CN116236881B - 一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法及系统，涉及制氧机的控制领域，包括：微控制单元、储氧罐、A分子筛罐、B分子筛罐、控制阀和可控通气阀和压缩空气供应管道，所述微控制单元分别与控制阀及可控通气阀相连接，并采用基于体系压力切换的制氧时序及性能优化程序，进行控制阀及可控通气阀的自适应调节，按既定的时间步长自动调整可控通气阀开启的ta值及tb值，并逐步调整可控通气阀的开度。通过上述方式，本发明所述的具有程序自适应功能的分子筛制氧方法及系统，可以在系统运行过程中进行制氧参数间的自动匹配和优化，保证系统有稳定的氧浓度输出，延长使用寿命。

Description

一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法及系统

技术领域

本发明涉及制氧机控制领域，特别是涉及一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法及系统。

背景技术

氧气是维持人类生命活动不可缺少的条件，然而在某些特殊情况下，人们不得不面对缺少氧气的环境或者需要更高浓度氧气的情况，这时就需要考虑通过一定的工艺方法来制备氧气。

氧气的制备可以通过多种方法来实现，其中包括变压吸附制氧工艺，变压吸附制氧系统可以有两组分子筛罐（以下简称A罐和B罐），当A罐加压吸附（充气）时，B罐减压解析（排气），然后B罐加压吸附，A罐减压解析，两组分子筛罐依次循环上述过程以实现系统连续制氧。

目前制氧系统中的分子筛罐“加压吸附时间”与“减压解析时间”大多在程序里已设置好，出厂后系统制氧过程中始终按照既定的时间（序）运行。理论上，大规模生产出来的制氧系统，其一致性比较好，但由于零件加工的公差、装配累积公差以及两组分子筛罐内分子筛灌装量公差的存在，多个制氧系统按照同一时间（序）运行时，其制氧性能并不都处在最优状态。

同时，随着制氧系统工作时间的增加，部分零件（包括分子筛罐内分子筛）的性能必然衰减，而且衰减程度各异，若始终按照既定的时间（序）运行，将无法长时间维持稳定的高浓度氧气输出，甚至出现“低氧”现象。

从制氧机行业市场不良统计的数据看，低氧是导致市场上制氧机退换货和维修的主要原因，低氧不良在所有不良中的占比接近80%。因此，让制氧系统在出厂时处在制氧性能最优状态，而且随着系统工作时间的增加，其制氧性能仍然能动态地保持在最优状态，对延长系统寿命以及减少市场低氧不良率方面具有十分重要的意义。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法及系统，动态优化制氧性能，减少低氧不良率问题，延长使用寿命。

研究表明，制氧设备的分子筛罐中，吸附剂对吸附质的吸附数量与被吸附气体的压力及吸附过程的温度有关，即：q=ƒ（P, T），

式中：q为单位重量（或体积）吸附剂的吸附量；

P-吸附组分在气相中平衡时的分压；

T-吸附进行时的温度。

由此可见，在系统制氧过程中，温度（T）可近似为定值，压力（P）是决定分子筛制氧性能的要素。随着制氧系统工作时间的增加，零件性能必然衰减，而且衰减程度各异，若始终按照既定的时间（序）运行将无法确保系统始终处在出色的制氧性能状态。因此，可以采用基于体系压力切换的制氧时序，即A分子筛罐充气至设定压力值时切换至B分子筛罐充气，同理B分子筛罐充气至设定压力值时切换至A分子筛罐充气，使得系统始终能达到合适的体系压力状态。同时，制氧系统的控制更为直接，也更为高效。此外，优化的充压、冲洗时间和流量控制也不可或缺。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种具有程序自适应功能的分子筛制氧系统，包括：微控制单元、储氧罐、A分子筛罐、B分子筛罐、控制阀和可控通气阀和压缩空气供应管道，所述微控制单元上设置有氧浓度传感器和压力传感器，所述微控制单元分别与控制阀及可控通气阀相连接，并采用基于体系压力切换的制氧时序及性能优化程序，进行控制阀及可控通气阀的控制，所述压缩空气供应管道与控制阀的进气端口相连接，所述A分子筛罐和B分子筛罐的进气端分别与控制阀相连接，所述可控通气阀连接在A分子筛罐和B分子筛罐的出气端之间，所述A分子筛罐和B分子筛罐的出气端分别与储氧罐相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述储氧罐上设置有与压力传感器相连接的第一气管。

