变频及PID闭环控制节能技术在医用制氧空压机的应用

何德庆 江门市人民医院 后勤管理科 （广东 江门 529000）

内容提要： 本文通过对医用制氧空压机应用变频及PID闭环控制节能技术，不仅可以提高医用制氧系统的稳定性，保障医疗临床供氧的稳定性和安全性，同时又降低医院能源消耗和运行成本，响应国家节能减排政策要求，具有较好的社会效益和经济效益。

1.医用制氧空压机变频改造理论依据

1.1 医用空压机变频恒压供气对医用制氧机氧气纯度的影响

医用制氧系统采用变压吸附的工作原理，在相同温度吸附平衡情况下，在一定压力范围内压力越高，吸附量越大，反之，压力越低，则吸附量越小[1]。即压力的波动造成氧气的分离效果产生波动，从而造成医用氧气纯度的波动。

因此对医用制氧空压机进行变频及PID闭环恒压控制改造，使医用制氧空压机能够恒压供气，有利于医用制氧系统的氧气分离效率的提高、减少压力波动和增强医用供氧系统的稳定。

1.2 医用空压机变频应用对能耗的影响

医用制氧空压机不同的启动方式对应不同的启动电流（即不同的功耗）。现在使用的工频医用制氧空压机采用星-三角启动，启动电流峰值一般情况下是正常电流的4～6倍，不仅造成能源的浪费，同时对医院供电系统造成高电流冲击[2]。而医用制氧变频空压机采用0Hz启动，启动过程电流平稳增加至额定电流，整个过程无电流峰值，不仅节能，而且对医院供电系统无任何高电流冲击。

1.3 医用空压机变频恒压供气在机组运行中的能耗对比

在医院中心制氧系统中医用制氧机其压缩空气的消耗量均不是恒量用气，用气量是如下图所示的具有一定的波动性。这也是为什么医用制氧空压系统具有加载、卸载轮动的原因所在。医用制氧空压机在卸载时其卸载功率为满载功率的35%左右。在卸载过程中能耗从100%逐步减少到35%，在此过程中医用制氧空压机没有压缩空气产出，实际上这部分功率为无用功耗。工频的医用制氧空压机通过变频改造可以消除该部分无用功耗[3]，达到节能的效果。

工频医用制氧空压机通过设定压力的上、下限来控制空压机的加、卸载工作。根据医用制氧机的最低压力要求，设定空压机输出压力的下限，也就是医用制氧空压机开始加载的压力；再在最低压力上加100Kpa左右，作为医用制氧空压机输出压力的上限，即开始卸载的压力。医用制氧空压机的输出工作压力将在上下限之间波动。医用制氧空压机的功率消耗和输出压力成正比，输出的压力越高消耗的功率也越大，从输出压力的下限到上限的1巴的压差将消耗总功的7%。也就是说一台100KW的医用制氧空压机因为此工作模式就要浪费的功率约7.5～10千瓦。而变频及PID闭环控制医用制氧空压机为恒压供气，其压力波动仅为±10Kpa，因此在压力设定时，仅需要将设定压力设为：生产设备的压力要求+10Kpa即可满足医用制氧机原料气供气需要。仅此一项变频及PID闭环控制的医用制氧空压机将比工频医用制氧空压机节能7%。

2.变频改造方案

2.1 医用变频空压技术中的变转速原理

医用制氧空压机的的压缩空气产量：V=En×L×D×n2

En为转子系数，与型线等因素有关。

L为转子长度，

D为阳转子直径，

n为转速。

图1. 医用制氧空压机

在医用制氧空压机中，只有速度是可调的，排气量与转速成正比（图1）。压力传感器实时监控并测量压缩空气系统管网的压力，当医用制氧系统压缩空气的需求发生变化时，输送到管网中的压缩空气将大于或者小于需求，系统的压力随之将发生变化，传感器将压力信号传送给PID控制器，经PID变频控制器内部对偏差量进行相应运算后，PID控制器对变频器提供相应反馈量，变频器改变输出频率以改变医用制氧空压机转速，从而调节气量及管网压力，管网压力的变化再反馈到压力传感器，此过程不断进行，不断稳定在设定压力值，达到节约能耗的目的[4]。

2.2 医用制氧空压机双机公用变频器改造方案

医用制氧系统一般情况下均采用两台机组交替使用，因此改造方案采用双机公用变频器的方式。通过在变频控制柜的选择开关，选择其中任意一台为变频PID闭环控制运行模式，另一台机组自动切换为工频模式进入备用状态。当变频PID闭环控制模式出现故障或需要维护时，工频模式则可以正常运行。改造方案如图2。

表1. 改造前后用电量及故障次数对比表

图2. 主电路设计图

2.3 改造效果验证结果：

对一台30KW医用制氧空压机进行变频PID闭环控制改造后运行2个月，每周进行数据记录与前期工频模式下电费对比计算节能效果和系统故障率进行综合评估。

由表1可以看出：

（1）两个月共节约电量：9443.00度，

（2）医用制氧空压机故障率大幅下降，保障了医院中心供氧系统的稳定。

故障情况对比见图3。

图3. 故障情况对比

3.综述

通过对医用制氧空压机的变频PID闭环控制改造提高了本院的中心供氧系统医用制氧空压机的技术先进性，保障了医院的中心供氧系统能够稳定、连续的正常运行，而且还延长了医用制氧空压机的使用寿命。不仅节约了设备的用电量，为医院节约能源费用，同时医用制氧空压机的故障率大大降低，保障了医院整套医用中心供氧系统的稳定运行，为临床、监护和手术麻醉提供了安全、便捷、稳定的医用氧气供应，使患者能够得到及时抢救或治疗。具有较好的经济效益和社会效益。