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医用气体工程中心供氧系统的未来发展

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医用气体工程中心供氧系统的未来发展

发布日期:2016-06-29 15:08 来源:http://www.xhyyhb.com 点击:

    医用气体工程中心供氧系统的未来发展,随着现代经济水平的提高,医院的建设越来越完善,中心供氧设备的出现是中国医疗行业现代化的标志,中心供氧系统的发展才处于一个刚刚起步的过程,未来将广泛普及各大医院。

    随着制氧技术的不断发展,医用氧气从最初的工业氧到后来的液氧再到目前的变压吸附(PSA)制氧,供氧方式也从单瓶直接供氧发展到集中供氧系统,目前集中供氧系统和中心吸引系统、压缩空气系统已经成为现代化医院临床必备的三种医用气体供应系统。

    氧是人体代谢活动的关键物质,是人体生命运动的第一需要,氧气的补给可以改善人体的生理、生化内环境、促进代谢过程的良性循环,从而达到治疗疾病、缓解症状、促进康复和预防病变、增进健康的目的。因此,氧气在医疗领域尤其是在危重病人和意外伤害者的急救方面起着重要的作用,输氧成为医疗机构的必备条件之一。

    医院供氧系统的发展历程

    1、单瓶直接供氧。

    单瓶直接供氧是传统的医院供氧方式,并且这种方式曾一直供应的是工业氧气。由于工业氧气中常含有有害气体,并且钢瓶内壁会发生锈蚀,致使氧气中带有使人恶心的嗅味,临床使用时会造成患者咳嗽,加重呼吸系统病状。因此,为了保证人民的身体健康,我国在1988年4月颁布了GB8982─88《医用氧》标准、GB8986─88《医用及航空呼吸用氧气的检验方法》标准,规定从1988年12月1日起开始在全国实施,并在1998年发布了新的GB8982-1998《医用氧》标准以取代旧标准。

    2、集中供氧。

    供氧又称中心供氧,是国际上广泛使用的现代化供氧方式。我国自1983年研制出第一套中心供氧系统以来,已经在大中城市得到广泛的推广应用,目前稍具规模的医院都已采用中心供氧系统,并且,由集中供氧系统、中心吸引系统和压缩空气系统组成的医用供气系统成为医院新建和改建病房楼必建的项目和医院上等级必备的项目。

    集中供氧技术可改善医院的医疗水平,使患者能够得到及时抢救或治疗,从而使许多人的生命得到挽救。同时,由于集中供氧技术的设备比较集中,有利于医院的现代化管理。

    具体优点表现在以下几个方面:

    1)集中供氧管路压力较低,并有多级安全装置,故此更加安全可靠。

    2)集中供氧毋需将氧气瓶搬运到病房,使得储运更加简便。

    3)集中供氧系统的供氧能力强、容量大、压力稳定,可做到大流量连续供氧。

    4)集中供氧的吸氧终端直接安装在手术室内、急救室内和各病区的病房内,使吸氧变得简单易行、安全可靠。

    5)集中供氧可以显著提高氧气的利用率,降低氧气管理人员的数量,从而提高了经济效益。

    医院中心供氧系统由氧源、输氧管道、阀和设备带终端几部分组成。目前,国内外普遍采用汇流排、液氧和变压吸附(PSA)制氧机作为供氧系统的氧源。

    汇流排供氧系统主要由两组高压氧气瓶(一组供气,一组备用)、汇流排、一套自动/手动控制装置、声光报警器、减压、稳压装置、管道及附件组成。当供氧气将耗尽时,汇流排能自动切换备用排供氧。控制装置装有压力表、监测控制单元、报警系统及指示灯显示操作情况并提醒用户更换已耗尽的氧气瓶。如自动控制装置发生障碍时,备用减压、稳压装置将投入运行,以确保供氧压力稳定。

