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      醫護專家 百年華興
      發布人:網站管理員 發布時間:2012/8/12 點擊:7232
      醫院用集中供氧系統的發展和應用
             隨著制氧技術的不斷發展,醫用氧氣從最初的工業氧、后來的液氧發展到目前的變壓吸附(PSA)制氧,供氧方式也從單瓶直接供氧發展到集中供氧系統,目前集中供氧系統和中心吸引系統、壓縮空氣系統已經成為現代化醫院臨床必備的三種醫用氣體供應系統。
           氧是人體代謝活動的關鍵物質,是人體生命運動的第一需要,氧氣的補給可以改善人體的生理、生化內環境、促進代謝過程的良性循環,從而達到治療疾病、緩解癥狀、促進康復和預防病變、增進健康的目的。因此,氧氣在醫療領域尤其是在危重病人和意外傷害者的急救方面起著重要的作用,輸氧成為醫療機構的必備條件之一。
      醫院供氧系統的發展歷程
      1.單瓶直接供氧。
            單瓶直接供氧是傳統的醫院供氧方式,并且這種方式曾一直供應的是工業氧氣。由于工業氧氣中常含有有害氣體,并且鋼瓶內壁會發生銹蝕,致使氧氣中帶有使人惡心的嗅味,臨床使用時會造成患者咳嗽,加重呼吸系統病狀。因此,為了保證人民的身體健康,我國在1988年4月頒布了GB8982─88《醫用氧》標準、GB8986─88《醫用及航空呼吸用氧氣的檢驗方法》標準,規定從1988年12月1日起開始在全國實施,并在1998年發布了新的GB8982-1998《醫用氧》標準以取代舊標準。
      2.集中供氧。
             供氧又稱中心供氧,是國際上廣泛使用的現代化供氧方式。我國自1983年研制出第一套中心供氧系統以來,已經在大中城市得到廣泛的推廣應用,目前稍具規模的醫院都已采用中心供氧系統,并且,由集中供氧系統、中心吸引系統和壓縮空氣系統組成的醫用供氣系統成為醫院新建和改建病房樓必建的項目和醫院上等級必備的項目。
      集中供氧技術可改善醫院的醫療水平,使患者能夠得到及時搶救或治療,從而使許多人的生命得到挽救。同時,由于集中供氧技術的設備比較集中,有利于醫院的現代化管理。
      具體優點表現在以下幾個方面。
      1)集中供氧管路壓力較低,并有多級安全裝置,故此更加安全可靠。
      2)集中供氧毋需將氧氣瓶搬運到病房,使得儲運更加簡便。
      3)集中供氧系統的供氧能力強、容量大、壓力穩定,可做到大流量連續供氧。
      4)集中供氧的吸氧終端直接安裝在手術室內、急救室內和各病區的病房內,使吸氧變得簡單易行、安全可靠。
      5)集中供氧可以顯著提高氧氣的利用率,降低氧氣管理人員的數量,從而提高了經濟效益。
      醫院中心供氧系統
           醫院中心供氧系統由氧源、輸氧管道、閥和設備帶終端幾部分組成。目前,國內外普遍采用匯流排、液氧和變壓吸附(PSA)制氧機作為供氧系統的氧源。
      1.匯流排。
           匯流排供氧系統主要由兩組高壓氧氣瓶(一組供氣,一組備用)、匯流排、一套自動/手動控制裝置、聲光報警器、減壓、穩壓裝置、管道及附件組成。當供氧氣將耗盡時,匯流排能自動切換備用排供氧?刂蒲b置裝有壓力表、監測控制單元、報警系統及指示燈顯示操作情況并提醒用戶更換已耗盡的氧氣瓶。如自動控制裝置發生障礙時,備用減壓、穩壓裝置將投入運行,以確保供氧壓力穩定。
      2.液氧。