在本发明一个较佳实施例中，所述储氧罐的输出端设置有供氧管路，所述供氧管路上设置有流量检测调节阀，所述供氧管路与氧浓度传感器之间设置有第二气管。

在本发明一个较佳实施例中，还包括空气压缩机，所述空气压缩机的出气口与压缩空气供应管道相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述压缩空气供应管上串联设置有热交换器。

在本发明一个较佳实施例中，所述热交换器一侧设置有风扇进行冷却。

在本发明一个较佳实施例中，所述可控通气阀中设置有常通微孔，或者在A分子筛罐与B分子筛罐的出气端之间设置有常通冲洗管。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法，包括以下步骤：

微控制单元以程序默认的参数开机运行，通过氧浓度传感器和压力传感器监测系统输出的氧浓度和储氧罐压力，自动或者手动调整氧流量至额定要求范围；

通过控制阀和可控通气阀进行A分子筛罐与B分子筛罐的气路控制，交替实现A分子筛罐与B分子筛罐的制氧过程，将制氧过程划分为以下四个阶段：

升压：A分子筛罐充压至吸附压力的过程，包含原料气对A分子筛罐充压，以及B分子筛罐对A分子筛罐的反向充压，设定反向充压的时间为tb；

吸附：原料气与A分子筛罐内的筛床充分接触，通过筛床吸附氮气，氧气从A分子筛罐的出气端流出至储氧罐；

解析：A分子筛罐加压至设定压力值后，进入降压解析的过程，包含A分子筛罐向大气排氮，A分子筛罐对B分子筛罐反向充压；

清洗：B分子筛罐中的氧气对A罐筛床进行冲洗，改善床层再生效果，设定冲洗的时间为ta；

同理，A分子筛罐升压和吸附的过程中，B分子筛罐进行解析和清洗，A分子筛罐解析和清洗的过程中，B分子筛罐进行升压和吸附，如此交替；

开机数分钟后，在额定氧流量条件下，微控制单元自动启动性能优化程序，按既定步长调整可控通气阀开启的ta值及tb值，每个设定的ta、tb时间内通过微控制单元上的PWM输出电信号，逐步调整可控通气阀的开度，并记录每组参数所对应的氧浓度，直到系统氧浓度值达到医用氧浓度要求，或者选择任一系统氧浓度值高于医用氧浓度要求时对应的ta值、tb值及可控通气阀的开度值；

一轮调整后，若系统氧浓度值依然达不到医用氧浓度要求，系统将按既定步长自动调整体系切换压力，即Ps值，针对每一个调整后的Ps值，系统都将再次启动一轮性能优化程序；

一轮调整后，系统氧浓度值满足医用氧浓度要求,程序将选取符合要求的ta值、tb值、Ps值及可控通气阀的开度值来运行，并在运行过程中，定时记录氧浓度值。

在本发明一个较佳实施例中，在运行过程中，实时监测系统的氧浓度，当出现氧浓度偏差大于阈值或达不到医用氧浓度要求时，a、先观察氧流量是否在额定要求范围内，若氧流量超出额定要求范围，则需手动或自动调整氧流量使其符合要求，然后继续检测系统氧浓度；b、若氧流量符合额定要求范围，系统继续启动性能自动优化程序。

本发明的有益效果是：本发明指出的一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法及系统，可以在使用过程中进行运行参数的优化，根据不同的系统性能状态自动选择最佳匹配的制氧参数，保证系统有稳定的氧浓度输出，延长使用寿命，降低低氧不良率问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法及系统一较佳实施例的结构示意图；

图2是图1中A分子筛罐和B分子筛罐的制氧过程各阶段的示意图；

图3是图1中控制阀进行A分子筛罐和B分子筛罐基于体系压力切换的制氧时序示意图；

图4是图1中可控通气阀进行A分子筛罐和B分子筛罐反向充压和冲洗的时序示意图；

图5是图4中可控通气阀在一个实施例中的时序示意图；

图6是本发明一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法中性能优化程序的逻辑示意图。

实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

对制氧系统而言，由于生产过程中其零件尺寸、装配工艺、灌装筛量等不可避免地存在差异，也就是说批量生产出来的制氧系统间存在性能差异是不可避免的。所以，要使每个制氧系统发挥出色的制氧性能，其运行参数必须“定制”。同时，随着系统工作时间的增加，各零件性能都会出现不同程度的衰减，此时通过参数间自动调节来适应不同时期的系统状态，会大大提升系统制氧能力，对延长系统寿命、减少市场低氧不良率具有十分重要的社会效益。

