楊斌，劉志華，張美

北京軍區(qū)總醫(yī)院 醫(yī)學工程科，北京 100700

醫(yī)用分子篩制氧機能耗分析

楊斌，劉志華，張美

北京軍區(qū)總醫(yī)院 醫(yī)學工程科，北京 100700

0 前言

目的計算分子篩制氧機制取富氧氣體的單位能耗，評價其實際運行成本。方法 通過空氣壓縮機機組輸入比功率和分子篩輸入輸出比，計算理論耗電量，然后根據(jù)對卸載、干燥等實際影響因素的分析，計算各因素對耗電量的影響因子，并通過實際測試進行驗證。結果 在理想狀態(tài)下制取1m3富氧氣體，耗電量為1.54～1.87 kWh；在不考慮增壓機耗電量的情況下，分子篩制氧機制取1m3富氧氣體的實際耗電量不低于2 kWh。結論 分子篩制氧機單位能耗大，更適用于使用匯流排供氧的醫(yī)院。

分子篩制氧機；富氧氣體；機組輸入比功率；空氣壓縮機

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

本文通過對我院分子篩制氧機實際運行狀況的分析，歸納出單位耗電量的理論計算方法，并根據(jù)醫(yī)院的實際應

1 分子篩制氧機的理論耗電量

分子篩制氧過程：空氣壓縮機將空氣加壓，經除油、除水等處理后，分子篩吸附塔將氮氣吸附，氧氣富集輸出，然后分子篩減壓解吸，排放氮氣，如此循環(huán)工作。

1.1 理論耗電量計算

分子篩制氧機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)空氣壓縮機額定功率和輸出流量這兩個參數(shù)計算，即在額定功率下，1h所消耗的能量與產生的壓縮空氣體積之比。為了統(tǒng)一計算標準，參考國家標準GB19153-2009《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》定義的能效等級參數(shù)，即機組輸入比功率（kW·min/m3）[7]。分子篩制氧機常采用的噴油螺桿空氣壓縮機1級能效機組輸入比功率見表1。分子篩制氧機中常用的美國AirSep公司的分子篩吸附塔技術參數(shù)見表2。可以看出，制取1m3富氧氣體，理論上需要消耗空氣8.7～11.2m3。

表1 1級能效噴油螺桿空氣壓縮機機組輸入比功率（kW·min/m3）

表2 2 分子篩吸附塔輸入輸出參數(shù)

綜上所述，分子篩制氧機單位耗電量的理論計算公式為：

根據(jù)分子篩制氧機的空氣壓縮機工作狀態(tài)，并假定實際使用的空氣壓縮機能效高于表1中數(shù)值，即空氣壓縮機的機組輸入比功率是表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，計算出分子篩制氧機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 空氣壓縮機卸載過程

在實際應用中，空氣壓縮機通常在加載和卸載兩種狀態(tài)下工作。加載是指當空氣儲罐壓力低于設備所需壓力時，壓縮機運轉，給儲罐加壓，運轉功率為額定功率，輸出為額定流量。卸載是指當儲氣罐的壓力達到設定氣壓時，空氣進氣閥關掉，但空氣壓縮機繼續(xù)運轉，空氣壓縮機運轉功率為額定功率的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啟動時對電網和壓縮機造成損害，也是導致空氣壓縮機能耗升高的主要因素。

根據(jù)空氣壓縮機參數(shù)的計算公式：

其中，儲氣常數(shù)是與管道系統(tǒng)存儲壓縮空氣相關的體積常數(shù)；輸出流量是指空氣壓縮機的額定輸出流量值；使用流量是指分子篩制氧系統(tǒng)實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卸載過程對分子篩制氧機耗電量的影響。當輸出流量小于使用流量時，需匯流排補充氧氣，無卸載過程；當輸出流量等于使用流量時，無卸載過程，能效最高；當輸出流量是使用流量的2倍時，加載時間與卸載時間相等，卸載過程浪費的電量是加載過程的30％～50％。

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

1.2.2 壓縮空氣干燥過程

由于分子篩對于水分、雜質氣體敏感，若不去除干凈，會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備：吸附式干燥機和冷凍式干燥機，其中吸附式干燥機又分為普通式和微熱式。

普通吸附式干燥機通過消耗壓縮空氣來再生吸附劑，一般壓縮空氣消耗量≥5％，按15％的空氣損耗計算，耗電量增加約6％；微熱吸附式干燥機具有電加熱裝置，通過加熱再生空氣，降低壓縮約7％的空氣消耗量，但由于引入了電加熱源，耗電量相當于增加機組輸入比功率0.4～0.6 kW·min/m3，綜合耗電量增加約9％；冷凍式干燥機沒有壓縮空氣損失，耗電量相當于增加機組輸入比功率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級聯(lián)設計，雖有利于空氣干燥，但總體能耗較大。

