CN101554995B

CN101554995B - 节能型空气分离制氧装置

Info

Publication number: CN101554995B
Application number: CN2009100374297A
Authority: CN
Inventors: 周军; 吕品; 邵巧玲
Original assignee: ZHUHAI OGSI SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Aojisai Medical Technology Co ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: CN101554995A

Abstract

本发明涉及一种节能型空气分离制氧装置，包括，变频式空气压缩机、冷冻干燥机、空气过滤器、压力平衡罐、电-气比例调压阀、分离制氧装置、压力平衡调节器、流量控制器和氧气自动开关，上述各部件顺次连接；另外，还包括伺服反馈装置，伺服反馈装置包括电-气控换向阀、伺服气缸、位移传感器、反馈电位器、放大器、变频调节器、压力传感器和PLC可编程控制器。所述空气压缩机采用节能型变频式空气压缩机，并通过伺服反馈装置，根据系统压力或流量的变化来精确改变节能型变频式空气压缩机转子的转速，从而随机改变其额定频率和额定电压，进而调节节能型变频式空气压缩机的转速和电机的负载电流，以实现输出功率的匹配，从而减少无用功率的消耗，达到节能的目的。

Description

节能型空气分离制氧装置

技术领域

本发明涉及一种医用设备，尤其涉及一种空气分离制氧装置。

背景技术

医用空气分离制氧装置是为医院或医疗机构提供医用氧气的中心制氧装置，它可以是双机组、三机组、四机组、五机组或者六机组。空气分离制氧装置主要包括螺杆式空气压缩机、冷冻干燥机、空气过滤器、双柱型吸附式氧气分离器及其控制部分、空气稳压罐、氧气稳压罐、流量调节计、在线纯度监测仪等部分。

空气分离制氧装置是利用分子筛物理吸附和解吸技术与微电脑数码测控技术相结合的装置，其工艺过程是：空气(制氧原料)经过空气压缩机压缩、升压0.3～0.6MPa，除油、去水后送至冷冻干燥机冷却至5℃，再经吸入口过滤器除尘粒后，送入其中一只氧气分离器。氧气分离器内装填由各种吸附材料按科学配比组成的吸附剂，空气中的氮、水分、二氧化碳及少量其它气体组分被吸附剂吸附，而非吸附组分(氧气)则从氧气分离器顶部出口排至氧气平衡罐。当氧气分离器中的可吸附物质达到饱和状态时通过切换阀放空，吸附剂便可再生。同时另一只氧气分离器升压开始工作，通过两只氧气分离器的交替工作获得连续的氧气流。制取的氧气经在线检测合格后，通过氧气储罐、管道、阀门、各级精密过滤器除菌过滤器等净化处理后送至后级使用点使用。

参照图3，为分离制氧装置的工作周期示意图，空气分离制氧机在制氧过程中，两只吸附式氧气分离器6A和6B是交替工作的，即在0～90秒的过程中，氧气分离器6A的压力由0MPa(排空状态)渐升至0.6Mpa，待其分离过程结束后即渐渐卸压至0MPa；与此同时氧气分离器6B的压力则由0.6MPa降至至0Mpa再升压至0.6Mpa，每个氧气分离器的所需空气的进气压力是交替而周期性渐变的。

现有的空气分离制氧装置采用的是普通空气压缩机，其额定频率、额定电压就是电源的电压和频率。系统供气压力的控制方式也仅仅依据压力控制器的上、下限设定值来控制空气压缩机的加/卸载，即压力达到上限时关闭供气阀，空气压缩机进入轻载运行；压力低至下限值时开供气阀，空气压缩机进入满载运行。这种供气控制方式下的空压机，会造成如下三部分能量浪费：

(1)由于普通型螺杆式空压机是在满负荷状态下长时间连续运行，其效率的下降也相对较快，为了使其能在长时间内保证空气分离器的供气压力，在设计系统或选择空压机的压力时，都要高出实际用气压力25％以上，而且运行时上限值一般也是调至最大，如图4中的“普通型空压机压力变化曲线”的峰值为0.85MPa，而实际上包括消耗只需0.60MPa，造成多供少用的状况；又如以图2中的A折线为例，在压力达到最小值a点后，原控制方式决定其压力会继续上升直到最大调定压力值，在此加压过程中，多余的压力转化为热量释放到空气中，导致电能损失；

