藥廠關(guān)鍵工作間壓差控制設(shè)計與研究

王岑佳,郭濤,屈昊輝,劉守超,吳寶東

( 1. 南京福加自動化科技有限公司 ,江蘇 南京 210046;2. 中國電子系統(tǒng)工程第四建設(shè)有限公司,河北 石家莊 050081)

0 引言

自疫情爆發(fā)以來,國家開始全面推動生物制藥的研發(fā)和生產(chǎn)建設(shè),并得到了社會的廣泛關(guān)注。藥廠灌裝車間關(guān)鍵工作間的壓差梯度設(shè)計與實現(xiàn),是灌裝車間生產(chǎn)建設(shè)的難點和重點之一,本文將結(jié)合項目設(shè)計及實施經(jīng)驗,從灌裝設(shè)備應(yīng)用、室內(nèi)暖通和自控設(shè)計等幾個方面展開敘述。

1 藥廠關(guān)鍵工作間壓差控制設(shè)計原則和要求

藥廠灌裝車間包含了洗瓶機(jī)、隧道烘箱、封蓋機(jī)器以及一體式全自動高速灌裝設(shè)備生產(chǎn)線。整條灌裝線自上瓶間、洗烘間、灌裝間、軋蓋間、緩沖間到中轉(zhuǎn)站前后貫穿,相鄰房間的氣流會由高壓向低壓輸送變化,另外,洗烘間內(nèi)的清洗機(jī)和隧道烘箱設(shè)備與暖通風(fēng)管聯(lián)動,其中隧道烘箱設(shè)備有停機(jī)模式、生產(chǎn)模式和夜間模式。模式切換引起的設(shè)備排風(fēng)量變化會對工作間氣流和壓差產(chǎn)生影響,所以灌裝車間的壓差梯度控制有一定難度。

灌裝車間的壓差控制設(shè)計依據(jù)《GB 50457—2019醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[1],必須保證房間壓差梯度要求,如表1所示。房間建筑平面圖如圖1所示。。

圖1 灌裝車間主要房間建筑平面圖

表1 灌裝車間主要房間壓差設(shè)計參數(shù)表

2 藥廠關(guān)鍵工作間壓差控制設(shè)計及驗證

基于灌裝車間主要房間的壓差設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及要求,對上述潔凈區(qū)房間進(jìn)行設(shè)計及驗證。

2.1 洗烘間設(shè)計方案

洗烘間選用新回風(fēng)空調(diào)機(jī)組和排風(fēng)機(jī)組。新回風(fēng)空調(diào)機(jī)組新風(fēng)口連接前端全新風(fēng)機(jī)組,機(jī)組回風(fēng)口和送風(fēng)口分別連接室內(nèi)回風(fēng)口和送風(fēng)口。排風(fēng)機(jī)組連接室內(nèi)排風(fēng)口。洗烘間內(nèi)的清洗機(jī)和隧道烘箱設(shè)備排風(fēng)與室內(nèi)排風(fēng)管相連,通過排風(fēng)機(jī)組排至室外,如圖2所示。

1—新風(fēng)定風(fēng)量閥;2—回風(fēng)溫濕度;3—送風(fēng)溫濕度;4—送風(fēng)風(fēng)壓;5—室內(nèi)回風(fēng)變風(fēng)量閥;6—室內(nèi)壓差;7—送風(fēng)定風(fēng)量閥;8—清洗機(jī)聯(lián)動閥;9—隧道烘箱聯(lián)動閥;10—排風(fēng)定風(fēng)量閥;11—室內(nèi)排風(fēng)聯(lián)動閥;12—排風(fēng)閥;13—排風(fēng)機(jī);14—排風(fēng)風(fēng)壓;15—隧道烘箱;16—清洗機(jī);17—表冷閥;18—送風(fēng)機(jī)。

