医药洁净厂房风量平衡技术浅析

医药洁净厂房风量平衡技术浅析 【摘 要】医药洁净厂房风量的精确平衡直接影响到洁净室换气次数，关系到洁净室的自净 能力和洁净度，进而影响到产品良品率及安全性。风量(或换气次数)在 GMP、FDA 等认证中是必 测项目，直接关系到净化系统能否正常运行。本文主要从常规医药洁净厂房风量平衡调试方面， 探讨总结风量平衡方法，提高调试效率；其方法适用于医药洁净厂房净化系统的送风量、回风 量、新风量及排风量的平衡测试。 【关键词】洁净厂房；风量平衡；风量测试 1.引言 医药洁净厂房以其净化系统风口多、房间多、系统复杂及系统稳定性差的 特点困扰现场调试人员和厂务维护人员，对其净化系统进行综合性能调试需要 具备较强的实践经验，要想提高其调试、维护效率，需要系统的分析整理并需 要扎实的理论知识作支撑。而净化行业有关设计、施工部分的研究论著、参考 文献相当丰富，涉及调试方面的参考资料却鲜有出现，所以我们在这里以某药 厂净化空调系统送风量平衡为参考，对净化空调系统综合性能调试的重要环节 风量平衡过程做一个剖析，进行经验总结，归纳调试模式。 风量平衡测试包括整个洁净厂房的空调系统，风量平衡涵盖空调系统总送 风量、回风量、新风量的平衡，以及系统内部各个风口之间风量的调整与测试， 使其满足设计风量与房间换气次数要求。风口(或高效风口)作为通风空调系统 的末端设备，同时也是洁净厂房中净化系统末端设备。医药洁净厂房净化系统 末端采用了高效过滤器送风，过滤安装于静压箱内，静压箱与净化空调系统的 送风支管相连接。要想做到空调系统内部风口之间的风量平衡，首先必须做到 各个送风支管之间的风量平衡，而平衡的前提是对风量的准确测量，否则就是 盲动。洁净厂房因需要防止交叉污染，房间也因其不同功能进行设置与分割， 所以医药洁净厂房具有房间多、风量要求精确、压差梯度等级要求高等特点。 实际测试过程中，净化空调系统高效送风口的截面风速并非想象中的均匀， 因此要准确的进行风量平衡不仅需要先进的测量仪器，同时还要具备系统的平 衡技术。风量平衡过程由总风量测定孔位置选取、总风量调试、风口风量调试 和风阀位置标记等过程组成，依据净化空调系统的特点，我们称之为风量平衡 技术。首先依据设计图纸对系统进行检查，了解现场是否存在变更情况，确保 机组运行正常，送风、回风、排风阀门设定在固定位置；其次用热敏式风速仪 进行总风量的调整；再次，在完成各个高效送风口送风量摸底测试的基础上， 有预见性的调整相应风阀开度，对系统支管风量平衡的同时，完成风口风量平 衡工作；最后重新测试各个风口风量以及空调系统总送、回风量及新风量。在 平衡过程中，要对流体的“此起彼伏”现象有预见性，灵活运用测量仪器，减 少反复调整、测试次数。测试过程中使用电子式风量罩，完全覆盖整个高效送 风口，实时读取风量数据，确保被测风量受控于允许波动范围内。 2.风量平衡流程 医药洁净厂房风量平衡流程见图 1： 图 1 医药洁净厂风量平衡流程图 调试过程所采用的测量仪器设备见表 1： 序号 设备名称 量程 单位 数量 用途 备注 1 热敏风速仪 050m/s 台 1 总风量测定 测定风管风速 2 风量罩 42 4250m3/h 台 1 风口风量测定 直接测试风口风量 3 对讲机 / 台 3 调试通讯用 4 标识牌 若干 表 1 风量平衡测试所用仪器 2.1 总风量测试测定孔位置选取 净化空调系统总风量测定：分别测定送、回风主管风速与测试断面截面面 积，通过其乘积计算得出总风量： L=v*s360 式中 L-风管送风量/回风量，m 3/h s-风管的测定截面面积，m 2 -测试断面平均风速，m/s 所以合理选择测试断面是精确测定送、回风总量的前提，测定孔位置选择 流程如图 2： 图 2 总风量测定孔位置选择流程图 测试断面的选取与测试断面截面积的测定是测试的前期准备工作，测试断 面选择原则是尽量选择气流均匀、前后一定距离范围内无局部阻力部件的直管 段上。