FFU--洁净室的末端化设备

FFU 的应用 摘 要 本文通过对我国市场上销售的 FFU 进行性能测试和工程设计经验 总结了 FFU 的应用与选择上的注意事项 供读者参考 关键词 风机过滤器单元 洁净室 余压 噪声 1 FFU 及其性能 FFU 是 FAN FILTER UNIT 的缩写 中文称作 风机过滤器单元 也就是将风机和过滤器 高效过滤器 HEPA 或超高效过滤器 ULPA 组合 在 一起构成自身能提供动力的末端净化设备 过去在洁净工程中常用的带风机的高效过滤器的送风口 自净器 层流罩等都是 FFU 的 一种 不过 现在所说的 FFU 是具有标准模数尺寸 能按模数组合起来实现 1 级 10 级 100 级 1000 级等不同级别的洁净室的净 化 单元设备 目前 国内 外常用的模数有 1200X6mm 4 英尺 X2 英尺 1200X900mm 4 英尺 X 3 英尺 1200X 1200mm 4 英尺 X4 英尺 其厚度多在 300 400mlTl FFU 一般由以下四部分组成 风机 过滤器 机壳 电器控制元件 2 FFU 的应用 2 1 适应性 2 2 经济性 2 3 风量和余压 2 4 噪声 2 5 控制 2 6 维护管理 3FFU 的选择 1 1 试验方法和试验装置 3 2 结果分析 1 FU 机组内的高效过滤器的初阻力均不相同 大约在 120 150Pa 之间 2 当高效过滤器为初阻力 且保证 FFU 送风断面风速为 0 35m s 时 不同 FFU 的机外余压均在 100Pa 左右 有的高达 130Pa 当 FFU 送风断面风速为 0 45m s 时 各机组的机外余压 都能在 60Pa 以上 当 FFU 送风断面风速为 0 45m s 时 被测的 FFU 的机外余压都是足以克服循环通道上的阻力 3 FFU 的声压级噪声大多在 57dB A 59dB A 之间 比较好的品牌其噪声在 54dB A 4 各不同晶牌的 FFU 的能耗大多在 160 180W 只有个别品牌的能耗大 高达 350W 是一般能耗的一倍 FFU 介绍 FFU 的全称叫 FAN FILTER UNIT 风机过滤单元 也就是风机和过滤器联结在一起 能自己提供动力的洁净设备 风机过滤单元 层流送风单元 FFU 空气过滤单元 空气过滤机 百级层流罩统称 层流罩 早在二十世纪六十年代 第一个层流室的建立就已经开始出现 FFU 的应用了 但直到 1984 年 在亚洲才出现大规模应用 FFU 的事例 大约有 5000 台 是什么原因导致 FFU 在这么长的时间没有得到广泛的发展呢 有三个问题占主导地位 第一 噪声问题 各位可以想一想 在当时的生产工艺水平下 5000 台风机在一起的噪声会是多大呢 第二 压力平衡 在很大的静压箱里 每一个不同角落的风机是否能得到均衡的压力 这在当时也是不能够得到保证的 第三 维护问题 FFU 本身造价就比较高 如果它的电机寿命不能保证的话 更换又会带来附加投资 这些都是造成当时的企业不 选择使用 FFU 的主要原因 但是这一切 在 1984 年都发生了改变 首先是噪声问题得到了控制 大规模的 FFU 洁净厂房都可以把噪声控制在 65DBA 以下 这符合工业厂房的标准 其次随着自动控制的发展 监测和调节各个角落的静压也变得容易起来 最后电机的寿命随着技术的提高也得 到了质的飞跃 现在 随着半导体电子技术的发展 越来越密集的集成电路也要求着越来越高的洁净等级 第一 灵活性 因为 FFU 是自带 动力的 它不受区域的限制 在一个偌大的洁净厂房里 可根据需要 分区控制 而且 随着半导体生产工艺的变化 厂房布局必然要 作相应调整 FFU 的灵活性使得这样的调整变得轻松 而且不会带来二次投资 第二 可再利用性 从理论上讲 一时不用的 FFU 设备 可以拆下来 密封好 妥善保管 留待下次使用 第三 负压通风 这是 FFU 的独特特点 