變頻及PID閉環(huán)控制節(jié)能技術(shù)在醫(yī)用制氧空壓機的應(yīng)用

何德慶 江門市人民醫(yī)院 后勤管理科 （廣東 江門 529000）

內(nèi)容提要： 本文通過對醫(yī)用制氧空壓機應(yīng)用變頻及PID閉環(huán)控制節(jié)能技術(shù)，不僅可以提高醫(yī)用制氧系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障醫(yī)療臨床供氧的穩(wěn)定性和安全性，同時又降低醫(yī)院能源消耗和運行成本，響應(yīng)國家節(jié)能減排政策要求，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

1.醫(yī)用制氧空壓機變頻改造理論依據(jù)

1.1 醫(yī)用空壓機變頻恒壓供氣對醫(yī)用制氧機氧氣純度的影響

醫(yī)用制氧系統(tǒng)采用變壓吸附的工作原理，在相同溫度吸附平衡情況下，在一定壓力范圍內(nèi)壓力越高，吸附量越大，反之，壓力越低，則吸附量越小[1]。即壓力的波動造成氧氣的分離效果產(chǎn)生波動，從而造成醫(yī)用氧氣純度的波動。

因此對醫(yī)用制氧空壓機進行變頻及PID閉環(huán)恒壓控制改造，使醫(yī)用制氧空壓機能夠恒壓供氣，有利于醫(yī)用制氧系統(tǒng)的氧氣分離效率的提高、減少壓力波動和增強醫(yī)用供氧系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.2 醫(yī)用空壓機變頻應(yīng)用對能耗的影響

醫(yī)用制氧空壓機不同的啟動方式對應(yīng)不同的啟動電流（即不同的功耗）?，F(xiàn)在使用的工頻醫(yī)用制氧空壓機采用星-三角啟動，啟動電流峰值一般情況下是正常電流的4～6倍，不僅造成能源的浪費，同時對醫(yī)院供電系統(tǒng)造成高電流沖擊[2]。而醫(yī)用制氧變頻空壓機采用0Hz啟動，啟動過程電流平穩(wěn)增加至額定電流，整個過程無電流峰值，不僅節(jié)能，而且對醫(yī)院供電系統(tǒng)無任何高電流沖擊。

1.3 醫(yī)用空壓機變頻恒壓供氣在機組運行中的能耗對比

在醫(yī)院中心制氧系統(tǒng)中醫(yī)用制氧機其壓縮空氣的消耗量均不是恒量用氣，用氣量是如下圖所示的具有一定的波動性。這也是為什么醫(yī)用制氧空壓系統(tǒng)具有加載、卸載輪動的原因所在。醫(yī)用制氧空壓機在卸載時其卸載功率為滿載功率的35%左右。在卸載過程中能耗從100%逐步減少到35%，在此過程中醫(yī)用制氧空壓機沒有壓縮空氣產(chǎn)出，實際上這部分功率為無用功耗。工頻的醫(yī)用制氧空壓機通過變頻改造可以消除該部分無用功耗[3]，達到節(jié)能的效果。

工頻醫(yī)用制氧空壓機通過設(shè)定壓力的上、下限來控制空壓機的加、卸載工作。根據(jù)醫(yī)用制氧機的最低壓力要求，設(shè)定空壓機輸出壓力的下限，也就是醫(yī)用制氧空壓機開始加載的壓力；再在最低壓力上加100Kpa左右，作為醫(yī)用制氧空壓機輸出壓力的上限，即開始卸載的壓力。醫(yī)用制氧空壓機的輸出工作壓力將在上下限之間波動。醫(yī)用制氧空壓機的功率消耗和輸出壓力成正比，輸出的壓力越高消耗的功率也越大，從輸出壓力的下限到上限的1巴的壓差將消耗總功的7%。也就是說一臺100KW的醫(yī)用制氧空壓機因為此工作模式就要浪費的功率約7.5～10千瓦。而變頻及PID閉環(huán)控制醫(yī)用制氧空壓機為恒壓供氣，其壓力波動僅為±10Kpa，因此在壓力設(shè)定時，僅需要將設(shè)定壓力設(shè)為：生產(chǎn)設(shè)備的壓力要求+10Kpa即可滿足醫(yī)用制氧機原料氣供氣需要。僅此一項變頻及PID閉環(huán)控制的醫(yī)用制氧空壓機將比工頻醫(yī)用制氧空壓機節(jié)能7%。