请参阅图1~图6，本发明实施例包括：

如图1所示的具有程序自适应功能的分子筛制氧系统，包括：微控制单元、储氧罐、A分子筛罐、B分子筛罐、控制阀和可控通气阀、压缩空气供应管道和空气压缩机，微控制单元上设置有氧浓度传感器和压力传感器，在本实施例中，储氧罐上设置有与压力传感器相连接的第一气管，进行压力监测。

在储氧罐的输出端设置有供氧管路，供氧管路上设置有流量检测调节阀，进行氧流量监测，供氧管路与氧浓度传感器之间设置有第二气管，进行氧浓度的监测，方便后续的优化，以提供符合医用氧浓度要求的氧气。微控制单元与流量检测调节阀相连接，方便进行流量监测与调节。

通过微控制单元分别与控制阀及可控通气阀相连接，并采用基于体系压力切换的制氧时序及性能优化程序，进行控制阀及可控通气阀的控制，压缩空气供应管道与控制阀的进气端口相连接，A分子筛罐和B分子筛罐的进气端分别与控制阀相连接，可控通气阀连接在A分子筛罐和B分子筛罐的出气端之间，A分子筛罐和B分子筛罐的出气端分别与储氧罐相连接，如图2和图3所示，通过控制阀和基于体系压力切换的制氧时序，进行A分子筛罐和B分子筛罐的切换。

将空气压缩机的出气口与压缩空气供应管道相连接，为控制阀提供原料气。空气压缩机持续工作，会产生升温问题，为了减少原料气温度变化带来的控制问题，在压缩空气供应管上串联设置有热交换器，热交换器一侧设置有风扇进行冷却，原料气高温时进行冷却，维护平稳的供气温度，使得供气的温度近似为定值。

此外，可以在可控通气阀中设置有常通微孔，或者在A分子筛罐与B分子筛罐的出气端之间设置有常通冲洗管，常通冲洗管中可以安装微孔芯子，常通微孔及微孔芯子的内径为0.3~1mm，进行A分子筛罐与B分子筛罐的交替常态清洗，而在本实施例中，可控通气阀的开度范围在1.6~10mm，通过可控通气阀的开度调节，进行清洗和反向充压的控制。

如图6所示的具有程序自适应功能的分子筛制氧方法，包括以下步骤：

微控制单元以程序默认的参数开机运行，通过氧浓度传感器和压力传感器监测系统输出的氧浓度和储氧罐压力，通过储氧罐压力监测，方便达到分子筛罐工作切换压力时进行切换，自动或者手动调整氧流量至额定要求范围；

通过控制阀和可控通气阀进行A分子筛罐与B分子筛罐的气路控制，交替实现A分子筛罐与B分子筛罐的制氧过程，如图2和图3所示，将制氧过程划分为以下四个阶段：

升压：A分子筛罐充压至吸附压力的过程，包含原料气对A分子筛罐充压，以及B分子筛罐对A分子筛罐的反向充压，设定反向充压的时间为tb；

吸附：原料气与A分子筛罐内的筛床充分接触，通过筛床吸附氮气，氧气从A分子筛罐的出气端流出至储氧罐；

解析：A分子筛罐加压至设定压力值后，进入降压解析的过程，包含A分子筛罐向大气排氮，A分子筛罐对B分子筛罐反向充压；

清洗：B分子筛罐中的氧气对A罐筛床进行冲洗，改善床层再生效果，设定冲洗的时间为ta；

同理，A分子筛罐升压和吸附的过程中，B分子筛罐进行解析和清洗，A分子筛罐解析和清洗的过程中，B分子筛罐进行升压和吸附，如此交替；

开机30分钟后，在额定氧流量条件下，微控制单元自动启动性能优化程序，如图4和图5所示，按既定步长调整可控通气阀开启的ta值及tb值，每个设定的ta、tb时间内通过微控制单元上的PWM输出电信号，逐步调整可控通气阀的开度，并记录每组参数所对应的氧浓度，直到系统氧浓度值达到医用氧浓度要求，或者选择任一系统氧浓度值高于医用氧浓度要求时对应的ta值、tb值及可控通气阀的开度值；