尽量保证被测断面风速的均匀性与稳定性。 总风量测定截面位置选择，测量端面应位于大于或等于局部阻力管件前 3 倍管径或长边长，局部阻力管件后 5 倍管径或长边长的部位1。但在现场实际 操作中，并不一定存在如此理想的测量端面，所以可以依据现场情况，尽量离 上游局部阻力部件(如弯头)距离远点，可根据图 3 选择测定孔的位置。 图 3 总风量测定孔位置选择示意图 现场测试过程中如果没有理想的测试断面或测试点所在断面直管段长度过 短，风速测定断面存在涡流的可能时，应增加测点来提高测试准确性，测试断 面测定点越多，其测试结果越接近真实值。 测试断面选取后，要对风量测定孔位置进行定位。风速测点的选取是以面 积等分原则为基础，把被测风管断面分成若干面积相等的规则区域，取各个区 域中心点风速的平均值为断面测试风速。所以依据现场风管形状的不同，其测 定孔的选取方式也存在少许差异： 工程现场最常见的风管形状为矩形风管(包括正方形)与圆形风管： 对于矩形风管，将测定截面分成若干个面积相等的小界面，尽可能接近正 方形，边长最好不大于 200mm，其截面积不大于 0.05m2，测点在各个小截面的 中心处，但整个截面测点数不宜小于 3 个。 对于圆形风管截面，应按等面积圆环法划分测定截面和确定测点数；即根 据管径大小将圆管截面分成若干个面积相等的同心圆环，每个圆环上有四个测 点，四个测点必须在相互垂直的两个直径上，圆环的中心设一个测点。2 故对于圆形风管其风速测定点位于圆管内部相互垂直的两条直径上：如果 圆管直径较小，可以在相互垂直的两条直径两端各开一个测定孔即可；如果直 径较大，则在相互垂直的两条直径两端各开两个测定孔，测试时分别从管壁两 侧向圆环中心点测试风速；同时圆环中心设一个测点测试风速。以下分别为矩 形风管与圆形风管测定孔与测点布置示意图，分别见图 4、图 5：图 l（ 矩 形 风 管 测 点 位 置 示 意 图 ） 测 点 位 置测 孔 位 置wl20202020 图 4 矩形风管风量测定截面测点布置示意图 圆 形 风 管 测 点 位 置 示 意 图 2测 点 位 置测 孔 位 置等 面 积 圆 环 图 5 圆形风管风量测定截面测点布置示意图 圆环的面积: 2m DF=4n 圆环半径: R*2 式中 D-圆形风管截面直径 mm m-圆环的序数(由中心算起) n-圆环的数量 圆环划分数量按表 2 确定: 风管直径 mm 200 200400 400700 700 圆环个数 3 4 5 6 表 2 圆形风管风速测试圆环等分关系表(等面积圆环法) 各测点距风管中心的距离： D2m-1R=*n 式中 Rm-从圆形风管中心至第 m 个测点的距离(mm)，可参考图 6 D-风管直径 mm， m-圆环的序数(由中心算起) n-圆环的数量 各测点距测定孔(即风管壁)的距离 L1、L2 可按公式计算,可参考图 61mDL=R2 式中 L 1-由风管内壁到某一圆环上最近的测点之距离 L2-由风管内壁到某一圆环上最远的测点之距离 图 6 圆形风管测点距离图 2.2 总风量的调试 风口风量平衡的前提是总送、回风量的平衡，总风量调试的流程如图 7： 图 7 总风量调试流程图 进行系统总风量调试之前，需确认空调机组处于正常运行状态，系统管路 风阀(防火阀、手动调节阀、电动阀、密闭阀等)全数检查确认其正常开启,电动 阀与自控专业联系定位。若机组为变频控制时，可根据设计总风量与机组额定 参数进行比较，预估设定一个频率值，一般可设定在 40Hz，新风阀置于大约 1/3 位置(洁净厂房维护结构密封性较高，防止围护结构正压过高)。检查完毕 阀门悬挂“调试中、勿动作”标识牌。 