1.2.3 空氣壓縮機實際性能的下降

空氣壓縮機長期處于高速運轉狀態(tài)，經過磨損、高溫、高壓等因素影響，轉子間、轉子與端蓋和軸承的距離變大，空壓機運行效率下降。一般空氣壓縮機在運行2000～4000h后，性能進入穩(wěn)定期，相對于新機能效降低10％～15％，綜合耗電量增加3％～6％。

1.2.4 增壓機

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

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

1.2.5 其它因素

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

2 實際測試

2.1 測試空氣壓縮機卸載功率與加載功率的比值

測試空氣壓縮機卸載功率與加載功率的比值（η）是衡量空氣壓縮機卸載過程耗電量的重要指標，也可以直接反映空氣壓縮機的綜合性能，可以通過測量卸載電流與加載電流的比值來計算。

選用我院2臺已運行6年的噴油螺桿空氣壓縮機進行測試，測量工具為數(shù)字式鉗形電流表?？諝鈮嚎s機為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。模擬分子篩制氧機的空氣壓縮機運行狀況，加載壓力范圍設為0.65～0.75MPa，分別測量卸載和加載電流值?？諝鈮嚎s機加載和卸載電流數(shù)據(jù)，見表3。

表3 空氣壓縮機加載和卸載電流（單位：A）

2.2 分子篩制氧機滿負荷工作耗電量測試

由于分子篩制氧機沒有獨立的電度表計量耗電量，因此讓空氣壓縮機滿負荷工作，耗電量相當于額定功率的能耗，氧氣輸出量通過分子篩制氧機上的氧流量計讀取。

以我院安裝的分子篩制氧機組為測試對象，機組包括：2臺阿特拉斯噴油螺桿變頻空氣壓縮機，型號為GA18VSD，額定功率18.5 kW，空氣輸出量為3.35m3/min；2套美國AirSep公司的AS-J型分子篩吸附塔，制氧量為11.3～17.0m3/h。

測試時選取制氧機滿負荷工作時段，制氧機輸出不足部分由氧氣匯流排補充，每小時讀取數(shù)據(jù)，即空氣壓縮機以最高轉速運轉，運行1h后，同時讀取制氧輸出量和匯流排補氧量數(shù)值。為了使數(shù)據(jù)更接近制氧機滿負荷狀態(tài)，從11 d所采集的176組數(shù)據(jù)中，選取補氧量＞14m3/h的數(shù)據(jù)[13]，見表4。

表4 滿負荷測試數(shù)據(jù)表

3 測試結果分析

3.1 η值測試分析

空氣壓縮機η值的測試設備是我院的正壓空氣源，工作負荷要遠低于分子篩制氧機，實際運行時間不到2×104h。在測試中，加載電流隨著輸出壓力的升高而增大，卸載電流隨著運行時間的增長而下降。兩臺設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，設備性能下降對加載電流的影響差異不大。選取兩者的平均值進行計算，可以近似反映實際應用中的η值。從計算出的η值可以發(fā)現(xiàn)，實際運行中的卸載能耗所占比率要高于理論數(shù)值（30％～50％）。

3.2 滿負荷能耗測試分析

測試用分子篩制氧機已在我院運行2.5年，其制氧量已遠不能滿足我院的實際需求。測試數(shù)據(jù)中的氧濃度均未達到90％，匯流排補氧量超過制氧量的50％，表明制氧機輸出已經超出工作極限。根據(jù)空氣壓縮機操作面板顯示的螺桿轉速一直運行在標稱極值，故消耗功率取值為設備額定功率。

此次測試沒有涉及卸載、增壓機、溫度等因素影響。從表中數(shù)據(jù)可以看到，分子篩制氧機的實際單位耗電量是1.56 kWh，若考慮卸載因素和實際η值的影響，能耗應比實際測試值高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、空壓機性能的影響，理論耗電量≥1.54～1.87 kWh。根據(jù)實際測試，筆者發(fā)現(xiàn)在實際運行中的能耗比理論值高，制取1m3富氧氣體耗電量應≥2 kWh。

醫(yī)療機構用電屬于一般工商業(yè)用電，北京地區(qū)采用峰谷電價，每度電價尖峰時段1.5295元，峰值時段1.4002元，平時0.8745元，谷時0.3748元。由于醫(yī)院用氧量峰谷時段與電價峰谷時段基本重合，因此綜合平均電價要高于平時的電價。我院綜合電價大約在1.13元左右，那么北京地區(qū)分子篩制氧機僅理論電費成本至少是1.74～2.11元/m3，與目前北京地區(qū)的液氧成本相當（1.42～1.86元/m3）。從工業(yè)化生產成本考慮，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，我院分子篩制氧機耗電成本高于購買液氧的成本。從環(huán)保角度考慮，在醫(yī)院使用分子篩制氧機是一種高耗能的生產方式，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單位耗電量的各種因素。通過相關測試，對分析結果進行驗證。

2015-02-26

修回日期：2015-04-07

楊斌，工程師。

通訊作者郵箱：yb88214@sina.com