    以液氧作为氧源的气源系统主要由液氧贮罐、汽化器、减压装置及报警装置等组成。利用液氧罐内、外压差使液氧从运输车液氧罐加入到集中供氧系统的液氧贮罐。液氧贮罐为高压保温夹层,以确保液态所需低温。液氧流经汽化器温度急剧上升,使得液氧汽化,高压的汽化氧气经减压装置减压、稳压后送出。一个系统中一般有两个液氧罐,一个供氧,一个备用;也可液氧贮罐与汇流排联合使用,液氧罐供气、汇流排备用。

    医用PSA制氧机供氧系统主要由空压冷干机、过滤器、制氧主机、氧气贮罐、管道及附件等组成,如需向氧气瓶充氧时,可以设置氧压机和充氧台。PSA制氧机利用变压吸附制氧技术获得纯度为≥90%,符合医用氧标准的氧气。变压吸附制氧技术是利用沸石分子筛对氧、氮的选择性吸附及吸附容量随吸附压力增加而增加、随吸附压力减小而下降的特性,在加压条件下吸附氮气,富集氧气;降压条件下解吸所吸附的氮气,同时实现分子筛的再生。如此往复循环,实现氧、氮分离,制取氧气。

    采用医用PSA制氧机供氧可以单机配置也可以双机配置。单机配置时,用一套制氧设备,氧气瓶汇流排作为备用。用氧高峰时,氧气瓶通过汇流排补充缺量,既经济实惠,又安全可靠。双机配置时,配置两套制氧设备,便于停车维修保养,有备用氧气汇流排作保证,更加安全实用。

    三种氧源的比较分析

    1、简便性比较。

    汇流排供氧需要不断定期购买医用瓶氧,运输、搬运、管理复杂,钢瓶需要定期检修。

    液氧与汇流排相比有很大的改进,具有运输量大,运输效率高,辅助时间少,氧气成本低等优点。一个3.65m3的液氧贮槽,装满液氧完全气化可得3000m3氧气,需要500个钢瓶,仅钢瓶自重就约30t。液氧贮罐每月灌充1~2次即可,但灌充时操作要求非常高,并且操作人员需持证上岗,每天检测输出压力,并定期对设备进行检修,用氧程序比较繁琐。

    医用PSA制氧机实现了就地制氧,建立自己的独立制氧站,无需氧气输运,不受第二氧源的限制;并且设备实现自动运行,无须经常调校,操作安全、简捷、方便;无需其他辅助设备,合格的医用氧气可直接进入管道系统;使医院的管理更科学性、现代化。

    2、安全性比较。

    汇流排供氧使用的氧气钢瓶内氧气压力较高,一般为15MPa(150个大气压),遇强烈震动与碰撞,有潜在爆炸危险;氧气瓶内氧气的质量与纯度对用户非受控状态。

    液态氧是最需要注意安全的,液氧贮罐里存储着大量的液态氧气,液氧的温度极低(-183℃),氧气又是强助燃气,一旦泄漏后果不堪设想,因此液氧系统需要定期强检,如果液氧罐上的防爆片爆破或排气阀起跳排气,说明液氧罐的夹层真空性被破坏,应当检修后重新抽真空。人员密集的医院放置液氧罐比较危险,在液氧运输、分装时易泄漏,即使遇到少量油脂也可能发生火灾,存在安全隐患。

    医用PSA制氧机在常温低压(20℃~40℃,6~8个大气压)下工作,不存在原理方面的不安全因素,是三种供氧方式中最为安全的。制氧机一般配有后备汇流排氧气源,保证在停电、停机或氧气用量某段时间突然增大超过制氧机额定产氧量时氧气的供应。

    3、经济性比较。

    汇流排系统使用氧气钢瓶,而各医院一般均有,只要进行气瓶处理后组合即可,从而节省了初投资的费用。但是,医用瓶氧价格较高,地区差异较大,平均每瓶医用氧气20-38元,单位氧气成本约5.5元/Nm3,并且当气瓶组压力下降后,氧气钢瓶内将有一部分氧气不能利用,浪费较多,因此长期使用时其经济性较差。

