醫(yī)院制氧機(jī)余熱回收系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭亮仁，馬曉明，張琪晗

解放軍180醫(yī)院 a.設(shè)備科；b.院務(wù)處，福建 泉州 362000

引言

隨著醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展，制氧機(jī)因其制氧和供氧方式安全、方便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢[1]逐漸成為醫(yī)院中心供氧的主要方式。但在工作過程中，制氧空氣壓縮機(jī)高達(dá)85%的輸入功率轉(zhuǎn)化為熱量通過自身冷卻系統(tǒng)排放出去[2]。如果對這些余熱進(jìn)行回收利用既能實(shí)現(xiàn)醫(yī)院節(jié)能減排又能提高設(shè)備工作效率和延長使用壽命。連續(xù)工作的特性使得制氧機(jī)具有穩(wěn)定熱源供應(yīng)，本文以制氧機(jī)組中常用的噴油式螺桿空氣壓縮機(jī)為例進(jìn)行余熱回收的研究和探討。

1 余熱回收方案設(shè)計(jì)

在制氧機(jī)組正常工作時(shí)，制氧空氣壓縮機(jī)螺桿高速旋轉(zhuǎn)壓縮空氣，壓縮腔產(chǎn)生大量熱量，經(jīng)潤滑油帶出，高溫高壓的潤滑油通過油路進(jìn)入冷卻器，熱量散發(fā)，潤滑油再次進(jìn)入壓縮腔進(jìn)行下一個循環(huán)。潤滑油循環(huán)過程中攜帶了設(shè)備大部分余熱[3]，因此從潤滑油入手，把換熱器接入制氧空壓機(jī)潤滑油管路中，使高溫高壓潤滑油在進(jìn)入自身冷卻器前先進(jìn)入換熱器進(jìn)行熱交換，把潤滑油中蘊(yùn)含的熱量轉(zhuǎn)移到水中，完成制氧空壓機(jī)散熱和余熱回收。制氧空壓機(jī)余熱回收示意圖，見圖1。

在換熱器熱源入口和出口分別設(shè)置溫控閥，第一個溫控閥用于控制潤滑油是否進(jìn)行熱交換以保證壓縮機(jī)正常工作所需的油溫，當(dāng)油溫高于設(shè)定溫度時(shí)通過換熱器后回到轉(zhuǎn)子，否則通過旁路直接回到轉(zhuǎn)子。第二個溫控閥是設(shè)備原有的配件，用于控制潤滑油是否進(jìn)入壓縮機(jī)自身冷卻器進(jìn)行冷卻，油溫高于設(shè)定溫度時(shí)進(jìn)入冷卻器冷卻后再進(jìn)入轉(zhuǎn)子，否則直接進(jìn)入轉(zhuǎn)子[4]。熱回收系統(tǒng)與空壓機(jī)自身冷卻系統(tǒng)相互獨(dú)立又相互支持，確保了制氧壓縮機(jī)運(yùn)行不受余熱回收系統(tǒng)影響。

2 PID控制方案設(shè)計(jì)

制氧機(jī)余熱回收改造的前提是不影響制氧機(jī)正常工作，需要合理的控制潤滑油溫度[5]，因此把換熱后的潤滑油溫度作為控制變量，通過改變熱交換器冷媒循環(huán)水的流量，來調(diào)節(jié)熱交換器出口潤滑油的溫度，并使其穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

考慮到流量調(diào)節(jié)閥傳遞滯后，效率低，不利節(jié)能等因素，本方案選擇節(jié)能低耗、調(diào)節(jié)平衡、運(yùn)行可靠[6]的變頻器控制方案來調(diào)整循環(huán)水的流量。

2.1 串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于串級控制對系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗擾動能力比單回路系統(tǒng)的控制質(zhì)量更高[7]，為了抑制系統(tǒng)控制過程中多種擾動因素，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，本系統(tǒng)采用換潤滑油溫度調(diào)節(jié)和冷媒循環(huán)水流量調(diào)節(jié)的串級閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖，見圖2。

系統(tǒng)具有兩個閉環(huán)回路，串聯(lián)連接。系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，主調(diào)節(jié)器輸出值作為副調(diào)節(jié)器給定值，副調(diào)節(jié)器輸出去控制執(zhí)行元件變頻器[8]，與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)中增加了一個包括二次擾動的副回路，從而具備了克服一、二次擾動的能力，改善了被控過程的動態(tài)特性和提高了對回路參數(shù)變化的適應(yīng)能力[9]。

2.2 PID控制器設(shè)計(jì)

串級系統(tǒng)中主、副控制器均采用PID算法，PID控制由比例（P）、積分（I）和微分（D）單元組成，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