总风量调试目的是对净化空调系统总送、回、新风量进行平衡，我们有风 管法和风口法两种方法。当洁净厂房净化空调系统规模较大、主干管路具备较 长直管段时，我们选择风管法；当其净化系统较小，主管管路弯曲又不便测试 时，我们常采用风口法进行平衡以提高效率。 2.2.1 风管法测定总风量 使用热敏式风速仪分别测定送、回风主管平均风速，使用卷尺测定测试断 面尺寸，通过其乘积计算得出总风量： L=v*s360 式中 L-风管送风量/回风量，m 3/h s-风管的测定截面面积，m 2 -测试断面平均风速，m/s 风速可以通过热球风速仪直接测量，然后取平均值；也可以利用毕托管和 微压计测量风管上的平均动压，通过计算求出平均风速。当风管的风速超过 2 m/s 时，用动压法测量比较准确。 平均动压和平均风速的确定：3 算术平均法 d1+2+dnpH.H= 均方根值法 d12dn2p.( ) 平均风速 dHv= 式中 Hdn-各测定点的动压值，Pa Hdp-平均动压值,Pa -空气密度,kg/m 3 v-平均风速,m/s 2.2.2 风口法测定总风量 对于净化空调系统较小，管路走向比较复杂，在风管上无法准确测量其风 速时，就采用风口法累积测试系统总风量。采用电子式风量罩直接测量，它的 使用方法比较简单只须把它举起完全覆盖高效送风口，仪器自身可以换算出风 量结果，我们只须等仪器测试稳定以后记录数据即可。逐一将整个系统中各个 高效过滤器风口风量测出，最后相加得出该系统的总风量。 测得空调系统的总风量后，拿来与设计值进行比较，若与设计总风量存在 较大差异，通过调节变频器或手动调节阀门进行调节。当机组属于变频控制时， 通过变频器的动作调整总风量； 当不涉及变频控制时，通过调节总送、回风量阀门来调节风量。调整后重 复进行上一步骤，即重新测试机组总风量，直至满足设计风量要求。 2.3 风口风量平衡调试 基于预先进行的总风量调试基础上，进行风口风量平衡调试，实现空调系 统内部各风口风量平衡。风口风量平衡调试实际上是通过调节阀门的开度，使 其阻力特性发生变化，最终使系统内部各个风口之间达到设计要求的平衡状态。 进入该阶段不能局限于仅满足局部风口风量 要求，而要从整体布局考虑，有预见性的进行系统调试。 风量平衡前应对每一个高效过滤器送风口进行编号，非单向流洁净厂房风 量平衡的实质是风口风量平衡，而单向流洁净厂房风量平衡的实质是风口截面 风速的平衡，技术流程见图 8： 图 8 风口风量平衡调试流程图 (1)对风口(高效过滤器)进行编号，编号的目的是保证调试过程中配合顺利， 给技术夹层与洁净室内调试人员协调作业带来便利。通常同一系统，同一洁净 区的风口编号是连续的。 (2)摸清风口风量分布情况，并作对应记录，做到有备而调，全局照应；不 盲目、有针对性、有预见性的进行系统调试。 (3)风口风量平衡调试主要采用基准风量平衡法、等比平衡调试法和预见针 对平衡法。其中基准风量平衡法和等比平衡调试法是基于流体力学公式所衍生 出来的，注重理论与实际的结合，根据公式： 2HSL ( 风管的阻力损失； S风管的阻力系数； L通过该风 管的风量) 由该公式看出风量与阻力成反比的关系。预见针对平衡法是在熟练调试经 验的基础上，有针对性的对风量偏差较大的风口进行调整，具体实施方法如下： 根据步骤(2)中所测风量分布记录找准风量最小风口和比设计值高且偏差风 量最高的风口，抓住该“最小”和“最大”采用“消峰填谷”(“峰”指“最大、 最高”、“谷”为“最小、最低”)平衡法，关闭“最大”风量风口风阀将风量 挤压至“最小”风量风口，使得整个系统风口风量相对均匀且控制在设计风量 偏差 20%内；再次测试系统中的全部风口风量并记录，并计算出实测风口风量 与设计风量的比值，采用等比平衡调节法进行微调，使各个风口风量相对均匀， 且控制在设计风量偏差 15%内，整个过程中时刻留意系统总风量的变化趋势。 