高原海拔自适应PSA制氧技术研究

马帅，石梅生，刘培朋

军事科学院系统工程研究院 卫勤保障技术研究所，天津 300161

引言

我国是世界上高原地区分布最广的国家，高原总面积约占国土总面积的1/4[1]。高原地理环境特殊，大气压和空气密度低，昼夜温差大，气候干燥，其中以大气压和空气密度低带来的缺氧对人体的影响最大[2]。大量研究表明，针对高原缺氧的问题，氧疗是最便捷、普遍、有效的手段[3-6]。目前常用的制氧技术中，变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）法制氧技术成熟，具有制氧纯度较高、能耗低、自动化程度高、工艺简单和操作简便的特点[7]，可以满足预防和治疗高原病用氧需求，是目前高原环境下常用的制氧方法[8-9]。

随着海拔高度的增加，大气压下降，空气密度减小，大气中的氧分压相应降低，PSA制氧设备的氧浓度和产氧量等指标将下降[10]。不少研究者对此进行了探索，吕爱会等[11]运用响应面法分析了海拔高度、吸附时间和均压时间对制氧效果的影响，发现海拔高度影响最大，吸附时间次之，均压时间影响最小，而通过延长吸附时间和均压时间可以减缓海拔高度对制氧效果的影响。田涛等[12-13]针对小型制氧装备在高原环境下使用时出现的氧浓度和产氧量下降等问题，通过优化制氧工艺流程、实验研究并计算优化后的工艺参数，有效提高了氧浓度和产氧量。刘应书等[14]探索了不同海拔高度下吸附时间、均压时间、清洗时间和产品气流量对制氧效果的影响，结果表明适当延长吸附时间和均压时间可有效提高氧浓度和产氧量。石梅生等[15]提出了通过变频恒压进气的方法来解决海拔高度对PSA制氧效果的影响，并通过理论分析计算出其1.2 Nm3/h机型制氧机的最高自适应海拔高度为4451 m。

本文搭建了携运行式PSA制氧设备实验平台，在高原环境模拟低压氧舱中研究了海拔高度对PSA制氧效果的影响、PSA制氧设备中进气量和吸附时间对制氧效果的影响规律，然后分别通过对空压机工作频率和PSA制氧工艺的吸附时间进行自动调节，来实现高原环境下携运行式PSA制氧设备的高原海拔自适应，为高原地区携运行式PSA制氧设备的研制提供重要参考。

1 实验平台设计

PSA制氧工艺主要有两床、三床、四床和六床PSA等。其中三床、四床和六床PSA相比两床PSA制氧工艺，吸附塔内存留的富氧利用率高，氧收率也更高，但制氧工艺流程也更加复杂、技术要求更高，一般适用于大型制氧装备，而两床PSA制氧工艺流程简单、操作简单、稳定性高，在小型机动型制氧装备中更具有优势，因此本研究的实验平台采用两床PSA制氧工艺。

1.1 实验装置

本实验采用两床PSA制氧工艺，实验装置如图1所示。两组吸附塔（每两个相同的吸附塔构成一组）的塔高均为380 mm，塔径均为87 mm，塔内填充的吸附剂为法国CECA生产的Li-LSX型分子筛。整个制氧过程由PLC控制器对变频器、散热器和气体分配电磁阀等进行控制，空压机由变频进行驱动。PLC采用Horner公司的HEXL103BH型，变频器采用Omron公司的3G3JZ型，空压机采用台州德瑞压缩有限公司的DR50-3型，气体分配电磁阀采用奉化中肯气动设备有限公司的AK-MP-08型，氧气检测仪采用北京英世智博测控有限技术公司的TY-S10型，压力传感器采用Huba公司的5436型，流量传感器采用矽翔微机电系统（上海）有限公司的MF4008-50-RBV-O型。

1.2 工艺流程

空气过滤后进入空压机，压缩后的空气被冷却、干燥，经气体分配电磁阀分配分别进入两组吸附塔进行吸附分离。此时，产品气一部分经单向阀进入氧气储罐，另一部分经过冲洗孔对解吸完的另一组吸附塔进行反吹清洗和产品气加压，提高吸附床的解吸效果；最后，分离后的富氮气体经气体分配电磁阀由消声器排除。

实验中两组吸附塔的吸附时间顺序如表1所示，吸附塔分别进行加压吸附（Adsorption，AD），均压降（Equalization Depressurization，ED），放空（PP），冲洗（Purge，PUR），均压升（Equalization Repessurization，ER）步骤。循环过程中，吸附阶段为5～18 s，解吸阶段为5～18 s，均压过程为0.5～1 s。

表1 两床PSA制氧工艺过程时间顺序

2 海拔高度对PSA制氧性能的影响

在高原环境模拟低压氧舱中对上述制氧实验平台进行了初步试验，保持PSA制氧工艺参数不变（空压机工作频率为35 Hz，吸附时间为8 s），改变海拔高度，同时保持产氧量为1.2 Nm3/h，对制氧设备的产品气氧浓度进行检测，实验结果如图2所示。可以看出，制氧设备运行稳定后的产品气氧浓度随着海拔高度的上升而降低。海拔高度上升时，大气压逐渐降低，空气密度减小。在吸附时间不变的情况下，进入吸附塔内的空气量减少，进气压力降低，导致吸附压力降低，随之吸附剂的吸附量降低，从而使得产品气氧浓度降低。