PID控制中，比例作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)偏差，偏差一產(chǎn)生，立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以減小偏差；積分作用可以消除靜差，提高控制精度；微分作用有助于減少超調(diào)，克服震蕩，提高穩(wěn)定性[10-11]。P、I、D在一起使用時(shí)互相制約和互相彌補(bǔ)，只有合理的結(jié)合和選定參數(shù)Kc、Ti、Td，才能改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，達(dá)到最優(yōu)的控制效果。

制氧機(jī)余熱回收串級控制系統(tǒng)中，主被控參數(shù)潤滑油出口溫度關(guān)乎制氧壓縮機(jī)能否正常工作，控制要求較高，又熱交換串級控制系統(tǒng)有較大容量滯后，因此主控制器選擇PID調(diào)節(jié)；副控制器一般要求不嚴(yán)格，容許有一定范圍的偏差和波動，所以副控制器選擇P調(diào)節(jié)。

PID控制參數(shù)的整定值不是唯一的，只要被控對象的指標(biāo)達(dá)到要求即可[9]。本系統(tǒng)參數(shù)先參照工程經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行簡單確定，再在系統(tǒng)運(yùn)行中采用工程整定方法進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最理想的控制效果。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由PLC控制器、溫度傳感器、流量傳感器、液位傳感器、變頻器、電磁閥、觸摸屏等組成，硬件系統(tǒng)圖，見圖3。

PLC采用S7-200系列控制器，是控制核心，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和通訊能力[9]，負(fù)責(zé)對各參數(shù)進(jìn)行采集和運(yùn)算處理并對各執(zhí)行元件下達(dá)動作指令，并承擔(dān)串級控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的功能。利用PLC實(shí)現(xiàn)對模擬量PID的控制具有使用方便，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10]。

PLC控制器與熱媒潤滑油溫度傳感器、冷媒流量傳感器和變頻器一起實(shí)現(xiàn)熱媒溫度—冷媒流量的串級閉環(huán)控制。熱媒潤滑油管路溫度傳感器用于檢測潤滑油溫度并經(jīng)EM235模擬端口送給PLC，冷媒循環(huán)水管路流量變送器用于檢測循環(huán)水流量并經(jīng)EM235模擬端口送給PLC，PLC將潤滑油溫度反饋值與給定值進(jìn)行比較和運(yùn)算，輸出量作為副控制器的給定值，與循環(huán)水流量變送器反饋信號進(jìn)行比較和運(yùn)算，輸出量作為變頻器的控制信號對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而控制換熱器冷媒循環(huán)水流量，從而調(diào)節(jié)換熱器出口潤滑油的溫度，使得潤滑油溫度保持在一定范圍。

冷媒溫度傳感器用于檢測循環(huán)水溫度，檢測信號經(jīng)EM235模擬量輸入端口時(shí)時(shí)傳送給PLC，防止循環(huán)水溫度超過設(shè)定值60℃。

液位傳感器用于檢測儲水箱液位高度，檢測信號經(jīng)EM235模擬量輸入端口時(shí)時(shí)傳送給PLC，液位低于下限水位，PLC控制電磁閥動作進(jìn)行補(bǔ)水；液位高于上限水位，電磁閥關(guān)閉，停止補(bǔ)水。

HMI（人機(jī)界面）用于監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，對控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改。人機(jī)界面采用西門子Smart1000系列觸摸面板，通過PPI通訊協(xié)議，Smart1000屏控按鈕與PLC相應(yīng)觸點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)熱回收系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 程序軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制程序包括：熱媒溫度—冷媒流量串級控制程序、冷媒循環(huán)水溫度檢測及控制程序、儲水箱液位檢測及控制程序、觸摸屏人機(jī)界面通信程序等。熱媒溫度—冷媒流量串級控制程序是本系統(tǒng)最主要的程序，串級控制程序流程，見圖4：

圖4 串級控制程序流程圖

串級控制程序完成的主要任務(wù)為：

（1）初始化主控制器、副控制器、傳感器測量值等參數(shù)，給主控制器賦給定值0.8（對應(yīng)80℃）。

（2）將主控制器給定值SV與過程量PV1反饋值（潤滑油溫度檢測值對應(yīng)參數(shù)）比較并進(jìn)行PID運(yùn)算，得到結(jié)果OUT1。PV1反饋值取值過程為：潤滑油溫度變送器傳遞過來的0～100 mV電壓信號經(jīng)EM235擴(kuò)展模塊A/D轉(zhuǎn)換為0～32000的數(shù)字量，經(jīng)歸一化處理再轉(zhuǎn)化為小于1的相對值。

