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医用分子筛制氧机能耗分析
【作 者】：杨斌，刘志华，张美
【作者单位】：北京军区总医院医学工程科;
【分 类 号】：R197.39
摘要：目的计算分子筛制氧机制取富氧气体的单位能耗，评价其实际运行成本。方法 通过空气压缩机机组输入比功率和分子筛输入输出比，计算理论耗电量，然后根据对卸载、干燥等实际影响因素的分析，计算各因素对耗电量的影响因子，并通过实际测试进行验证。结果 在理想状态下制取1 m3富氧气体，耗电量为1.54~1.87 kWh；在不考虑增压机耗电量的情况下，分子筛制氧机制取1 m3富氧气体的实际耗电量不低于2 kWh。结论 分子筛制氧机单位能耗大，更适用于使用汇流排供氧的医院。
分子筛制氧方式通过近十几年的发展，与氧气汇流排和液氧储罐一起成为我国医院集中供氧的主要方式。对分子筛制氧在医院应用的安全性和运行成本一直存在着不同看法。支持者认为分子筛制氧方式安全、环保、成本低；反对者认为其制出的氧纯度低于药典和国家标准，运行成本远高于液氧。而双方所引用的分子筛制氧机的单位耗电量差异较大，从1.2~3.8kWh/m3
本文通过对我院分子筛制氧机实际运行状况的分析，归纳出单位耗电量的理论计算方法，并根据医院的实际应用情况，客观分析影响分子筛制氧机单位耗电量的各种因素。通过相关测试，对分析结果进行验证。
1.分子筛制氧机的理论耗电量
分子筛制氧过程：空气压缩机将空气加压，经除油、除水等处理后，分子筛吸附塔将氮气吸附，氧气富集输出，然后分子筛减压解吸，排放氮气，如此循环工作。
1.1理论耗电量计算分子筛制氧机的理论耗电量是指在******条件下，制取1m3富氧空气所消耗的最低能量。空气压缩过程是主要的耗能环节。压缩空气的耗电量是根据空气压缩机额定功率和输出流量这两个参数计算，即在额定功率下，1h所消耗的能量与产生的压缩空气体积之比。为了统一计算标准，参考国家标准GB19153-2009《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》定义的能效等级参数，即机组输入比功率（kW∙min/m3）。分子筛制氧机常采用的喷油螺杆空气压缩机1级能效机组输入比功率见表1。分子筛制氧机中常用的美国AirSep公司的分子筛吸附塔技术参数见表2。可以看出，制取1m3富氧气体，理论上需要消耗空气8.7~11.2m3。
根据分子筛制氧机的空气压缩机工作状态，并假定实际使用的空气压缩机能效高于表1中数值，即空气压缩机的机组输入比功率是表1中数值的90%。将AS-K和AS-L的空气输入与氧气输出的比值带入公式，计算出分子筛制氧机单位耗电量的理论值为0.91~1.10kWh。
1.2理论耗电量影响因素
1.2.1空气压缩机卸载过程在实际应用中，空气压缩机通常在加载和卸载两种状态下工作。加载是指当空气储罐压力低于设备所需压力时，压缩机运转，给储罐加压，运转功率为额定功率，输出为额定流量。卸载是指当储气罐的压力达到设定气压时，空气进气阀关掉，但空气压缩机继续运转，空气压缩机运转功率为额定功率的30%~50%，输出流量为0。卸载是为了避免大功率空气压缩机启动时对电网和压缩机造成损害，也是导致空气压缩机能耗升高的主要因素。
根据空气压缩机参数的计算公式：
其中，储气常数是与管道系统存储压缩空气相关的体积常数；输出流量是指空气压缩机的额定输出流量值；使用流量是指分子筛制氧系统实际消耗空气的流量值；η是卸载功率与额定功率的比值，由此可以推出：
依据以上公式，由此分析不同条件下空气压缩机卸载过程对分子筛制氧机耗电量的影响。当输出流量小于使用流量时，需汇流排补充氧气，无卸载过程；当输出流量等于使用流量时，无卸载过程，能效最高；当输出流量是使用流量的2倍时，加载时间与卸载时间相等，卸载过程浪费的电量是加载过程的30%~50%。