2.4 风量复测 风口风量平衡完毕，系统中与之相关的送风量、回风量和新风量均需要复 测，防止因系统阻力变化明显导致总送风、回风量变化，风量复测执行前文所 述的风量测试方法。 2.5 风阀开度位置标记 风阀开度位置标记是为了防止阀门在系统波动时产生移位便于恢复，同时 便于生产维护。在做阀门标记的过程中，逐一取下“调试中，勿动作”标识牌， 并对阀门做标记，标记采用记号笔，以画线条方式进行，标记的同时应检查阀 门是否固定牢固。 3.风量平衡所涉及的规范 通风与空调工程施工质量验收规范GB50243-2002 4 第 11.2.3 条 系统无生产负荷的联合试运转及调试应符合下列规定: 1 系统总风量调试结果与设计风量的偏差不应大于 10%； 2 系统经过平衡调整，各风口或吸风罩的风量与设计风量的允许偏差不应 大于 15%； 洁净室施工及验收规范 JGJ71-90 5 第 5.4.2 条风量和风速的检测应符合下列规定： 一、乱流洁净室按附录六、二检测，结果应符合以下规定： 1 系统的实测风量应大于各自的设计风量，但不应超过 20% 2 总实测新风量和设计新风量之差，不应超过设计新风量的10% 3 室内各风口的风量与各自设计风量之差均不应超过设计风量的15% 4.质量保证措施 整个调试过程保证所有测量仪器处于在检状态；所做的每一测试，保留原 始记录；风口风量平衡过程中时刻关注总风量的变化趋势；涉及风口风量测试 尽量采用风量罩测定,少用单点风速仪，减小测试误差；风速仪测试时，测定点 数适当增加，减小误差；系统平衡调试完毕，阀门把手固定牢固避免系统波动。 5.应用实例 西安杨森制药有限公司 Marcopolo 栓剂制造车间及包装贮备中心(PPC)风量 平衡测试。 5.1 工程概况 该净化工程项目净化面积 1300m2；共有 2 台空调机组 1L/AA6 和 1L/AA7；1L/AA6 系统 33 台高效过滤器风口；1L/AA7 系统 34 台高效过滤器风口； 净化区域净化级别为十万级。这里我们将以 1L/AA7 净化空调系统为例阐述送风 口风量平衡过程(1L/AA7 系统图见图 9): 图 9 1L/AA7 空调系统图 1L/AA7 系统设计送风量：40930m 3/h；设计回风量：30668m 3/h；设计新风 量：40930-30668=10262 m3/h。总送、回风管尺寸均为：2000mm*800mm。计算 得出送风总管设计风速 7.11m/s；回风总管设计风速 5.32m/s。 5.2 平衡测试情况 根据工程的实际情况，该系统送、回风主管路均具备较长直管段条件(长度 约有 6000mm)，气流相对均匀，由此选择风管法测定其系统总风量。 沿该送风主管气流方向向下 4000mm 位置选择测试截面，开具 4 个测定孔， 间距 200mm，两端距风管边缘各留 100mm。每个测定孔内部测试 10 个测点，测 点间距 200mm,其测试断面布点示意图见图 10： 图 10 1L/AA7 净化空调系统送、回风总管风速测试测点布置示意图 将 1L/AA7 系统设计总风量与机组额定参数进行比较，将洁净空调系统机组 频率设置为 40Hz, 总送、回风总阀全开(系统有变频器)，新风阀置于 1/3 位置 (满刻度为 90),同时测试净化系统内部整体压力，经实际测量洁净厂房内的 整体压力 20Pa(相对大气)。采用单点风速仪，测试得到系统送风平均风速 7.85m/s，换算送风量为 452163/h；系统回风平均风速 5.90m/s，换算送风量为 33984m3/h，满足设计要求。 根据系统特点对风口风量采用风量罩测试，对所有阀门悬挂“调试中，勿 动作”标示。