一轮调整后，若系统氧浓度值依然达不到医用氧浓度要求，系统将按既定步长自动调整体系切换压力，即Ps值，针对每一个调整后的Ps值，系统都将再次启动一轮性能优化程序；

一轮调整后，系统氧浓度值满足医用氧浓度要求,程序将选取符合要求的ta值、tb值、Ps值及可控通气阀的开度值来运行，并在运行过程中，每2个小时记录氧浓度值；

在运行过程中，实时监测系统的氧浓度，当出现氧浓度偏差大于阈值或达不到医用氧浓度要求时，a、先观察氧流量是否在额定要求范围内，若氧流量超出额定要求范围，则需手动或自动调整氧流量使其符合要求，然后继续检测系统氧浓度；b、若氧流量符合额定要求范围，系统继续启动性能自动优化程序。

实验测得：

采用普通不带性能优化程序的制氧系统，系统氧浓度为92%，而且当系统运行至2000小时后，氧浓度变得不稳定且开始下降；

采用本发明带有性能优化程序的制氧系统，系统氧浓度可以上升为94%，且运行至2000小时后，氧浓度数值仍然稳定，效果非常明显。

此外，A分子筛罐或B分子筛罐内分子筛性能下降时，可以相对划分为高性能罐和低性能罐，高性能罐产生的氧气浓度较高，低性能罐产生较的氧气浓度较低，此时，普通制氧系统总体上将表现为氧浓度不稳定。而且，当低性能罐产生的氧气浓度过低时，即使高性能罐仍产生较高浓度的氧气，普通制氧系统也将不得不由于氧浓度不合格而停用或报废。

而本发明带有性能优化程序的制氧系统，当任意一分子筛罐性能下降时，程序将通过调整可控通气阀的开启时间或开度，使得高性能罐向低性能罐内补入更多的氧气，而且升压效果也更好，于是，有了高性能罐的“帮助”，低性能罐也能轻松制得高浓度的氧气，从而保证系统在任一“加压吸附-降压解析”周期内均有稳定的较高浓度的氧气输出，也使得A分子筛罐或B分子筛罐的性能得以充分发挥，大大延长了罐内分子筛的使用寿命。

或者说当任意一分子筛罐性能下降时，程序将自动调整可控通气阀的ta值、tb值，以及体系切换压力Ps值，使得加压充气的分子筛罐中的氧气能高压快速地补入减压排气的分子筛罐中，使减压排气的分子筛罐中的氮气排放更高效、更彻底，从而使减压排气的分子筛罐在接下来的加压充气过程中的制氧效率更高，以此来保证系统有稳定的氧浓度输出，从而使A分子筛罐或B分子筛罐的性能充分发挥，分子筛的使用寿命得以大大延长。

综上，本发明指出的一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法及系统，对现有的分子筛制氧系统进行了优化，通过对氧气浓度和压力的监控，利用ta值、tb值、Ps值及可控通气阀的开度值等参数的调整，自动适应分子筛罐性能的下降，并确保较高浓度的氧气输出，延长了分子筛罐的使用寿命。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有程序自适应功能的分子筛制氧方法，其特征在于，包括以下步骤：

微控制单元以程序默认的参数开机运行，通过氧浓度传感器和压力传感器监测系统输出的氧浓度和储氧罐压力，自动或者手动调整氧流量至额定要求的范围；

通过控制阀和可控通气阀进行A分子筛罐与B分子筛罐的气路控制，交替实现A分子筛罐与B分子筛罐的制氧过程，将压缩空气供应管道与控制阀的进气端口相连接， A分子筛罐和B分子筛罐的进气端分别与控制阀相连接，可控通气阀连接在A分子筛罐和B分子筛罐的出气端之间， A分子筛罐和B分子筛罐的出气端分别与储氧罐相连接，将制氧过程划分为以下四个阶段：