（3）將OUT1設(shè)置為副控制器的給定值，并與過程量PV0反饋值（循環(huán)水流量檢測值對應(yīng)參數(shù)）比較并進(jìn)行PID運(yùn)算，得到結(jié)果OUT0。PV1反饋值取值過程為：循環(huán)水流量變送器傳遞過來的0～10 mA電流信號經(jīng)EM235擴(kuò)展模塊A/D轉(zhuǎn)換為0～32000的數(shù)字量，經(jīng)歸一化處理再轉(zhuǎn)化為小于1的相對值。

（4）對OUT0進(jìn)行標(biāo)度變換和A/D轉(zhuǎn)換為0～10 V的控制信號，經(jīng)擴(kuò)展模塊EM235傳送給變頻器，對換熱器冷媒循環(huán)水流量進(jìn)行控制。

（5）對循環(huán)水流量和潤滑油溫度進(jìn)行檢測，形成雙閉環(huán)回路控制。

5 應(yīng)用效果分析

本文研究的制氧機(jī)余熱回收系統(tǒng)簡單、穩(wěn)定、可靠，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）換熱器直接接入潤滑油管路，不僅回收方法簡單，而且余熱回收率高。潤滑油散發(fā)熱量高達(dá)設(shè)備輸入功率值的75.8%[12]，理論上有75.8%的熱量可以被回收利用，實(shí)際運(yùn)行過程中余熱回收率也高達(dá)65%。

（2）余熱回收系統(tǒng)與制氧壓縮機(jī)自身冷卻系統(tǒng)保持獨(dú)立又相互補(bǔ)充，熱回收系統(tǒng)完全不影響制氧機(jī)正常工作，還能提高設(shè)備運(yùn)行效率，使制氧機(jī)產(chǎn)氣量提高7%～10%。

（3）采用串級PID控制，引入副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，與單閉環(huán)系統(tǒng)相比，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)，被控過程的動態(tài)特性改善，控制溫度波動最高不超過±5℃，潤滑油溫度保持在75℃～85℃，處于最佳工作狀態(tài)。

（4）通過變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)循環(huán)水流量避免了采用控制閥門大小調(diào)節(jié)流量因壓頭升高和管阻增大帶來的能量損失[13-14]，根據(jù)電機(jī)學(xué)和流體力學(xué)原理，水泵軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此變頻調(diào)低轉(zhuǎn)速可起到立方級的節(jié)電效果[15]，比使用閥門調(diào)節(jié)流量節(jié)電20%～50%[16]。

（5）S7-200使用簡單，功能強(qiáng)大，可靠性和性價(jià)比高，不僅能完全滿足系統(tǒng)現(xiàn)有硬件和功能的控制要求，還能允許系統(tǒng)再增加配件，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制要求。

（6）使用人機(jī)界面觸摸面板，使余熱回收控制系統(tǒng)操作更簡單、方便和直觀。

6 討論

一般展開床位1000張以上的醫(yī)院，中心制氧空壓機(jī)裝機(jī)都在50 kW以上，以50 kW為例，進(jìn)行余熱回收改造后，每天熱水產(chǎn)量=機(jī)組最大輸入功率50 kW×每天運(yùn)行平均20 h×空壓機(jī)加載率80%×熱回收率65%×3600 kJ÷（水比熱容4.2 kJ×水溫差60℃-15℃）÷1000=9.9 m3，按照每名患者每天熱水用量60 L計(jì)算，每天可以解決165余名住院病人的生活熱水需求。

改造投入和收益分析：

年節(jié)省電量=機(jī)組最大輸入功率50 kW×每天運(yùn)行平均20 h×空壓機(jī)加載率80%×熱回收率65%×365=189800 kW·h，按照電價(jià)0.8元/kW·h計(jì)算，年節(jié)約資金151840元。

設(shè)備改造后，回收系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用主要是以循環(huán)水泵為主的耗電費(fèi)用，年耗電費(fèi)用為：

雖然制氧壓縮機(jī)余熱回收改造一次性投入資金相對較大，包括換熱器、控制器、儲水箱、電機(jī)、水泵、管道、線纜等施工調(diào)試，根據(jù)不同品牌和材質(zhì)，投入費(fèi)用在20～30萬元，但進(jìn)行余熱回收改造后，只需運(yùn)行2年左右就可以回收投資，之后每年可節(jié)約費(fèi)用13萬元。

可見，制氧機(jī)余熱具有很大的回收潛力，對制氧空壓機(jī)進(jìn)行簡單的改造，采用基于PLC的溫度-流量的串級PID控制，就能將制氧機(jī)余熱進(jìn)行回收利用，既不影響制氧機(jī)正常運(yùn)行，還能增強(qiáng)設(shè)備散熱效果，提高設(shè)備工作效率，減少周圍環(huán)境熱量排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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