           以液氧作為氧源的氣源系統主要由液氧貯罐、汽化器、減壓裝置及報警裝置等組成。利用液氧罐內、外壓差使液氧從運輸車液氧罐加入到集中供氧系統的液氧貯罐。液氧貯罐為高壓保溫夾層,以確保液態所需低溫。液氧流經汽化器溫度急劇上升,使得液氧汽化,高壓的汽化氧氣經減壓裝置減壓、穩壓后送出。一個系統中一般有兩個液氧罐,一個供氧,一個備用;也可液氧貯罐與匯流排聯合使用,液氧罐供氣、匯流排備用。
      3.醫用PSA制氧機供氧。
            醫用PSA制氧機供氧系統主要由空壓冷干機、過濾器、制氧主機、氧氣貯罐、管道及附件等組成,如需向氧氣瓶充氧時,可以設置氧壓機和充氧臺。PSA制氧機利用變壓吸附制氧技術獲得純度為≥90%,符合醫用氧標準的氧氣。變壓吸附制氧技術是利用沸石分子篩對氧、氮的選擇性吸附及吸附容量隨吸附壓力增加而增加、隨吸附壓力減小而下降的特性,在加壓條件下吸附氮氣,富集氧氣;降壓條件下解吸所吸附的氮氣,同時實現分子篩的再生。如此往復循環,實現氧、氮分離,制取氧氣。
           采用醫用PSA制氧機供氧可以單機配置也可以雙機配置。單機配置時,用一套制氧設備,氧氣瓶匯流排作為備用。用氧高峰時,氧氣瓶通過匯流排補充缺量,既經濟實惠,又安全可靠。雙機配置時,配置兩套制氧設備,便于停車維修保養,有備用氧氣匯流排作保證,更加安全實用。
         三種氧源的比較分析
      1.簡便性比較。
            匯流排供氧需要不斷定期購買醫用瓶氧,運輸、搬運、管理復雜,鋼瓶需要定期檢修。
            液氧與匯流排相比有很大的改進,具有運輸量大,運輸效率高,輔助時間少,氧氣成本低等優點。一個3.65m3的液氧貯槽,裝滿液氧完全氣化可得3000m3氧氣,需要500個鋼瓶,僅鋼瓶自重就約30t。液氧貯罐每月灌充1~2次即可,但灌充時操作要求非常高,并且操作人員需持證上崗,每天檢測輸出壓力,并定期對設備進行檢修,用氧程序比較繁瑣。
            醫用PSA制氧機實現了就地制氧,建立自己的獨立制氧站,無需氧氣輸運,不受第二氧源的限制;并且設備實現自動運行,無須經常調校,操作安全、簡捷、方便;無需其他輔助設備,合格的醫用氧氣可直接進入管道系統;使醫院的管理更科學性、現代化。
      2.安全性比較。
            匯流排供氧使用的氧氣鋼瓶內氧氣壓力較高,一般為15MPa(150個大氣壓),遇強烈震動與碰撞,有潛在爆炸危險;氧氣瓶內氧氣的質量與純度對用戶非受控狀態。
            液態氧是最需要注意安全的,液氧貯罐里存儲著大量的液態氧氣,液氧的溫度極低(-183℃),氧氣又是強助燃氣,一旦泄漏后果不堪設想,因此液氧系統需要定期強檢,如果液氧罐上的防爆片爆破或排氣閥起跳排氣,說明液氧罐的夾層真空性被破壞,應當檢修后重新抽真空。人員密集的醫院放置液氧罐比較危險,在液氧運輸、分裝時易泄漏,即使遇到少量油脂也可能發生火災,存在安全隱患。
            醫用PSA制氧機在常溫低壓(20℃~40℃,6~8個大氣壓)下工作,不存在原理方面的不安全因素,是三種供氧方式中最為安全的。制氧機一般配有后備匯流排氧氣源,保證在停電、停機或氧氣用量某段時間突然增大超過制氧機額定產氧量時氧氣的供應。
      3.經濟性比較。
            匯流排系統使用氧氣鋼瓶,而各醫院一般均有,只要進行氣瓶處理后組合即可,從而節省了初投資的費用。但是,醫用瓶氧價格較高,地區差異較大,平均每瓶醫用氧氣20-38元,單位氧氣成本約5.5元/Nm3,并且當氣瓶組壓力下降后,氧氣鋼瓶內將有一部分氧氣不能利用,浪費較多,因此長期使用時其經濟性較差。
