醫(yī)用分子篩制氧機(jī)能耗分析

楊斌，劉志華，張美

北京軍區(qū)總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100700

醫(yī)用分子篩制氧機(jī)能耗分析

楊斌，劉志華，張美

北京軍區(qū)總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100700

0 前言

目的計(jì)算分子篩制氧機(jī)制取富氧氣體的單位能耗，評(píng)價(jià)其實(shí)際運(yùn)行成本。方法 通過(guò)空氣壓縮機(jī)機(jī)組輸入比功率和分子篩輸入輸出比，計(jì)算理論耗電量，然后根據(jù)對(duì)卸載、干燥等實(shí)際影響因素的分析，計(jì)算各因素對(duì)耗電量的影響因子，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果 在理想狀態(tài)下制取1m3富氧氣體，耗電量為1.54～1.87 kWh；在不考慮增壓機(jī)耗電量的情況下，分子篩制氧機(jī)制取1m3富氧氣體的實(shí)際耗電量不低于2 kWh。結(jié)論 分子篩制氧機(jī)單位能耗大，更適用于使用匯流排供氧的醫(yī)院。

分子篩制氧機(jī)；富氧氣體；機(jī)組輸入比功率；空氣壓縮機(jī)

分子篩制氧方式通過(guò)近十幾年的發(fā)展，與氧氣匯流排和液氧儲(chǔ)罐一起成為我國(guó)醫(yī)院集中供氧的主要方式。對(duì)分子篩制氧在醫(yī)院應(yīng)用的安全性和運(yùn)行成本一直存在著不同看法。支持者認(rèn)為分子篩制氧方式安全、環(huán)保、成本低；反對(duì)者認(rèn)為其制出的氧純度低于藥典和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行成本遠(yuǎn)高于液氧。而雙方所引用的分子篩制氧機(jī)的單位耗電量差異較大，從1.2～3.8 kWh/m3[1-6]。

本文通過(guò)對(duì)我院分子篩制氧機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況的分析，歸納出單位耗電量的理論計(jì)算方法，并根據(jù)醫(yī)院的實(shí)際應(yīng)

1 分子篩制氧機(jī)的理論耗電量

分子篩制氧過(guò)程：空氣壓縮機(jī)將空氣加壓，經(jīng)除油、除水等處理后，分子篩吸附塔將氮?dú)馕剑鯕飧患敵?，然后分子篩減壓解吸，排放氮?dú)?，如此循環(huán)工作。

1.1 理論耗電量計(jì)算

分子篩制氧機(jī)的理論耗電量是指在最佳條件下，制取1m3富氧空氣所消耗的最低能量?？諝鈮嚎s過(guò)程是主要的耗能環(huán)節(jié)。壓縮空氣的耗電量是根據(jù)空氣壓縮機(jī)額定功率和輸出流量這兩個(gè)參數(shù)計(jì)算，即在額定功率下，1h所消耗的能量與產(chǎn)生的壓縮空氣體積之比。為了統(tǒng)一計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB19153-2009《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》定義的能效等級(jí)參數(shù)，即機(jī)組輸入比功率（kW·min/m3）[7]。分子篩制氧機(jī)常采用的噴油螺桿空氣壓縮機(jī)1級(jí)能效機(jī)組輸入比功率見(jiàn)表1。分子篩制氧機(jī)中常用的美國(guó)AirSep公司的分子篩吸附塔技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2?？梢钥闯觯迫?m3富氧氣體，理論上需要消耗空氣8.7～11.2m3。

表1 1級(jí)能效噴油螺桿空氣壓縮機(jī)機(jī)組輸入比功率（kW·min/m3）

表2 2 分子篩吸附塔輸入輸出參數(shù)

綜上所述，分子篩制氧機(jī)單位耗電量的理論計(jì)算公式為：

根據(jù)分子篩制氧機(jī)的空氣壓縮機(jī)工作狀態(tài)，并假定實(shí)際使用的空氣壓縮機(jī)能效高于表1中數(shù)值，即空氣壓縮機(jī)的機(jī)組輸入比功率是表1中數(shù)值的90％。將AS-K和AS-L的空氣輸入與氧氣輸出的比值帶入公式，計(jì)算出分子篩制氧機(jī)單位耗電量的理論值為0.91～1.10 kWh。

