹)。
2)在送風系統總管上設計可完全關斷的電動蝶閥,該閥采用響應速度為115s的執行器,使得控制執行系統在不到2s內迅速切斷系統送風,以有效避免房間出現正壓。
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