由于它本身能够提供静压 使得送风静压箱相对于洁静厂房负压 这样 静压箱内的颗 粒就不会受到压力的作用泄漏到洁净区里 使得密封变得很简单而且安全 第四 缩短建设周期 使用 FFU 省掉了风管的制作和安装 因为风管在洁净工程中 占掉很大的建设周期 任何一个投资者都希 望投资能尽快带来收益 选用 FFU 成为了一种可能 第五 减少运行成本 虽然在选用 FFU 时 初期投资要比使用风管通风高 但它在后期运行中 突出的表现出节能 免维护等特 点 用大循环减少 40 的运行成本 FFU 智能控制系统 FFU 的全称为 Fan Filter Unit s 可以译为风机过滤器单元 FFU 作为洁净环境的一种自带动力的末端装置 从二十世纪八十年代开始 在世界各地逐步得到了广泛应用 但是多台 FFU 同时使用 时 有两个问题不容忽视 1 所有 FFU 的运行状态的监测 2 根据每个洁净环境的实际需要 FFU 是否能提供使环境能达到洁净级别所要求的最低风速 保证最低能耗 针对 FFU 使用过程中的实际需要 厂家实时推出了 FFU 集散型控制系统 HH F 系统 洁净室 FFU 控制系统 摘 要 本文介绍了洁净室 FFU 控制的几种方式 并列举了其优缺点及采用交流电机的智能化 FFU 控制系统的功能特点 The advantages and disadvantages of several FFU control methods and characteristics of intelligent AC motor FFU control system 1 引言 随着经济的发展和人们生活水平的提高 人们对产品质量的要求也越来越高 而生产技术和生产环境决定了产品质量 这就迫使厂家追 求更好的生产技术和更高的生产环境 特别是电子 制药 食品 生物工程 医疗 实验室等领域对生产环境有着苛刻的要求 它综合 了工艺 建筑 装饰 给排水 空气净化 暖通 空调 自动控制等多方面的技术 衡量这些行业生产环境质量的主要技术指标有温度 湿度 洁净度 风量 室内正压等 因此 对生产环境的各个技术指标进行合理的控制 以满足特殊生产工艺的要求 成为了现在洁净 工程的研究热点之一 FFU 作为一种净化设备 目前在各种洁净工程中得到广泛应用 FFU 的全称叫 Fan Filter Unit 风机过滤单元 也就是风机和过滤器连接在一起 能自己提供动力的洁净设备 早在二十世纪六十年代 世界上第一个层流洁净室的建立就已经开始出 现 FFU 的应用了 2 FFU 控制方式现状 目前 FFU 一般采用单相多速交流电机 三相多速交流电机和直流电机 电机的供电电压大致有 110V 220V 270V 380V 四种 其控 制方式主要分为以下几种 多档开关控制 连续速度调节控制 计算机控制 遥控控制 下面对以上四种控制方式做一简单分析与比较 2 1 多档开关控制 多档开关控制系统只包括 FFU 自带的一个调速开关和一个电源开关 由于控制元件为 FFU 自带 分布在洁净室吊顶内的各个位置 工 作人员必须在现场通过拨挡开关来调节 FFU 控制起来极不方便 而且 FFU 的风速可调范围有限 仅限于几档 我们曾经做过一个项 目 为了克服 FFU 控制操作不方便的因素 经过电气线路的设计 把所有 FFU 的多档开关集中起来 放到地面上一个柜子内 实现集 中操作 但无论是从外观还是功能上都存在其局限性 采用多档开关控制方式优点是控制简单 成本低 但存在许多缺陷 比如 能耗 大 不能平滑调速 没有反馈信号 不能实现灵活的组群控制等 2 2 连续速度调节控制 连续速度调节控制与多档开关控制方式相比 多了一个连续速度调节器 使 FFU风机转速连续可调 但同时也牺牲了电机效率 使其 能耗比多档开关控制方式还要高 2 3 计算机控制 计算机控制方式一般采用直流电机 与前面两种方式相比 计算机控制方式具有以下先进的功能 