升压：A分子筛罐充压至吸附压力的过程，包含原料气对A分子筛罐充压，以及B分子筛罐对A分子筛罐的反向充压，设定反向充压的时间为tb；

吸附：原料气与A分子筛罐内的筛床充分接触，通过筛床吸附氮气，氧气从A分子筛罐的出气端流出至储氧罐；

解析：A分子筛罐加压至设定压力值后，进入降压解析的过程，包含A分子筛罐向大气排氮，A分子筛罐对B分子筛罐反向充压；

清洗：B分子筛罐中的氧气对A罐筛床进行冲洗，改善床层再生效果，设定冲洗的时间为ta；

同理，A分子筛罐升压和吸附的过程中，B分子筛罐进行解析和清洗，A分子筛罐解析和清洗的过程中，B分子筛罐进行升压和吸附，如此交替；

开机数分钟后，在额定氧流量条件下，微控制单元自动启动性能优化程序，按既定步长调整可控通气阀开启的ta值及tb值，每个设定的ta、tb时间内通过微控制单元上的PWM输出电信号，逐步调整可控通气阀的开度，并记录每组参数所对应的氧浓度，直到系统氧浓度值达到医用氧浓度要求，或者选择任一系统氧浓度值高于医用氧浓度要求时对应的ta值、tb值及可控通气阀的开度值；

一轮调整后，若系统氧浓度值依然达不到医用氧浓度要求，系统将按既定步长自动调整体系切换压力，即Ps值，针对每一个调整后的Ps值，系统都将再次启动一轮性能优化程序；

一轮调整后，系统氧浓度值满足医用氧浓度要求,程序将选取符合要求的ta值、tb值、Ps值及可控通气阀的开度值来运行，并在运行过程中，定时记录氧浓度值。

2.根据权利要求1所述的具有程序自适应功能的分子筛制氧方法，其特征在于，还包括：在运行过程中，实时监测系统的氧浓度，当出现氧浓度偏差大于阈值或达不到医用氧浓度要求时，a、先观察氧流量是否在额定要求范围内，若氧流量超出额定要求范围，则需手动或自动调整氧流量使其符合要求，然后继续检测系统氧浓度；b、若氧流量符合额定要求范围，系统继续启动性能自动优化程序。

3.一种具有程序自适应功能的分子筛制氧系统，用于实现上述权利要求1~2任一所述的具有程序自适应功能的分子筛制氧方法，其特征在于，包括：微控制单元、储氧罐、A分子筛罐、B分子筛罐、控制阀和可控通气阀和压缩空气供应管道，所述微控制单元上设置有氧浓度传感器和压力传感器，所述微控制单元分别与控制阀及可控通气阀相连接，并采用基于体系压力切换的制氧时序及性能优化程序，进行控制阀及可控通气阀的控制，所述压缩空气供应管道与控制阀的进气端口相连接，所述A分子筛罐和B分子筛罐的进气端分别与控制阀相连接，所述可控通气阀连接在A分子筛罐和B分子筛罐的出气端之间，所述A分子筛罐和B分子筛罐的出气端分别与储氧罐相连接。

4.根据权利要求3所述的具有程序自适应功能的分子筛制氧系统，其特征在于，所述储氧罐上设置有与压力传感器相连接的第一气管。

5.根据权利要求3所述的具有程序自适应功能的分子筛制氧系统，其特征在于，所述储氧罐的输出端设置有供氧管路，所述供氧管路上设置有流量检测调节阀，所述供氧管路与氧浓度传感器之间设置有第二气管。

6.根据权利要求3所述的具有程序自适应功能的分子筛制氧系统，其特征在于，还包括空气压缩机，所述空气压缩机的出气口与压缩空气供应管道相连接。

7.根据权利要求6所述的具有程序自适应功能的分子筛制氧系统，其特征在于，所述压缩空气供应管上串联设置有热交换器。

8.根据权利要求7所述的具有程序自适应功能的分子筛制氧系统，其特征在于，所述热交换器一侧设置有风扇进行冷却。

9.根据权利要求3所述的具有程序自适应功能的分子筛制氧系统，其特征在于，所述可控通气阀中设置有常通微孔，或者在A分子筛罐与B分子筛罐的出气端之间设置有常通冲洗管。