(2)加载时的电能消耗：普通螺杆式螺杆式空压机在0.60～0.85MPa之间进行频繁地加、卸载过程中，多出来的0.25MPa在爬升中消耗掉，有数据验证压力每爬升0.1MPa，就会多消耗额定功率的7％，以一台OG1250制氧装置的螺杆式空压机为例，其额定功率为45KW，按一年累计运行8000小时，爬升时间累计占整个运行时间的50％计算，则其年功率浪费为：[(0.25MPa×7％/0.1MPa)×45KW]X(50％X 8000小时/年)＝3150度/年；另一方面，压力最大值高于氧气分离器在最高点的用气压力后，在进入氧气分离器前，必须经过减压阀减压后方能使用，这一过程同样是一个能量浪费的过程；

(3)卸载时电能的消耗：当压力达到压力最大值时，普通型螺杆式空压机通过如下方法来降压卸载：关闭供气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空，这又是一种能量浪费，普通型螺杆式空压机卸载时的能耗约占螺杆式空压机满载运行时的45％，卸载时间累计按所占整个运行时间的30％计算，则其年功率浪费为：(45KW X45％)X(30％X 8000小时/年)＝48600度/年，换言之，普通型螺杆式空压机每年要消耗掉48600度的无功电能。

另外普通空气压缩机频繁地加、卸载变换，不仅导致了系统压力和流量的脉动，而且噪声和能耗也随之增大；电机轴承的磨损也加快，设备维护也较高。另外与之配套的冷冻干燥机和过滤器等设备也在间歇式的冲击状态下工作，所以对整套设备的使用寿命和故障率影响都比较大。如上所述一台OG1250(匹配螺杆式空压机功率45KW)型医用空气分离制氧装置，每年要消耗掉每年仅可计算的功率浪费就有5万度。一般医用空气分离制氧装置均为两机组或三机组组成，仅此一项，每年的功率浪费就有10～15万度。在医院这种特定的环境，在目前以节能降耗、降低运行成本为主流的经济运营中，节能改造更显迫在眉睫，势在必行，节能后医用空气分离制氧装置的产品也具有着更强的生命力和更广阔的市场前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种通过伺服反馈装置实现空气分离制氧装置的节能控制，用于解决医用空气分离制氧装置的能源浪费问题，通过降低系统供气动力源的无用能耗，以达到节能的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：节能型空气分离制氧装置，包括：

变频式空气压缩机、冷冻干燥机、空气过滤器、压力平衡罐、电-气比例调压阀、分离制氧装置、压力平衡调节器、流量控制器和氧气自动开关，上述各部件顺次连接；

另外，

还包括伺服反馈装置，所述伺服反馈装置包括电-气控换向阀、伺服气缸、位移传感器、反馈电位器、放大器、变频调节器、第二压力传感器和PLC可编程控制器；

电-气控换向阀的右端接从氧气自动开关后引出的氧气控制管路，左端为12V直流电磁铁，12V直流电磁铁连接经放大器放大后的伺服电压，电-气控换向阀进气口接经电-气比例调压阀调节后的压缩空气；电-气控换向阀的出气口分别连接伺服气缸的左右两端；

位移传感器安装在伺服气缸的活塞杆上；

反馈电位器连接所述位移传感器，将机械的位移信号转变成电信号；

放大器电连接所述反馈电位器，放大器分别为电-气控换向阀、电-气比例调压阀和PLC可编程控制器提供电源；

变频调节器安装在所述变频式空气压缩机上，变频调节器由PLC可编程控制器控制；

所述电-气比例调压阀的出口处设有第二压力传感器，从第二压力传感器出口出去的压缩空气进入电-气控换向阀进气口。

根据本发明的技术方案，采用伺服反馈系统和节能型变频式空气压缩机，在分离制氧过程中，可以根据系统压力或流量的变化来精确改变节能型变频式空气压缩机转子的转速，从而随机改变其额定频率和额定电压，进而调节节能型变频式空气压缩机的转速和电机的负载电流，以实现输出功率的匹配，从而减少无用功率的消耗，达到节能的目的。