1)房間壓差設(shè)計

新回風(fēng)空調(diào)機(jī)組通過新風(fēng)定風(fēng)量閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的新風(fēng)量。新回風(fēng)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)機(jī)18以送風(fēng)風(fēng)壓4為目標(biāo)進(jìn)行恒風(fēng)壓調(diào)節(jié),同時調(diào)節(jié)室內(nèi)送風(fēng)定風(fēng)量閥7以滿足室內(nèi)送風(fēng)需求。排風(fēng)機(jī)組排風(fēng)機(jī)13以排風(fēng)風(fēng)壓14為目標(biāo)進(jìn)行恒風(fēng)壓調(diào)節(jié),同時調(diào)節(jié)室內(nèi)排風(fēng)定風(fēng)量閥10以滿足室內(nèi)排風(fēng)要求。室內(nèi)回風(fēng)變風(fēng)量閥5根據(jù)室內(nèi)壓差6對系統(tǒng)回風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié),做余風(fēng)量控制,保證房間壓差穩(wěn)定可控[2]。

2)灌裝設(shè)備聯(lián)動設(shè)計

a)清洗機(jī)16設(shè)備排風(fēng)與清洗機(jī)聯(lián)動閥8連鎖,當(dāng)清洗機(jī)工作時,聯(lián)動閥打開。

b)隧道烘箱15設(shè)備排風(fēng)與隧道烘箱聯(lián)動閥9連鎖,當(dāng)隧道烘箱工作時,聯(lián)動閥打開。

c)室內(nèi)排風(fēng)聯(lián)動閥11正常開啟,當(dāng)清洗機(jī)聯(lián)動閥和隧道烘箱聯(lián)動閥同時開啟時,室內(nèi)排風(fēng)聯(lián)動閥互鎖關(guān)閉。

d)排風(fēng)定風(fēng)量閥10負(fù)責(zé)控制室內(nèi)總排風(fēng)量,匯入排風(fēng)系統(tǒng)。

2.2 灌裝間、軋蓋間和緩沖間設(shè)計方案

灌裝間、軋蓋間和緩沖間機(jī)組設(shè)計方案同洗烘間。在室內(nèi)暖通設(shè)計方案上,因室內(nèi)沒有工藝排風(fēng)聯(lián)動設(shè)備,所以在壓差梯度控制設(shè)計上相對簡單。在室內(nèi)排風(fēng)口和送風(fēng)口設(shè)計定風(fēng)量閥,室內(nèi)回風(fēng)口設(shè)計變風(fēng)量閥根據(jù)室內(nèi)壓差進(jìn)行余風(fēng)量控制[3],如圖3所示。

1—排風(fēng)定風(fēng)量閥;2—送風(fēng)定風(fēng)量閥;3—回風(fēng)變風(fēng)量閥;4—室內(nèi)壓差傳感器。

2.3 藥廠關(guān)鍵工作間壓差控制驗證

基于上述設(shè)計方案,在項目自控系統(tǒng)調(diào)試期間,對灌裝車間房間壓差梯度進(jìn)行監(jiān)控,記錄運(yùn)行期間各時間段的壓差數(shù)據(jù)。如表2所示。

表2 灌裝車間測試驗證表1(灌裝設(shè)備停機(jī)模式,6∶00～20∶00) 單位:Pa

經(jīng)過調(diào)試觀察發(fā)現(xiàn),在灌裝設(shè)備模式不變的情況下,各房間室內(nèi)回風(fēng)變風(fēng)量閥可以消除室內(nèi)余風(fēng)量,從而讓房間絕對壓差穩(wěn)定,使相鄰房間的壓差梯度得到保證[4]。

但是,在廠家配合測試洗烘間工藝設(shè)備,做停機(jī)模式、生產(chǎn)模式和夜間模式切換時,發(fā)現(xiàn)洗烘間內(nèi)壓差變化幅度較大,且穩(wěn)定時間較長,同時對相鄰的灌裝間壓差也產(chǎn)生了影響。灌裝車間測試驗表如表3和表4所示。