医院氧气用量的峰谷差异较大，制氧机不具备调节能力，因此分子筛制氧机组的制氧能力要满足医院的峰值需求，其设计流量要远高于实际应用中的平均流量。以我院为例，按照规范设计的峰值流量是263m3/h，是实际氧气平均流量（102m3/h）的2.58倍。在实际设计中，空气压缩机要再留出10%~20%的输出裕量，那么空气压缩机******输出流量应是平均 用量的2.84~3.10倍。因此，在实际运行中，空气压缩机卸载浪费的能耗大约是加载能耗的1/2，甚至更多。
1.2.2压缩空气干燥过程由于分子筛对于水分、杂质气体敏感，若不去除干净，会直接影响分子筛的工作效率和使用寿命。本研究主要采用两种干燥设备：吸附式干燥机和冷冻式干燥机，其中吸附式干燥机又分为普通式和微热式。普通吸附式干燥机通过消耗压缩空气来再生吸附剂，一般压缩空气消耗量≥5%，按15%的空气损耗计算，耗电量增加约6%；微热吸附式干燥机具有电加热装置，通过加热再生空气，降低压缩约7%的空气消耗量，但由于引入了电加热源，耗电量相当于增加机组输入比功率0.4~0.6kW∙min/m3，综合耗电量增加约9%；冷冻式干燥机没有压缩空气损失，耗电量相当于增加机组输入比功率0.2kW∙min/m3，综合耗电量增加约3%，因其除水率较低，分子筛的工作效率和使用寿命均受影响。冷冻式加吸附式干燥机级联设计，虽有利于空气干燥，但总体能耗较大。
1.2.3空气压缩机实际性能的下降空气压缩机长期处于高速运转状态，经过磨损、高温、高压等因素影响，转子间、转子与端盖和轴承的距离变大，空压机运行效率下降。一般空气压缩机在运行2000~4000h后，性能进入稳定期，相对于新机能效降低10%~15%，综合耗电量增加3%~6%。
1.2.4增压机分子筛制氧机输出压力0.4MPa左右，并不能完全满足医院实际需求，不少医院制氧机系统包括增压机、高压钢瓶灌充装置。一是保障高压氧舱舱压≥0.4MPa；二是确保整个管道系统压力稳定；三是使制氧机具备一定的峰谷调节能力。空气压缩机输出压力每升0.1MPa，耗电量将增加7%，增压机综合能耗大约增加20%~30%。钢瓶灌充装置不仅耗电量高，而且风险大、故障率高，不建议采用。1.2.5其它因素分子筛制氧机系统的合理化设计，与能耗密切相关。有的设计将空气压缩机与分子筛装置安装在同一机房内，导致散热条件恶化，需安装空调降温；有的设计将分子筛废气排放口与空气压缩机空气吸入口相邻，直接导致空气中氧含量过低，降低设备工作效率；有的管径设计偏小，管道压降损失大。制氧机的分子筛制氧效率与工作温度密切相关。温度过低，分子筛效率下降，需要采取电热增温措施来保持工作效率，额外增加耗电量。
2.实际测试
2.1测试空气压缩机卸载功率与加载功率的比值
测试空气压缩机卸载功率与加载功率的比值（η）是衡量空气压缩机卸载过程耗电量的重要指标，也可以直接反映空气压缩机的综合性能，可以通过测量卸载电流与加载电流的比值来计算。选用我院2台已运行6年的喷油螺杆空气压缩机进行测试，测量工具为数字式钳形电流表。空气压缩机为GD公司的ES22-8.5，额定功率22kW，额定输出压力为0.85MPa，输出流量为3.52m3/min。模拟分子筛制氧机的空气压缩机运行状况，加载压力范围设为0.65~0.75MPa，分别测量卸载和加载电流值。空气压缩机加载和卸载电流数据，见表3。
2.2分子筛制氧机满负荷工作耗电量测试
由于分子筛制氧机没有独立的电度表计量耗电量，因此让空气压缩机满负荷工作，耗电量相当于额定功率的能耗，氧气输出量通过分子筛制氧机上的氧流量计读取。以我院安装的分子筛制氧机组为测试对象，机组包括：2台阿特拉斯喷油螺杆变频空气压缩机，型号为GA18VSD，额定功率18.5kW，空气输出量为3.35m3/min；2套美国AirSep公司的AS-J型分子筛吸附塔，制氧量为11.3~17.0m3/h。测试时选取制氧机满负荷工作时段，制氧机输出不足部分由氧气汇流排补充，每小时读取数据，即空气压缩机以最高转速运转，运行1h后，同时读取制氧输出量和汇流排补氧量数值。为了使数据更接近制氧机满负荷状态，从11d所采集的176组数据中，选取补氧量>14m3/h的数据，见表4。
3.测试结果分析
3.1η值测试分析