            與匯流排相比,使用液氧初投資較高,一個液氧貯罐要十幾萬元,一臺液氧槽車需幾十萬元。但是,液氧價格便宜,運輸費用較低,僅考慮氧氣費和運輸費,成本在3.2元/Nm3左右,一般一年可收回成本。同時,這種供氧方式也需要專人日常管理。
             采用醫用PSA制氧機供氧,初投資最高。除初投資外,設備正常運轉后,僅耗費維護設備運行的電能,單位制氧成本低,通常約為1.2元/Nm3,一般一到兩年即可收回投資。設備采用PLC控制,可實現智能化控制,無需專人操作,日常維護、維修量極少,人力成本低,系統的使用壽命很長,一般超過10萬小時,相當于10~15年。
      4.供氧方式的選擇。
             由于匯流排供氧初投資最少,故此,對于一些中小型醫院,由于其接待病員能力較小,資金短缺,采用匯流排供氧是最切合實際、最經濟的方法。而從長期運行的經濟性來看醫用PSA制氧機是最經濟的供氧方式,并且系統安全系數大,可以實現無人操作、現代化管理,是現代醫院的最佳選擇,因此,目前,大型醫院宜選用醫用PSA制氧機供氧。同時,由于PSA制氧機供氧不需要第二氧源,僅需電能就可以正常供氧,故此,對于一些偏遠的地區、交通不便利的地區也宜選用醫用PSA制氧機供氧。
      5.系統管道與終端。
              氧氣由氧氣站輸送到各樓層(病房、手術室、搶救中心、門診等),經二級穩壓后的氧氣輸出壓力為0.1~0.4MPa(可調),氧氣管道周圍的環境溫度不應超過70℃,嚴禁明火及油污靠近管道或閥門。氧氣輸送管道可用紫銅管,也可用不銹鋼管,前者較為經濟,是國家標準規定的首選材料(GB1527)。
              氧氣管進入病室后,即與終端板連接(也叫治療帶),終端板是各種導線的導槽,又是各種管線終端部件的組裝體。導氧管終端的開關閥件,叫“快速密封插頭”或叫氧頭,其功能是把氧氣濕化器插入時,即有氧氣進入濕化器供氧。把插座拔出時,隨即自動封閉。系統終端的形式有盒式、組合式、移動式、箱式、吊塔等。其中盒式終端、組合式終端用在病房,移動式終端、箱式終端、吊塔一般用在手術室。
      6.監測計量系統。
               監測計量系統是多極(三級)控制的計算機通信監測網,該系統主要由系統計算機、中心監測機、終端監測機組成。系統計算機是一臺裝有集中監測系統軟件的高可靠性計算機,它聯絡中心監測機;中心監測機負責收發處理監測數據;終端監測機負責氧氣終端的監測與計量。氧氣集中監測計量系統可有效解決病區氧氣實時監控和對病區氧氣用量進行集中計量。
      醫用PSA制氧機的狀況
      1.系統流程及設備。
               醫用PSA制氧系統由氣源系統、吸附分離系統、產品系統以及控制系統四個模塊組成。
      氣源系統由空氣壓縮機、冷干機、空氣貯罐、過濾器組成?諌簷C是制氧系統的關鍵設備,它的作用是給吸附分離系統提供壓縮氣源。同時制氧設備的大部分能耗、噪音等都與空壓機密切相關。因此,要選擇性能優越的要縮機,以保證制氧機無故障、低能耗、低噪音的長壽命運行。由空壓機出來的高壓高溫空氣經C級過濾器過濾、冷干機冷卻降溫后進入空氣貯罐?諝赓A罐是壓縮空氣進入吸附分離系統前的儲備中心,其主要作用是克服活塞壓縮機運行造成的氣體脈沖和壓力波動,使進入分離系統的氣流連續平穩。同時,空氣儲罐還起到分離凝結水的作用,分離出來的水從空氣貯罐底部經閥門排出。壓縮空氣在進入吸附分離系統之前要經過T級、A級、H級三級過濾。