无菌保证之洁净间湿度控制

半导体洁净室厂房通常采用新风风柜+送风风柜的设计,即新风风柜将具有一定洁净等级和温湿度的新风送到洁净室的回风通道中,与循环回风进行混合后通过送风风柜(包括风机过滤单元以及冷热盘管)后进入洁净室生产区域,从而基本达到洁净间的温湿度、洁净度及正压度的要求。由于整个洁净间内摆满了各种生产机器,这些机器的运转会产生大量的热,通过回风与新风混合,在风柜的冷热盘管进行冷却,从而维持稳定的温湿度环境。

对于洁净室的温湿度控制,最主要的是新风风柜和送风风柜。新风风柜除了要保证外界大气经过其中的初、中和高效过滤网,把空气中的粉尘颗粒过滤掉外,还要根据洁净室里面的温湿度情况调整出风口的温湿度,以保证送入的新风在规定的温湿度范围内。而送风风柜是根据洁净室回风风管以及送风风管里安装的温湿度传感器测量的值来调整冷热盘管冷水阀以及热水阀(也可能是电加热)的开度,进而调节回风和送风混合后的温湿度,以保证满足生产工艺的温湿度需求。由于每种工艺制程设备的发热量不相同,导致洁净室内的机台发热量分布不均匀,因此必须在洁净室内用送风风柜带走这些热量(这也是新风柜与送风风柜的区别)。通常要求同一工艺的空调系统回风气流经过同一组送风风柜,在建筑已经确定的情况下,工艺设备在条件允许的情况下,最好是区域隔开的,这样既可避免交叉污染,又能提高温湿度控制的稳定性。

在新风风柜的温湿度处理过程中,为了解决除湿问题,通常采用湿度优先的方法,冷水阀主要用来除湿,同时也造成温度的下降,然后通过热水阀的再热,使温湿度均能达到所要求的值。这样的做法虽然可以满足设计要求,但在相当多的时候,冷热水阀使能量相互抵消,造成了能源的浪费。另外,如果进入洁净室的新风温度过高,将导致整个洁净室的热负荷加大,送风风柜开度增大以抵消新风带来的热负荷;如果进入洁净室的新风的温度过低,将使得在送风风柜开度为零时都无法达到环境温度的要求,而需要额外加热。(这也就是为什么空调系统的能耗占整个制药工厂的能耗的30%以上的原因),对空调设备进行优化控制,选择合理温湿度设定值,对提高整个洁净室温湿度控制的稳定性及节能具有重要的意义。虽然,现在的GMP在温湿度要求上,给出了“温度应控制在18~26℃,相对湿度控制在45%~65%”的建议要求,在实际节能的操作过程中,基本上,现在洁净室温湿度要求为22℃,50%RH这个中间值,当然根据生产工艺的需求,也根据不同的地区的大环境湿度(选择合适的经济节能的设定参数点),对温湿度的要求也不尽相同。

风柜基本结构如下:空气过滤部分(包括初效、中效、亚高效);温度处理部分(表冷盘管、再热盘管);湿度处理部分(表冷盘管、蒸汽加湿)。

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特别值得一提的是,在北方地区,风柜之前还设有预热盘管,在外界气温较低(接近零度)时,为避免盘管在气温低于零度时被冻坏,对外气进行预加热(通常是加热到12℃左右)。

在第一节中,我讲了关于温度与湿度的关系,因此,需要调节湿度时,我们首先需要控制送风温度:对于新风柜来说,将送风温度与设定值进行比较,通过PID 控制算法,得出一个计算值,根据该计算值来确定一次表冷盘管与再热盘管阀门开度的大小,其控制流程如下:

无菌保证之洁净间湿度控制

在整个PID 闭环控制环节中引入分程控制器模型,将PID 控制算法得出的计算值分为两部分,0-48%及52(%)-100%,它们分别对应一次表冷盘管及再热盘管,这样就避免了冷热水盘管同时打开而导致能源浪费。同时,在冷热水切换的交界处48%-52%,设置了死区,即当外气的温度与送风温度设定值相当接近时,热水阀和冷水阀都处于关闭(阀开度都为0)的状态,以避免冷热水在临界状态时不停地切换,加速了执行机构的损坏,同时又能减少能源的消耗。

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为了避免和温度之间的耦合关系,新风柜出口湿度的设定值通常不采用相对湿度作为控制值,而是通过和温度设定值综合计算后得出其绝对湿度,以露点温度或含湿量来表示,将计算所得的露点温度设定值作为整个新风柜出口湿度的设定值。

对于送风风柜而言,洁净室温度主要由DDC 来调节,但同时受新风送风温湿度的影响,如果给定太高的温度,进入洁净室和循环风混合后,DDC 就需要更大量的冷量进行冷却,这就直接导致能源的浪费;如果给定太低的温度,进入洁净室和循环风混合后,即使DCC 的开度为零,整个洁净室的温度却仍然太低,这将使得整个洁净室的温度超标。由于洁净室本身的大空间而造成的大惯性、长时间的滞后性,在设置PID 参数时通常将积分时间设置为零,以防止系统过调节而产生振荡。洁净室内的送风风柜的温度PID 控制流程与新风风柜的略有不同,但它们采用的都是基本的PID 控制,控制原理图如下:

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如上所述,我们可以知道新风风柜的送风温度设定值的选取是比较关键的,它必须能够最佳适应当前洁净室内温度的需求,必须在确保系统在控制范围内并尽可能达到节能的目的。

写点干货吧,纯理论太没劲了。如果大家看了所有以上几节内容,也许大家会得到这样一个结论:对空气单纯地加热或制冷(未达到饱和状态)过程,是含湿量保持不变的过程,即绝对湿度保持不变的过程。湿空气经过盘管加热,温度升高而相对湿度下降;相反,对冷却过程,温度下降而相对湿度相应升高,因此我们可以得出,温度和相对湿度是两个不同方向的控制量,要使温湿度同时向相同的趋势变化,则单纯靠加热/冷却过程是不能实现的。冷却去湿过程是湿空气经冷却达到饱和后继续制冷的过程,湿空气经过冷却盘管结露析出水滴从而降低了绝对湿度,起到去湿的作用。因而我们可以将空气处理过程分为加热、加湿、降温及降温去湿等四个过程。那么,什么时候使用纯加热,什么时候纯加湿,什么时候纯降温以及什么时候需要降温去湿呢?在此,给大家提供一个我的控制实践与学习心得:

如图,我们将横坐标为含湿量,即每千克空气所含有的水蒸气量;纵坐标为摄氏温度。根据目标状态,绝对湿度线和目标温度线可以划分为四个控制区。为了达到目标温湿度控制点,其对应的温湿度控制分区处理过程为:

Zone1:先降温去湿,再加热。

Zone2:先降温,再加湿。

Zone3:先加热,再加湿。

Zone4:先降温去湿,再加热。

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通常情况下,Zone1 和Zone3 的情况比较多,即需要先降温去湿然后再加热(梅雨季节)或者先加热然后再加湿(冬天季节)。

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