口腔科供氣系統(tǒng)節(jié)能改造探討

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【摘要】口腔科供氣系統(tǒng)主要使用螺桿空壓機或活塞式空壓機，但不管哪一種機子，其運行方式多為定頻運行，空壓機在反復(fù)裝載和卸載之間運行，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性會有影響，更為重要的是這種工作方式將造成極大地能源浪費。為此，本文提出對口腔科供氣系統(tǒng)的空壓機進行變頻節(jié)能改造。

【關(guān)鍵詞】空壓機；變頻；節(jié)能

一、概述

隨著生活水平的提高，人們保健意識的也隨之逐漸加強，特別是改革開放以來，我國人民的物質(zhì)生活變得愈加豐富，為此我國人口的平均壽命也有顯著提升。然而，人們已經(jīng)開始意識到人的壽命雖然延長，而其咀嚼器官中最為主要的牙齒的耐用程度卻并沒有相應(yīng)地提高。近些年越來越多的人開始注重口腔健康，口腔醫(yī)學(xué)技術(shù)也在日新月異的發(fā)展。近來在我國隨處可見各類口腔專科醫(yī)院、口腔診所，其在數(shù)量與質(zhì)量上也有了長足的進步。然而不論大到一個口腔醫(yī)院，還是小到一個口腔診所，要想正常開展口腔診療業(yè)務(wù)都離不開其中一個核心動力元素---壓縮空氣（一般為0.5MPa）。那么壓縮空氣是如何成為口腔診療業(yè)務(wù)中的動力元素呢？首先我們通過一個流程圖簡單介紹下其工作情況：通過一臺空壓機工作產(chǎn)生低壓氣體，其中另外一臺為備用機，壓縮后的氣體經(jīng)過單向止回閥輸送到儲氣罐中，儲氣罐中保持壓力值在0.5-0.8MPa值之間。壓縮空氣從空壓機出來后進入氣罐,空氣可以在這里冷卻降溫,初步析出空氣中的油、水等雜質(zhì)。由于醫(yī)療行業(yè)的特殊性，所選用的空壓機大多為醫(yī)療級的無油空壓機。因為排出的壓縮空氣溫度很高,使空氣中的水分、油分與灰塵混合,形成了水汽、油氣和灰塵等混合雜質(zhì)，所以儲氣罐出來的氣體需經(jīng)過一個油水過濾器。壓縮空氣從氣罐出來進入油水過濾器,油水過濾器精密的濾芯濾去大部分空氣中的油、水及塵埃。經(jīng)油水過濾器過濾后的氣體經(jīng)單向止回閥進入冷干機，冷凍干燥機可以將流過的溫度低于80℃,壓力小于1MPa的壓縮空氣的溫度降至0～10℃,從而使壓縮空氣的油霧和水分達到飽和,絕大部分分離出并凝成水滴和油滴,經(jīng)機內(nèi)的排水器排出。冷凍干燥機出來的氣體再次經(jīng)過一個精密過濾器，除去直徑>0.01μm的塵埃及濃度>0.01ppm的油滴。從二級過濾器過濾后出來的氣體相對較為純凈，經(jīng)院內(nèi)預(yù)設(shè)的管網(wǎng)將氣體送到各個科室的口腔綜合治療椅，即平時所說的牙椅。牙椅再通過設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜的管路將氣體定量的輸送到各個牙科設(shè)備終端，如高速渦輪手機、低速馬達手機、三用氣槍等。而高速手機或馬達手機的轉(zhuǎn)速又是由供氣壓力決定的，為此，維持管道壓力的穩(wěn)定性對高速渦輪手機能否正常使用至關(guān)重要。鑒于壓縮空氣對口腔診療的重要性，空壓機運行的穩(wěn)定性對口腔業(yè)務(wù)正常開展起著舉足輕重的作用。因此，如何讓空壓機平穩(wěn)、高效、低能耗、長時間運行成為了醫(yī)療設(shè)備維護人員的日常工作關(guān)注的重點。為此，對口腔科大多數(shù)供氣系統(tǒng)進行節(jié)能改造具有重大的意義。