氣源系統的過濾器都屬于精密過濾器,其中C級過濾器可除去大量的液體及3μm以上固體微粒,達到最低殘留油分含量僅5ppm,有少量的水分、灰塵和油霧,用于空壓機之后,冷干機之前;T 級過濾器能濾除小至1μm的液體及固體微粒,達到最低殘油分含量僅0.5ppm,有微量水分、灰塵和油霧,用于A級過濾器之前作前處理之用;A級過濾為超高效除油過濾器,能濾除小至0.01μm的液體及固體微粒,達到最低殘油含量僅0.001ppm,幾乎所有的水分、灰塵和油都被去除,用于H級過濾和冷干機之前,起保護作用;H級過濾器為活性炭微油霧過濾器,能濾除小至0.01μm的油霧及碳氫化合物,達到最低殘油含量僅0.003ppm,不含水分、灰塵和油,無臭無味,起最后一道過濾作用。因此,從氣源系統進入吸附分離系統的空氣高壓、潔凈、無味,適合吸附分離,又不會使分子篩失效。
      吸附分離系統由兩個吸附塔(也有采用多塔的)、一組控制閥門和排氣消音器組成。吸附分離系統是制氧機的核心模塊,其分離效果直接影響著氧氣純度。吸附塔內裝有沸石分子篩,利用其對氮氣與氧氣的吸附力、吸附速度以及吸附量的差異,在較高壓力下將氮氣吸附并在較低壓力下將其解吸。兩個吸附塔交替完成吸附與解吸過程,從而連續不斷的產生氧氣。其中,閥門的開關動作控制著吸附塔的吸附與解吸過程,解吸出來的廢氣經消音器排出,以減小系統的噪音。
              產品氣系統包括氧氣貯罐和滅菌、除塵過濾器。氧氣貯罐與吸附塔出口相連,一方面起著平衡氧氣壓力與貯存氧氣的作用;另一方面,通過壓力傳感器控制吸附塔的循環過程。由于醫用氧氣要求潔凈、無菌,因此,在供用戶之前要除去細菌等病原微生物。
              制氧機的控制系統由運行控制系統和遠程監控系統組成。運行控制系統是指控制制氧機起、停、正常運轉的計算機控制程序和實現該程序的控制器。制氧系統的壓縮機、吸附塔、氧氣儲罐、流量計等都裝有傳感器,傳感器將壓力信號、流量信號以及濃度信號傳給運行控制系統,該系統通過這些參數控制制氧機的正常運行。遠程監控系統可以將制氧機的運行狀態包括氧氣流量、壓力、濃度等參數顯示在遠程的顯示終端上,坐在辦公室就可以看到制氧機的運行狀況,從而提升了醫院的管理水平。
      2.關鍵因素。
             影響制氧機制氧效果的關鍵因素有分子篩性能、吸附塔結構和吸附工藝參數。
             分子篩是變壓吸附制氧的核心,分子篩的性能直接決定著變壓吸附制氧裝置的優劣。選用性能好的分子篩可以減少分子篩的用量,降低吸附壓力,減小空氧比,從而減小制氧機的重量與體積,降低制氧機的能耗。表1是兩種醫用制氧分子篩的性能比較表。由表1可知,在1個大氣壓下,FZS2的氮氣靜態吸附量是FZS1的2.375倍,FZS2對N2/O2的選擇性約為FZS1的兩倍,同時,FZS2的吸附壓力低于FZS1的吸附壓力。FZS1與FZS2兩種分子篩的吸附等溫線如圖1、圖2所示。由圖1和圖2可以看出,壓力在1-3bar之間時,FZS2的氮氣吸附等溫線比FZS1的氮氣吸附等溫線陡,當分子篩量一定時,FZS2每次循環的產氧量(假定吸附壓力均為3bar)是FZS1的1.58倍。由以上分析可知,采用FZS2進行分離空氣制氧比采用FZS1分子篩用量小、空氧比小、氧氣回收率高、吸附壓力低、能耗低。
              吸附塔是保證制氧機長期穩定運行的關鍵,在進行吸附塔結構設計時,要保證高效、長壽兩大目標。高效性主要指吸附塔的死空間小、貼壁效應低、布氣效果好;長壽主要指吸附塔的壓緊機構要保證分子篩不上下浮動以避免分子篩的磨損。死空間的大小決定著分子篩的利用率,當死空間比較大時,會造成1/3的分子篩不工作;貼壁效應會增加死空間體積,從而降低分子篩的利用率;布氣效果不僅影響死空間的大小,還會影響分子篩的使用壽命,目前可以均壓力、均流速的氣流分布器的布氣效果最好。吸附塔內的壓力在升壓階段特別是均壓過程變化很快,如果壓緊效果不好,會使分子篩在吸附塔內周期性浮動,從而將分子篩磨損和壓碎。