1.2 理論耗電量影響因素

1.2.1 空氣壓縮機(jī)卸載過(guò)程

在實(shí)際應(yīng)用中，空氣壓縮機(jī)通常在加載和卸載兩種狀態(tài)下工作。加載是指當(dāng)空氣儲(chǔ)罐壓力低于設(shè)備所需壓力時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，給儲(chǔ)罐加壓，運(yùn)轉(zhuǎn)功率為額定功率，輸出為額定流量。卸載是指當(dāng)儲(chǔ)氣罐的壓力達(dá)到設(shè)定氣壓時(shí)，空氣進(jìn)氣閥關(guān)掉，但空氣壓縮機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率為額定功率的30％～50％[8-9]，輸出流量為0。卸載是為了避免大功率空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)和壓縮機(jī)造成損害，也是導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)能耗升高的主要因素。

根據(jù)空氣壓縮機(jī)參數(shù)的計(jì)算公式：

其中，儲(chǔ)氣常數(shù)是與管道系統(tǒng)存儲(chǔ)壓縮空氣相關(guān)的體積常數(shù)；輸出流量是指空氣壓縮機(jī)的額定輸出流量值；使用流量是指分子篩制氧系統(tǒng)實(shí)際消耗空氣的流量值；η是卸載功率與額定功率的比值，由此可以推出：

依據(jù)以上公式，由此分析不同條件下空氣壓縮機(jī)卸載過(guò)程對(duì)分子篩制氧機(jī)耗電量的影響。當(dāng)輸出流量小于使用流量時(shí)，需匯流排補(bǔ)充氧氣，無(wú)卸載過(guò)程；當(dāng)輸出流量等于使用流量時(shí)，無(wú)卸載過(guò)程，能效最高；當(dāng)輸出流量是使用流量的2倍時(shí)，加載時(shí)間與卸載時(shí)間相等，卸載過(guò)程浪費(fèi)的電量是加載過(guò)程的30％～50％。

醫(yī)院氧氣用量的峰谷差異較大，制氧機(jī)不具備調(diào)節(jié)能力，因此分子篩制氧機(jī)組的制氧能力要滿足醫(yī)院的峰值需求，其設(shè)計(jì)流量要遠(yuǎn)高于實(shí)際應(yīng)用中的平均流量[10-14]。以我院為例，按照規(guī)范設(shè)計(jì)的峰值流量是263m3/h，是實(shí)際氧氣平均流量（102m3/h）的2.58倍。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，空氣壓縮機(jī)要再留出10％～20％的輸出裕量，那么空氣壓縮機(jī)最大輸出流量應(yīng)是平均用量的2.84～3.10倍。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，空氣壓縮機(jī)卸載浪費(fèi)的能耗大約是加載能耗的1/2，甚至更多。

1.2.2 壓縮空氣干燥過(guò)程

由于分子篩對(duì)于水分、雜質(zhì)氣體敏感，若不去除干凈，會(huì)直接影響分子篩的工作效率和使用壽命[15-16]。本研究主要采用兩種干燥設(shè)備：吸附式干燥機(jī)和冷凍式干燥機(jī)，其中吸附式干燥機(jī)又分為普通式和微熱式。

普通吸附式干燥機(jī)通過(guò)消耗壓縮空氣來(lái)再生吸附劑，一般壓縮空氣消耗量≥5％，按15％的空氣損耗計(jì)算，耗電量增加約6％；微熱吸附式干燥機(jī)具有電加熱裝置，通過(guò)加熱再生空氣，降低壓縮約7％的空氣消耗量，但由于引入了電加熱源，耗電量相當(dāng)于增加機(jī)組輸入比功率0.4～0.6 kW·min/m3，綜合耗電量增加約9％；冷凍式干燥機(jī)沒(méi)有壓縮空氣損失，耗電量相當(dāng)于增加機(jī)組輸入比功率0.2 kW·min/m3，綜合耗電量增加約3％，因其除水率較低，分子篩的工作效率和使用壽命均受影響。冷凍式加吸附式干燥機(jī)級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，雖有利于空氣干燥，但總體能耗較大。

1.2.3 空氣壓縮機(jī)實(shí)際性能的下降

空氣壓縮機(jī)長(zhǎng)期處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)磨損、高溫、高壓等因素影響，轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與端蓋和軸承的距離變大，空壓機(jī)運(yùn)行效率下降。一般空氣壓縮機(jī)在運(yùn)行2000～4000h后，性能進(jìn)入穩(wěn)定期，相對(duì)于新機(jī)能效降低10％～15％，綜合耗電量增加3％～6％。

1.2.4 增壓機(jī)

分子篩制氧機(jī)輸出壓力0.4MPa左右，并不能完全滿足醫(yī)院實(shí)際需求，不少醫(yī)院制氧機(jī)系統(tǒng)包括增壓機(jī)、高壓鋼瓶灌充裝置[5,10,17]。一是保障高壓氧艙艙壓≥0.4MPa；二是確保整個(gè)管道系統(tǒng)壓力穩(wěn)定；三是使制氧機(jī)具備一定的峰谷調(diào)節(jié)能力。

