医院集中供氧系统的发展及应用

医院集中供氧系统的发展及应用 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 随着制氧技术的不断发展 医用氧气从最初的工业氧 后来的液氧发展到目 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 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 年研制出第一套集中供氧系统以来 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集中供氧系统 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 医院集中供氧系统 医院集中供氧系统由氧源 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 1 汇流排 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 2 液氧 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 3 医用 PSA 制氧机供氧 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 3 m 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 1 m 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 01 m 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 01 m 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