采用集散型控制方式 能够很方便的实现 FFU 的集中监测和控制 可方便的实现 FFU 的单台 多台及分区控制 智能化控制系统具有节能功能 可采用可选的遥控方式进行监测和控制 控制系统预留通信接口 可与上位机或网络进行通讯 从而实现远程通信和管理功能 控制直流电机的突出优点在于 容易控制 调速范围较宽 但该控制方式也有一些致命的缺陷 由于洁净厂房不允许 FFU 电机带有电刷 因此 FFU 的电机均采用无刷直流电动机 换相问题则由电子换相器解决 而电子换相器 的寿命短使整控制系统的使用寿命也大大降低 整套系统造价昂贵 后期维护费用高 2 4 遥控控制方式 遥控控制方式作为计算机控制方式的一种补充 可使用遥控器对每台 FFU 进行控制 与计算机控制方式相辅相成 综上所述 前两种控制方式能耗高 控制不方便 后两种控制方式寿命短 成本高 那有没有一种控制方式既能做到能耗低 控制方便 又能保证使用寿命 成本不高呢 有 那就是采用交流电机的计算机控制方式 交流电动机同直流电动机相比较 具有结构简单 体积小 制造方便 运行可 价格低谦等一系列的优点 由于其不存在换相问题 其使用寿命远远超过直流电机 长期以来由于其调速性能很差 因此 调速方式一直被直流调速方式所占领 但随着新型电力电子器件 与大规模集成电路的出现和发展 以及新的控制理论不断的出现及应用 交流控制方式也逐渐发展起来 并将最终取代直流调速系统 在 FFU 交流控制方式中 又主要分为两种控制方式 调压控制方式和变频控制方式 所谓调压控制方式 就是通过直接改变电动机定 子电压的大小来调整电动机的转速 调压方式的缺点是 调速时的效率较低 低速时 电机发热严重 调速范围较窄等 但是 调压方 式对于 FFU风机负载来说 其缺陷不是很明显 并且在目前的情况下还有一些优点 调速方案成熟 调速系统稳定 能够保证长时间无故障连续运行 操作简便 控制系统造价低 由于 FFU风机负载很轻 在低速时 电机发热不是很严重 调压方式特别适合于风机负载 由于 FFU风机负责曲线为独特的阻尼曲线 因此 调速范围可以做到很宽 因此 在今后的一段时期内 调压方式还将是一种主要的调速方式 变频控制方式就是通过改变电源频率 f 的方式来调速电动机的转速 同时 按一定比例调整整电动机的输入电压 变频控制方式具有优 异的性能 调速范围大 平滑性较高 调速效率高等 变频一般采用较先进的 SPWM 控制方式 并采用单片机生成 SPWM 波形 SPWM 变频方式同其它变频方式相比具有以下特点 1 结构简单 控制方便 2 输入功率因数高 3 系统动态响应快 4 输出谐波 少 在目前的情况下 与调压方式相比 变频方式也有一些缺点 这主要体现在以下两个方面 变频方式造价比较高 为了使变频器的输出谐波尽可能的减少 逆变器的功率开关器件的开关频率要尽可能的高 因此 一般采用 GTR GTO PMOSFET 作为开关器件 上述这些器件本身造价较高 因此 变频控制方式整体造价也比较高 使用寿命不如调压方式长 由于异步电动机属于感性负载 功率因数不会等于 1 0 故在中间直流环节与电动机之间总存在无功功率 的交换 由于逆变器中的电力电子开关无法储能 所以无功能量只能 直流环节中的储能元件 电容器 来缓冲 电容器的寿命大大限 制了变频器的使用寿命 即使是最先进的变频器厂商 其变频器寿命也受此限制 随着半导体技术的不断发展 可以预料 一些简单可 性能优异 价格便宜的变频调速系统将不断出现 异步电动机的变频调速方法 的应用将日见广泛 并将最终取代直流调速方式和调压调速方式 3 FFU 智能化控制系统 目前 在 FFU 的应用领域内 其控制系统的应用率还是比较低的 而且在国际市场上流行的 FFU 智能化控制系统中 一般只针对配备 无刷直流电机的 FFU 特别是在全球能源越趋紧张的今天 控制系统的节能效益越来越被人所重视 每个洁净室根据产品的生产工艺 