    与汇流排相比,使用液氧初投资较高,一个液氧贮罐要十几万元,一台液氧槽车需几十万元。但是,液氧价格便宜,运输费用较低,仅考虑氧气费和运输费,成本在3.2元/Nm3左右,一般一年可收回成本。同时,这种供氧方式也需要专人日常管理。

    采用医用PSA制氧机供氧,初投资最高。除初投资外,设备正常运转后,仅耗费维护设备运行的电能,单位制氧成本低,通常约为1.2元/Nm3,一般一到两年即可收回投资。设备采用PLC控制,可实现智能化控制,无需专人操作,日常维护、维修量极少,人力成本低,系统的使用寿命很长,一般超过10万小时,相当于10~15年。

    4、供氧方式的选择。

    由于汇流排供氧初投资最少,故此,对于一些中小型医院,由于其接待病员能力较小,资金短缺,采用汇流排供氧是最切合实际、最经济的方法。而从长期运行的经济性来看医用PSA制氧机是最经济的供氧方式,并且系统安全系数大,可以实现无人操作、现代化管理,是现代医院的最佳选择,因此,目前,大型医院宜选用医用PSA制氧机供氧。同时,由于PSA制氧机供氧不需要第二氧源,仅需电能就可以正常供氧,故此,对于一些偏远的地区、交通不便利的地区也宜选用医用PSA制氧机供氧。

    5、系统管道与终端。

    氧气由氧气站输送到各楼层(病房、手术室、抢救中心、门诊等),经二级稳压后的氧气输出压力为0.1~0.4MPa(可调),氧气管道周围的环境温度不应超过70℃,严禁明火及油污靠近管道或阀门。氧气输送管道可用紫铜管,也可用不锈钢管,前者较为经济,是国家标准规定的首选材料(GB1527)。

    氧气管进入病室后,即与终端板连接(也叫治疗带),终端板是各种导线的导槽,又是各种管线终端部件的组装体。导氧管终端的开关阀件,叫“快速密封插头”或叫氧头,其功能是把氧气湿化器插入时,即有氧气进入湿化器供氧。把插座拔出时,随即自动封闭。系统终端的形式有盒式、组合式、移动式、箱式、吊塔等。其中盒式终端、组合式终端用在病房,移动式终端、箱式终端、吊塔一般用在手术室。

    6、监测计量系统。

    监测计量系统是多极(三级)控制的计算机通信监测网,该系统主要由系统计算机、中心监测机、终端监测机组成。系统计算机是一台装有集中监测系统软件的高可靠性计算机,它联络中心监测机;中心监测机负责收发处理监测数据;终端监测机负责氧气终端的监测与计量。氧气集中监测计量系统可有效解决病区氧气实时监控和对病区氧气用量进行集中计量。

    医用PSA制氧机的状况

    1、系统流程及设备。

医用PSA制氧系统由气源系统、吸附分离系统、产品系统以及控制系统四个模块组成。

    气源系统由空气压缩机、冷干机、空气贮罐、过滤器组成。空压机是制氧系统的关键设备,它的作用是给吸附分离系统提供压缩气源。同时制氧设备的大部分能耗、噪音等都与空压机密切相关。因此,要选择性能优越的要缩机,以保证制氧机无故障、低能耗、低噪音的长寿命运行。由空压机出来的高压高温空气经C级过滤器过滤、冷干机冷却降温后进入空气贮罐。空气贮罐是压缩空气进入吸附分离系统前的储备中心,其主要作用是克服活塞压缩机运行造成的气体脉冲和压力波动,使进入分离系统的气流连续平稳。同时,空气储罐还起到分离凝结水的作用,分离出来的水从空气贮罐底部经阀门排出。压缩空气在进入吸附分离系统之前要经过T级、A级、H级三级过滤。气源系统的过滤器都属于精密过滤器,其中C级过滤器可除去大量的液体及3μm以上固体微粒,达到最低残留油分含量仅5ppm,有少量的水分、灰尘和油雾,用于空压机之后,冷干机之前;T 级过滤器能滤除小至1μm的液体及固体微粒,达到最低残油分含量仅0.5ppm,有微量水分、灰尘和油雾,用于A级过滤器之前作前处理之用;A级过滤为超高效除油过滤器,能滤除小至0.01μm的液体及固体微粒,达到最低残油含量仅0.001ppm,几乎所有的水分、灰尘和油都被去除,用于H级过滤和冷干机之前,起保护作用;H级过滤器为活性炭微油雾过滤器,能滤除小至0.01μm的油雾及碳氢化合物,达到最低残油含量仅0.003ppm,不含水分、灰尘和油,无臭无味,起最后一道过滤作用。因此,从气源系统进入吸附分离系统的空气高压、洁净、无味,适合吸附分离,又不会使分子筛失效。