空氣壓縮機(jī)輸出壓力每升高0.1MPa，耗電量將增加7％，增壓機(jī)綜合能耗大約增加20％～30％。鋼瓶灌充裝置不僅耗電量高，而且風(fēng)險(xiǎn)大、故障率高，不建議采用。

1.2.5 其它因素

分子篩制氧機(jī)系統(tǒng)的合理化設(shè)計(jì)，與能耗密切相關(guān)。有的設(shè)計(jì)將空氣壓縮機(jī)與分子篩裝置安裝在同一機(jī)房?jī)?nèi)，導(dǎo)致散熱條件惡化，需安裝空調(diào)降溫[6]；有的設(shè)計(jì)將分子篩廢氣排放口與空氣壓縮機(jī)空氣吸入口相鄰，直接導(dǎo)致空氣中氧含量過(guò)低，降低設(shè)備工作效率；有的管徑設(shè)計(jì)偏小，管道壓降損失大。制氧機(jī)的分子篩制氧效率與工作溫度密切相關(guān)。溫度過(guò)低，分子篩效率下降，需要采取電熱增溫措施來(lái)保持工作效率，額外增加耗電量[18]。

2 實(shí)際測(cè)試

2.1 測(cè)試空氣壓縮機(jī)卸載功率與加載功率的比值

測(cè)試空氣壓縮機(jī)卸載功率與加載功率的比值（η）是衡量空氣壓縮機(jī)卸載過(guò)程耗電量的重要指標(biāo)，也可以直接反映空氣壓縮機(jī)的綜合性能，可以通過(guò)測(cè)量卸載電流與加載電流的比值來(lái)計(jì)算。

選用我院2臺(tái)已運(yùn)行6年的噴油螺桿空氣壓縮機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量工具為數(shù)字式鉗形電流表?？諝鈮嚎s機(jī)為GD公司的ES22-8.5，額定功率22 kW，額定輸出壓力為0.85MPa，輸出流量為3.52m3/min。模擬分子篩制氧機(jī)的空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀況，加載壓力范圍設(shè)為0.65～0.75MPa，分別測(cè)量卸載和加載電流值?？諝鈮嚎s機(jī)加載和卸載電流數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 空氣壓縮機(jī)加載和卸載電流（單位：A）

2.2 分子篩制氧機(jī)滿負(fù)荷工作耗電量測(cè)試

由于分子篩制氧機(jī)沒(méi)有獨(dú)立的電度表計(jì)量耗電量，因此讓空氣壓縮機(jī)滿負(fù)荷工作，耗電量相當(dāng)于額定功率的能耗，氧氣輸出量通過(guò)分子篩制氧機(jī)上的氧流量計(jì)讀取。

以我院安裝的分子篩制氧機(jī)組為測(cè)試對(duì)象，機(jī)組包括：2臺(tái)阿特拉斯噴油螺桿變頻空氣壓縮機(jī)，型號(hào)為GA18VSD，額定功率18.5 kW，空氣輸出量為3.35m3/min；2套美國(guó)AirSep公司的AS-J型分子篩吸附塔，制氧量為11.3～17.0m3/h。

測(cè)試時(shí)選取制氧機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)段，制氧機(jī)輸出不足部分由氧氣匯流排補(bǔ)充，每小時(shí)讀取數(shù)據(jù)，即空氣壓縮機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行1h后，同時(shí)讀取制氧輸出量和匯流排補(bǔ)氧量數(shù)值。為了使數(shù)據(jù)更接近制氧機(jī)滿負(fù)荷狀態(tài)，從11 d所采集的176組數(shù)據(jù)中，選取補(bǔ)氧量＞14m3/h的數(shù)據(jù)[13]，見(jiàn)表4。

表4 滿負(fù)荷測(cè)試數(shù)據(jù)表

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 η值測(cè)試分析

空氣壓縮機(jī)η值的測(cè)試設(shè)備是我院的正壓空氣源，工作負(fù)荷要遠(yuǎn)低于分子篩制氧機(jī)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間不到2×104h。在測(cè)試中，加載電流隨著輸出壓力的升高而增大，卸載電流隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。兩臺(tái)設(shè)備的加載電流基本相同，但卸載電流差異較大。

以上數(shù)據(jù)表明，設(shè)備性能下降對(duì)加載電流的影響差異不大。選取兩者的平均值進(jìn)行計(jì)算，可以近似反映實(shí)際應(yīng)用中的η值。從計(jì)算出的η值可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)行中的卸載能耗所占比率要高于理論數(shù)值（30％～50％）。