测试前应准备好高效送风口编号布置图、风口风量测试记录表(测 试前期准备)，而后采用风量罩测试风口风量，测试过程如见图 11： 图 11 采用风量罩测试风口风量 由于风口分布均匀，比较设计数据发现最远端风口风量偏小，靠近空调机 组风口风量偏高，采取“消峰填谷”法，将风量偏高的风口调小，风量偏小的 风口阀门开大， 进而依次类推分配均匀，将洁净室内各风口的实际送风量控制 在设计风量的 15%之内。平衡结束后分别对高效送风口风量以及空调系统总送、 回风量、新风量进行复测。复测结果见表 3、表 4 风口编 号 设计风 量 (m3/h) 实测风 量 (m3/h) 实测风量 / 设计风量 风口编 号 设计风 量 (m3/h) 实测风 量 (m3/h) 实测风量 / 设计风量 AA7-1 750 767 1.02 AA7-18 1440 1457 1.01 AA7-2 750 770 1.03 AA7-19 1360 1407 1.03 AA7-3 750 760 1.01 AA7-20 1360 1366 1.00 AA7-4 750 800 1.07 AA7-21 1360 1375 1.01 AA7-5 750 756 1.01 AA7-22 1360 1434 1.05 AA7-6 720 795 1.10 AA7-23 1440 1473 1.02 AA7-7 720 719 1.00 AA7-24 1440 1489 1.03 AA7-8 780 804 1.03 AA7-25 1360 1397 1.03 AA7-9 780 810 1.04 AA7-26 1360 1464 1.08 AA7-10 900 963 1.07 AA7-27 1360 1370 1.01 AA7-11 1440 1490 1.03 AA7-28 1360 1362 1.00 AA7-12 1440 1500 1.04 AA7-29 1440 1448 1.01 AA7-13 1360 1370 1.01 AA7-30 1440 1550 1.08 AA7-14 1360 1400 1.03 AA7-31 1360 1433 1.05 AA7-15 1360 1380 1.01 AA7-32 1360 1394 1.03 AA7-16 1360 1390 1.02 AA7-33 1360 1374 1.01 AA7-17 1440 1460 1.01 AA7-34 1360 1387 1.02 表 3 1L/AA7 系统风量平衡后风口风量复测数据 风速(m/s) 风量(m3/h)1l/AA7 系统 风管尺寸 (mm*mm) 截面积 (m2) 设计 测定 设计 测定 实测偏差 A(送风 ) 2000*800 1.600 7.11 7.50 40930 43200 +6% B(回风) 2000*800 1.600 5.32 5.60 30668 32256 +5% FA(回风) / / / / 10262 10944 +7% 表 4 1L/AA7 系统风量平衡后系统总风量复测数据 从风口风量和系统总风量复测结果可以看出，由于系统阻力改变，风量分 配已发生变化，但由于采用预见针对平衡法，有预见的在前期预留总风量余量 进行调试，同时风口风量测试过程中采用美国 ALNOR 进口风量罩，使风口风量 的测试精度得到保证，最终将风口风量均控制在设计要求范围内(同时洁净厂房 内的整体压差变化至 19Pa)。 最后，阀门悉数固定，使用记号笔标识阀门位置，取下“调试中，勿动作” 标识牌。 该项目于 2007 年 7 月 19 日月 31 日进行洁净室综合性能调试，1L/AA7 系统于 2007 年 7 月 22 日进行风量平衡调试并完成。 5.3 工程监测与结果评价 采用了多项风量平衡测试新技术，保证了净化系统的稳定运行。执行过程 西安杨森制 药有限公司工程部全程跟踪测试，测试报告数据(电子档)见图 1