吸附分离系统由两个吸附塔(也有采用多塔的)、一组控制阀门和排气消音器组成。吸附分离系统是制氧机的核心模块,其分离效果直接影响着氧气纯度。吸附塔内装有沸石分子筛,利用其对氮气与氧气的吸附力、吸附速度以及吸附量的差异,在较高压力下将氮气吸附并在较低压力下将其解吸。两个吸附塔交替完成吸附与解吸过程,从而连续不断的产生氧气。其中,阀门的开关动作控制着吸附塔的吸附与解吸过程,解吸出来的废气经消音器排出,以减小系统的噪音。

    产品气系统包括氧气贮罐和灭菌、除尘过滤器。氧气贮罐与吸附塔出口相连,一方面起着平衡氧气压力与贮存氧气的作用;另一方面,通过压力传感器控制吸附塔的循环过程。由于医用氧气要求洁净、无菌,因此,在供用户之前要除去细菌等病原微生物。

    制氧机的控制系统由运行控制系统和远程监控系统组成。运行控制系统是指控制制氧机起、停、正常运转的计算机控制程序和实现该程序的控制器。制氧系统的压缩机、吸附塔、氧气储罐、流量计等都装有传感器,传感器将压力信号、流量信号以及浓度信号传给运行控制系统,该系统通过这些参数控制制氧机的正常运行。远程监控系统可以将制氧机的运行状态包括氧气流量、压力、浓度等参数显示在远程的显示终端上,坐在办公室就可以看到制氧机的运行状况,从而提升了医院的管理水平。

    2、关键因素。

    影响分子筛制氧机制氧效果的关键因素有分子筛性能、吸附塔结构和吸附工艺参数。

    分子筛是变压吸附制氧的核心,分子筛的性能直接决定着变压吸附制氧装置的优劣。选用性能好的分子筛可以减少分子筛的用量,降低吸附压力,减小空氧比,从而减小制氧机的重量与体积,降低制氧机的能耗。表1是两种医用制氧分子筛的性能比较表。由表1可知,在1个大气压下,FZS2的氮气静态吸附量是FZS1的2.375倍,FZS2对N2/O2的选择性约为FZS1的两倍,同时,FZS2的吸附压力低于FZS1的吸附压力。FZS1与FZS2两种分子筛的吸附等温线如图1、图2所示。由图1和图2可以看出,压力在1-3bar之间时,FZS2的氮气吸附等温线比FZS1的氮气吸附等温线陡,当分子筛量一定时,FZS2每次循环的产氧量(假定吸附压力均为3bar)是FZS1的1.58倍。由以上分析可知,采用FZS2进行分离空气制氧比采用FZS1分子筛用量小、空氧比小、氧气回收率高、吸附压力低、能耗低。

    吸附塔是保证制氧机长期稳定运行的关键,在进行吸附塔结构设计时,要保证高效、长寿两大目标。高效性主要指吸附塔的死空间小、贴壁效应低、布气效果好;长寿主要指吸附塔的压紧机构要保证分子筛不上下浮动以避免分子筛的磨损。死空间的大小决定着分子筛的利用率,当死空间比较大时,会造成1/3的分子筛不工作;贴壁效应会增加死空间体积,从而降低分子筛的利用率;布气效果不仅影响死空间的大小,还会影响分子筛的使用寿命,目前可以均压力、均流速的气流分布器的布气效果最好。吸附塔内的压力在升压阶段特别是均压过程变化很快,如果压紧效果不好,会使分子筛在吸附塔内周期性浮动,从而将分子筛磨损和压碎。