              變壓吸附制氧機的工藝參數包括∶吸附時間、均壓時間、反吹氣量等。在產品氣流量一定的情況下,氧氣純度隨吸附時間、均壓時間、反吹氣量的增加都是先增加后減小,即存在一個最佳的吸附時間、均壓時間和反吹氣量。且最佳的吸附時間隨反吹氣量的變化而變化,同時還受氧氣流量的影響。同時,均壓時間的優劣不僅影響氧氣的濃度,還很大程度上影響著系統的能耗和回收率,因此,設定恰當的均壓時間可以有效提高制氧機的性能。工藝參數直接影響制氧機的運行效果和運行壽命,是制氧機正常運轉的保障。
      3.產品規格與配置。
               產氧量是醫用PSA制氧機的一個重要指標,目前國內醫用PSA制氧機的產氧量一般在2~90Nm3/h,具體規格與其適用范圍如表2所示。
              集中供氧系統在配置制氧機時有兩種選擇:單機配置、雙機配置。當需供氧氣量上下落差小時(如圖3的B曲線),為了更合理的有效利用醫用供氧裝置,節約能源,易選用單機配置。當需供氧量上下波動大,存在用氧高峰期時(如圖3的A曲線),易選用雙機組配置,其優勢在于,用氧高峰期時,雙機組同時開啟工作,實現高峰供氧,而在供氧量需求不高時,可關閉一臺機組,只需用單機組供氧,這樣大大降低使用能耗,更趨經濟合理化。
              在利用PSA制氧機供氧時,一般還有備用氧配置,包括匯流排和多極充瓶裝置。匯流排可以在用氧高峰時或突然停電時供氧,從而使得供氧系統更加安全、可靠。在氧氣有余量時,多極充瓶裝置可以給鋼瓶充裝多余的氧氣,這樣就解決了備用匯流排氧氣的來源,并能向高壓氧艙以及醫院沒有鋪設中心供氧管道的用氧部門供氧,或向周邊用氧單位提供氧氣出售,創造效益。
      4.能耗狀況。
              由于制氧機要長期連續運轉,其運行費用主要是消耗的電能,故此,單位氧氣的能耗是制氧機的一個重要性能指標。圖4是三種制氧機的能耗曲線,其中曲線1、2是國產機,曲線3是進口機。由圖4可知,隨著產氧量的增加,單位氧氣的耗電量逐漸下降,并且在小產量時變化更為明顯。這主要由產氧量小時氧氣回收率低,各設備的效率低造成的。由圖4還可以看出,國產制氧機的能耗要比進口機的能耗高,并且國產機之間能耗也有差距。這主要由于國外對PSA技術的研究起步較早,技術比較成熟。相比之下,國內PSA技術落后,并且,各單位的技術水平也相差較大。
              由前文的分析可知,影響制氧機能耗的因素主要有分子篩性能、吸附塔結構、系統運行的工藝參數等。因此,在進行制氧機的設計時,要從這幾個方面綜合分析,在保證制氧機產量和氧氣純度的前提下,盡量降低系統的能耗,以提高長期運行的經濟性。用戶在選擇制氧機時也要考察其能耗指標,盡量選擇單位氧氣耗電量小的產品。
       結論
      1.目前,氧氣鋼瓶直接供氧的形式已經基本上被淘汰,集供氧系統是現代醫院的必然選擇,在集中供氧系統的氧氣供應方式上,各醫院要應根據自己的實際情況以及醫院的長遠規劃,進行綜合分析,選擇最適合的供氧方式。
      2.吸附分離系統是醫用PSA制氧機的核心,該系統的分子篩性能、吸附塔結構、運行時的工藝參數等都直接影響制氧機的制氧效果、系統的能耗與運行壽命。
      3.在配置制氧機時,醫院要根據自己的氧氣需求情況選擇合理的配置,并注意考察制氧機的能耗狀況。
       醫護專家    百年華興
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