2.變頻改造方案

2.1 醫(yī)用變頻空壓技術(shù)中的變轉(zhuǎn)速原理

醫(yī)用制氧空壓機的的壓縮空氣產(chǎn)量：V=En×L×D×n2

En為轉(zhuǎn)子系數(shù)，與型線等因素有關(guān)。

L為轉(zhuǎn)子長度，

D為陽轉(zhuǎn)子直徑，

n為轉(zhuǎn)速。

圖1. 醫(yī)用制氧空壓機

在醫(yī)用制氧空壓機中，只有速度是可調(diào)的，排氣量與轉(zhuǎn)速成正比（圖1）。壓力傳感器實時監(jiān)控并測量壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力，當(dāng)醫(yī)用制氧系統(tǒng)壓縮空氣的需求發(fā)生變化時，輸送到管網(wǎng)中的壓縮空氣將大于或者小于需求，系統(tǒng)的壓力隨之將發(fā)生變化，傳感器將壓力信號傳送給PID控制器，經(jīng)PID變頻控制器內(nèi)部對偏差量進行相應(yīng)運算后，PID控制器對變頻器提供相應(yīng)反饋量，變頻器改變輸出頻率以改變醫(yī)用制氧空壓機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)氣量及管網(wǎng)壓力，管網(wǎng)壓力的變化再反饋到壓力傳感器，此過程不斷進行，不斷穩(wěn)定在設(shè)定壓力值，達到節(jié)約能耗的目的[4]。

2.2 醫(yī)用制氧空壓機雙機公用變頻器改造方案

醫(yī)用制氧系統(tǒng)一般情況下均采用兩臺機組交替使用，因此改造方案采用雙機公用變頻器的方式。通過在變頻控制柜的選擇開關(guān)，選擇其中任意一臺為變頻PID閉環(huán)控制運行模式，另一臺機組自動切換為工頻模式進入備用狀態(tài)。當(dāng)變頻PID閉環(huán)控制模式出現(xiàn)故障或需要維護時，工頻模式則可以正常運行。改造方案如圖2。

表1. 改造前后用電量及故障次數(shù)對比表

圖2. 主電路設(shè)計圖

2.3 改造效果驗證結(jié)果：

對一臺30KW醫(yī)用制氧空壓機進行變頻PID閉環(huán)控制改造后運行2個月，每周進行數(shù)據(jù)記錄與前期工頻模式下電費對比計算節(jié)能效果和系統(tǒng)故障率進行綜合評估。

由表1可以看出：

（1）兩個月共節(jié)約電量：9443.00度，

（2）醫(yī)用制氧空壓機故障率大幅下降，保障了醫(yī)院中心供氧系統(tǒng)的穩(wěn)定。

故障情況對比見圖3。

圖3. 故障情況對比

3.綜述

通過對醫(yī)用制氧空壓機的變頻PID閉環(huán)控制改造提高了本院的中心供氧系統(tǒng)醫(yī)用制氧空壓機的技術(shù)先進性，保障了醫(yī)院的中心供氧系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、連續(xù)的正常運行，而且還延長了醫(yī)用制氧空壓機的使用壽命。不僅節(jié)約了設(shè)備的用電量，為醫(yī)院節(jié)約能源費用，同時醫(yī)用制氧空壓機的故障率大大降低，保障了醫(yī)院整套醫(yī)用中心供氧系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，為臨床、監(jiān)護和手術(shù)麻醉提供了安全、便捷、穩(wěn)定的醫(yī)用氧氣供應(yīng)，使患者能夠得到及時搶救或治療。具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。