别错过！复旦大学附属儿科医院的空压机节能改造方案～

谢坚浩　 2019-08-14

空压机是医院里的重要设备，但由于空压机供气压力不足、频繁启停、输出气体含水分过多等是空压机系统中的常见问题，常规改造成本较高，且难以满足医院等特殊部门不间断供气的需求。儿科医院经过对本院空压机系统深入的分析和研究，摸索出一套适合医院特殊需求的改造方案，下面以复旦大学附属儿科医院为例，介绍了原空压机组结构，详细分析了改造方案，为医院空压机的节能改造提供新思路和参考。

原空压机组结构和分析

1.原空压机组结构

改造前儿科医院的空压机供气系统从空压机组输出的气体直接存入两个串联的3m3的槽罐，从槽罐输出的气体依次经过滤芯、高精度滤芯、减压阀分4路供给临床部门使用。由于当初设计时的种种原因，整套系统采用直径22mm的管道，而供给临床部门的管道直径为40mm。

2.结构分析

由于采用的是无油压缩机，输出的气体中几乎没有油分，含有水分和空压机运行过程中产生的少量粉尘的气体通过干燥过滤器后送到槽罐。空气之中本来就含有的水分经过压缩机压缩冷凝之后成为液态水滴，虽然经过了一次干燥过滤，仍然有少量存在压缩气体中；从槽罐供应临床部门时，由于温差和管径差，导致空气中的水分进一步冷凝、聚集成大颗水滴混在气体中。

两个槽罐的串联使用，虽然保障了储气充足，但也对整套输气系统的压力控制有着不良影响。

经过减压阀的气体没有被压缩，单位时间内通过前后不同管径的气体质量应该相等：

ρsΦ22vΦ22t=ρsΦ40vΦ40t

（其中ρ为气体密度，s为管道面积，v为气体流速，t为单位时间）

因此气体通过减压阀后，40mm管道中的气体流速比减压阀前22mm管道中的流速大幅下降。

根据伯努利方程：p+1/2ρv2+ρgh=C

（其中p为气体压强，ρ为气体密度，v为气体流速，g为重力加速度，约等于10，h是高度，在这套系统中减压阀前后高度没有变化，也可认为是常数，C表示常数。）

由此可见，经过减压阀管径从22mm增加到40mm，由于流速下降，输出压力已经大幅降低，这时如果临床部门大量用气，2号槽罐内的储气大量使用，由于两个槽罐之间的管道也是采用22mm管径，1号槽罐内的气体无法及时补充至2号槽罐，进一步影响输出压力。

儿科医院设定的输出压在0.6-0.8MPa范围内，空压机实际输出压力最低的时候不到0.4MPa，临床部门一旦有大量用气的情况，输出压力降低就导致空压机频繁启动，用电量大，机组也容易发生故障。

改造方案

系统改造拓扑图：针对上述问题，儿科医院对空压机组进行了一系列的改造，如下图：

将两个槽罐由串联使用改为并联使用，同时增大输气管径，统一为40mm。空压机输出的气体经过自制的排水过滤器干燥冷却后进入槽罐，槽罐输出的气体依次经过初效过滤网、冷冻式干燥机、电子温控散热风扇、高分子膜吸附式干燥机、YX-微热吸干机、初效过滤网、高精度过滤网后提供给临床部门使用。

1.槽罐和管路

把两个储气槽罐并联使用，临床部门大量用气时，从两个槽罐同时供气，两个槽罐之间不存在压力差，避免了同时大量用气时，由于槽罐之间的压力差影响输气压力。

所有的管道全改为40毫米管径，不会因为管径差影响输出气体压力。

2.干燥系统

常用的干燥装置有：潮解式干燥机、离心式干燥机、吸附式干燥机和冷冻式干燥机等。

潮解式干燥机利用化学反应，通过氯化钠等化学成分反应达到干燥的目的，在空压机系统中较少使用。

离心式干燥机是利用惯性通过离心和集流将气体分子和水分子分离的一种干燥装置，干燥效果较好，但是能耗和噪音比较大。

吸附式干燥机是通过固体去湿法进行干燥，利用硅胶、分子筛等有效表面积较大的多孔结构材料吸附空气中的水分，其能达到的露点温度低，对环境温度要求较小，而且能起到一定的过滤效果，但缺点是对气体有一定的损耗，而且需要定期更换吸附剂。

冷冻干燥机是利用水的饱和蒸汽压和温度之间的关系，用全封闭式的风冷或水冷装置对气体进行降温，以排除气体中的水分。

根据Antoine方程：lg p=A-B/(T+C)