图2 不同海拔高度下制氧设备的运行情况

3 高原海拔自适应PSA制氧方案

PSA制氧是利用分子筛吸附剂对空气中氧、氮的吸附能力存在较大差异的特性，在高压下吸附、低压下解吸的循环过程中分离氧、氮。而随着海拔高度的上升，吸附塔内的吸附压力会降低，分子筛吸附剂的吸附量也会随之降低，使得产品气氧浓度降低。要实现高原海拔自适应，就必须提高随着海拔高度上升的吸附压力。

3.1 调节进气量

有研究提出通过变频恒压进气的方法，随着海拔高度的上升而提高空压机的工作频率，增大进气量，保持吸附塔内的吸附压力基本不变[15]。本次研究将运用其原理搭建实验平台，对海拔高度0、2000、3000、4000和5000 m进行试验。

调节进气量的方法为提高随海拔上升的进气压力，运用变频技术实现进气量可随着海拔高度的变动而自动调节，使PSA制氧设备实现高原海拔自适应。制氧过程如图3所示，当海拔高度上升时，空压机的排气量减少，整个制氧设备的进气量也相应减少，通过吸附塔入口处的空气压力传感器检测出压力降低，此信号传至控制系统，控制系统通过变频器提高电机的转速，提高空压机的排气量，进而提高整个制氧设备的进气量，使产品气的氧气体积分数不受海拔高度的影响。

图3 调节进气量的高原自适应制氧过程图

3.2 调节吸附时间

在PSA制氧工艺的AD阶段，进料空气通过压缩机进入吸附塔，在吸附塔内完成吸附过程，氮气被分子筛吸附剂吸附，氧气则进入产品气和反吹气体中。随着海拔高度的上升，若适当延长吸附时间，则可使更多的进料空气进入吸附塔，从而提升吸附塔内的吸附压力，增大分子筛的氮气吸附量，提高产品气氧浓度，达到海拔高度自适应的效果[16]。

调节吸附时间的方法可通过控制系统调节气体分配电磁阀的开关时间实现，通过提高随海拔上升时吸附塔内的吸附压力，实现高原海拔自适应。制氧过程如图4所示，当海拔高度上升时，空压机的排气量减少，整个制氧设备的进气量也相应减少，通过吸附塔入口处的空气压力传感器检测出压力降低，此信号传至控制系统，控制系统通过对电磁阀开关时间的调节，适当延长吸附时间，可提高吸附塔内的进气量和吸附塔内的吸附压力，降低海拔高度对产品气的氧气体积分数的影响。

图4 调节吸附时间的高原自适应制氧过程图

4 结果

4.1 调节进气量的试验结果

在吸附时间不变的情况下（吸附时间为8 s），不同海拔高度下产品气氧浓度随空压机工作频率的变化如图5所示。其中，产品气氧浓度随着空压机工作频率的增加呈现上升趋势，即随着空压机工作频率的增加，进气量不断增加，吸附塔内的吸附压力增大，产品气氧浓度不断提高。在海拔4000 m时，空压机工作频率高于47 Hz即可使产品气氧浓度达到90%以上，而在海拔5000 m，当空压机达到最高频率50 Hz时，产品气氧浓度为83.31%。

图5 不同海拔高度下产品气氧浓度随空压机工作频率的变化

通过程序控制自动调节进气量，使进气压力维持在0.22 MPa，在低压氧舱中进行高原海拔自适应试验，结果如图6所示，与图2的结果相比，海拔2000 m时产品气氧浓度提高了4%左右，可提高至94%；海拔3000 m时产品气氧浓度提高了9%左右，可提高至94%；海拔4000 m时产品气氧浓度提高了11%左右，可提高至91%；海拔5000 m时产品气氧浓度提高了12%左右，可提高至83%。由此可知，调节进气量的方法可以有效提高产品气氧浓度，高原海拔自适应效果明显。但在海拔5000 m时，尽管空压机的工作频率已调至最高50 Hz，仍无法使该制氧设备的产品氧浓度达到90%以上。

图6 调节进气量的高原海拔自适应结果

4.2 调节吸附时间的试验结果

在空压机工作频率不变的情况下（工作频率为35 Hz），不同海拔高度下产品气氧浓度随吸附时间的变化如图7所示。其中，在同一海拔高度下，产品气氧浓度随着吸附时间的增加呈现先上升后下降的趋势，中间存在一个最优的吸附时间。在吸附时间曲线上升阶段，吸附时间较短，吸附塔内的压力较低，分子筛的氮气吸附量还未达到饱和，随着吸附时间的增加，产品气的氧浓度也相应增加；在吸附时间曲线下降阶段，随着吸附时间增加到一定程度，分子筛的氮气吸附量已达到饱和，增加吸附时间会造成未被吸附的氮气穿透分子筛进入产品气，从而导致产品气氧浓度的降低。从不同海拔高度的最优吸附时间分析，最优吸附时间随着海拔高度的上升而增加，这是因为海拔高度越高，空气密度越低，吸附塔内的进气压力上升到同一水平所需的时间越长。

