醫(yī)用分子篩制氧機(jī)能耗分析
編輯：楊斌，劉志華，張美
[摘要]
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，并通過實(shí)際測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果在理想狀態(tài)下制取1 m3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1 m3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。分子篩制氧方式通過近十幾年的發(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1.2~3.8kWh/m3.
本文通過對(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)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。通過相關(guān)測(cè)試，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
1、分子篩制氧機(jī)的理論耗電量
分子篩制氧過程：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?，氧氣富集輸出，然后分子篩減壓解吸，排放氮?dú)猓绱搜h(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******條件下，制取1m3富氧空氣所消耗的最低能量。空氣壓 縮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(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）。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)組輸入比功率見表1。分子篩制氧機(jī)中常用的美國AirSep公司的分子篩吸附塔技術(shù)參數(shù)見表2?？梢钥闯?，制取1m3富氧氣體，理論上需要消耗空氣8.7~11.2m3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0.91~1.10kWh。
1.2理論耗電量影響因素
1.2.1空氣壓縮機(jī)卸載過程在實(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%，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，無卸載過程；當(dāng)輸出流量等于使用流量時(shí)，無卸載過程，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，卸載過程浪費(fèi)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(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。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)******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。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(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0.4~0.6kW?min/m3，綜合耗電量增加約9%；冷凍式干燥機(jī)沒有壓縮空氣損失，耗電量相當(dāng)于增加機(jī)組輸入比功率0.2kW?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。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?？諝鈮嚎s機(jī)輸出壓力每升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；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。
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，可以通過測(cè)量卸載電流與加載電流的比值來計(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22kW，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)，見表3
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18.5kW，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(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11d所采集的176組數(shù)據(jù)中，選取補(bǔ)氧量>14m3/h的數(shù)據(jù)，見表4
3、測(cè)試結(jié)果分析
3.1η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1.56kWh，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≥0.91~1.10kWh，考慮到卸載、干燥、空壓機(jī)性能的影響，理論耗電量≥1.54~1.87kWh。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)≥2kWh。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（0.71~1.42kWh/m3），也高于深冷制氧方式（0.36~0.43kWh/m3）。
綜上所述，我院分子篩制氧機(jī)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(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。