空气压缩机η值的测试设备是我院的正压空气源，工作负荷要远低于分子筛制氧机，实际运行时间不到2×104h。在测试中，加载电流随着输出压力的升高而增大，卸载电流随着运行时间的增长而下降。两台设备的加载电流基本相同，但卸载电流差异较大。以上数据表明，设备性能下降对加载电流的影响差异不大。选取两者的平均值进行计算，可以近似反映实际应用中的η值。从计算出的η值可以发现，实际运行中的卸载能耗所占比率要高于理论数值（30%~50%）。
3.2满负荷能耗测试分析
测试用分子筛制氧机已在我院运行2.5年，其制氧量已远不能满足我院的实际需求。测试数据中的氧浓度均未达到90%，汇流排补氧量超过制氧量的50%，表明制氧机输出已经超出工作极限。根据空气压缩机操作面板显示的螺杆转速一直运行在标称极值，故消耗功率取值为设备额定功率。此次测试没有涉及卸载、增压机、温度等因素影响。从表中数据可以看到，分子筛制氧机的实际单位耗电量是1.56kWh，若考虑卸载因素和实际η值的影响，能耗应比实际测试值高50%以上。
4.讨论
根据理论分析，20~30m3/h输出量的分子筛制氧机制取1m3富氧气体，理想情况下，理论耗电量≥0.91~1.10kWh，考虑到卸载、干燥、空压机性能的影响，理论耗电量≥1.54~1.87kWh。根据实际测试，笔者发现在实际运行中的能耗比理论值高，制取1m3富氧气体耗电量应≥2kWh。医疗机构用电属于一般工商业用电，北京地区采用峰谷电价，每度电价尖峰时段1.5295元，峰值时段1.4002元，平时0.8745元，谷时0.3748元。由于医院用氧量峰谷时段与电价峰谷时段基本重合，因此综合平均电价要高于平时的电价。我院综合电价大约在1.13元左右，那么北京地区分子筛制氧机仅理论电费成本至少是1.74~2.11元/m3，与目前北京地区的液氧成本相当（1.42~1.86元/m3）。从工业化生产成本考虑，医院所采用的变压吸附制氧方式耗电量（0.71~1.42kWh/m3），也高于深冷制氧方式（0.36~0.43kWh/m3）。
综上所述，我院分子筛制氧机耗电成本高于购买液氧的成本。从环保角度考虑，在医院使用分子筛制氧机是一种高耗能的生产方式，不利于节能减排，不建议在与我院有同等情况的医院采用分子筛制氧技术制取氧气。
【作者单位】：北京军区总医院医学工程科;
【分 类 号】：R197.39
摘要：目的计算分子筛制氧机制取富氧气体的单位能耗，评价其实际运行成本。方法 通过空气压缩机机组输入比功率和分子筛输入输出比，计算理论耗电量，然后根据对卸载、干燥等实际影响因素的分析，计算各因素对耗电量的影响因子，并通过实际测试进行验证。结果 在理想状态下制取1 m3富氧气体，耗电量为1.54~1.87 kWh；在不考虑增压机耗电量的情况下，分子筛制氧机制取1 m3富氧气体的实际耗电量不低于2 kWh。结论 分子筛制氧机单位能耗大，更适用于使用汇流排供氧的医院。
分子筛制氧方式通过近十几年的发展，与氧气汇流排和液氧储罐一起成为我国医院集中供氧的主要方式。对分子筛制氧在医院应用的安全性和运行成本一直存在着不同看法。支持者认为分子筛制氧方式安全、环保、成本低；反对者认为其制出的氧纯度低于药典和国家标准，运行成本远高于液氧。而双方所引用的分子筛制氧机的单位耗电量差异较大，从1.2~3.8kWh/m3
本文通过对我院分子筛制氧机实际运行状况的分析，归纳出单位耗电量的理论计算方法，并根据医院的实际应用情况，客观分析影响分子筛制氧机单位耗电量的各种因素。通过相关测试，对分析结果进行验证。
1.分子筛制氧机的理论耗电量
分子筛制氧过程：空气压缩机将空气加压，经除油、除水等处理后，分子筛吸附塔将氮气吸附，氧气富集输出，然后分子筛减压解吸，排放氮气，如此循环工作。
1.1理论耗电量计算分子筛制氧机的理论耗电量是指在******条件下，制取1m3富氧空气所消耗的最低能量。空气压缩过程是主要的耗能环节。压缩空气的耗电量是根据空气压缩机额定功率和输出流量这两个参数计算，即在额定功率下，1h所消耗的能量与产生的压缩空气体积之比。为了统一计算标准，参考国家标准GB19153-2009《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》定义的能效等级参数，即机组输入比功率（kW∙min/m3）。分子筛制氧机常采用的喷油螺杆空气压缩机1级能效机组输入比功率见表1。分子筛制氧机中常用的美国AirSep公司的分子筛吸附塔技术参数见表2。可以看出，制取1m3富氧气体，理论上需要消耗空气8.7~11.2m3。