决定相应的风速 同时又不得不考虑能耗问题 而一般的控制系统所能调节的风速范围有限 不能根据具体的要求提供精确的风速 特 别是在 8 小时之外的休息时间 仍然保持较高的风速 这无疑带来了能源上的巨大浪费 针对这种现状 最近推出了能够数字化调节风 速的 HH F 系列 FFU 智能化控制系统 该系统操作简单 界面友好 特别是可根据洁净室的具体风速要求 例如 0 37m s 0 28m s 数字化设定 HH F 系列 FFU 控制系统是一套集散型控制系统 能够方便的实现现场分散控制和集中统一管理功能 可灵活控制洁净室每台风机的起 停和风速 该控制系统利用中继器技术 解决了 485 驱动能力有限的问题 可控制无限台风机 本控制系统包括以下四部分内容 现场智能控制器 有线集中控制方式 遥控控制方式 系统综合功能 控制系统如下 3 1 现场智能控制模块 现场智能控制模块以单片机为核心处理器来实现控制功能 一台智能模块控制一台 FFU 现场智能控制模块分为调压模块和变频模块 两种智能控制模块能够实现以下控制功能 1 智能模块具有很强的开放性 通过可选的手操器 可插拔式 可实现现场控制 通过预留的 RS485 接口可实现远程集中控制和故障 诊断与设定 通过可选的遥控组件 可插拔式 可实现遥控控制 2 通过可插拔的手操器能够实现 FFU 的启停和准确的无级调速 能够显示 FFU 出口风速值 3 该智能模块使 FFU 具有节能功能 4 具有过载和短路保护功能 过载时 提示报警单元报警 短路时 提示报警单元报警并自动切断 FFU电源 3 2 有线控制方式 有线控制方式为可选控制方式 它通过现场智能模块预留的 RS485 接口来实现 为了满足不同用户的需求我们采用控制盘和触摸屏两种 控制方式 控制盘操作简便 但显示不太直观 实现功能有限 触摸屏成本操作方便 显示画面丰富 功能强大 触摸屏控制方式主要由以下三部分组成 1 中央控制单元 2 人机界面单元 3 报警控制单元 1 中央控制单元 采用 PLC 控制器 能够实现以下控制功能 与现场智能控制模块采用 RS485 总线制联结方式 对采集到的现场数据进行分析 处理 实现对现场设备的控制功能 从而实现对 现场所有 FFU 的集中监测和控制 与报警控制单元进行通讯 与人机界面单元进行通讯 2 人机界面单元 采用触摸屏实现远距离对 FFU 的监控和调节 能够实现以下控制功能 能够方便的实现 FFU 的单台 多台及分区控制 也就是说 能够同时控制任意台数的 FFU 能够实现任意台数 FFU 的启停和调速功能 调速功能能够实现数字化 即直接输入预期的风速值 如 0 25 0 31 等 以达到调 速的目的 能够对任意一台 FFU 的风速值进行监测 当有故障 FFU 报警时 能实时的显示故障 FFU 3 报警控制单元 采用声光报警装置 通过与中央处理单元的通讯 当有任何一台或多台 FFU 发生故障时 该控制单元实时发出声光 报警 并与人机界面单元进行配合 迅速确定故障 FFU 确保监控人员及时处理故障 控制盘控制方式 根据实际系统的需要 中继器有相应数量的 485 通讯插座 每个插座对应一组 FFU 控制器 通过控制盘可对每个控 制器进行控制 控制功能如下 1 对整个洁净室某一组风机起停进行控制 可对某一组风机的风速进行统一设置 2 对整个洁净室的某一台风机起停进行控制 可对某一台风机的风速进行设置 3 可对某一组风机数量进行设置 系统规定每组风机数量最多位 16 台 4 对整个洁净室的某一台风机运行状态进行查询 如风机的起停状态 风机的运行风速 5 短路保护功能 当发生短路时 能够自动切断 FFU 的电源以保护设备 3 3 遥控控制方式 遥控控制方式为可选控制方式 它通过现场智能模块预留接口 通过可插拔的通讯模块来实现遥控控制方式 具体功能由手操器实现 采用一对多的控制方式进行控制 手操器能实现以下控制功能 