附图说明

图1为本发明的节能型空气分离系统结构原理图；

图2为伺服反馈装置的工作原理图；

图3为本发明空气分离制氧装置工作周期及其用气与空压机供气压力变化图；

图4为本发明与其它供气方式的空气分离制氧装置“节能效果对比图”。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明节能型空气分离制氧装置按照制氧流程依次包括：变频式空气压缩机1、第一压力传感器1B、冷冻干燥机2、空气过滤器3、压力平衡罐4、电-气比例调压阀5、第二压力传感器5A、分离制氧装置6、压力平衡调节器7、流量控制器8和氧气自动开关9。另外，还包括伺服反馈装置，伺服反馈装置包括电-气控换向阀14、伺服气缸16、位移传感器15、反馈电位器17、放大器13、变频调节器1A、压力传感器5A和PLC可编程控制器18。

电-气控换向阀14的右端接从氧气自动开关9后引出的氧气控制管路，左端为12V直流电磁铁，12V直流电磁铁连接经放大器13放大后的伺服电压，电-气控换向阀14进气口接经电-气比例调压阀5调节后的压缩空气；电-气控换向阀14的出气口分别连接伺服气缸16的左右两端。

位移传感器15安装在伺服气缸16的活塞杆上。

反馈电位器17连接位移传感器15，将机械的位移信号转变成电信号。

放大器13电连接反馈电位器17，放大器13分别为电-气控换向阀14、电-气比例调压阀5和PLC可编程控制器18提供电源。

变频调节器1A安装在变频式空气压缩机1上，变频调节器1A由PLC可编程控制器18控制。

压力平衡罐4上设有压力变速器4A。分离制氧装置6包括分离制氧器6A和分离制氧器6B两罐，分离制氧装置6上还设有排废控制器11以及消声器12。

变频式空气压缩机1的出口处设置第一压力传感器1B。

本发明节能型空气分离制氧装置从主供氧管路上引一条控制管到电-气换向阀14，其压力将随供氧系统的压力而变化。

由于从空气分离制氧装置6输出的压力是恒定的，所以当医院需氧量增加时，进入电-气换向阀14右端的气压便减小，电-气换向阀14的阀芯便在电磁铁的作用下向右移动，于是伺服气缸16活塞杆上的位移传感器15便使反馈电位器17上的指针向右移动，将机械的位移信号转变为电信号，即：使反馈电位向增大的方向变化(反之，如果系统需气量减少，则系统压力增高，阀芯便在控制压力和弹簧力的双重作用下克服电磁的磁场力作用而向左移动，使反馈电位向减小的方向变化)。

而该电位经放大器13放大后一方面为电-气控换向阀14提供电源，另一方面则供给电-气比例调压阀5，该电-气比例调压阀5则根据电磁力的变化按比例来调节空气分离制氧装置6输入的压力，而该压力信号又通过第二压力传感器5A反馈到PLC可编程控制器18，PLC可编程控制器18便根据该信息来随机调节变频调节器1A的频率。变频调节器1A频率的随机变化便可随机改变变频式空气压缩机1转子的转速，从而精确调节变频式空气压缩机1的转速和电机的负载电流，达到灵活、方便、适时、适量的自动控制，以实现输出功率的匹配，从而减少无用功率的消耗。同时也保持了系统供氧压力的稳定。

如图3所示，为空气分离制氧装置的工作周期示意图，其中分别以两条折线a-b-c-d-e-f-g和a′-b′-c′-d′-e′-f′-g′表示两个分离制氧器6A和6B的工作周期，实线为分离制氧器6A的工作周期折线，其中虚线为分离制氧器6B的工作周期折线，本发明的工作状况如下：

a-b(d′-e′)段：此阶段为分离制氧器6A和6B的自平衡调阶段，在该阶段中无需空气压缩机供气，因为此时分离制氧器6A在a点时空气流量和压力均为零，而分离制氧器6B则刚完成氧气分离(释放)，压力处于最高点d′点，于是分离制氧器器6A和6B通过压力平衡调节器 7进行压力的自平衡调节，即分离制氧器A的压力由a升至b，而分离制氧器B的压力则由d′降至e′，在b(e′)(0.22MPa)点达到平衡；

b-c-d段：此阶段为分离制氧器6A升压段，当空气压力升至c(0.45MPa)点时，分离制氧器6A开始分离氧气，直至d(0.60MPa)点，升压停止，氧气分离过程结束；