（其中A、B、C为常数，p为饱和蒸汽压，T为气体温度，当压缩空气温度降低时，空气中的水分大量析出，以此达到干燥的目的。用该方法进行干燥成本较低，维护简单，对气体没有损耗，但是露点温度较高，对环境温度有一定要求，夏天高温时冷冻式干燥机的效率会大幅降低。）

儿科医院空压机改造设计中的自制干燥装置起初使用的是离心式干燥机，使用一段时间发现离心式干燥机存在种种问题，后改用自制的排水装置，该装置结构如下图：

自制干燥装置由两个直径较大的小型储气罐组成（下文称干燥罐），干燥管分为左右两个，中间通过两根管道相连，上面的管道为气体通道，下面的管道为液体通道。经过冷却的气体从管径远小于干燥罐直径的管道流入干燥管，流速明显降低；而由于惯性作用，密度较空气更大的水分具有更大的惯性，减速比空气慢，与空气逐渐分离，凝聚成更大的水滴，由于重力作用下降至左侧干燥罐底部。干燥的空气通过气体通道流向右侧干燥罐，充满两个干燥管的上部，并从右侧干燥管上部的管道流出；凝聚的水滴则经过滤网储存在干燥罐底部，通过右侧干燥罐底部的排水装置排出。

自制干燥系统主要利用惯性把密度不同的气体分子和水分子分离，原理类似离心式干燥机，所不同的是该装置价格低廉，制作方便，自动干燥，无需用能，节能环保。经过一年的实际使用测试，该装置效果良好，而曾使用进口离心式干燥机不仅价格高昂，噪音过大，而且由于排水效果过于良好，刚从空压机输出的高温空气含水量又较高，导致排水口经常堵塞故障。

从自制槽罐输出的气体依次通过冷冻式干燥机、散热风扇、高分子膜吸附干燥机、YX-微热吸干机、初效过滤网、高密度过滤网后向临床供应，冷冻式干燥机起到初步干燥的作用，由于冷冻式干燥机的露点温度较高，因此在冷冻式干燥机后增加一个电子控温的散热风扇，自动调整露点温度，之后通过吸附式干燥机和微热吸干机进一步进行干燥，输出给临床部门的气体干燥度已完全满足临床使用需求。

3.其他细节设计

在储气槽罐前后增加湿度计，一旦发现气体过于潮湿可以立刻采取相应措施。

冷冻式干燥机和吸附式干燥机之间加装电子控温的散热风扇，用于将冷冻式干燥机输出的气体控制在露点温度，弥补冷冻式干燥机的缺点；在吸附式干燥机和过滤网之间加装了微热吸干机进一步控制减少输出气体的水分。

滤网堵塞也是空压机供气压力不足的重要原因，由于空压机运行时本身产生的粉尘和油分在空气中混合在一起，粉尘和油分的混合物有较高的粘滞能力，通过滤网时很容易造成滤网堵塞。

干燥之后的气体先后通过初效过滤网、高精度过滤网，通过初效过滤网过滤空气中大部分的粉尘和油分，再通过高精度过滤网就不容易导致过滤网堵塞，所有滤网一备一用，滤网每半年更换一次，避免发生堵塞现象，更换时不影响整套系统的正常使用。

成效

儿科医院的空压机改造在2017年8月完成，原空压机组运行时间长，频繁启动，平均每停止两分钟启动运行20分钟；改造完成后平均每停止20分钟启动运行10分钟，运行时间段，启停频率低，极大降低了耗电费用、增加了设备的使用寿命：改造前设备故障较多，平均每月有1次左右的维修，维修费用高昂；改造后截至发稿日期，没有发生任何故障，仅在维保中例行更换了一次吸附式干燥机的分子筛，费用在几百元左右。

医院是一个特殊的单位，在空压机施工改造时必须保证气体连续供应，一旦停气时间过长将会严重影响临床诊疗工作。请专业单位对该系统进行改造，不仅成本较高（预算80万元），而且至少要停气施工两天才能完成改造，而我们自行提出系统改造方案成本低廉，停气时间短，适合医院等特殊单位采用。

此次改造成本较低，总花费10万元，改造期间累计停气时间不超过2小时，对临床部门工作影响较小，改造后输出气体压力基本稳定在0.6-0.8Mpa之间，气体的干燥度满足临床使用需求。该系统经过一年临床部门使用，各临床部门反应压缩空气压力或干燥度不够情况为零，得到使用部门的高度肯定。

儿科医院经过对本院空压机系统深入的分析和研究取得了良好的效果，在节约能耗，减少故障率，提高输气质量上都有出色的表现，希望可以给大家带来帮助与参考。