根据分子筛制氧机的空气压缩机工作状态，并假定实际使用的空气压缩机能效高于表1中数值，即空气压缩机的机组输入比功率是表1中数值的90%。将AS-K和AS-L的空气输入与氧气输出的比值带入公式，计算出分子筛制氧机单位耗电量的理论值为0.91~1.10kWh。
1.2理论耗电量影响因素
1.2.1空气压缩机卸载过程在实际应用中，空气压缩机通常在加载和卸载两种状态下工作。加载是指当空气储罐压力低于设备所需压力时，压缩机运转，给储罐加压，运转功率为额定功率，输出为额定流量。卸载是指当储气罐的压力达到设定气压时，空气进气阀关掉，但空气压缩机继续运转，空气压缩机运转功率为额定功率的30%~50%，输出流量为0。卸载是为了避免大功率空气压缩机启动时对电网和压缩机造成损害，也是导致空气压缩机能耗升高的主要因素。
根据空气压缩机参数的计算公式：
其中，储气常数是与管道系统存储压缩空气相关的体积常数；输出流量是指空气压缩机的额定输出流量值；使用流量是指分子筛制氧系统实际消耗空气的流量值；η是卸载功率与额定功率的比值，由此可以推出：
依据以上公式，由此分析不同条件下空气压缩机卸载过程对分子筛制氧机耗电量的影响。当输出流量小于使用流量时，需汇流排补充氧气，无卸载过程；当输出流量等于使用流量时，无卸载过程，能效最高；当输出流量是使用流量的2倍时，加载时间与卸载时间相等，卸载过程浪费的电量是加载过程的30%~50%。
医院氧气用量的峰谷差异较大，制氧机不具备调节能力，因此分子筛制氧机组的制氧能力要满足医院的峰值需求，其设计流量要远高于实际应用中的平均流量。以我院为例，按照规范设计的峰值流量是263m3/h，是实际氧气平均流量（102m3/h）的2.58倍。在实际设计中，空气压缩机要再留出10%~20%的输出裕量，那么空气压缩机******输出流量应是平均 用量的2.84~3.10倍。因此，在实际运行中，空气压缩机卸载浪费的能耗大约是加载能耗的1/2，甚至更多。
1.2.2压缩空气干燥过程由于分子筛对于水分、杂质气体敏感，若不去除干净，会直接影响分子筛的工作效率和使用寿命。本研究主要采用两种干燥设备：吸附式干燥机和冷冻式干燥机，其中吸附式干燥机又分为普通式和微热式。普通吸附式干燥机通过消耗压缩空气来再生吸附剂，一般压缩空气消耗量≥5%，按15%的空气损耗计算，耗电量增加约6%；微热吸附式干燥机具有电加热装置，通过加热再生空气，降低压缩约7%的空气消耗量，但由于引入了电加热源，耗电量相当于增加机组输入比功率0.4~0.6kW∙min/m3，综合耗电量增加约9%；冷冻式干燥机没有压缩空气损失，耗电量相当于增加机组输入比功率0.2kW∙min/m3，综合耗电量增加约3%，因其除水率较低，分子筛的工作效率和使用寿命均受影响。冷冻式加吸附式干燥机级联设计，虽有利于空气干燥，但总体能耗较大。
1.2.3空气压缩机实际性能的下降空气压缩机长期处于高速运转状态，经过磨损、高温、高压等因素影响，转子间、转子与端盖和轴承的距离变大，空压机运行效率下降。一般空气压缩机在运行2000~4000h后，性能进入稳定期，相对于新机能效降低10%~15%，综合耗电量增加3%~6%。
1.2.4增压机分子筛制氧机输出压力0.4MPa左右，并不能完全满足医院实际需求，不少医院制氧机系统包括增压机、高压钢瓶灌充装置。一是保障高压氧舱舱压≥0.4MPa；二是确保整个管道系统压力稳定；三是使制氧机具备一定的峰谷调节能力。空气压缩机输出压力每升0.1MPa，耗电量将增加7%，增压机综合能耗大约增加20%~30%。钢瓶灌充装置不仅耗电量高，而且风险大、故障率高，不建议采用。1.2.5其它因素分子筛制氧机系统的合理化设计，与能耗密切相关。有的设计将空气压缩机与分子筛装置安装在同一机房内，导致散热条件恶化，需安装空调降温；有的设计将分子筛废气排放口与空气压缩机空气吸入口相邻，直接导致空气中氧含量过低，降低设备工作效率；有的管径设计偏小，管道压降损失大。制氧机的分子筛制氧效率与工作温度密切相关。温度过低，分子筛效率下降，需要采取电热增温措施来保持工作效率，额外增加耗电量。