    变压吸附制氧机的工艺参数包括∶吸附时间、均压时间、反吹气量等。在产品气流量一定的情况下,氧气纯度随吸附时间、均压时间、反吹气量的增加都是先增加后减小,即存在一个最佳的吸附时间、均压时间和反吹气量。且最佳的吸附时间随反吹气量的变化而变化,同时还受氧气流量的影响。同时,均压时间的优劣不仅影响氧气的浓度,还很大程度上影响着系统的能耗和回收率,因此,设定恰当的均压时间可以有效提高制氧机的性能。工艺参数直接影响制氧机的运行效果和运行寿命,是制氧机正常运转的保障。

    3、产品规格与配置。

    产氧量是医用PSA制氧机的一个重要指标,目前国内医用PSA制氧机的产氧量一般在2~90Nm3/h,具体规格与其适用范围如表2所示。

    集中供氧系统在配置制氧机时有两种选择:单机配置、双机配置。当需供氧气量上下落差小时(如图3的B曲线),为了更合理的有效利用医用供氧装置,节约能源,易选用单机配置。当需供氧量上下波动大,存在用氧高峰期时(如图3的A曲线),易选用双机组配置,其优势在于,用氧高峰期时,双机组同时开启工作,实现高峰供氧,而在供氧量需求不高时,可关闭一台机组,只需用单机组供氧,这样大大降低使用能耗,更趋经济合理化。

    在利用PSA制氧机供氧时,一般还有备用氧配置,包括汇流排和多极充瓶装置。汇流排可以在用氧高峰时或突然停电时供氧,从而使得供氧系统更加安全、可靠。在氧气有余量时,多极充瓶装置可以给钢瓶充装多余的氧气,这样就解决了备用汇流排氧气的来源,并能向高压氧舱以及医院没有铺设中心供氧管道的用氧部门供氧,或向周边用氧单位提供氧气出售,创造效益。

    4、能耗状况。

    由于制氧机要长期连续运转,其运行费用主要是消耗的电能,故此,单位氧气的能耗是制氧机的一个重要性能指标。图4是三种制氧机的能耗曲线,其中曲线1、2是国产机,曲线3是进口机。由图4可知,随着产氧量的增加,单位氧气的耗电量逐渐下降,并且在小产量时变化更为明显。这主要由产氧量小时氧气回收率低,各设备的效率低造成的。由图4还可以看出,国产制氧机的能耗要比进口机的能耗高,并且国产机之间能耗也有差距。这主要由于国外对PSA技术的研究起步较早,技术比较成熟。相比之下,国内PSA技术落后,并且,各单位的技术水平也相差较大。

    由前文的分析可知,影响制氧机能耗的因素主要有分子筛性能、吸附塔结构、系统运行的工艺参数等。因此,在进行制氧机的设计时,要从这几个方面综合分析,在保证制氧机产量和氧气纯度的前提下,尽量降低系统的能耗,以提高长期运行的经济性。用户在选择制氧机时也要考察其能耗指标,尽量选择单位氧气耗电量小的产品。

    结论

    1、目前,氧气钢瓶直接供氧的形式已经基本上被淘汰,集供氧系统是现代医院的必然选择,在集中供氧系统的氧气供应方式上,各医院要应根据自己的实际情况以及医院的长远规划,进行综合分析,选择最适合的供氧方式。

    2、吸附分离系统是医用PSA制氧机的核心,该系统的分子筛性能、吸附塔结构、运行时的工艺参数等都直接影响制氧机的制氧效果、系统的能耗与运行寿命。

    3、在配置制氧机时,医院要根据自己的氧气需求情况选择合理的配置,并注意考察制氧机的能耗状况。

    中心供氧是普及速度远远超乎我们的想像,我们在的中心供设备在医院使用情况受到了消费者的好评,我们也在不断的针对中心供养设备的常见问题进行改进。


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