3.2 滿負(fù)荷能耗測(cè)試分析

測(cè)試用分子篩制氧機(jī)已在我院運(yùn)行2.5年，其制氧量已遠(yuǎn)不能滿足我院的實(shí)際需求。測(cè)試數(shù)據(jù)中的氧濃度均未達(dá)到90％，匯流排補(bǔ)氧量超過(guò)制氧量的50％，表明制氧機(jī)輸出已經(jīng)超出工作極限。根據(jù)空氣壓縮機(jī)操作面板顯示的螺桿轉(zhuǎn)速一直運(yùn)行在標(biāo)稱極值，故消耗功率取值為設(shè)備額定功率。

此次測(cè)試沒(méi)有涉及卸載、增壓機(jī)、溫度等因素影響。從表中數(shù)據(jù)可以看到，分子篩制氧機(jī)的實(shí)際單位耗電量是1.56 kWh，若考慮卸載因素和實(shí)際η值的影響，能耗應(yīng)比實(shí)際測(cè)試值高50％以上。

4 討論

根據(jù)理論分析，20～30m3/h輸出量的分子篩制氧機(jī)制取1m3富氧氣體，理想情況下，理論耗電量≥0.91～1.10 kWh，考慮到卸載、干燥、空壓機(jī)性能的影響，理論耗電量≥1.54～1.87 kWh。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，筆者發(fā)現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行中的能耗比理論值高，制取1m3富氧氣體耗電量應(yīng)≥2 kWh。

醫(yī)療機(jī)構(gòu)用電屬于一般工商業(yè)用電，北京地區(qū)采用峰谷電價(jià)，每度電價(jià)尖峰時(shí)段1.5295元，峰值時(shí)段1.4002元，平時(shí)0.8745元，谷時(shí)0.3748元。由于醫(yī)院用氧量峰谷時(shí)段與電價(jià)峰谷時(shí)段基本重合，因此綜合平均電價(jià)要高于平時(shí)的電價(jià)。我院綜合電價(jià)大約在1.13元左右，那么北京地區(qū)分子篩制氧機(jī)僅理論電費(fèi)成本至少是1.74～2.11元/m3，與目前北京地區(qū)的液氧成本相當(dāng)（1.42～1.86元/m3）。從工業(yè)化生產(chǎn)成本考慮，醫(yī)院所采用的變壓吸附制氧方式耗電量（0.71～1.42 kWh/m3），也高于深冷制氧方式（0.36～0.43 kWh/m3）[19]。

綜上所述，我院分子篩制氧機(jī)耗電成本高于購(gòu)買液氧的成本。從環(huán)保角度考慮，在醫(yī)院使用分子篩制氧機(jī)是一種高耗能的生產(chǎn)方式，不利于節(jié)能減排，不建議在與我院有同等情況的醫(yī)院采用分子篩制氧技術(shù)制取氧氣。

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Energy Consumption Analysis of the Medical Molecular Sieve Oxygen Generator

YANG Bin, LIU Zhi-hua, ZHANG Mei
Department of Medical Engineering, General Hospital of Beijing Military Area Command of Chinese PLA, Beijing 100700, China

Objective To calculate the electrical energy consumption per unit for the medical molecular sieve oxygen generator in generation of oxygen-rich gas so as to evaluate its actual operation costs.Methods Through analysis of the input specific power of the air compressor unit as well as the inputoutput ratio of the molecular sieve, the electrical consumption could be calculated the oretically.Then, each factor’s influences on electrical consumption were also calculated on the basis of the analysis of various actual influence factors like un-installation and dryness.Finally, verification was made through actual tests.Results Under ideal conditions, generation of 1m3 oxygen-rich gas would consume 1.54～1.87 kWh.Without consideration of the electrical consumption of the booster, no less than 2 kWh was consumed in generation of 1m3 oxygen-richgas by the medical molecular sieve oxygen generator.Conclusion With high erelectrical consumption per unit, the molecular sieve oxygen generator was more suitable for hospitals that utilized the cylinder manifold for air supply.

molecular sieve oxygen generator；oxygen-rich gas；input specific power；air compressor

R197.39

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.07.035

1674-1633（2015）07-0109-03用情況，客觀分析影響分子篩制氧機(jī)單位耗電量的各種因素。通過(guò)相關(guān)測(cè)試，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2015-02-26

修回日期：2015-04-07

楊斌，工程師。

通訊作者郵箱：yb88214@sina.com