2.实际测试
2.1测试空气压缩机卸载功率与加载功率的比值
测试空气压缩机卸载功率与加载功率的比值（η）是衡量空气压缩机卸载过程耗电量的重要指标，也可以直接反映空气压缩机的综合性能，可以通过测量卸载电流与加载电流的比值来计算。选用我院2台已运行6年的喷油螺杆空气压缩机进行测试，测量工具为数字式钳形电流表。空气压缩机为GD公司的ES22-8.5，额定功率22kW，额定输出压力为0.85MPa，输出流量为3.52m3/min。模拟分子筛制氧机的空气压缩机运行状况，加载压力范围设为0.65~0.75MPa，分别测量卸载和加载电流值。空气压缩机加载和卸载电流数据，见表3。
2.2分子筛制氧机满负荷工作耗电量测试
由于分子筛制氧机没有独立的电度表计量耗电量，因此让空气压缩机满负荷工作，耗电量相当于额定功率的能耗，氧气输出量通过分子筛制氧机上的氧流量计读取。以我院安装的分子筛制氧机组为测试对象，机组包括：2台阿特拉斯喷油螺杆变频空气压缩机，型号为GA18VSD，额定功率18.5kW，空气输出量为3.35m3/min；2套美国AirSep公司的AS-J型分子筛吸附塔，制氧量为11.3~17.0m3/h。测试时选取制氧机满负荷工作时段，制氧机输出不足部分由氧气汇流排补充，每小时读取数据，即空气压缩机以最高转速运转，运行1h后，同时读取制氧输出量和汇流排补氧量数值。为了使数据更接近制氧机满负荷状态，从11d所采集的176组数据中，选取补氧量>14m3/h的数据，见表4。
3.测试结果分析
3.1η值测试分析
空气压缩机η值的测试设备是我院的正压空气源，工作负荷要远低于分子筛制氧机，实际运行时间不到2×104h。在测试中，加载电流随着输出压力的升高而增大，卸载电流随着运行时间的增长而下降。两台设备的加载电流基本相同，但卸载电流差异较大。以上数据表明，设备性能下降对加载电流的影响差异不大。选取两者的平均值进行计算，可以近似反映实际应用中的η值。从计算出的η值可以发现，实际运行中的卸载能耗所占比率要高于理论数值（30%~50%）。
3.2满负荷能耗测试分析
测试用分子筛制氧机已在我院运行2.5年，其制氧量已远不能满足我院的实际需求。测试数据中的氧浓度均未达到90%，汇流排补氧量超过制氧量的50%，表明制氧机输出已经超出工作极限。根据空气压缩机操作面板显示的螺杆转速一直运行在标称极值，故消耗功率取值为设备额定功率。此次测试没有涉及卸载、增压机、温度等因素影响。从表中数据可以看到，分子筛制氧机的实际单位耗电量是1.56kWh，若考虑卸载因素和实际η值的影响，能耗应比实际测试值高50%以上。
4.讨论
根据理论分析，20~30m3/h输出量的分子筛制氧机制取1m3富氧气体，理想情况下，理论耗电量≥0.91~1.10kWh，考虑到卸载、干燥、空压机性能的影响，理论耗电量≥1.54~1.87kWh。根据实际测试，笔者发现在实际运行中的能耗比理论值高，制取1m3富氧气体耗电量应≥2kWh。医疗机构用电属于一般工商业用电，北京地区采用峰谷电价，每度电价尖峰时段1.5295元，峰值时段1.4002元，平时0.8745元，谷时0.3748元。由于医院用氧量峰谷时段与电价峰谷时段基本重合，因此综合平均电价要高于平时的电价。我院综合电价大约在1.13元左右，那么北京地区分子筛制氧机仅理论电费成本至少是1.74~2.11元/m3，与目前北京地区的液氧成本相当（1.42~1.86元/m3）。从工业化生产成本考虑，医院所采用的变压吸附制氧方式耗电量（0.71~1.42kWh/m3），也高于深冷制氧方式（0.36~0.43kWh/m3）。
综上所述，我院分子筛制氧机耗电成本高于购买液氧的成本。从环保角度考虑，在医院使用分子筛制氧机是一种高耗能的生产方式，不利于节能减排，不建议在与我院有同等情况的医院采用分子筛制氧技术制取氧气。