表3 灌裝車間測試驗證表2 (灌裝設(shè)備停機(jī)模式切換生產(chǎn)模式后,持續(xù)檢測0～120 s) 單位:Pa

表4 灌裝車間測試驗證表3 (灌裝設(shè)備生產(chǎn)模式切換夜間模式后,持續(xù)檢測0～120 s) 單位:Pa

3 藥廠關(guān)鍵工作間壓差控制優(yōu)化研究及驗證

3.1 藥廠關(guān)鍵工作間壓差控制優(yōu)化研究

1)基于上述驗證數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),盡管前期將洗烘間的灌裝設(shè)備排風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)做了互鎖,但在設(shè)備工況切換過程中,房間壓差的變化擾動依然很大。為此,經(jīng)過與灌裝設(shè)備廠家的深入交流,發(fā)現(xiàn)有以下幾點設(shè)計缺陷。

a)灌裝設(shè)備實際為3段排風(fēng),分別為清洗機(jī)抽濕風(fēng)機(jī)(風(fēng)量1000m3/h,溫度40℃～60℃,濕度95%)、隧道烘箱預(yù)熱段抽濕風(fēng)機(jī)(風(fēng)量300m3/h,溫度150℃～200℃)和冷卻段平衡風(fēng)機(jī)(生產(chǎn)模式:700～1500 m3/h,夜間模式:350～750 m3/h,溫度80℃)。

b)清洗機(jī)抽濕風(fēng)機(jī)需要獨(dú)立直排至室外,不接入空調(diào)排風(fēng)系統(tǒng)。

2)為解決工況切換過程中的壓差擾動問題,對洗烘間暖通設(shè)計圖進(jìn)行優(yōu)化研究:

a)清洗機(jī)抽濕風(fēng)機(jī)需要獨(dú)立直排至室外,除生產(chǎn)模式之外,夜間模式和停機(jī)模式都處于關(guān)閉狀態(tài),所以將原接入到空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)的管道改為設(shè)備直排,同時將原清洗機(jī)聯(lián)動閥保留,避免清洗機(jī)關(guān)機(jī)后室外空氣倒灌的風(fēng)險;

b)隧道烘箱的預(yù)熱段抽濕風(fēng)機(jī)和冷卻段平衡風(fēng)機(jī)在生產(chǎn)和夜間模式時都會打開?？紤]到冷卻段平衡風(fēng)機(jī)內(nèi)部有壓差調(diào)節(jié)閥,所以只在預(yù)熱段抽濕風(fēng)機(jī)處設(shè)置一個聯(lián)動密閉閥;

c)室內(nèi)排風(fēng)定風(fēng)量閥設(shè)計為1800m3/h,考慮到冷卻段平衡風(fēng)機(jī)在生產(chǎn)模式和夜間模式下風(fēng)量都是變化的,所以在室內(nèi)排風(fēng)聯(lián)動閥處再增加一個室內(nèi)排風(fēng)變風(fēng)量閥(0～1800m3/h),與隧道烘箱的變風(fēng)量工況做動態(tài)互補(bǔ)控制,將風(fēng)量變化過程中對房間壓差的影響降至最低[5]。

基于洗烘間的暖通優(yōu)化研究,系統(tǒng)設(shè)計圖如圖4所示。

1—新風(fēng)定風(fēng)量閥;2—回風(fēng)溫濕度;3—送風(fēng)溫濕度;4—送風(fēng)風(fēng)壓;5—室內(nèi)回風(fēng)變風(fēng)量閥;6—室內(nèi)壓差;7—送風(fēng)定風(fēng)量閥;8—清洗機(jī)聯(lián)動閥;9—隧道烘箱聯(lián)動閥;10—排風(fēng)定風(fēng)量閥;11—室內(nèi)排風(fēng)聯(lián)動閥;12—室內(nèi)排風(fēng)變風(fēng)量閥;13—排風(fēng)閥;14—排風(fēng)機(jī);15—排風(fēng)風(fēng)壓;16—隧道烘箱;17—清洗機(jī);18—表冷閥;19—送風(fēng)機(jī);A—清洗機(jī)抽濕風(fēng)機(jī);B—隧道烘箱預(yù)熱段抽濕風(fēng)機(jī);C—隧道烘箱冷卻段平衡風(fēng)機(jī)。

3)基于PLC的壓差梯度變工況聯(lián)動方案優(yōu)化如下:

a)生產(chǎn)模式

清洗機(jī)聯(lián)動閥8打開,清洗機(jī)抽濕風(fēng)機(jī)A排風(fēng)1000m3/h。

隧道烘箱聯(lián)動閥9打開,室內(nèi)排風(fēng)聯(lián)動閥11關(guān)閉,隧道烘箱預(yù)熱段抽濕風(fēng)機(jī)B排風(fēng)300m3/h,生產(chǎn)模式下冷卻段平衡風(fēng)機(jī)C在700～1500m3/h變化調(diào)節(jié)。