e′-f′-g′段：此阶段为分离制氧器6B降压段，此时分离制氧器B处于排废、卸压状态。

根据上述分离制氧器的工作周期，本发明采用节能型变频式空气压缩机1，将氧气系统压力的变化信息(即超压或欠压)通过伺服反馈装置反馈至空气分离制氧器6A和6B上游位置的进气阀——电-气比例调压阀5。根据伺服反馈装置的变化信息，即：若供氧系统需求量减小，则氧气系统压力升高，电-气比例调压阀5在比例电磁铁的作用下将进气阀口关小，以减小进气量；若供氧系统需求量增大，则系统压力下降，比例电磁铁便将电-气比例调压阀5的开口增大，以加大进气量。并且，当这些信息反馈至压力平衡罐4后，压力平衡罐4内气量的大小则通过设于其上的压力变速器4A和节能型变频式空气压缩机1出口的压力传感器1B反馈至PLC可编程控制器18，再通过PLC可编程控制器18调节变频调节器1A的频率，使变频调节器1A根据系统压力或流量的变化来精确改变节能型变频式空气压缩机1转子的转速，从而随机改变其额定频率和额定电压，进而调节节能型变频式空气压缩机1的转速和电机的负载电流，以实现输出功率的匹配，从而减少无用功率的消耗。

如上所述，由于两个分离制氧器的进气、升压过程是交替进行的，而且升压占整个周期的86.7％，升压梯度仅为0.33MPa/min，与普通空气压缩机相比，节能型变频式空气压缩机与普通空气压缩机能量消耗之差如图3中的斜线填充部分所示。此外，如果以流量的变化为横坐标，而相应功率的变化为纵坐标，则普通空气压缩机与节能型变频式空气压缩机的能耗效果对比见图4，在同一工况点的压力最大节能可达28％，在正常的使用范围内可节能效果可达25～35％。

该系统中的变频式空气压缩机仅在开机启动时，压力峰值稍高一点(0.65MPa)，待系统正常运行后，压力的变化范围仅±0.1MPa(参见图3)，最大程度地减少了因加载、卸载时的电能消耗。在变频式空气压缩机的选型上，按最高压力的110％选择变频式空气压缩机即可，以避免功率“用不完”的浪费，例如VS40型变频螺杆式空气压缩机，随机变化快，能迅速适应空气压力和流量的变化要求，并且频率调范围广(30-100％)。

当然，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.节能型空气分离制氧装置，包括：

变频式空气压缩机(1)、冷冻干燥机(2)、空气过滤器(3)、压力平衡罐(4)、电-气比例调压阀(5)、分离制氧装置(6)、压力平衡调节器(7)、流量控制器(8)和氧气自动开关(9)，上述各部件顺次连接；

其特征在于：

还包括伺服反馈装置，所述伺服反馈装置包括电-气控换向阀(14)、伺服气缸(16)、位移传感器(15)、反馈电位器(17)、放大器(13)、变频调节器(1A)、第二压力传感器(5A)和PLC可编程控制器(18)；

电-气控换向阀(14)的右端接从氧气自动开关(9)后引出的氧气控制管路，左端为12V直流电磁铁，12V直流电磁铁连接经放大器(13)放大后的伺服电压，电-气控换向阀(14)进气口接经电-气比例调压阀(5)调节后的压缩空气；电-气控换向阀(14)的出气口分别连接伺服气缸(16)的左右两端；

位移传感器(15)安装在伺服气缸(16)的活塞杆上；

反馈电位器(17)连接所述位移传感器(15)，将机械的位移信号转变成电信号；

放大器(13)电连接所述反馈电位器(17)，放大器(13)分别为电-气控换向阀(14)、电-气比例调压阀(5)和PLC可编程控制器(18)提供电源；

变频调节器(1A)安装在所述变频式空气压缩机(1)上，变频调节器(1A)由PLC可编程控制器(18)控制；

所述电-气比例调压阀(5)的出口处设有第二压力传感器(5A)，从第二压力传感器(5A)出口出去的压缩空气进入电-气控换向阀(14)进气口。

2.根据权利要求1所述的节能型空气分离制氧装置，其特征在于：

所述分离制氧装置(6)包括第一分离制氧器(6A)和第二分离制氧器(6B)。

3.根据权利要求1所述的节能型空气分离制氧装置，其特征在于：

在所述压力平衡罐(4)上设有压力变速器(4A)；第一压力传感器(1B)设置在所述变频式空气压缩机(1)的出口处。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的节能型空气分离制氧装置，其特征在于：

所述分离制氧装置(6)上还设有排废控制器(11)以及消声器(12)。