1 能够方便的实现每台 FFU 的启停和调速功能 调速功能能够实现数字化 即直接输入预期的风速值 以达到调速的目的 2 能够对每一台 FFU 的风速值进行监测 3 4 系统综合功能 控制系统还能够实现如下功能 1 交流调压方式控制系统能够保证正常使用条件下长时间无故障连续运行 正常使用条件下能保证 8 万小时以上 2 整套控制系统布局合理 接线简单 3 在满足洁净要求的前提下 可根据实际情况设定风速转速 最大限度降低风机功耗 达到节能目的 4 对风机转速进行时序控制 在非工作时间内 自动降低风机转速维持室内洁净要求 达到节能目的 4 结论 综上所述 不难看出随着高科技产业的飞速发展 大规模应用 FFU 的洁净室也将越来越多 洁净室中 FFU 的集中控制也将是设计人员 和业主们必须关注的问题 我公司顺应科技的发展 提出并推出了这套 HH F 系列 FFU 智能控制系统 无论在控制的方便 具备的功 能和降低能耗方面都有其显著特点 风机滤网机组 FFU FFU 为英文缩写 全称为 Fan Filter Units 中文意思为 风机过滤器单元 确切地说是一种自带动力 具有过滤功效的模块化的末端送风装置 FFU 起源 FFU 最早出现于一些有高洁净度 100 级 联邦标准 209E 要求的改造项目当中 用来解决以下三方面的问题 一 洁净室吊顶空间不够 在一些有高洁净度要求的场合 洁净室吊顶上部的送风静压箱有一个很大的作用就是来平衡洁净室的横断面上的压力 但是当使用 FFU 的时 侯 洁净室的吊顶被分成了若干模块 我们可以通过调节每个模块 即 FFU 来满足吊顶上部送风静压箱的压力平衡的要求 从而大大降低了对该 静压箱高度的要求 在一些改造项目当中 当受层高限制时 FFU 有效地解决了这一问题 二 洁净室静压不足 在一些改造项目中 由于条件限制 使得送风阻力很大 单独 空调机组的送风压力来克服有困难 由于 FFU 自带动力 可以很好地解决这 一问题 三 空调机房面积不够 有一些改造项目 由于空调机房面积较小 不可能容纳大的空调机组 此时 用 FFU 的自带动力来弥补这一缺陷 从而可以减小使用的空 调机组 这一优势也被应用到一些洁净度要求较低 如 1000 级 10000 级 联邦标准 209E 的场合 FFU 的组成及性能分析 一 FFU 的外观 目前 全世界所有厂家生产的 FFU 从外观上可这样划分 1 从形状上分两种 一种是长方体 一种上部为坡形 FFU 的上部做成坡形 起到了一种导流的作用 有利于气流的流动和均匀分布 长 方形的 FFU 则一般依 另外的途径来均衡气流 2 从结构上分两种 一种为整体 一种为分体 分体形状的 FFU 有如下优势 使过滤器的更换变得方便 减小了安装过程中的劳动强度 不会产生泄露 二 FFU 的组成部件 目前 各种 FFU 最多由以下几部分组成 按从上到下 从内到外的顺序 视不同厂家组成部分可能有所减少 1 初效过滤器 6 气流均衡装置 2 外壳体 7 高效过滤器 3 风管连接部件 8 金属防护网 4 电机 9 刀缘 5 叶轮 10 控制元件 下面 我们对各个部件进行分析介绍 一 初效过滤器 主要防止因施工 检修或其它意外情况产生杂物而可能造成的对高效过滤器的伤害 起到保护高效 延长使用寿命 二 外壳体 组成材料大致有钢板 铝板 铝合金 硬塑 不锈钢等几种 不同厂家和不同的使用环境有不同的选择 厚度大约为 1 2 2 0 视厚度情况有 些可以载人 三 风管连接部件 在洁净级别较低 1000 级 联邦标准 209E 的场合 此时吊顶上部没有静压箱 带有风管连接部件的 FFU 使得风管和 FFU 的连接十分方便 四 电机 目前 交流电机和直流电机在 FFU 中都有使用 直流电机的体积大 造价高 控制容易实现 能耗较高 交流电机的体积小 造价低 控 制需要相应的技术 能耗较低 现在 FFU 所使用的 电机的