室內(nèi)回風(fēng)變風(fēng)量閥5聯(lián)動快速調(diào)節(jié)維持室內(nèi)壓差6。

b)夜間模式

清洗機(jī)抽濕風(fēng)機(jī)A和聯(lián)動閥8關(guān)閉。

隧道烘箱聯(lián)動閥9和室內(nèi)排風(fēng)聯(lián)動閥11打開,隧道烘箱預(yù)熱段抽濕風(fēng)機(jī)B排風(fēng)300m3/h,夜間模式下冷卻段平衡風(fēng)機(jī)C350～750 m3/h變化調(diào)節(jié),室內(nèi)排風(fēng)變風(fēng)量閥12根據(jù)冷卻段平衡風(fēng)機(jī)C在350～750 m3/h與排風(fēng)定風(fēng)量閥1800m3/h對比計算余風(fēng)量,對室內(nèi)排風(fēng)做動態(tài)快速互補(bǔ)控制。

室內(nèi)回風(fēng)變風(fēng)量閥5聯(lián)動快速調(diào)節(jié)維持室內(nèi)壓差6。

c)停機(jī)模式

清洗機(jī)抽濕風(fēng)機(jī)A和聯(lián)動閥8關(guān)閉。

隧道烘箱聯(lián)動閥9關(guān)閉,室內(nèi)排風(fēng)聯(lián)動閥11打開,室內(nèi)排風(fēng)變風(fēng)量閥12打開。

室內(nèi)回風(fēng)變風(fēng)量閥5聯(lián)動快速調(diào)節(jié)維持室內(nèi)壓差6。

PLC程序畫面如圖5所示。

圖5 洗烘間暖通程序畫面

3.2 藥廠關(guān)鍵工作間壓差控制優(yōu)化后驗證

基于上述優(yōu)化研究方案,對灌裝設(shè)備的變工況聯(lián)動壓差控制改造后,廠家再次配合對灌裝車間壓差梯度進(jìn)行監(jiān)控,記錄運(yùn)行各時間段的壓差數(shù)據(jù),如表5—表7所示。

表5 灌裝車間測試驗證表4(灌裝設(shè)備停機(jī)模式,6∶00～20∶00) 單位:Pa

表6 灌裝車間測試驗證表5 (灌裝設(shè)備停機(jī)模式切換生產(chǎn)模式后,持續(xù)檢測0～60 s) 單位:Pa

表7 灌裝車間測試驗證表6 (灌裝設(shè)備生產(chǎn)模式切換夜間模式后,持續(xù)檢測0～60 s) 單位:Pa

根據(jù)上述數(shù)據(jù)監(jiān)控發(fā)現(xiàn),經(jīng)過優(yōu)化研究改造后,灌裝設(shè)備的停機(jī)模式、生產(chǎn)模式和夜間模式切換時,洗烘間內(nèi)壓差基本在15 s以內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定,且上下震蕩大幅減小,這使得灌裝車間壓差梯度建立得到有效保障[6]。

4 結(jié)語

在本次藥廠灌裝車間項目調(diào)試過程中,還發(fā)現(xiàn)了很多對房間壓差影響的其他因素,最終都得到一一解決,問題如下:

1)灌裝線走瓶和無瓶狀態(tài)下,擋板高度的手動調(diào)節(jié)問題;

2)隧道烘箱風(fēng)機(jī)的調(diào)頻問題;

3)散熱風(fēng)機(jī)和抽濕風(fēng)機(jī)的實際風(fēng)量變化問題;

4)各房間高效過濾網(wǎng)堵塞問題;

5)中轉(zhuǎn)站對應(yīng)區(qū)域風(fēng)量變化問題等。

綜上,對于藥廠灌裝車間的壓差梯度設(shè)計,一定要深入結(jié)合灌裝設(shè)備的工藝特性,并充分結(jié)合暖通和自控系統(tǒng)設(shè)計,通過精細(xì)化調(diào)試,才可能最大限度地保障壓差梯度。