二、節(jié)能改造的方式

1、集中控制方式。多臺空壓機組工作時可用集中控制方式運行，空壓機開啟臺數(shù)根據(jù)負荷波動進行調(diào)整，而不是改造前工作臺數(shù)固定不變的。當(dāng)氣體需求量降低到一定程度，空壓機會自行減少加載時間以降低產(chǎn)氣量。若氣體需求了進一步減少，自動化程度高的機型便會自動停止運行。在這種工作模式下，空壓機即使在卸載情況下，也會繼續(xù)消耗電能。通過集中控制改造后，便會根據(jù)負載變化停止相應(yīng)數(shù)量的機子運轉(zhuǎn)，運轉(zhuǎn)機子數(shù)量的減少，耗電量自然也就隨之降低了，進而達到節(jié)能的作用。2、空壓機熱能回收的方式。空壓機在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量的熱能，熱能通過熱交換器把熱量傳導(dǎo)到冷卻水中，冷卻水被加熱后流到保溫儲油桶中，這樣就達到熱能的回收目的。熱能回收裝置的出水溫度被控制在根據(jù)不同需要而設(shè)置的合適范圍內(nèi)，比如用于取暖、洗澡等職工生活需求。3、采用變頻調(diào)速方式。變頻調(diào)速方式是降低空壓機的軸功率輸出，改造之前，空壓機出口壓力達到預(yù)設(shè)值，就會自行卸載；經(jīng)過變頻改造，空壓機沒有卸載，而是通過降低電機轉(zhuǎn)速減少出氣量，以達到維持管網(wǎng)壓力的目的。改造后有兩個方面節(jié)能：1、電機運行至工頻以下，電機軸輸出功率也降低了。2、減少了空壓機從卸載到加載這一突變過程產(chǎn)生的電能消耗。結(jié)合我院實際情況，集中控制和空壓機熱能回收的這兩種節(jié)能方式都不是很適用。因為我院規(guī)模的限制，正常工作時，只需啟動一臺產(chǎn)氣量為3m3/min空壓機就可滿足日常需要。出于安全考慮，采用一用一備的工作模式，兩臺機組輪流開機使用，所以集中控制方式不適用于我院供氣系統(tǒng)。我院可利用空間有限，外加地處我國東南沿海地區(qū)，現(xiàn)有的職工宿舍區(qū)前期并未鋪設(shè)供暖管網(wǎng)。此外，熱能回收裝置也需要一定的空間區(qū)域，在現(xiàn)有本就緊湊的機房里的確難覓空間，很難安放。為此，最終選擇變頻調(diào)速方式進行節(jié)能改造。

三、變頻控制原理

對電機的變頻控制方式有多種多樣，比如V/F開環(huán)控制、PID閉環(huán)控制、無PG矢量控制、PG矢量控制、力矩控制等。由于就診患者的隨機性，造成管道的用氣量不確定性，進而造成空壓機的負荷不穩(wěn)定，對比各自變頻控制方式的優(yōu)缺點，口腔科供氣系統(tǒng)宜采用PID閉環(huán)控制算法，控制對象為管道壓力，控制方式為通過調(diào)整電機運行頻率，達到改變電機轉(zhuǎn)速，進而達到控制輸出壓力。由于口腔科供氣管路所需的工作壓力為0.5Mpa，故可選用工作范圍為0-1Mpa的壓力變送器，變送器輸出信號為4-20mA的電流型號。通過PLC模擬量輸入端，經(jīng)過PID計算，在PLC輸出端輸出0-5V的電壓信號，進而將該型號傳送給變頻器。變頻器隨之做出變頻判斷，最終達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。

四、變頻改造節(jié)能效果

與傳統(tǒng)定頻空壓機工作原理不同，變頻空壓機是以監(jiān)測輸出壓力來時刻調(diào)整工作頻率，進而達到調(diào)整轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)恒壓供氣目的。由于流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，所以才采用變頻控制器控制轉(zhuǎn)速就能到達節(jié)能的作用，由公式1-1可知：電機在80%轉(zhuǎn)速下，扣除電機銅損、鐵損及機械損耗外，節(jié)能效率在40%；40%轉(zhuǎn)速下，電機能耗為6.4%，扣除電機自身損耗，節(jié)能效率幾乎可忽略不計。所以，調(diào)速是節(jié)能的本質(zhì)所在，但并非轉(zhuǎn)速越低越好。同時，空壓機不允許在低頻狀態(tài)下長時間運轉(zhuǎn)，因為轉(zhuǎn)速太低，電機工作的穩(wěn)定性不佳，容易引起電機燒毀，正常情況下非變頻電機的變頻下限20-25Hz為宜。

五、結(jié)束語

在空壓機運行的生命周期中，費用開支最大的一塊就是電能消耗，它占到了總費用的77%，維護費用占到了18%，而設(shè)備的采購成本僅占5%。為此，口腔科供氣系統(tǒng)在配置空壓機設(shè)備時，盡可能的用帶有變頻功能空壓機。如果供氣系統(tǒng)較為落后，可考慮全套更換或進行節(jié)能改造，使空壓機在變頻的方式下進行工作。尤其是在各行各業(yè)都提倡節(jié)能減排的大環(huán)境下，如何對自己所從事的工作提出具有針對性的節(jié)能減排方案，提高能源利用率，具有極其重要和深遠的意義。

作者：許華敏 單位：福建醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院