图7 不同海拔高度下产品气氧含量随吸附时间的变化

通过程序控制自动调节吸附时间，使吸附时间维持在最优吸附时间内，在低压氧舱中进行高原海拔自适应试验，结果如图8所示，与图2的结果相比，海拔2000 m时产品气氧浓度提高了4%左右，可提高至94%；海拔3000 m时产品气氧浓度提高了4%左右，可提高至89%；海拔4000 m时产品气氧浓度提高了5%左右，可提高至83%；海拔5000 m时产品气氧浓度提高了7%左右，可提高至78%。可以看出，调节吸附时间的方法可以一定程度上提高产品气氧浓度，高原海拔自适应效果相对明显。但在海拔3000 m以上，通过调节吸附时间的方法无法使该制氧设备的产品氧浓度达到90%以上。

图8 调节吸附时间的高原海拔自适应结果

4.3 同时调节进气量和吸附时间的试验结果

调节进气量和调节吸附时间的高原海拔自适应方案均可提高制氧设备在高原运行时的产品气氧浓度。调节进气量的方案产品气氧浓度提升效果比调节吸附时间的方案提升效果更明显，前者在海拔4000 m以下均可使制氧设备的产品气氧浓度达到90%以上，后者在海拔3000 m时就无法使制氧设备的产品气氧浓度达到90%。

在海拔5000 m时，运用调节进气量或调节吸附时间的任何一种方法，都无法使产品气的氧浓度达到90%以上，因此结合两种方法，在调节进气量的基础上同时调节吸附时间，进行高原海拔高度自适应试验，结果见图9。在海拔高度为5000 m时，同时使用调节进气量和吸附时间两种方法，制氧设备运行稳定后产品气氧浓度提高了19%左右，可达到90%。说明同时使用两种方法，高原海拔自适应效果更加明显。

图9 海拔5000 m时同时调节进气量和吸附时间的高原海拔自适应结果

5 讨论

随着海拔高度的增加，大气中的氧分压降低，PSA制氧设备的氧浓度和产氧量等指标下降，尤其是海拔3000 m以上。针对此现象，高原固定型PSA制氧设备可通过配备特定的空压机以增大进气量和设计特定的吸附工艺流程等方式来降低海拔高度对制氧工艺的影响，进而使PSA制氧设备的氧浓度和产氧量等指标满足医用分子筛制氧机相关标准；而对小型携运行式制氧机，由于空间和重量限制，以及使用地点不固定等因素，无法通过固定进气量的空压机和固定的工艺流程来降低海拔高度对制氧工艺的影响，造成其产氧指标无法满足要求。

已有研究表明，适当延长高原环境下PSA制氧工艺中的吸附时间，有利于提高产品气氧浓度，但仅当做优化工艺的固定参数[17]。另有研究提出采用调节进气量的变频恒压方式[15]，可实现PSA制氧设备的海拔高度自适应，但该研究仅进行了平原实验和高原地区的理论分析。本研究在高原环境模拟低压氧舱中，分别对调节进气量和吸附时间两种方案进行试验，结果表明二者均可在一定程度上实现PSA制氧设备的高原海拔自适应，而且两种方案同时使用效果更为明显。

本研究只对进气量和吸附时间进行了高原海拔自适应试验，而均压时间、产品气流量和分子筛填装技术等制氧工艺也对高原环境下PSA制氧设备的制氧性能有一定影响[18-20]，后续研究中将对这些因素依次进行高原海拔自适应的分析与试验。

6 总结

本研究针对高原环境中海拔高度对PSA制氧效果的影响，提出了通过调节进气量和调节吸附时间的高原海拔自适应方案，在高原环境模拟低压氧舱中进行了试验，研究了PSA制氧设备中进气量和吸附时间对制氧效果的影响规律，得出以下结论：① 产品气氧浓度随着进气量的增加呈现上升趋势，进气量越大，吸附塔内的吸附压力越大，产品气氧浓度也越高；② PSA制氧过程存在一个最优的吸附时间，吸附时间过短分子筛的有效利用率会降低，吸附时间过长氮气会穿透分子筛进入产品气，同时随着海拔的上升最优吸附时间会增加；③ 随着海拔高度的上升，空气密度降低，PSA制氧设备的产品气氧浓度随之下降，可通过提高进气量或适当延长吸附时间，使吸附塔内的吸附压力上升，提高产品气氧浓度，实现高原海拔自适应。同时，证明了本文中提出的高原自适应制氧方案的有效性，为PSA制氧设备随海拔高度上升产品气氧浓度下降的问题提供了合理的解决方案，可为研制便携的高原制氧设备提供重要参考。